基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法

摘要

本发明公开一种基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法，它包括以下步骤予以实现：1)使用软件对具有一定深度制造缺陷、误加工损伤或服役损伤的零件表面扫描并去噪声点及简化处理后得到一个点云数据Ω，2)设定平行平面称为切片，以平行平面切割点云；规定激光头的运动方向为切片的方向；3)计算切片与点云的交点；4)插补点搜索；5)计算激光束的姿态。

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于在复杂曲面上激光熔覆的轨迹规划方法，尤其涉及一种基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法。

背景技术

激光熔覆是将具有特殊性能的材料用激光加热熔化涂敷在基材表面，获得与基体形成良好冶金结合的优质熔覆层。根据其应用特点，可对具有一定深度制造缺陷、误加工损伤或服役损伤的零件进行修复；目前激光熔覆设备可以实现平板类熔覆、轴类零件熔覆、简单回转体类外圆零件熔覆。但是对于在复杂曲面上进行激光熔覆，由于涉及到激光离焦量控制，激光束姿态控制等原因一直是工程上的难题。

目前通行的做法是采用逆向技术将曲面拟合成自由曲面模型。再按照多轴数控铣削的模型计算插补点和光束姿态，以上方法存在如下弊端：

1.需要在前期处理阶段对曲面进行逆向，修补、光顺曲面将消耗大量时间，效率低，严重影响工程应用；

2.目前缺少针对曲面激光熔覆的轨迹规划模型，计算插补点应用的是多轴数控铣削模型。通过这种模型计算插补点时，数量冗余巨大影响使用效率。光束姿态计算也不精确。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法。

为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：

设计一种基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法，它包括以下步骤予以实现：

1)使用软件对具有一定深度制造缺陷、误加工损伤或服役损伤的零件表面扫描并去噪声点及简化处理后得到一个点云数据Ω，其中：

Ω＝{P₁,P₂,P₃,...,P_n}，P_i＝{x_i,y_i,z_i}∈R³；

2)设定：与固定点(x0,y0,z0)的连线并垂直于固定矢量(A,B,C)的所有的点的集合构成的面为平面，该平面无限延展，不计厚度；平面在本文算法中用方程表示为：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0

该平面过点M(x₀,y₀,z₀)且垂直于非零向量

平行平面定义：没有任何公共点的两个上述平面是平行平面；

设定平行平面称为切片，以平行平面切割点云；规定激光头的运动方向为切片的方向；

3)计算切片与点云的交点；

4)插补点搜索；

5)计算激光束的姿态。

具体的，步骤1)中所使用的软件为Imageware软件或Geomagic软件。

具体的，步骤3)计算切片与点云的交点具体包括如下步骤：设定切片间距δ为熔覆路径间距；

a).在切片E两侧0.5δ处各做一辅助切片E_l与E_r；

b).将点云数据沿着切片方向排列；

c).在切片E与切片E_l之间任取点P_li，在切片E与切片E_r之间找到与其距离最近点P_ri，在寻找P_ri时，建立以P_li为中心，l＝0.25δ为边长的立方体包围盒，计算包围盒内点的数量num，若num＝0，将l增加步长Δt＝l，继续搜索，直至num＞0；而后结束搜索；

d).同理步骤c)的搜索方法，在切片E与切片E_l之间搜索与P_ri距离最近的点P_li′，并判断P_li与P_li′是否为同一点，若为同一点，则P_li与P_ri为有效配对点，将其记录，否则舍弃；

e).使用步骤c)、步骤d)同样的方法，对切片E与切片E_l之间(也可以是另一边)所有点都进行遍历搜索，并记录所有有效配对点；

f).将所有对应的有效配对点P_li与P_ri进行连接，并求出线段与切片E的交点为P_i＝(x_i,y_i,z_i)；求出的所有交点P_i即为最终获取的切片上的点数据。

具体的，步骤4)中所述的插补点搜索包括如下步骤；

i.对经步骤2)、步骤3)得到的每一切片上的点数据按照熔覆扫描方向进行排序(切片方向代表了激光熔覆的扫描方向，熔覆轨迹相互平行，这样又便于搭接，从而保证表面的波纹度较小。)；然后从排好序的首个点d_i(i＝1,2,3,...m)开始，连接d_i与d_i+2，建立连线的方程如式(1)：

ii.根据式(1)计算d_i+1到连线的距离dε_i+1,若dε_i+1＜Δε，则继续向下搜索，连接d_i与d_i+3，同时求出d_i+2，d_i+1到连线的距离，若max[dε_i+1,dε_i+2]＜Δε，继续搜寻下一个点，直到

max[dε_i+1,dε_i+2,dε_i+3,...dε_i+n]＞Δε,n＝1,2,3,...m-1，

则d_i+n为其中一个加工插补点；

iii.以d_i+n为起点，以步骤ii同样的方法继续往下搜寻，找出符合要求的下一个加工插补点，并依次输出，而得出满足要求的加工插补点集；其中加工插补点集为式(2)；

