CN111859577A - 一种激光增材修复的直接分层方法 - Google Patents

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杜秋满
岳航宇
耿辉
刘彬
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Abstract

本发明公开了一种激光增材修复的直接分层方法，包括以下步骤：1)获取待修复零件的点云数据，得到STL模型文件；2)逆向建模得到STEP模型文件；3)建立缺陷区域模型；4)确定分层高度，进行等厚分层。本发明的直接分层方法，对STL模型进行逆向建模，获得可以直接使用的STEP实体模型文件，改变了三维扫描设备获得的STL模型无法用于激光增材修复系统的现状，实现对复杂零件的自动化修复。

Description

一种激光增材修复的直接分层方法
技术领域
本发明涉及激光增材修复领域，具体涉及一种激光增材修复的直接分层方法。
背景技术
激光增材修复作为一种高效的再制造成形技术，已经被应用于多种不同类型的零部件的修复实践中。但是金属零件品种多样,损伤形式多样,人工修复复杂的零件不仅效率低下,而且无法保证最终的成型精度。为了提高复杂零件的修复效率，使用三维扫描设备获取零件的三维模型，再输入到激光增材修复系统实现自动化的快速表面修复。
但是目前三维扫描设备最终得到的模型是STL文件，而STL格式是用三角形网格来表现的3DCAD模型，由于其并非实体模型，所以无法直接应用于激光增材修复系统。
发明内容
针对上述现有技术中无法使用STL文件的不足，本发明旨在提供一种激光增材修复的直接分层方法，对STL文件进行逆向工程，获得STEP实体模型文件，并对其进行直接分层，使其可以用于激光修复系统，提高复杂零件的修复效率。
为解决上述目的，本发明采用的技术方案是：一种激光增材修复的直接分层方法，包括以下步骤：
1 )获取待修复零件的点云数据，得到STL模型文件；
2 )逆向建模得到STEP模型文件；
3 )建立缺陷区域模型；
4)确定分层高度，进行等厚分层。
所述步骤1)具体包括：通过3D图像扫描设备扫描待修复的零件，获取其在扫描设备坐标系下的点云数据。
所述步骤2)具体包括：2-1)获取图像扫描仪得到的点云数据，由该点云数据生成包含缺陷区域在内的STL格式的曲面模型M1；
2-2)对M1进行网格修复、边界修补、平滑曲面片，得到M2；
2-3)使用3点对齐的方式，在M2上沿着表面缺陷区域的平面放置控制点，直至有三个点形成一个平面C；
2-4)通过移动平面C将M2切分为两部分，一部分是不存在表面缺陷的曲面，另一部分是仅包含了表面缺陷部分的曲面；
2-5)使用平面截取的方式，获取仅包含了缺陷部分的曲面M3，舍去完好的曲面，重复此步骤，去除完好的曲面，并封闭相交面；
2-6)探测M3曲面的轮廓线，对探测到的轮廓线进行手动编辑以获得完整模版形状；
2-7）根据轮廓线拟合曲面得到CAD实体模型，即包含缺陷部位的STEP模型文件。
所述步骤2-7)具体包括：
2-7-1)拟合曲面之前先检查轮廓线之间是否相交，若轮廓线相交就无法实现拟合；2-7-2)在曲率变化均匀的地方构造曲面片，这样拟合曲面时就能够还原模型的特征，从而降低拟合误差；2-7-3)在划分曲面片时，首先将模型分割成几个面积较大的区域，再依据最终的曲面片数量，在这些大区域分割成小曲面片以改善曲面片分布结构。
所述步骤3)具体包括：对得到的包含缺陷部位的STEP模型SB与完整的零件模型SA进行布尔差运算，建立缺陷部位的模型，具体为：修改坐标系，使完整的模型与缺陷模型处于同一坐标下，布尔差运算是指从SA中删除SB的部分，剩下的即为缺陷部位的模型。
所述步骤4)具体包括：4-1)读取STEP模型文件，；4-2)确定分层方向并设定分层厚度；4-3)分层平面增加一个层厚的高度d，重复上面两步直到分层平面到达STEP模型的最大值为止。
所述步骤4-2)具体包括：4-2-1) 设置为Z轴为分层切片方向；4-2-2)对零件分层，指定分层厚度。
所述步骤4-3)具体为： 4-3-1)将模型最高点表示为H，假设当前高度为Z； 4-3-2)读取STEP模型文件,根据实际的工艺参数确定分层高度为d，若Z≤H，则Z＝Z+d，重复上述步骤4-3-2)，直至Z＞H，结束处理。
与现有技术比较，本发明的有益效果是：一种激光增材修复的直接分层方法，对初步获得的STL模型进行逆向建模，获得STEP实体模型文件，使通过三维扫描设备获取的模型文件能够用于激光增材修复系统，实现自动化修复零件，提高了对多样化复杂零件的修复效率。
附图说明
图1为本发明的实施例中轴类零件缺陷部位模型的等厚分层图；
图2为本次实例中对三维扫描的结果进行逆向工程得到的STEP模型；
图3为本发明的一种激光增材修复的直接分层方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明进一步说明。
如图1所述，以轴类零件表面缺陷部位为例，本次实例中采用等厚分层方法，横线为分层线，分层方向是Z轴。
如图3所示的实施例是一种激光增材修复的直接分层方法的流程图，包括如下步骤：
1 )利用三维光学扫描仪获取轴类零件的点云数据，得到STL模型文件
2 )通过Geomagic studio逆向工程软件对STL模型进行表面降噪处理，并逆向建模，获得实体模型：
2-1)获取图像扫描仪得到的点云数据，由该点云数据生成包含缺陷区域在内的STL格式的零件模型M1，对M1进行网格修复、平滑曲面片，得到M2；
2-2)使用3点对齐的方式形成一个平面C，移动平面C将M2切分为两部分，舍去完好的部分，封闭剩下零件模型的相交面，重复此步骤，减少完好的模型，提高计算速度；
2-3)探测带有缺陷部位的零件模型的轮廓线，观察到轮廓线之间不存在相交的地方，对探测到的轮廓线进行手动编辑以获得完整模版形状，在曲率变化均匀的地方构造曲面片，将模型分割成4个面积较大的区域，最终得到7个曲面片，最后把大区域分割成小曲面片以改善曲面片分布结构。此时可得到包含缺陷部位的STEP实体模型。
3 )建立缺陷区域模型：
对得到的包含缺陷部位的STEP模型SB与完整的零件模型SA进行布尔差运算，建立缺陷部位的模型，首先修改坐标系，使SA和SB处于同一坐标系下，布尔运算：SA-SB，得到轴类零件缺陷部位的模型。
4)设置Z轴为分层方向，指定分层厚度：
4-1)本实例中待修复模型的厚度是3mm，使用的激光修复设备在功率为600W、扫描速度为1.2m/min、送粉量为3.4g/min时，单层的厚度是0.3mm，于是把每一层的厚度设置为0.3mm，以Z轴的正方向为分层方向，把缺陷部位等厚分成10层；
4-2)把最低点的高度设为0，最高点高度为3mm，当修复的高度大于3mm时完成修复。
在本次实例中，使用上述的方法，获得了可直接使用的STEP实体模型，对其进行等厚分层并将分层结果输入激光增彩修复系统，完成了轴类零件的修复。此实例仅是本发明的应用之一，不仅限于轴类零件，本发明还可用于其他复杂零件的激光修复。

