本發(fā)明涉及一種用于在復(fù)雜曲面上激光熔覆的軌跡規(guī)劃方法，尤其涉及一種基于點(diǎn)云模型的曲面激光熔覆快速軌跡規(guī)劃方法。

背景技術(shù)：

激光熔覆是將具有特殊性能的材料用激光加熱熔化涂敷在基材表面，獲得與基體形成良好冶金結(jié)合的優(yōu)質(zhì)熔覆層。根據(jù)其應(yīng)用特點(diǎn)，可對(duì)具有一定深度制造缺陷、誤加工損傷或服役損傷的零件進(jìn)行修復(fù)；目前激光熔覆設(shè)備可以實(shí)現(xiàn)平板類熔覆、軸類零件熔覆、簡(jiǎn)單回轉(zhuǎn)體類外圓零件熔覆。但是對(duì)于在復(fù)雜曲面上進(jìn)行激光熔覆，由于涉及到激光離焦量控制，激光束姿態(tài)控制等原因一直是工程上的難題。

目前通行的做法是采用逆向技術(shù)將曲面擬合成自由曲面模型。再按照多軸數(shù)控銑削的模型計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)和光束姿態(tài)，以上方法存在如下弊端：

1.需要在前期處理階段對(duì)曲面進(jìn)行逆向，修補(bǔ)、光順曲面將消耗大量時(shí)間，效率低，嚴(yán)重影響工程應(yīng)用；

2.目前缺少針對(duì)曲面激光熔覆的軌跡規(guī)劃模型，計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)應(yīng)用的是多軸數(shù)控銑削模型。通過(guò)這種模型計(jì)算插補(bǔ)點(diǎn)時(shí)，數(shù)量冗余巨大影響使用效率。光束姿態(tài)計(jì)算也不精確。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，適應(yīng)現(xiàn)實(shí)需要，提供一種基于點(diǎn)云模型的曲面激光熔覆快速軌跡規(guī)劃方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案為：

設(shè)計(jì)一種基于點(diǎn)云模型的曲面激光熔覆快速軌跡規(guī)劃方法，它包括以下步驟予以實(shí)現(xiàn)：

1)使用軟件對(duì)具有一定深度制造缺陷、誤加工損傷或服役損傷的零件表面掃描并去噪聲點(diǎn)及簡(jiǎn)化處理后得到一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)ω，其中：

ω＝{p1,p2,p3,...,pn}，pi＝{xi,yi,zi}∈r³；

2)設(shè)定：與固定點(diǎn)(x0,y0,z0)的連線并垂直于固定矢量(a,b,c)的所有的點(diǎn)的集合構(gòu)成的面為平面，該平面無(wú)限延展，不計(jì)厚度；平面在本文算法中用方程表示為：

a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)＝0

該平面過(guò)點(diǎn)m(x0,y0,z0)且垂直于非零向量

平行平面定義：沒(méi)有任何公共點(diǎn)的兩個(gè)上述平面是平行平面；

設(shè)定平行平面稱為切片，以平行平面切割點(diǎn)云；規(guī)定激光頭的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榍衅姆较颍?/p>

3)計(jì)算切片與點(diǎn)云的交點(diǎn)；

4)插補(bǔ)點(diǎn)搜索；

5)計(jì)算激光束的姿態(tài)。

具體的，步驟1)中所使用的軟件為imageware軟件或geomagic軟件。

具體的，步驟3)計(jì)算切片與點(diǎn)云的交點(diǎn)具體包括如下步驟：設(shè)定切片間距δ為熔覆路徑間距；

a).在切片e兩側(cè)0.5δ處各做一輔助切片el與er；

b).將點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿著切片方向排列；

c).在切片e與切片el之間任取點(diǎn)pli，在切片e與切片er之間找到與其距離最近點(diǎn)pri，在尋找pri時(shí)，建立以pli為中心，l＝0.25δ為邊長(zhǎng)的立方體包圍盒，計(jì)算包圍盒內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量num，若num＝0，將l增加步長(zhǎng)δt＝l，繼續(xù)搜索，直至num＞0；而后結(jié)束搜索；

d).同理步驟c)的搜索方法，在切片e與切片el之間搜索與pri距離最近的點(diǎn)pli′，并判斷pli與pli′是否為同一點(diǎn)，若為同一點(diǎn)，則pli與pri為有效配對(duì)點(diǎn)，將其記錄，否則舍棄；

e).使用步驟c)、步驟d)同樣的方法，對(duì)切片e與切片el之間(也可以是另一邊)所有點(diǎn)都進(jìn)行遍歷搜索，并記錄所有有效配對(duì)點(diǎn)；

f).將所有對(duì)應(yīng)的有效配對(duì)點(diǎn)pli與pri進(jìn)行連接，并求出線段與切片e的交點(diǎn)為pi＝(xi,yi,zi)；求出的所有交點(diǎn)pi即為最終獲取的切片上的點(diǎn)數(shù)據(jù)。