(2)；

具体的，步骤5)中，计算激光束的姿态包括以下步骤：

首先，计算步骤4)每个插补点到下一个插补点的方向矢量，已知当前插补点K_i(x_i,y_i,z_i)与下一插补点K_i+1(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，根据式(3)计算沿两点之间方向的矢量

则激光束的光轴矢量为

其中为切片E的法失，激光束的的光轴矢量为即激光束姿态。

本发明的有益效果在于：

本方法针对复杂曲面的激光熔覆，实施中直接利用光学扫描仪生成的点云进行规划轨迹，可避免因进行曲面逆向和建模所消耗的时间，通过本方法插补点计算准确率高，效率高，通过本方法极大提高了曲面熔覆前期工艺设计、计算机编程的效率，可广泛运用于再制造行业及其他领域。

附图说明

图1为点云切片示意图；

图2为点云与切片求交法示意图；

图3为插补点的求法示意图；

图4为切片及搜索到的插补点示意图；

图5为激光束的姿态示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：

实施例1：一种基于点云模型的曲面激光熔覆快速轨迹规划方法，参见图1至图4；本方法它包括以下步骤予以实现：

1)使用Imageware软件或Geomagic软件对具有一定深度制造缺陷、误加工损伤或服役损伤的零件表面扫描并去噪声点及简化处理后得到一个点云数据Ω，其中：

Ω＝{P₁,P₂,P₃,...,P_n}，P_i＝{x_i,y_i,z_i}∈R³；

2)设定：与固定点(x0,y0,z0)的连线并垂直于固定矢量(A,B,C)的所有的点的集合构成的面为平面，该平面无限延展，不计厚度；平面在本文算法中用方程表示为：

A(x-x₀)+B(y-y₀)+C(z-z₀)＝0

该平面过点M(x₀,y₀,z₀)且垂直于非零向量

平行平面定义：没有任何公共点的两个上述平面是平行平面；

设定平行平面称为切片，以平行平面切割点云；规定激光头的运动方向为切片的方向；切片间距δ为熔覆路径间距，受熔覆搭接率的影响，具体切片间距δ根据熔覆搭接实验确定；

3)计算切片与点云的交点；可参见图2，本步骤具体包含如下几个步骤：

a).在切片E两侧0.5δ处各做一辅助切片E_l与E_r；

b).将点云数据沿着切片方向排列；

c).在切片E与切片E_l之间任取点P_li，在切片E与切片E_r之间找到与其距离最近点P_ri，在寻找P_ri时，建立以P_li为中心，l＝0.25δ为边长的立方体包围盒，计算包围盒内点的数量num，若num＝0，将l增加步长Δt＝l，继续搜索，直至num＞0；而后结束搜索；

d).同理步骤c)的搜索方法，在切片E与切片E_l之间搜索与P_ri距离最近的点P_li′，并判断P_li与P_li′是否为同一点，若为同一点，则P_li与P_ri为有效配对点，将其记录，否则舍弃；

e).使用步骤c)、步骤d)同样的方法，对切片E与切片E_l之间(也可以是另一边)所有点都进行遍历搜索，并记录所有有效配对点；

f).将所有对应的有效配对点P_li与P_ri进行连接，并求出线段与切片E的交点为P_i＝(x_i,y_i,z_i)；求出的所有交点P_i即为最终获取的切片上的点数据。

4)插补点搜索；具体的，可参见图3，本步骤4)中所述的插补点搜索包括如下步骤；

i.对经步骤2)、步骤3)得到的每一切片上的点数据按照熔覆扫描方向进行排序(切片方向代表了激光熔覆的扫描方向，熔覆轨迹相互平行，这样又便于搭接，从而保证表面的波纹度较小。)；然后从排好序的首个点d_i(i＝1,2,3,...m)开始，连接d_i与d_i+2，建立连线的方程如式(1)：

ii.根据式(1)计算d_i+1到连线的距离dε_i+1,若dε_i+1＜Δε，则继续向下搜索，连接d_i与d_i+3，同时求出d_i+2，d_i+1到连线的距离，若max[dε_i+1,dε_i+2]＜Δε，继续搜寻下一个点，直到

max[dε_i+1,dε_i+2,dε_i+3,...dε_i+n]＞Δε,n＝1,2,3,...m-1，

则d_i+n为其中一个加工插补点；

iii.以d_i+n为起点，以步骤ii同样的方法继续往下搜寻，找出符合要求的下一个加工插补点，并依次输出，而得出满足要求的加工插补点集；其中加工插补点集为式(2)；

(2)；

5)计算激光束的姿态，参见图4，计算激光束的姿态包括以下步骤：

首先，计算步骤4)每个插补点到下一个插补点的方向矢量，已知当前插补点K_i(x_i,y_i,z_i)与下一插补点K_i+1(x_i+1,y_i+1,z_i+1)，根据式(3)计算沿两点之间方向的矢量

则激光束的光轴矢量为

其中为切片E的法失，激光束的的光轴矢量为即激光束姿态。

本发明的实施例公布的是较佳的实施例，但并不局限于此，本领域的普通技术人员，极易根据上述实施例，领会本发明的精神，并做出不同的引申和变化，但只要不脱离本发明的精神，都在本发明的保护范围内。