專利名稱：對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉金屬部件修復(fù)技術(shù)領(lǐng)域，確切的說是一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊 修復(fù)的方法。
背景技術(shù)：
自20世紀(jì)90年代以來，我國(guó)對(duì)再制造工程進(jìn)行了深入的研究，有關(guān)專家將再制造 工程定義為“是以產(chǎn)品全壽命周期設(shè)計(jì)和管理為指導(dǎo)，以優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)能、節(jié)才、環(huán)保為目 標(biāo)，以先進(jìn)的技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化生成為手段，來修復(fù)和改造廢舊產(chǎn)品的一系列技術(shù)措施和工程 活動(dòng)的總稱”。再制造工程包括對(duì)產(chǎn)品的修復(fù)和改造。其中，對(duì)金屬零部件的修復(fù)是再制造工程 中的主要研究?jī)?nèi)容之一。對(duì)廢舊(破損)金屬零部件的缺損部分進(jìn)行尺寸修復(fù)是關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 現(xiàn)有的修復(fù)方法包括堆焊技術(shù)、電刷鍍技術(shù)、熱噴涂技術(shù)、激光再制造技術(shù)等。堆焊技術(shù)是利用焊接的方法在機(jī)械零件表面熔敷一層合金涂層，使表面具有防 腐、耐磨、耐熱等性能，并同時(shí)恢復(fù)零件的幾何尺寸。因?yàn)閳?bào)廢或損壞的零部件其退役情況 和損壞方式的多樣性，所以對(duì)其進(jìn)行堆焊修復(fù)具有小批量、個(gè)性化的特點(diǎn)?，F(xiàn)有最廣泛的修 復(fù)方法是手工電弧堆焊，其缺點(diǎn)是1、操作人員必須是掌握熟練的堆焊技術(shù)；2、人工修復(fù) 質(zhì)量參差不齊，堆焊層的一般較高；3、難以實(shí)現(xiàn)批量、流水線方式的工作流程，效率低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法，快速恢復(fù)其 幾何尺寸。具體做法是將廢舊(破損)的金屬部件固定在工作臺(tái)上，操作測(cè)量機(jī)器人對(duì)部件 進(jìn)行掃描，得到破損部件的三維型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)。通過測(cè)量機(jī)器人與弧焊機(jī)器人坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換 關(guān)系，將點(diǎn)云數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換到弧焊機(jī)器人坐標(biāo)系下，在計(jì)算機(jī)中導(dǎo)入金屬部件的CAD模型，將數(shù) 據(jù)與CAD模型配準(zhǔn)，使非破損區(qū)域與CAD模型重合，通過計(jì)算點(diǎn)云到CAD模型的誤差來提取 破損區(qū)域數(shù)據(jù)。計(jì)算破損點(diǎn)云數(shù)據(jù)的PCA坐標(biāo)系，應(yīng)用平面切割，求取凸包線的方法生成堆 焊修復(fù)路徑?？刂苹『笝C(jī)器人完成對(duì)金屬部件的缺損部分的幾何修復(fù)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是現(xiàn)有對(duì)金屬部件進(jìn)行堆焊尺寸修復(fù)的方法主要是采用人工堆 焊，勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，堆焊層質(zhì)量和性能難以保證，難以實(shí)現(xiàn)批量，流水線方式的工作流 程。本發(fā)明應(yīng)用測(cè)量機(jī)器人，弧焊機(jī)器人等先進(jìn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬部件的自動(dòng)堆焊修復(fù)，具有 自動(dòng)化程度高，修復(fù)效率高，修復(fù)質(zhì)量穩(wěn)定，適用批量修復(fù)作業(yè)等優(yōu)點(diǎn)。


圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)組成圖。圖2是本發(fā)明中PCA坐標(biāo)系反映的破損數(shù)據(jù)在三維空間中的姿態(tài)。圖3是缺損區(qū)域生成凸線的示例圖。
圖4是本發(fā)明中焊槍進(jìn)行堆焊修復(fù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡圖5是本發(fā)明中完整的修復(fù)路徑。圖中1為焊槍，2為線結(jié)構(gòu)光傳感器，3為2#六自由度機(jī)械臂，4為1#六自由度機(jī)械臂。
