CN116175575A - 受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，涉及增材再制造技术领域，解决了空间受限的条件下增材修复时焊枪易与零件既有形貌发生干涉、需要根据实际情况变换位姿以提高成形质量的问题的技术问题，其技术方案要点是S1：获取缺损零件模型表面三维点云数据和修复路径；S2：在修复路径上选取若干采样点，计算每一采样点位置堆积姿态可达区间；S3：根据工艺要求计算采样点位置焊枪最佳姿态；S4：判断最佳姿态是否位于可达区间内，若否则在可达区间内选取最接近最佳姿态的方向。解决了受限空间条件下增材修复过程中焊枪易与零件既有形貌干涉的问题，提高了增材修复的成形质量和自动化水平。

Description

受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法

技术领域

本申请涉及增材再制造技术领域，尤其涉及一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法。

背景技术

现代工业与国防对装备的依赖程度较高，在某些工况下需要对相关装备的受损零件进行现场修复。增材再制造技术可用于损伤零件的现场修复，使装备快速恢复作业能力，具有较大重要的军事和经济意义。目前增材再制造技术根据损伤零件既有形貌进行增材，需考虑损伤零件的既有形貌，焊枪运动轨迹规划不仅需考虑与零件既有形貌发生干涉，还需要根据局部形貌和损伤特征变换堆积姿态以保证成形质量。

虽然目前电弧增材修复研究广泛，但针对损伤零件增材修复轨迹规划的研究尚不充分，没有适用于复杂形貌的轨迹规划算法。

针对上述问题，名为《车用锻模型腔电弧熔丝随形增材成形特性与轨迹规划研究》的文章中提出了基于聚类算法的复杂曲面的离散分块和全局等高轨迹规划方法，修复过程中焊枪在复杂曲面上始终保持横焊姿态；名为《基于机器人的电弧增材再制造路径规划研究》的文章中提出并开发了再制造过程的路径规划算法。现有研究未考虑在空间受限的条件下焊枪需要变换位姿以保证成形质量的问题。

申请号为CN202210148211.4的中国发明专利公开了一种物件缺损智能增材修复系统及方法，通过获取待修复物件的三维网格模型，利用三维修复轨迹规划算法生成修复轨迹，未考虑空间约束条件下焊枪与零件既有形貌发生干涉的问题，没有针对局部形貌生成最佳姿态。

综上，现有相关文献尚未解决空间受限的条件下增材修复焊枪易与零件既有形貌发生干涉、需要根据实际情况变换位姿以提高成形质量等问题。

发明内容

本申请提供了一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，其技术目的是解决空间受限条件下增材修复时焊枪易与零件既有形貌发生干涉、需要根据实际情况变换位姿以提高成形质量的问题。

本申请的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，包括：

S1：获取缺损零件模型表面的三维点云数据和修复路径；

S2：在修复路径上选取若干采样点，对每个采样点位置焊枪堆积姿态的可达区间进行计算；

S3：根据工艺要求对采样点位置焊枪的最佳姿态进行计算；

S4：对最佳姿态是否位于可达区间内进行判断，若是则该最佳姿态即为焊枪姿态，若否则在可达区间内选取最接近最佳姿态的方向作为焊枪姿态；

S5：重复步骤S3至S4直至所有采样点的焊枪姿态规划完成。

进一步地，所述步骤S2中，将修复路径表示为采样点集合P＝{O₁，O₂，O₃，...，O_n}，根据获取的三维点云数据，则任意采样点O_i位置处的空间曲面法向量表示为：Vert_i＝(F_i，x，F_i，y，F_i，z)；根据空间曲面法向量Vert_i和竖直方向z轴确定竖直平面U_i，则竖直平面U_i表示为：-(F_i，y/F_i，x)x+y＝0；获取竖直平面U_i与损伤零件模型的交线A_iO_iB_i，则交线A_iO_iB_i之间的角度区间即为可达区间；其中，i∈[1，n]。

进一步地，所述采样点O_i的空间曲面法向量的计算包括：

对采样点O_i附近的点进行选取，表示为(x_ij，y_ij，z_ij)，令：

A_i＝X_i ^TX_i，B_i＝X_i ^TZ_i；

β_i＝A_i ^-1B_i；

则空间曲面法向量Vert_i表示为：Vert_i＝(b_i1，b_i2，-1)。

进一步地，步骤S2中，可达区间的计算包括：

对位于竖直平面U_i上的三维点云数据集合进行获取，表示为：Q＝{q₁，q₂，q₃，...，q_n}；

对集合Q中所有点与采样点O_i连线的斜率进行计算，表示为：

根据斜率k_j最终得到点A_i和点B_i，表示为：

其中，(q_j，x，q_j，y，q_j，z)表示点q_i′的x、y、z坐标；(O_i，x，O_i，y，O_i，z)表示采样点O_i的x、y、z坐标；i′，j，j′∈[1，n]；

