基于流线场的复杂曲面激光熔覆路径优化方法研究

摘要

再制造是机电产品资源化循环利用的最佳途径之一，我国已经初步形成了“以尺寸恢复和性能提升”为主要技术特色的激光再制造发展模式，其中激光熔覆是激光再制造中最重要的工艺之一，在航空发动机已经实现叶片的规模化激光熔覆再制造。在复杂曲面上的激光熔覆再制造中，路径规划是非常重要的技术环节，但现有的尺寸恢复法中存在尺寸过剩或表面精度无法满足配合要求的问题。所以从控制尺寸精度和节省材料的角度出发，对复杂曲面上的熔覆路径进行合理地规划具有重要的意义。考虑到根据流线场的概念可以找到结合几何信息（零件曲面）和机械信息（激光喷头进给方向）的局部最优解，利用流线场内在的拓扑关系可将曲面划分成不同的区域，满足熔层表面质量要求的情况下，在每个区域中生成熔覆路径，能够一定程度地提高加工效率。 本文以在复杂曲面上优化路径为目标，以推导等残深方法及熔层表面质量与搭接率关系为基础，研究了基于流线场理论的激光熔覆路径生成方法，并且进行了一些相关的理论计算和试验验证。论文内容主要如下： （1）针对在激光再制造中缺少明确指标参数的问题，研究了熔层表面波纹度的指标来量化熔覆表面质量。从单道横截面轮廓出发，利用递归方法推导出激光熔覆多道搭接的轮廓方程；通过确定熔层轮廓的最小二乘中线，计算粗糙度（表面波纹度）的理论值，并进行了试验验证。 （2）提出了等残深的激光熔覆路径生成方法。通过确定熔层残深与单道形貌参数及曲面曲率的关系，计算出合适的路径间隔，使其最终能形成均匀的波纹度（粗糙度）。面向3+2轴激光熔覆平台，使用模糊聚类法将曲面划分成不同的类平面区域，在各个区域生成等残深的熔覆路径线。采用球坐标系在聚类中心可视化法向量，并将其作为变位台的朝向，从而能实现离散5轴下复杂曲面的激光熔覆加工路径规划。 （3）为了进一步在复杂曲面上优化熔覆路径，结合前面等残深方法的研究，基于流线场的概念，建立了复杂曲面上增材制造方法的路径规划模型。在复杂曲面上生成激光熔覆最优方向进给场，应用最小二乘法拟合出最优进给方向场的流线，并根据流线场的拓扑结构划分曲面，将流线簇作为路径重新规划的基础。选择合适流曲线作为起始基线，采用等残深的路径偏移方法生成熔覆路径，通过可视化曲面上熔层残深的仿真形式验证了路径的规划效果。 （4）完整的激光熔覆路径应当包括位置和姿态信息，论文最后探究了激光喷头姿态对熔覆形貌的影响。将激光喷头与基材之间的位姿关系（激光束轴线与基材法向量不重合）分为三种情况讨论，并且提出相应的数学模型，推导出熔覆道 宽度 、高度 、最高点偏移 与倾斜角的关系，最后通过试验验证公式预测值的可靠性，为后续激光熔覆路径在姿态上的优化提供了一定的研究基础。

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摘 要

Abstract

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Contents

图清单

表清单

变量注释表

1 绪论

1 Introduction

1.1 研究背景(Research Background)

1.2 课题来源与研究意义(Research Source and Significance)

1.3.1 激光熔覆再修复技术的研究及应用现状

1.3.2 熔覆层表面形貌的研究

1.3.3 激光熔覆路径规划研究

1.4 存在的问题(Problems)

1.5 主要工作(Research Work)

1.6 论文结构(Structure of Thesis)

2 流线场理论概述

2 Theoretical Overview of Streamline Field

2.2 速度流线场与机加工势场(Velocity Streamline Field and Machining Potential Field)

2.2.1 速度流线场

2.2.2 机加工势场

2.3 流线方程的确定(Establishment of Streamline Equation)

2.4 流线场拓扑结构的确定 (Determination of Streamline Field Topology)

2.5 本章小结(Chapter Summary)

3 多道搭接中熔覆表面波纹度的数值推导与验证

3 Derivation and Experimental verification of Surface Waviness in Multi-Track Cladding

3.1 引言(Introduction)

3.2 多道搭接表面轮廓收敛方程的确定(Convergence Equation of Multi-Tracks Overlapping Profile in Laser Coating)

3.3 表面粗糙度理论值的计算(Theoretical Value Calculation)

3.4.1 试验设备

3.4.2 试验材料

3.4.3 试验结果及分析

3.5 本章小结(Chapter Summary)

4 等残深的路径生成方法与应用

4 Derivation of ISO-Resudual Depth Method

4.1 引言(Introduction)

4.2 等残深方法的推导(Derivation of ISO-Resudual Depth Method)

4.2.1 平面熔覆中残深与搭接率的关系

4.2.2 曲面熔覆中残深与搭接率的关系

4.3 面向3+2轴熔覆平台的曲面划分(Surface Division for 3+2 Axis Cladding Palatform)

4.3.1 曲面点集的分类

4.3.2 模糊聚类法划分曲面

4.3.3 面片间边界的确定

4.4 等残深路径的生成(Cladding Path Generation by ISO-Resudual Depth Method)

4.5 本章小结(Chapter Summary)

5 基于最优进给流线场的激光熔覆路径生成

5 Laser Cladding Path Generation Based on the Optimized Feed Direction Streamline Field

5.1 引言(Introduction)

5.2 复杂曲面激光熔覆模型(Laser Cladding Model for Complex Surface)

5.3 最优进给方向场的建立(Establishment of Optimized Feed Direction Field)

5.4 基于流线场的曲面分割(Surface Subdivision on the Basis of Streamline)

5.5 激光熔覆路径的生成(Path Generation of Laser Cladding)

5.5.1 起始基线的确定

5.5.2 熔覆路径线偏移方法

5.5.3 各个区域熔覆路径线的生成

5.5.4 路径线的仿真分析

5.6 本章小结(Chapter Summary)

6 激光喷头姿态对熔覆层横截面轮廓的影响

6 Effect of Gesture between Laser Nozzle and Substrate on Bead Shape in Laser Cladding

6.1 引言(Introduction)

6.2 激光喷头位姿模型分析(Laser Nozzle Gesture Conditions Modelling Analysis)

6.2.1 基材保持水平而激光喷头倾斜——激光倾斜

6.2.2 基板与激光喷头同时倾斜但相对垂直——整体倾斜

6.2.3 激光喷头保持竖直而基板倾斜——基板倾斜

6.3 试验验证(Experience Verification)

6.4 试验结果与分析(Result and Discussion)

6.4.1 激光倾斜的试验结果分析

6.4.2 整体倾斜的试验结果分析

6.4.3 基材倾斜的试验结果分析

6.5 本章小结(Chapter Summary)

7 结论与展望

7 Conclusions and Future Work

7.1 结论(Conclusions)

7.2 展望(Future Work)

参考文献

作者简历

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