CN116373304A - 一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法 - Google Patents

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CN116373304A CN202211679051.2A CN202211679051A CN116373304A CN 116373304 A CN116373304 A CN 116373304A CN 202211679051 A CN202211679051 A CN 202211679051A CN 116373304 A CN116373304 A CN 116373304A
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李亚敏
杨昀
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Abstract

本发明公开了一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，本发明针对服役过程中复合材料构件出现的服役损伤，直接对扫描获得的三维点云数据进行分析处理，B样条曲面参数化拟合B样条基面，经过法向分层、面内路径规划、分层投影获取各待填充层的修复路径后，输出打印路径线间距和打印路径点间距均固定的修复路径，该路径规划方法摒弃了重构损伤修复区域三维模型的常规步骤，直接对点云数据处理，输出最佳工艺参数下的修复路径，该路径规划方法的可靠性更高、构件的修复效果更好。

Description

一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法
技术领域
本发明涉及增材制造技术领域，具体的说是一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法。
背景技术
随着复合材料在航空航天领域的应用日益广泛，复合材料及其构件在使用过程中的损伤或(局部)破坏已不可避免，针对飞机复合材料结构件分层、鼓包、凹坑等结构损伤造成承力结构性能大幅下降，影响复材服役件性能，制约飞行器发挥，现役飞行器具的外场快速修复矛盾日益突出，而传统的挖补-拼接修复方式存在修复界面强度低、界面匹配性能差、热固化处理过程复杂等技术瓶颈。
因此采用纤维增强高性能热固树脂基复合材料作为增材制造原材料，利用机器人增材制造热固工艺平台进行原位修复是一种非常高效的修复方式，该方式大大缩短打印时间，更好的匹配了损伤修复件的服役性能。而使用3d打印技术必然需要合适的打印路径规划算法，现有规划算法的一般流程如下，输入三维模型后进行分层切片处理，获取层面信息之后在每层进行面内路径规划，可以看出传统的3D打印离不开三维模型的构建。而利用3D打印技术进行原位修复，修复时一般无法直接获取损伤构件的三维模型，所以要采用激光扫描设备获取损伤件重构信息，作为机器人原位修复的原始输入。而现有的重构算法并不能将扫描的构件原原本本的拟合出来，因此面向机器人原位修复，亟需设计一种直接分析处理扫描获取的重构信息的路径规划算法，实现分层切片、面内填充一步式设计。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，本发明针对服役过程中复合材料构件出现的服役损伤，直接对扫描获得的三维点云数据进行分析处理，B样条曲面参数化拟合B样条基面，经过法向分层、面内路径规划、分层投影获取各待填充层的修复路径后，输出打印路径线间距和打印路径点间距均固定的修复路径，该路径规划方法摒弃了重构损伤修复区域三维模型的常规步骤，直接对点云数据处理，输出最佳工艺参数下的修复路径，该路径规划方法的可靠性更高、构件的修复效果更好。
为了实现上述目的，本发明采用的具体方案为：
一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，主要包括如下步骤：
1）、利用无损检测技术和三维扫描技术提取原始损伤件的损伤特征，数字化三维重构后划定构件损伤区域；
2）、利用多轴机器人一体化平台对损伤区域进行挖除处理，得到待修复凹坑；
3）、使用三维激光扫描仪采集待修复凹坑的修复界面的原始三维点云；
4）、对原始三维点云数据进行去噪处理，得到再处理三维点云，根据再处理三维点云数据，基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法拟合出B样条基面方程；