具體實(shí)施例方式該系統(tǒng)由測(cè)量機(jī)器人和弧焊機(jī)器人兩個(gè)部分組成。其中，測(cè)量機(jī)器人由線結(jié) 構(gòu)光傳感器2和1#六自由度機(jī)械臂4組成，機(jī)械臂選用motoman公司的HP6型號(hào)機(jī)器 人?；『笝C(jī)器人由焊槍(1)和2#六自由度機(jī)械臂(3)組成，集成產(chǎn)品選擇motoman公司 M0T0MAN-SSA2000 弧焊機(jī)器人。工作過程系統(tǒng)工作過程包括3個(gè)部分破損部件型面掃描和定位、破損區(qū)域的提取和自動(dòng) 生成修復(fù)路徑。(1)破損部件型面掃描和定位應(yīng)用測(cè)量機(jī)器人獲得的金屬部件型面的數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)是在測(cè)量機(jī)器人基坐標(biāo)系下 的三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，測(cè)量機(jī)器人基坐標(biāo)系與弧焊機(jī)器人基坐標(biāo)系的關(guān)系可以預(yù)先標(biāo)定，因此 可以將金屬部件型面數(shù)據(jù)變換到弧焊機(jī)器人基坐標(biāo)系下，即實(shí)現(xiàn)了破損部件在弧焊機(jī)器人 坐標(biāo)系下的定位。(2)破損區(qū)域的提取該過程是通過把金屬部件原始CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)來提取破損區(qū)域的點(diǎn)云 數(shù)據(jù)。部件的CAD模型以STL (Stereo Lithography)的文件格式進(jìn)行運(yùn)算，STL是用三角 面片來描述三維實(shí)體模型。應(yīng)用最近點(diǎn)迭代(ICP)算法實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型的配準(zhǔn)， 在進(jìn)行迭代過程中，將旋轉(zhuǎn)平移矩陣作用于CAD模型，通過改變CAD模型的位置和姿態(tài)實(shí)現(xiàn) CAD模型與點(diǎn)云數(shù)據(jù)的幾何對(duì)齊，即實(shí)現(xiàn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)非破損數(shù)據(jù)與CAD模型的重合。在配準(zhǔn)完 成后，通過計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)與CAD模型的誤差來確定破損區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)。如果設(shè)定誤差閥 值為￡，那么當(dāng)點(diǎn)云與CAD模型的距離誤差大于e，那該點(diǎn)數(shù)據(jù)即為破損區(qū)域數(shù)據(jù)。(3)自動(dòng)生成修復(fù)路徑步驟1.建立破損數(shù)據(jù)的PCA坐標(biāo)系應(yīng)用主元分析方法(PCA)確定破損區(qū)域方向，設(shè)破損點(diǎn)云為P{Pl，p2...pn}，點(diǎn)云 中心為P。，則
1 “ 構(gòu)建協(xié)方差矩陣Cp Cp為對(duì)實(shí)對(duì)稱矩陣，計(jì)算其三個(gè)非負(fù)的特征值X ” X 2和X 3。設(shè)X 彡X 2彡入3， 對(duì)應(yīng)于入”^和入3的單位特征向量為61，62和63。三個(gè)特征向量相互正交，構(gòu)成三維直 角坐標(biāo)系，即做PCA坐標(biāo)系，PCA坐標(biāo)系反映了破損數(shù)據(jù)在三維空間中的姿態(tài)。如圖2示例所示，藍(lán)色區(qū)域代表的破損區(qū)域點(diǎn)云數(shù)據(jù)，其PCA坐標(biāo)系如圖中標(biāo)識(shí)所示。其中e3近似垂 直于破損區(qū)域的曲面，為焊槍較理想修復(fù)姿態(tài)，為破損區(qū)域的長(zhǎng)軸方向，為焊槍修復(fù)時(shí)的 運(yùn)動(dòng)方向。步驟2.計(jì)算CAD模型上對(duì)應(yīng)點(diǎn)集在e3方向上計(jì)算點(diǎn)云P{Pi，P2. Pn}在CAD模型的投影點(diǎn)集Q{q:，q2. qn}。在三 維空間中，過做垂直于ei，e2m在平面(平行于向量e3)的直線，得到直線與CAD模型 的交點(diǎn)^，則得到P在CAD模型上的對(duì)應(yīng)點(diǎn)集Q。點(diǎn)集P和Q在構(gòu)成了一系列空間線段(Pi， 1)，則缺損區(qū)域的信息由線段集(Pi，qi)進(jìn)行描述。步驟3.