具體的，步驟4)中所述的插補(bǔ)點(diǎn)搜索包括如下步驟；

i.對(duì)經(jīng)步驟2)、步驟3)得到的每一切片上的點(diǎn)數(shù)據(jù)按照熔覆掃描方向進(jìn)行排序(切片方向代表了激光熔覆的掃描方向，熔覆軌跡相互平行，這樣又便于搭接，從而保證表面的波紋度較小。)；然后從排好序的首個(gè)點(diǎn)di(i＝1,2,3,...m)開(kāi)始，連接di與di+2，建立連線的方程如式(1)：

ii.根據(jù)式(1)計(jì)算di+1到連線的距離dεi+1,若dεi+1＜δε，則繼續(xù)向下搜索，連接di與di+3，同時(shí)求出di+2，di+1到連線的距離，若max[dεi+1,dεi+2]＜δε，繼續(xù)搜尋下一個(gè)點(diǎn)，直到

max[dεi+1,dεi+2,dεi+3,...dεi+n]＞δε,n＝1,2,3,...m-1，

則di+n為其中一個(gè)加工插補(bǔ)點(diǎn)；

iii.以di+n為起點(diǎn)，以步驟ii同樣的方法繼續(xù)往下搜尋，找出符合要求的下一個(gè)加工插補(bǔ)點(diǎn)，并依次輸出，而得出滿足要求的加工插補(bǔ)點(diǎn)集；其中加工插補(bǔ)點(diǎn)集為式(2)；

(2)；

具體的，步驟5)中，計(jì)算激光束的姿態(tài)包括以下步驟：

首先，計(jì)算步驟4)每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)到下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的方向矢量，已知當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)ki(xi,yi,zi)與下一插補(bǔ)點(diǎn)ki+1(xi+1,yi+1,zi+1)，根據(jù)式(3)計(jì)算沿兩點(diǎn)之間方向的矢量

則激光束的光軸矢量為

其中為切片e的法失，激光束的的光軸矢量為即激光束姿態(tài)。

本發(fā)明的有益效果在于：

本方法針對(duì)復(fù)雜曲面的激光熔覆，實(shí)施中直接利用光學(xué)掃描儀生成的點(diǎn)云進(jìn)行規(guī)劃軌跡，可避免因進(jìn)行曲面逆向和建模所消耗的時(shí)間，通過(guò)本方法插補(bǔ)點(diǎn)計(jì)算準(zhǔn)確率高，效率高，通過(guò)本方法極大提高了曲面熔覆前期工藝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)編程的效率，可廣泛運(yùn)用于再制造行業(yè)及其他領(lǐng)域。

附圖說(shuō)明

圖1為點(diǎn)云切片示意圖；

圖2為點(diǎn)云與切片求交法示意圖；

圖3為插補(bǔ)點(diǎn)的求法示意圖；

圖4為切片及搜索到的插補(bǔ)點(diǎn)示意圖；

圖5為激光束的姿態(tài)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說(shuō)明：

實(shí)施例1：一種基于點(diǎn)云模型的曲面激光熔覆快速軌跡規(guī)劃方法，參見(jiàn)圖1至圖4；本方法它包括以下步驟予以實(shí)現(xiàn)：

1)使用imageware軟件或geomagic軟件對(duì)具有一定深度制造缺陷、誤加工損傷或服役損傷的零件表面掃描并去噪聲點(diǎn)及簡(jiǎn)化處理后得到一個(gè)點(diǎn)云數(shù)據(jù)ω，其中：

ω＝{p1,p2,p3,...,pn}，pi＝{xi,yi,zi}∈r³；

2)設(shè)定：與固定點(diǎn)(x0,y0,z0)的連線并垂直于固定矢量(a,b,c)的所有的點(diǎn)的集合構(gòu)成的面為平面，該平面無(wú)限延展，不計(jì)厚度；平面在本文算法中用方程表示為：

a(x-x0)+b(y-y0)+c(z-z0)＝0

該平面過(guò)點(diǎn)m(x0,y0,z0)且垂直于非零向量

平行平面定義：沒(méi)有任何公共點(diǎn)的兩個(gè)上述平面是平行平面；

設(shè)定平行平面稱為切片，以平行平面切割點(diǎn)云；規(guī)定激光頭的運(yùn)動(dòng)方向?yàn)榍衅姆较?；切片間距δ為熔覆路徑間距，受熔覆搭接率的影響，具體切片間距δ根據(jù)熔覆搭接實(shí)驗(yàn)確定；