5）、将拟合得到的B样条基面方程，按照标准矩形域进行等距网格划分，将每个网格点代入B样条基面方程从而得到对应矩形域上的曲面网格信息，所述曲面网格信息的形状与待修复凹坑开口处相匹配、面积略大于待修复凹坑的开口面积；根据打印线宽和打印工艺确定分层高度h，将该曲面网格信息作为切面，按照分层高度将原始三维点云沿法向划分为n个待填充层，同时能够得到n个待填充层的外围轮廓数据；
6）、令打印路径线间距为c，打印路径点间距为s，利用步骤4）中建立的B样条曲面方程，可以在曲面网格信息上获取线间距为c、点间距为s的基面打印路径栅格点；
7）、将步骤5）得到的若干待填充层的外围轮廓数据和步骤6）得到的基面打印路径栅格点输入至路径规划软件中，令由第i待填充层的外围轮廓数据围成的填充区域为Di，n≥i≥1，将基面打印路径栅格点依次向Di区域投影，并分别保留基面打印路径栅格点中落入Di区域内部的点值，将落入Di区域内部的点值按顺序连接，即得到第i待填充层内的修复路径；其中，各个待填充层内的修复路径的线间距为c，点间距为s；
8）、使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对得到的各个待填充层内的修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到各个待填充层内最佳工艺参数下的修复路径。
进一步地，步骤4）中，基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法拟合出B样条基面方程的具体方法为：
预设拟合所需的控制点Pij的数目为(m+1)*(n+1)个以及B样条曲面阶数p，q，通过再处理三维点云与相邻拟合点之间的欧式距离确立损失函数，利用B样条曲面公式建立优化的目标函数，推导出目标函数关于B样条控制点的梯度信息，利用遗传算法选取合适的优化初值进行目标函数的寻优，逐步迭代直至损失函数最小，即可获得拟合效果最佳的(m+1)*(n+1)个B样条控制点信息，继而可以参数化表达拟合后完整的B样条基面方程。
进一步地，步骤6）中，基面打印路径格栅点为B样条参数域u向线组与v向线组的交叉点。
进一步地，步骤6）中，在曲面网格信息的边界处任意选取一条线，将该线作为修复路径线组的起始线，沿该线按设定点间距s划分等距点，从划分的等距点出发，将设定的线间距c作为距离函数，沿B样条基面朝u方向依次生成欧氏距离为c的路径点，将这些路径点按顺序在v向连线，并进行边界修整以适应曲面网格信息的边界。
有益效果：
1）、本发明摒弃传统依靠三维模型平面分层规划打印路径的方式，直接处理激光扫描获取的点云信息，生成修复路径，整个过程全部依靠点云数据分析处理，无需进行模型重构，大大提升了修复路径与实际修复面接合程度。
2）、本发明采用B样条曲面参数化拟合B样条基面方程，拟合后的B样条基面方程既作为了曲面分层的基面，来获取各等厚待填充层的边界信息，又通过在切面上规划预设参数的打印路径，向各等厚待填充层投影。
3）、本发明采用一种基面打印路径格栅点向各等厚待填充层投影的方法，通过判断基面打印路径格栅点落在边界的内外情况，存储边界内部的基面打印路径格栅点，从而生成各待填充层的打印路径，不仅对平面损伤板件适用，同样适用于复杂异形构件。
4）、本发明通过一种搜寻B样条参数曲面上等值线族来规划基面打印路径的方法，可输出预设固定线间距c、固定点间距s、预设打印方向的基面打印路径，算法自由度更高，可靠性更强。
5）、本发明所采用的机器人修复手段，代替了现有技术使用的人工补片制备加贴补固化的流程，利用损伤区域机器人原位打印，可自适应随形修复任意损伤体，大大缩减了修复时间降低了对修复工程师的素质要求，克服了修复界面强度低、界面匹配性能差、热固化处理过程复杂的技术瓶颈。
附图说明
图1为本发明中修复路径的流程图。
图2为损伤区域划定示意图。
图3为待修复凹坑的示意图。
图4为实施例1中B样条曲面自适应拟合方法示意图。
图5为实施例1中B样条曲面分层示意图。
图6为实施例1中B样条曲面路径规划方法示意图。
图7为实施例1中B样条曲面修复路径投影方法示意图。
图8为实施例1中普通损伤构件修复时的示意图。
图9为实施例2中B样条曲面自适应拟合方法示意图。
图10为实施例2中B样条曲面分层示意图。
图11为实施例2中B样条曲面路径规划方法示意图。
图12为实施例2中B样条曲面修复路径投影方法示意图。
图13为实施例2中异型损伤构件修复时的示意图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明采用纤维增强高性能热固树脂基复合材料作为机器人增材制造原材料，针对服役过程中复材部件出现的服役损伤，利用机器人增材制造平台进行原位修复，提出了针对机器人原位修复的路径规划算法。总的来说，请参考图1，本发明基本包括以下步骤：
