本发明涉及制造技术领域，特别涉及一种三维几何结构约束的增材修复方法及系统。
背景技术：
制造可分为三种类型，铸锻焊为主的等材制造，以车铣刨磨为主的减材制造，3d打印为主的增材制造。而3d打印的原理是将计算机设计出的三维模型分解成若干层平面切片，然后由3d打印机把打印材料按切片图层逐层叠加，最终堆积成完整的物体。3d打印工艺有光固化打印(sla)、激光烧结打印(sls)、熔融沉积打印(fdm)等，其中激光烧结打印采用高功率的激光，把粉末烧结在一起形成零件。
在现代工程领域中，存在着非常多复杂结构的零件，如大型泵体、汽轮机组壳体、船用曲轴、航空发动机壳体和叶片、汽车发动机缸体与缸盖等。如今大部分复杂的零部件都采用铸造或者装配、焊接的方法生产。随着3d打印的不断发展和成熟，这项技术成为复杂结构生产及缺陷部位修复的一项重要新技术。
现有的增材修复技术中，通常采用的方案为：先进行三维建模，然后进行三维模型分层，最后根据三维模型分层结果进行逐层打印。但现有的增材修复方案中存在以下缺陷：三维模型直接进行分层，未对分层结果进行有效优化，导致分层后的模型与原始三维模型存在较大误差。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种三维几何结构约束的增材修复方法及系统。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：提供一种三维几何结构约束的增材修复方法，包括以下步骤：
1)进行缺陷部件三维扫描，重建出缺陷部件整体的三维点云模型；
2)根据获得的三维点云模型对缺陷部件进行三维建模，获取缺陷部件上的缺陷部位的三维实体模型；
3)对获得的缺陷部位的三维实体模型进行三维建模切片分层与优化，得到缺陷部位的分层模型；
4)进行缺陷部件自动摆位，使缺陷部件以获得的分层模型为基准进行姿态调整；
5)根据获得的缺陷部位的分层模型进行打印路径规划，以对缺陷部件上的缺陷部位进行三维打印修复。
优选的是，所述步骤1)具体包括：将待修复的缺陷部件固定于姿态可调的基座上，再对缺陷部件及基座整体进行三维扫描，重建出缺陷部件及基座整体的三维点云模型，然后从中分割得到缺陷部件整体的三维点云模型。
优选的是，所述步骤2)具体包括：
2-1)根据步骤1)获得的三维点云模型对缺陷部件整体进行三维建模，得到缺陷部件整体的三维实体模型，记作sc；
2-2)将缺陷部件整体的三维实体模型sc与缺陷部件的原始设计模型so进行对比，得到缺陷部件的缺陷部位的三维实体模型，记作mc。
优选的是，所述步骤2-1)具体包括：
2-1-1)对步骤1)获得的三维点云模型进行曲面建模，得到缺陷部件和基座的三维曲面模型mo；
2-1-2)通过曲面闭合算法，将未封闭的mo进行闭合，得到模型m1；
2-1-3)对m1进行实体化，得到实体模型s1；
2-1-4)通过基座上设置的标记点，将s1分割为两部分，分别为基座的实体模型s1b和缺陷部件整体的三维实体模型sc。
优选的是，所述步骤2-2)具体包括：
2-2-1)获取描述了缺陷部件完整的初始几何形貌的原始设计模型so，若so不是实体模型，则将其实体化；
2-2-2)通过图形匹配方法，将缺陷部件整体的三维实体模型sc和缺陷部件的原始设计模型so进行匹配，匹配后的sc记作sc’；
2-2-3)对so和匹配后的sc’进行差集操作，得到两个模型之间的差异，记作ss；ss存在一个或多个不连通的区域子集，缺陷部件的缺陷部位的三维实体模型sc是其中的一个子集；
2-2-4)通过人机交互在ss中的不连通的区域子集中选择一个作为sc；
2-2-5)通过表面生成方法，从sc生成闭合的三维曲面模型mc，即缺陷部位的三维实体模型。
优选的是，所述步骤3)具体包括：
3-1)以mo为基准建立基准坐标系；
3-2)对缺陷部位的三维实体模型mc进行分层，分层后的模型记作mh；
3-3)计算mc的体积，记作vc，计算mh的体积，记作vh；
3-4)计算vc和vh之间的差异，记作δv；