以采样点O_i所在水平面为基准，焊枪姿态偏向上方的角度为正、偏向下方的角度为负，对在交线A_iO_iB_i范围内焊枪实际可堆积角度的上限θ_i和下限

进行计算，则θ_i和/>

之间的角度空间即为可达区间。

进一步地，所述步骤S3中，对在交线A_iO_iB_i范围内焊枪实际可堆积角度的上限θ_i和下限

分别对应的方向/>

进行计算，则在/>

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之间的方向即为采样点位置焊枪的最佳姿态。

进一步地，所述步骤S4包括：对采样点位置焊枪的最佳姿态G_i与采样点空间曲面法向量Vert_i的夹角δ_i进行计算，根据δ_i对最佳姿态G_i是否位于可达区间内进行判断，从而确定焊枪姿态G_opti，则焊枪姿态G_opti表示为：

本申请的有益效果在于：本申请提供了一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，解决了空间受限的条件下增材修复焊枪易与零件既有形貌发生干涉、需要根据实际情况变换位姿以提高成形质量的问题，提高了增材修复技术的自动化程度和成形质量，推动了增材再制造技术应用于现代工业、军事领域的进程。

附图说明

图1为本申请所述的焊枪姿态规划方法流程图；

图2为本申请中采样点位置焊枪堆积姿态可达区间的计算方法示意图；

图3为本申请实施例中损伤零件模型的三维点云数据及修复路径示意图；

图4为本申请实施例中损伤零件模型修复路径上采样点位置焊枪堆积姿态的可达区间求解示意图；

图5为本申请实施例中增材修复焊枪姿态计算结果模拟图。

具体实施方式

下面将结合附图对本申请技术方案进行详细说明。

如图1所示，本申请所述的一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，包括：

S1：获取缺损零件模型表面的三维点云数据和修复路径；

S2：在修复路径上选取若干采样点，对每个采样点位置焊枪堆积姿态的可达区间进行计算；

S3：根据工艺要求对采样点位置焊枪的最佳姿态进行计算；

S4：对最佳姿态是否位于可达区间内进行判断，若是则该最佳姿态即为焊枪姿态，若否则在可达区间内选取最接近最佳姿态的方向作为焊枪姿态；

S5：重复步骤S3至S4直至所有采样点的焊枪姿态规划完成。

参见图2，所述步骤S2中，将修复路径表示为采样点集合P＝{O₁，0₂，0₃，...，O_n}，根据获取的三维点云数据，则任意采样点O_i位置处的空间曲面法向量表示为：Vert_i＝(F_i，x，F_i，y，F_i，z)；根据空间曲面法向量Vert_i和竖直方向z轴确定竖直平面U_i，则竖直平面U_i表示为：-(F_i，y/F_i，x)x+y＝0；获取竖直平面U_i与损伤零件模型的交线A_iO_iB_i，则交线A_iO_iB_i之间的角度区间即为可达区间；其中，i∈[1，n]。

对采样点O_i位置处的空间曲面法向量进行计算，对采样点O_i附近的一系列点进行选取，表示为(x_ij，y_ij，z_ij)，令：

A_i＝X_i ^TX_i，B_i＝X_i ^TZ_i；

β_i＝A_i ^-1B_i；

则空间曲面法向量Vert_i表示为：Vert_i＝(b_i1，b_i2，-1)。

作为具体实施例地，对交线A_iO_iB_i和焊枪实际可堆积角度范围即可达区间进行计算，包括：对位于竖直平面U_i上或U_i两侧小范围(该小范围根据点云密度和焊枪尺寸确定)的三维点云数据集合进行获取，表示为：Q＝{q₁，q₂，q₃，...，q_n}。对集合Q中所有点与采样点O_i连线的斜率进行计算，表示为：

根据斜率k_j最终得到点A_i和点B_i，表示为：

其中，(q_j，x，q_j，y，q_j，z)表示点q_i′的x、y、z坐标；(O_i，x，O_i，y，O_i，z)表示采样点O_i的x、y、z坐标；i′，j，j′∈[1，n]。