1）、利用无损检测技术和三维扫描技术提取原始损伤件的损伤特征，数字化三维重构后划定构件损伤区域；
2）、利用多轴机器人一体化平台对损伤区域进行挖除处理，得到待修复凹坑；
3）、使用三维激光扫描仪采集待修复凹坑的修复界面的原始三维点云；
4）、对原始三维点云数据进行去噪处理，得到再处理三维点云，根据再处理三维点云数据，基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法拟合出B样条基面方程；
5）、将拟合得到的B样条基面方程，按照标准矩形域进行等距网格划分，将每个网格点代入B样条基面方程从而得到对应矩形域上的曲面网格信息，所述曲面网格信息的形状与待修复凹坑开口处相匹配、面积略大于待修复凹坑的开口面积；根据打印线宽和打印工艺确定分层高度，将该曲面网格信息作为切面，按照分层高度将原始三维点云沿法向划分为n个待填充层，同时能够得到n个待填充层的外围轮廓数据；
6）、令打印路径线间距为c,打印路径点间距为s，利用步骤4）中建立的B样条曲面方程，可以在曲面网格信息上获取线间距为c、点间距为s的基面打印路径栅格点；
7）、将步骤5）得到的若干待填充层的外围轮廓数据和步骤6）得到的基面打印路径栅格点输入至路径规划软件中，令由第i待填充层的外围轮廓数据围成的填充区域为Di，n≥i≥1，将基面打印路径栅格点依次向Di区域投影，并分别保留基面打印路径栅格点中落入Di区域内部的点值，将落入Di区域内部的点值按顺序连接，即得到第i待填充层内的修复路径；其中，各个待填充层内的修复路径的线间距为c，点间距为s；
8）、使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对得到的各个待填充层内的修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到各个待填充层内最佳工艺参数下的修复路径。
下面结合具体实施例对复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法进行详细阐述。
实施例1
本实施例以普通损伤构件（其修复面为平面）为例，结合附图详细阐述了修复路径的规划方法，详述如下：
一、划定损伤区域
利用超声无损检测设备（请参考图2（a））和线激光扫描仪（请参考图2（b）），提取原始损伤件的损伤特征，数字化三维重构后划定构件修复区域。
二、对损伤区域进行挖除，得到外口大内口小的待修复凹坑
选取合适的损伤挖除工艺，利用减材设备对损伤区域进行脉冲激光挖除处理，随之进行残料清理以及表面的光洁处理，以至获取满足界面结合能力的预修复面。需要说明的是，为便于后期的原位3D打印，在进行挖除处理时，一般将待修复凹坑的内壁处理成光滑内壁(请参考图3(a))或台阶形内壁(请参考图3(b))，随之进行残料清理和表面的光洁处理，以获得满足界面结合能力的预修复面。
三、利用待修复凹坑的三维点云拟合B样条基面方程
请参考图4，使用三维激光扫面仪采集挖除后的修复界面的点云数据，该点云数据描述了扫描面在当前坐标系下的坐标点信息，由于采集到的原始数据量很大并且具有较多的噪声点，因此先对原始点云进行点云下采样、点云平滑等一系列预处理操作后，得到拟合阶段可以使用的点云数据集。在补片拟合阶段，本发明利用一种基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法来拟合B样条基面方程。拟合过程其实是对损伤区域现存不完全的外表面信息，进行缺失面补面填充的过程，具体来说，预设拟合所需的控制点Pij的数目为(m+1)*(n+1)个以及B样条曲面阶数p，q，通过再处理三维点云与相邻拟合点之间的欧式距离确立损失函数，利用B样条曲面公式建立优化的目标函数，推导出目标函数关于B样条控制点的梯度信息，利用遗传算法选取合适的优化初值进行目标函数的寻优，逐步迭代直至损失函数最小，即可获得拟合效果最佳的(m+1)*(n+1)个B样条控制点信息，继而可以参数化表达拟合后完整的B样条基面方程。
四、基于B样条基面进行分层切片
请参考图5，将拟合得到的B样条基面方程，按照标准矩形域进行等距网格划分，将每个网格点代入B样条基面方程从而得到对应矩形域上的曲面网格信息，所述曲面网格信息的形状与待修复凹坑开口处相匹配、面积略大于待修复凹坑的开口面积；根据打印线宽和打印工艺确定分层高度h，将该曲面网格信息作为切面，按照分层高度将原始三维点云沿法向划分为n个待填充层，同时能够得到n个待填充层的外围轮廓数据。
五、曲面网格信息打印路径规划