3-5)计算mc和mh之间的平均几何距离和最大几何距离，分别记作dmean和dmax；
3-6)选择误差测度准则e，其允许的误差上限记作τ，其中，误差测度准则e的选择方法为：e＝δv，或e＝dmean，或e＝dmax，或e＝αδv+βdmean+γdmax,0＜α,β,γ＜1；
3-7)若e大于τ，则对mc进行姿态变换，然后重复步骤3-1)至3-5)，直至其e小于τ；若遍历所有可能的姿态情况后，e仍旧大于τ，则选择e最小值对应的姿态；
3-8)通过上述步骤最终得到优化后的分层模型，记作mf，mf中的每一层模型记作mfi，i＝1,2,…。
优选的是，所述步骤4)具体包括：通过所述基座对缺陷部件的姿态进行调整，使缺陷部件的姿态与最终得到的优化后的缺陷部位的三维实体模型mf保持一致。
优选的是，所述步骤5)具体包括：
1)根据获得的优化后的缺陷部位的三维实体模型mf进行模型分层，分层后的每一层模型记做mfi；
2)对于mfi，计算其最小外接矩形，记作ri，其长边和短边分别记作eli和esi；esmin是所有ri短边的最小值；
3)保证打印路径线宽小于esmin，以ri的长边为方向，作为打印机的喷头运动方向，并以此为约束对打印路径进行规划；依据mfi逐层进行打印，直至完成整个缺陷部位的打印，从而完成缺陷部位的修复。
本发明还提供一种三维几何结构约束的增材修复系统，其采用如上所述的三维几何结构约束的增材修复方法进行增材修复。
优选的是，包括：三维扫描模块、三维建模模块、缺陷模型构建模块、三维模型切片分层模块、姿态可调基座、路径规划模块以及3d打印模块；
所述三维扫描模块为三维结构光扫描仪或轮廓扫描仪或相机，所述三维扫描模块用于对缺陷部件进行三维扫描；
所述三维建模模块用于重建出缺陷部件整体的三维点云模型；
所述缺陷模型构建模块用于根据获得的三维点云模型对缺陷部件进行三维建模，获取缺陷部件上的缺陷部位的三维实体模型；
所述三维模型切片分层模块用于对获得的缺陷部位的三维实体模型进行三维建模切片分层与优化，得到缺陷部位的分层模型；
所述姿态可调基座用于对缺陷部件进行姿态调整，所述姿态可调基座可进行方位角、俯仰角与翻滚角的调整，其上设置有至少3个位于同一平面的凸形标记点，所述凸形标记点可在所述三维扫描模块中成像；
所述路径规划模块用于根据获得的缺陷部位的分层模型对所述进行打印路径规划，以对缺陷部件上的缺陷部位进行修复。
本发明的有益效果是：本发明的三维几何结构约束的增材修复方法和系统，通过对三维模型分层进行优化，寻找最优的模型姿态，能够减小分层之后的三维模型和原始模型之间的误差，能获得更好的修复效果。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
应当理解，本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不排除一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
实施例1
本实施例提供一种三维几何结构约束的增材修复方法，包括以下步骤：
1)进行缺陷部件三维扫描，重建出缺陷部件整体的三维点云模型，具体包括：
将待修复的缺陷部件固定于姿态可调的基座上，再对缺陷部件及基座整体进行三维扫描，重建出缺陷部件及基座整体的三维点云模型，然后从中分割得到缺陷部件整体的三维点云模型。
2)根据获得的三维点云模型对缺陷部件进行三维建模，获取缺陷部件上的缺陷部位的三维实体模型，具体包括：
2-1)根据步骤1)获得的三维点云模型对缺陷部件整体进行三维建模，得到缺陷部件整体的三维实体模型，记作sc：
2-1-1)对步骤1)获得的三维点云模型进行曲面建模，得到缺陷部件和基座的三维曲面模型mo；
2-1-2)通过曲面闭合算法，将未封闭的mo进行闭合，得到模型m1；
2-1-3)对m1进行实体化，得到实体模型s1；
2-1-4)通过基座上设置的标记点，将s1分割为两部分，分别为基座的实体模型s1b和缺陷部件整体的三维实体模型sc。
