一种工件激光自动化修复方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种激光修复方法，尤其是涉及一种工件激光自动化修复方法。
【背景技术】
[0002]工业产品中有大量高性能、高附加值的金属零部件需要修复，例如燃气轮机和飞机发动机的涡轮叶片、石油钻具、注塑或冲压模具、轧辊、刀具等。这些高性能材料的关键零部件往往是决定整个机器装备使用周期寿命的薄弱环节。采用先进的检测与修复技术对存在缺陷和损伤的零部件进行自动化地修复，使其重新满足工业装备的使用要求，并延长其使用寿命，可获得可观的技术与经济效益。以涡轮叶片为例，由于其工作环境恶劣，选用材料往往是性能优异的镍基高温合金，材料本身昂贵，并且它的形状和内部结构极其复杂，铸造合格率一般很低，因此涡轮叶片的造价非常高昂。现代燃气轮机上每片单晶叶片的造价可高达3万美元，一般来讲，叶片修复的成本费用平均值仅为更换新叶片成本费用的20%，因此高性能涡轮叶片的修复可获得可观的技术经济效益。这些金属零部件常见的坏损模式是表面的磨损、腐蚀、裂纹、材料缺失等。修复工艺通常需要清洗、打磨受损部位，将污染、氧化、腐蚀的材料清除掉，再利用熔焊技术涂覆或再生出新的材料。当前，针对高性能金属零件修复的熔焊方法有钨极氩弧焊、等离子焊、电子束焊以及激光焊等。传统的熔焊修复技术一般利用热输入较大、很难精确控制熔焊形貌的手工氩弧焊的手段来修复零件。比起其他的熔焊手段，氩弧焊得到的熔焊材料微观组织往往晶粒粗大，热影响区较大，易产生裂纹等缺陷。这使得修复后的零件强度、寿命和可修复的部位都有很大的局限性。另外，手工修复的效率低，缺乏修复过程中在线检测，其结果大大地依赖于焊工技艺等不确定因素。
[0003]将上述的这些熔焊手段与多轴数控机床或工业机器人等数控设备集成在一起，可以实现自动化的运动轨迹与熔焊参数的可靠控制，使得修复工艺具有较好的灵活性、可靠性，确保较精确的材料供给与能量的输入，从而为形状复杂的金属零部件的修复提供经济可靠的柔性修复手段。下面以激光熔焊手段为例，说明本发明涉及的自动化修复工艺的技术背景。
[0004]激光净形制造技术，或称激光金属直接沉积制造技术，是20世纪90年代在快速成形技术的基础上，结合激光熔覆技术发展起来的一种无模快速制造技术。如图1所示，现有的激光净形修复系统均使用高功率激光束I'通过聚焦镜2'熔化由送粉器3'同步输送的原料粉末，在被修复零件4'的配合运动下，逐点逐层堆焊新材料，通过不断生长制备出三维结构的零件。激光净形制造通常是基于数控机床或机器人等自动化执行机构，在加工前必须通过数控编程生成加工轨迹和加工参数，或统称为加工路径。
[0005]激光自动化修复利用激光金属直接沉积制造技术工作原理，在被修复零件基础上，根据零件缺损形状堆积一定材料实现修复效果。与激光净形制造相比，一个很大的区别就是修复加工路径的生成。这是因为激光净形制造技术通常是根据三维模型直接生成加工路径，而且通常是在基本不受约束的平面上堆积而成。而激光修复需要在被修复零件的缺损部位堆积，这些部位可以是平面，但更多时候是一个事先不确定的三维曲面。同时，待修复的金属零件通常情况差别很大:一方面，待修复零件多为小批量多种类零件；另一方面，待修复零件经过服役后发生的缺损和变形各不相同，需要修补的形状也差别很大。还有一些时候，在无法得到被修复零件的准确三维模型的情况下，无法根据模型生成路径。