请参考图6，令打印路径线间距为c,打印路径点间距为s，利用B样条曲面方程，可以在曲面网格信息上获取线间距为c、点间距为s的基面打印路径栅格点；基面打印路径格栅点为B样条参数域u向线组与v向线组的交叉点。在曲面网格信息的边界处选取一条线，将该线作为修复路径线组的起始线，沿该线按设定点间距s划分等距点，从划分的等距点出发，将设定的线间距c作为距离函数，沿B样条基面朝u方向依次生成欧氏距离为c的路径点，将这些路径点按顺序在v向连线，并进行边界修整以适应曲面网格信息的边界。
六、B样条切面路径投影
请参考图7，将若干待填充层的外围轮廓数据和基面打印路径栅格点输入至路径规划软件中，令由第i待填充层的外围轮廓数据围成的填充区域为Di，n≥i≥1，将基面打印路径栅格点依次向Di区域投影，判定基面打印路径格栅点落点在Di区域的边界内部还是外部，并分别保留基面打印路径栅格点中落入Di区域内部的点值，将落入Di区域内部的点值按顺序连接，即得到第i待填充层内的修复路径；其中，各个待填充层内的修复路径的线间距为c，点间距为s。
七、路径参数优化
使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对得到的各个待填充层内的修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到各个待填充层内最佳工艺参数下的修复路径。
对普通损伤构件采用本发明的路径规划方法进行路径规划，采用增材制造设备按照规划的路径对待修复区域进行逐层铺设，修复完成后对外表面进行磨抛处理，后续的修复过程请参考图8，对修复后的结构件进行性能测试，性能良好。
实施例2
本实施例以异形损伤构件（其修复面为曲面）为例，结合附图详细阐述了修复路径的规划方法，详述如下：
一、划定损伤区域
利用超声无损检测设备（请参考图2（a））和线激光扫描仪（请参考图2（b）），提取原始损伤件的损伤特征，数字化三维重构后划定构件修复区域。
二、对损伤区域进行挖除，得到外口大内口小的待修复凹坑
选取合适的损伤挖除工艺，利用减材设备对损伤区域进行PCD刀具机械切割挖除处理，随之进行残料清理以及表面的光洁处理，以至获取满足界面结合能力的预修复面。
三、利用待修复凹坑的三维点云拟合B样条基面方程
请参考图9，使用三维激光扫面仪采集挖除后的修复界面的点云数据，该点云数据描述了扫描面在当前坐标系下的坐标点信息，由于采集到的原始数据量很大并且具有较多的噪声点，因此先对原始点云进行点云下采样、点云平滑等一系列预处理操作后，得到拟合阶段可以使用的点云数据集。在补片拟合阶段，本发明利用一种基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法来拟合B样条基面方程。拟合过程其实是对损伤区域现存不完全的外表面信息，进行缺失面补面填充的过程，具体来说，预设拟合所需的控制点Pij的数目为(m+1)*(n+1)个以及B样条曲面阶数p，q，通过再处理三维点云与相邻拟合点之间的欧式距离确立损失函数，利用B样条曲面公式建立优化的目标函数，推导出目标函数关于B样条控制点的梯度信息，利用遗传算法选取合适的优化初值进行目标函数的寻优，逐步迭代直至损失函数最小，即可获得拟合效果最佳的(m+1)*(n+1)个B样条控制点信息，继而可以参数化表达拟合后完整的B样条基面方程。
四、基于B样条基面进行分层切片
请参考图10，将拟合得到的B样条基面方程，按照标准矩形域进行等距网格划分，将每个网格点代入B样条基面方程从而得到对应矩形域上的曲面网格信息，所述曲面网格信息的形状与待修复凹坑开口处相匹配、面积略大于待修复凹坑的开口面积；根据打印线宽和打印工艺确定分层高度h，将该曲面网格信息作为切面，按照分层高度将原始三维点云沿法向划分为n个待填充层，同时能够得到n个待填充层的外围轮廓数据。
五、曲面网格信息打印路径规划
请参考图11，令打印路径线间距为c,打印路径点间距为s，利用B样条曲面方程，可以在曲面网格信息上获取线间距为c、点间距为s的基面打印路径栅格点；基面打印路径格栅点为B样条参数域u向线组与v向线组的交叉点。详细地，在曲面网格信息的边界处选取一条线，将该线作为修复路径线组的起始线，沿该线按设定点间距s划分等距点，从划分的等距点出发，将设定的线间距c作为距离函数，沿B样条基面朝u方向依次生成欧氏距离为c的路径点，将这些路径点按顺序在v向连线，并进行边界修整以适应曲面网格信息的边界。
六、B样条切面路径投影