2-2)将缺陷部件整体的三维实体模型sc与缺陷部件的原始设计模型so进行对比，得到缺陷部件的缺陷部位的三维实体模型，记作mc：
2-2-1)获取描述了缺陷部件完整的初始几何形貌的原始设计模型so，若so不是实体模型，则将其实体化；
2-2-2)通过图形匹配方法，将缺陷部件整体的三维实体模型sc和缺陷部件的原始设计模型so进行匹配，匹配后的sc记作sc’；
2-2-3)对so和匹配后的sc’进行差集操作，得到两个模型之间的差异，记作ss；ss存在一个或多个不连通的区域子集，缺陷部件的缺陷部位的三维实体模型sc是其中的一个子集；
2-2-4)通过人机交互在ss中的不连通的区域子集中选择一个作为sc；
2-2-5)通过表面生成方法，从sc生成闭合的三维曲面模型mc，即缺陷部位的三维实体模型。
3)对获得的缺陷部位的三维实体模型进行三维建模切片分层与优化，得到缺陷部位的分层模型；具体包括：
3-1)以mo为基准建立基准坐标系；
3-2)对缺陷部位的三维实体模型mc进行分层，分层后的模型记作mh；
3-3)计算mc的体积，记作vc，计算mh的体积，记作vh；
3-4)计算vc和vh之间的差异，记作δv；
3-5)计算mc和mh之间的平均几何距离和最大几何距离，分别记作dmean和dmax；
3-6)选择误差测度准则e，其允许的误差上限记作τ，其中，误差测度准则e的选择方法为：e＝δv，或e＝dmean，或e＝dmax，或e＝αδv+βdmean+γdmax,0＜α,β,γ＜1；
3-7)若e大于τ，则对mc进行姿态变换，然后重复步骤3-1)至3-5)，直至其e小于τ；若遍历所有可能的姿态情况后，e仍旧大于τ，则选择e最小值对应的姿态；
3-8)通过上述步骤最终得到优化后的分层模型，记作mf，mf中的每一层模型记作mfi，i＝1,2,…。
4)进行缺陷部件自动摆位，使缺陷部件以获得的分层模型为基准进行姿态调整；
具体包括：通过所述基座对缺陷部件的姿态进行调整，使缺陷部件的姿态与最终得到的优化后的缺陷部位的三维实体模型mf保持一致。
5)根据获得的缺陷部位的分层模型进行打印路径规划，以对缺陷部件上的缺陷部位进行三维打印修复，具体包括：
1)根据获得的优化后的缺陷部位的三维实体模型mf进行模型分层，分层后的每一层模型记做mfi；
2)对于mfi，计算其最小外接矩形，记作ri，其长边和短边分别记作eli和esi；esmin是所有ri短边的最小值；
3)保证打印路径线宽小于esmin，以ri的长边为方向，作为打印机的喷头运动方向，并以此为约束对打印路径进行规划；依据mfi逐层进行打印，直至完成整个缺陷部位的打印，从而完成缺陷部位的修复。
实施例2
本实施例提供一种三维几何结构约束的增材修复系统，其采用实施例1的三维几何结构约束的增材修复方法进行增材修复。该系统包括：三维扫描模块、三维建模模块、缺陷模型构建模块、三维模型切片分层模块、姿态可调基座、路径规划模块以及3d打印模块，通过上述模块用以执行实施例1中的方法，具体的：
其中，所述三维扫描模块为三维结构光扫描仪或轮廓扫描仪或相机，所述三维扫描模块用于对缺陷部件进行三维扫描；
其中，所述三维建模模块用于重建出缺陷部件整体的三维点云模型；
其中，所述缺陷模型构建模块用于根据获得的三维点云模型对缺陷部件进行三维建模，获取缺陷部件上的缺陷部位的三维实体模型；
其中，所述三维模型切片分层模块用于对获得的缺陷部位的三维实体模型进行三维建模切片分层与优化，得到缺陷部位的分层模型；
其中，所述姿态可调基座用于对缺陷部件进行姿态调整，所述姿态可调基座可进行方位角、俯仰角与翻滚角的调整，其上设置有至少3个位于同一平面的凸形标记点，所述凸形标记点可在所述三维扫描模块中成像；
其中，所述路径规划模块用于根据获得的缺陷部位的分层模型对所述进行打印路径规划，以对缺陷部件上的缺陷部位进行修复。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节。