Claims (8)

1.一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于包括以下步骤：
1 )获取待修复零件的点云数据，得到STL模型文件；
2 )逆向建模得到STEP模型文件；
3 )建立缺陷区域模型；
4)确定分层高度，进行等厚分层。
2.根据权利要求1所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤1)具体包括：通过3D图像扫描设备扫描待修复的零件，获取其在扫描设备坐标系下的点云数据。
3.根据权利要求2所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤2)具体包括：
2-1)获取图像扫描仪得到的点云数据，由该点云数据生成包含缺陷区域在内的STL格式的曲面模型M1；
2-2)对M1进行网格修复、边界修补、平滑曲面片，得到M2；
2-3)使用3点对齐的方式，在M2上沿着表面缺陷区域的平面放置控制点，直至有三个点形成一个平面C；
2-4)通过移动平面C将M2切分为两部分，一部分是不存在表面缺陷的曲面，另一部分是仅包含了表面缺陷部分的曲面；
2-5)使用平面截取的方式，获取仅包含了缺陷部分的曲面M3，舍去完好的曲面，重复此步骤，去除完好的曲面，并封闭相交面；
2-6)探测M3曲面的轮廓线，对探测到的轮廓线进行手动编辑以获得完整模版形状；
2-7）根据轮廓线拟合曲面得到CAD实体模型，即包含缺陷部位的STEP模型文件。
4.根据权利要求3所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤2-7具体为：
2-7-1)拟合曲面之前先检查轮廓线之间是否相交，若轮廓线相交就无法实现拟合；2-7-2)在曲率变化均匀的地方构造曲面片；2-7-3)在划分曲面片时，首先将模型分割成几个面积较大的区域，再依据最终的曲面片数量，在这些大区域分割成小曲面片以改善曲面片分布结构。
5.根据权利要求4所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤3)中对得到的包含缺陷部位的STEP模型SB与完整的零件模型SA进行布尔差运算，建立缺陷部位的模型，具体为：修改坐标系，使完整的模型与缺陷模型处于同一坐标下，布尔差运算是指从SA中删除SB的部分，剩下的即为缺陷部位的模型。
6.根据权利要求5所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤4)具体包括：4-1)读取STEP模型文件；4-2)确定分层方向并设定分层厚度；4-3)分层平面增加一个层厚的高度d，重复上面两步直到分层平面到达STEP模型的最大值为止。
7.根据权利要求6所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，所述步骤4-2)具体包括：4-2-1) 设置Z轴为分层切片方向；4-2-2)对零件分层，指定分层厚度。
8.根据权利要求7所述的一种激光增材修复的直接分层方法，其特征在于，步骤4-3)具体为： 4-3-1)将模型最高点表示为H，假设当前高度为Z； 4-3-2)读取STEP模型文件,根据实际的工艺参数确定分层高度d，若Z≤H，则Z＝Z+d，重复上述步骤4-3-2)，直至Z＞H，结束处理。
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