请参考图12，将若干待填充层的外围轮廓数据和基面打印路径栅格点输入至路径规划软件中，令由第i待填充层的外围轮廓数据围成的填充区域为Di，n≥i≥1，将基面打印路径栅格点依次向Di区域投影，判定基面打印路径格栅点落点在Di区域的边界内部还是外部，并分别保留基面打印路径栅格点中落入Di区域内部的点值，将落入Di区域内部的点值按顺序连接，即得到第i待填充层内的修复路径；其中，各个待填充层内的修复路径的线间距为c，点间距为s。
七、路径参数优化
使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对得到的各个待填充层内的修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到各个待填充层内最佳工艺参数下的修复路径。
对本实施例中的异形构件分别采用本发明的路径规划方法进行路径规划，采用增材制造设备按照规划的路径对待修复区域进行逐层铺设，修复完成后对外表面进行磨抛处理，后续的修复过程请参考图13，对修复后的结构件进行性能测试，性能良好。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非随本发明作任何形式上的限制。凡根据本发明的实质所做的等效变换或修饰，都应该涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，其特征在于，主要包括如下步骤：
1）、利用无损检测技术和三维扫描技术提取原始损伤件的损伤特征，数字化三维重构后划定构件损伤区域；
2）、利用多轴机器人一体化平台对损伤区域进行挖除处理，得到待修复凹坑；
3）、使用三维激光扫描仪采集待修复凹坑的修复界面的原始三维点云；
4）、对原始三维点云数据进行去噪处理，得到再处理三维点云，根据再处理三维点云数据，基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法拟合出B样条基面方程；
5）、将拟合得到的B样条基面方程，按照标准矩形域进行等距网格划分，将每个网格点代入B样条基面方程从而得到对应矩形域上的曲面网格信息，所述曲面网格信息的形状与待修复凹坑开口处相匹配、面积略大于待修复凹坑的开口面积；根据打印线宽和打印工艺确定分层高度h，将该曲面网格信息作为切面，按照分层高度将原始三维点云沿法向划分为n个待填充层，同时能够得到n个待填充层的外围轮廓数据；
6）、令打印路径线间距为c,打印路径点间距为s，利用步骤4）中建立的B样条曲面方程，可以在曲面网格信息上获取线间距为c、点间距为s的基面打印路径栅格点；
7）、将步骤5）得到的若干待填充层的外围轮廓数据和步骤6）得到的基面打印路径栅格点输入至路径规划软件中，令由第i待填充层的外围轮廓数据围成的填充区域为Di，n≥i≥1，将基面打印路径栅格点依次向Di区域投影，并分别保留基面打印路径栅格点中落入Di区域内部的点值，将落入Di区域内部的点值按顺序连接，即得到第i待填充层内的修复路径；其中，各个待填充层内的修复路径的线间距为c，点间距为s；
8）、使用损伤修复路径规划软件中的路径仿真优化模块对得到的各个待填充层内的修复路径进行优化，通过修复路径仿真分析匹配工艺参数，根据匹配的结果得到各个待填充层内最佳工艺参数下的修复路径。
2.根据权利要求1所述的一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，其特征在于，步骤4）中，基于遗传算法的B样条曲面自适应拟合方法拟合出B样条基面方程的具体方法为：
预设拟合所需的控制点Pij的数目为(m+1)*(n+1)个以及B样条曲面阶数p，q，通过再处理三维点云与相邻拟合点之间的欧式距离确立损失函数，利用B样条曲面公式建立优化的目标函数，推导出目标函数关于B样条控制点的梯度信息，利用遗传算法选取合适的优化初值进行目标函数的寻优，逐步迭代直至损失函数最小，即可获得拟合效果最佳的(m+1)*(n+1)个B样条控制点信息，继而可以参数化表达拟合后完整的B样条基面方程。
3.根据权利要求1所述的一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，其特征在于，步骤6）中，基面打印路径格栅点为B样条参数域u向线组与v向线组的交叉点。
4.根据权利要求3所述的一种面向复合材料损伤构件的原位修复路径规划方法，其特征在于，步骤6）中，在曲面网格信息的边界处任意选取一条线，将该线作为修复路径线组的起始线，沿该线按设定点间距s划分等距点，从划分的等距点出发，将设定的线间距c作为距离函数，沿B样条基面朝u方向依次生成欧氏距离为c的路径点，将这些路径点按顺序在v向连线，并进行边界修整以适应曲面网格信息的边界。
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