3)計(jì)算切片與點(diǎn)云的交點(diǎn)；可參見(jiàn)圖2，本步驟具體包含如下幾個(gè)步驟：

a).在切片e兩側(cè)0.5δ處各做一輔助切片el與er；

b).將點(diǎn)云數(shù)據(jù)沿著切片方向排列；

c).在切片e與切片el之間任取點(diǎn)pli，在切片e與切片er之間找到與其距離最近點(diǎn)pri，在尋找pri時(shí)，建立以pli為中心，l＝0.25δ為邊長(zhǎng)的立方體包圍盒，計(jì)算包圍盒內(nèi)點(diǎn)的數(shù)量num，若num＝0，將l增加步長(zhǎng)δt＝l，繼續(xù)搜索，直至num＞0；而后結(jié)束搜索；

d).同理步驟c)的搜索方法，在切片e與切片el之間搜索與pri距離最近的點(diǎn)pli′，并判斷pli與pli′是否為同一點(diǎn)，若為同一點(diǎn)，則pli與pri為有效配對(duì)點(diǎn)，將其記錄，否則舍棄；

e).使用步驟c)、步驟d)同樣的方法，對(duì)切片e與切片el之間(也可以是另一邊)所有點(diǎn)都進(jìn)行遍歷搜索，并記錄所有有效配對(duì)點(diǎn)；

f).將所有對(duì)應(yīng)的有效配對(duì)點(diǎn)pli與pri進(jìn)行連接，并求出線段與切片e的交點(diǎn)為pi＝(xi,yi,zi)；求出的所有交點(diǎn)pi即為最終獲取的切片上的點(diǎn)數(shù)據(jù)。

4)插補(bǔ)點(diǎn)搜索；具體的，可參見(jiàn)圖3，本步驟4)中所述的插補(bǔ)點(diǎn)搜索包括如下步驟；

i.對(duì)經(jīng)步驟2)、步驟3)得到的每一切片上的點(diǎn)數(shù)據(jù)按照熔覆掃描方向進(jìn)行排序(切片方向代表了激光熔覆的掃描方向，熔覆軌跡相互平行，這樣又便于搭接，從而保證表面的波紋度較小。)；然后從排好序的首個(gè)點(diǎn)di(i＝1,2,3,...m)開(kāi)始，連接di與di+2，建立連線的方程如式(1)：

ii.根據(jù)式(1)計(jì)算di+1到連線的距離dεi+1,若dεi+1＜δε，則繼續(xù)向下搜索，連接di與di+3，同時(shí)求出di+2，di+1到連線的距離，若max[dεi+1,dεi+2]＜δε，繼續(xù)搜尋下一個(gè)點(diǎn)，直到

max[dεi+1,dεi+2,dεi+3,...dεi+n]＞δε,n＝1,2,3,...m-1，

則di+n為其中一個(gè)加工插補(bǔ)點(diǎn)；

iii.以di+n為起點(diǎn)，以步驟ii同樣的方法繼續(xù)往下搜尋，找出符合要求的下一個(gè)加工插補(bǔ)點(diǎn)，并依次輸出，而得出滿足要求的加工插補(bǔ)點(diǎn)集；其中加工插補(bǔ)點(diǎn)集為式(2)；

(2)；

5)計(jì)算激光束的姿態(tài)，參見(jiàn)圖4，計(jì)算激光束的姿態(tài)包括以下步驟：

首先，計(jì)算步驟4)每個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)到下一個(gè)插補(bǔ)點(diǎn)的方向矢量，已知當(dāng)前插補(bǔ)點(diǎn)ki(xi,yi,zi)與下一插補(bǔ)點(diǎn)ki+1(xi+1,yi+1,zi+1)，根據(jù)式(3)計(jì)算沿兩點(diǎn)之間方向的矢量

則激光束的光軸矢量為

其中為切片e的法失，激光束的的光軸矢量為即激光束姿態(tài)。

本發(fā)明的實(shí)施例公布的是較佳的實(shí)施例，但并不局限于此，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員，極易根據(jù)上述實(shí)施例，領(lǐng)會(huì)本發(fā)明的精神，并做出不同的引申和變化，但只要不脫離本發(fā)明的精神，都在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。