生成修復(fù)路徑對(duì)于已知的焊絲，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可以得到其在特定功率和速度下進(jìn)行堆焊的熔敷層的 高度和寬度，設(shè)其高度為h，其寬度為w。采用平面切割和求取凸包線的方法生成修復(fù)路徑。首先，求取破損區(qū)域在％方向 上的最小點(diǎn)(在PCA坐標(biāo)系下的最低點(diǎn))為pmin。以pmin為基準(zhǔn)點(diǎn)，做垂直于e3軸，間距為 h的平面集與線段集相交，得到點(diǎn)集Pi，P2. . .Pi。點(diǎn)集Pi是在不同平面上的二維點(diǎn)集，計(jì)算 Pi的凸包得到其凸包線C2...Ci0對(duì)于實(shí)例數(shù)據(jù)其結(jié)果如圖3所示，其中黑色封閉曲線
J、j Ci，。2，C3 o在空間中做垂直于e2，間距為w的平面集，每一個(gè)平面能夠與凸包線相交得到2個(gè) 交點(diǎn)，即一條直線段。這樣由得到的線段集構(gòu)成了直線修復(fù)路徑。如圖4所示為最底層(C》 生成的修復(fù)路徑C1_L1，Cl_L2...Cl_Ln，作為焊槍進(jìn)行堆焊修復(fù)時(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。如5所示 為完整的修復(fù)路徑。通過計(jì)算機(jī)控制弧焊機(jī)器人按照生成路徑運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)破損區(qū)域的堆焊修復(fù)。
權(quán)利要求
一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法，其特征在于由測(cè)量機(jī)器人和弧焊機(jī)器人組成，其中測(cè)量機(jī)器人由結(jié)構(gòu)光傳感器(2)和1#六自由度機(jī)械臂(4)構(gòu)成，弧焊機(jī)器人由焊槍(1)和2#六自由度機(jī)械臂(3)構(gòu)成；其工作過程如下a、用測(cè)量機(jī)器人掃描金屬部件，得到金屬部件的三維型面數(shù)據(jù)，三維型面數(shù)據(jù)為點(diǎn)云數(shù)據(jù)；b、將點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始CAD模型進(jìn)行比對(duì)，提取出破損區(qū)域數(shù)據(jù)；c、根據(jù)破損區(qū)域數(shù)據(jù)生成修復(fù)路徑；d、控制弧焊機(jī)器人修復(fù)破損區(qū)域數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法，其特征在 于點(diǎn)云數(shù)據(jù)與原始CAD模型比對(duì)是通過ICP配準(zhǔn)算法實(shí)現(xiàn)，破損區(qū)域數(shù)據(jù)通過配準(zhǔn)誤差閥值確定。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法，其特征在 于點(diǎn)云方向是應(yīng)用PCA算法確定，破損區(qū)域的修復(fù)路徑是用空間中的線段集描述破損區(qū) 域三維信息，通過平面切割，計(jì)算凸包線生成。
全文摘要
本發(fā)明是一種對(duì)破損金屬部件進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的方法，是針對(duì)于破損金屬部件上缺失的部分進(jìn)行自動(dòng)堆焊修復(fù)的技術(shù)方案，本發(fā)明由測(cè)量機(jī)器人和弧焊機(jī)器人構(gòu)成，其中測(cè)量機(jī)器人由結(jié)構(gòu)光傳感器和六自由度機(jī)械臂組成，弧焊機(jī)器人由焊槍和六自由度機(jī)器臂組成。系統(tǒng)工作的步驟是首先將待修復(fù)的破損部件固定在工作臺(tái)上，由測(cè)量機(jī)器人掃描破損部件，獲得部件破損的三維型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)；然后將三維型面點(diǎn)云數(shù)據(jù)與金屬部件的原始CAD模型進(jìn)行配準(zhǔn)(幾何對(duì)齊)，通過計(jì)算點(diǎn)云數(shù)據(jù)到CAD模型的誤差提取破損區(qū)域的點(diǎn)云數(shù)據(jù)；根據(jù)破損區(qū)域的三維信息自動(dòng)生成堆焊修復(fù)路徑，由計(jì)算機(jī)控制弧焊機(jī)器人完成對(duì)部件破損區(qū)域的自動(dòng)修復(fù)。
文檔編號(hào)B23K9/12GK101927391SQ20101026455
公開日2010年12月29日 申請(qǐng)日期2010年8月27日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月27日
發(fā)明者王文標(biāo), 胡英, 馬孜 申請(qǐng)人:大連海事大學(xué)