以采样点O_i所在水平面为基准，焊枪姿态偏向上方的角度为正、偏向下方的角度为负，对在交线A_iO_iB_i范围内焊枪实际可堆积角度的上限θ_i和下限

进行计算，则θ_i和/>

之间的角度空间即为可达区间。

步骤S3中，对θ_i和

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之间的方向即为采样点位置焊枪的最佳姿态。

作为具体实施例地，所述步骤S4包括：对采样点位置焊枪的最佳姿态G_i与采样点空间曲面法向量Vert_i的夹角δ_i进行计算，根据δ_i对最佳姿态G_i是否位于可达区间内进行判断，从而确定焊枪姿态G_opti，则焊枪姿态G_opti表示为：

以下以具体实例进一步说明本申请所述的一种受限空间增材修复焊枪姿态计算方法及焊枪姿态计算结果的有效性。

实例1：本实例的一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，应用于如图3所示的损伤零件修复，图4为该损伤零件模型的三维点云数据及修复路径示意图。

该增材修复的焊枪姿态规划方法具体步骤为：

(1)读取待修复零件的三维点云数据和修复路径，本实施例中的修复路径如图4所示，修复路径总长为125mm，距离零件表面2mm。

(2)在修复轨迹上间隔5mm等距选取采样点，共26个采样点，计算每一采样点位置堆积姿态可达区间。图4为某一特定采样点焊枪位置姿态可达区间的计算方法示意图。在该采样点周围10mm*10mm*10mm的范围内选取32个点计算该位置空间曲面法向量，并求解位置姿态可达区间。

(3)计算发现

故选取焊枪最佳姿态作为该点最终焊枪姿态，接着继续计算下一采样点焊枪姿态，直至计算完所有采样点。/>

通过本实施例的算法进行增材修复焊枪姿态规划，得出的最终修复轨迹焊枪姿态如图5所示。

可以看出本实施例增材修复焊枪姿态计算所得的结果能够允许增材修复过程中焊枪在空间受限的条件下变换位姿以达到最佳施焊姿态并提高成形质量的需求。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种受限空间增材修复的焊枪姿态规划方法，其特征在于，包括：

S1：获取缺损零件模型表面的三维点云数据和修复路径；

S2：在修复路径上选取若干采样点，对每个采样点位置焊枪堆积姿态的可达区间进行计算；

S3：根据工艺要求对采样点位置焊枪的最佳姿态进行计算；

S4：对最佳姿态是否位于可达区间内进行判断，若是则该最佳姿态即为焊枪姿态，若否则在可达区间内选取最接近最佳姿态的方向作为焊枪姿态；

S5：重复步骤S3至S4直至所有采样点的焊枪姿态规划完成。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将修复路径表示为采样点集合P＝{O₁，O₂，O₃，...，O_n}，根据获取的三维点云数据，则任意采样点O_i位置处的空间曲面法向量表示为：Vert_i＝(F_i，x，F_i，y，F_i，z)；根据空间曲面法向量Vert_i和竖直方向z轴确定竖直平面U_i，则竖直平面U_i表示为：-(F_i，y/F_i，x)x+y＝0；获取竖直平面U_i与损伤零件模型的交线A_iO_iB_i，则交线A_iO_iB_i之间的角度区间即为可达区间；其中，i∈[1，n]。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述采样点O_i的空间曲面法向量的计算包括：

对采样点O_i附近的点进行选取，表示为(x_ij，y_ij，z_ij)，令：

β_i＝A_i ^-1B_i；

则空间曲面法向量Vert_i表示为：Vert_i＝(b_i1，b_i2，-1)。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，步骤S2中，可达区间的计算包括：

对位于竖直平面U_i上的三维点云数据集合进行获取，表示为：Q＝{q₁，q₂，q₃，...，q_n}；

对集合Q中所有点与采样点O_i连线的斜率进行计算，表示为：

根据斜率k_j最终得到点A_i和点B_i，表示为：

其中，(q_j，x，q_j，y，q_j，z)表示点q_i′的x、y、z坐标；(O_i，x，O_i，y，O_i，z)表示采样点O_i的x、y、z坐标；i′，j，j′∈[1，n]；

以采样点O_i所在水平面为基准，焊枪姿态偏向上方的角度为正、偏向下方的角度为负，对在交线A_iO_iB_i范围内焊枪实际可堆积角度的上限θ_i和下限

进行计算，则θ_i和/>

之间的角度空间即为可达区间。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，所述步骤S3中，对在交线A_iO_iB_i范围内焊枪实际可堆积角度的上限θ_i和下限

分别对应的方向/>

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之间的方向即为采样点位置焊枪的最佳姿态。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述步骤S4包括：对采样点位置焊枪的最佳姿态G_i与采样点空间曲面法向量Vert_i的夹角δ_i进行计算，根据δ_i对最佳姿态G_i是否位于可达区间内进行判断，从而确定焊枪姿态G_opti，则焊枪姿态G_opti表示为：

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