[0006]以上原因导致激光修复的加工轨迹很难生成。传统的方法是人工示教的方法:首先通过工作人员手动移动被修复零件4'，用肉眼判断激光作用点是否对齐待修复区域，并记录下机床或机器人坐标；然后根据待修复区域形状，移动激光喷嘴若干次，并记录下若干个点的坐标；最后根据这些点生成适合的加工路径。这个过程非常费时费事，以至于经常生成路径(包括人工示教)的时间远远超过了激光加工过程本身的时间。而且人工对齐的准确性较低，生成的加工路径也比较粗糙，造成修复精度通常很低，可重复性不高。这对于一些小型金属零件例如航空叶片的修复是致命的不足。此外，现有的人工熔焊和示教检测方法无法对修复后的零件进行及时的在线测量。
[0007]由于以上问题，国内激光修复通常只在大型零件或者简单形状零件上使用，大大降低了激光修复的使用领域。而在国外一些先进修复设备和技术中，采用了基于CCD或CMOS相机的机器视觉技术对待修复零件进行自动检测和定位，并由此生成加工路径。但此种方法只能解决二维修复问题，对三维零件修复并不适用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种自动化修复方法，以解决现有技术中的净形修复系统修复效率低下及修复质量与精度不高的问题，从而提高生产效率,节约时间成本,实现大批量的生产加工,完成对工件的自动修复。该发明着重解决三维型面扫描、图像处理、激光熔覆轨迹生成问题。
[0009]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0010]一种工件激光自动化修复方法，包括以下步骤:
[0011]I)激光3D扫描仪对工件进行三维型面在线扫描，获得工件表面的空间采样点，即三维点云数据；
[0012]2)对扫描得到的空间采样点进行坐标变换，在修复执行机构坐标系中重构三维工件表面点集；
[0013]3)对步骤I)获得的点云数据进行图像处理，提取工件的边界轮廓；
[0014]4)根据工件边界轮廓生成激光熔覆轨迹；
[0015]5)将激光熔覆轨迹转换为机器识别代码存储至修复执行机构中；
[0016]6)修复执行机构根据激光熔覆轨迹对工件进行自动修复。
[0017]步骤3)中，所述的图像处理具体为:对点云数据进行滤波处理；在三维坐标系中，将工件放置在平行于XY坐标面工作台上，将工件在三维坐标系中的Z坐标作为图像的灰度值，根据工件与工作台在三维坐标系的相对位置不同，从而得出工件的边界轮廓，提取边界点云坐标，然后再将得到的工件边界轮廓逆变换到空间域。
[0018]所述的修复执行机构包括多轴数控机床或机器人系统。
[0019]该方法还包括:
[0020]采用激光3D扫描仪对步骤6)修复后的工件进行在线扫描，将扫描获得的三维点云数据与预先存储的工件数学模型进行对比检测，并根据检测信息对修复后工件尺寸精度与形状进行评估和量化表征，判断工件修复尺寸是否达到标准，若否，则重新执行步骤I)?6)，对工件进行二次修复与检测，直至工件修复尺寸达到标准。
[0021]本发明通过3D扫描仪对工件型面扫描而得出激光熔覆轨迹，与人工示教对点再将每点之间按照某一特定的方式连接从而得到的激光熔覆轨迹相比，本发明极大地减少了激光熔覆轨迹生成的时间，克服了人工对齐准确性较低、生成加工路径粗糙、修复精度较低等问题。
[0022]本发明一方面采用滤波来减少噪点的出现，另一方面对点云进行边缘提取，得到图像轮廓。本发明基于传统三维建模软件的计算机辅助制造模块进行了二次开发从而得到图像轮廓，可以快速得到激光熔覆的轨迹。在整个流程中，替代了人工示教的传统方法，大大节约了时间，提高了生成路径的准确性，避免了加工路径比较粗糙，修复精度较低等问题。
【附图说明】
[0023]图1为激光净形修复示意图；
[0024]图2为本发明零件自动化测量与修复的流程示意图；
[0025]图3为三维型面扫描示意图；
[0026]图4为边界轮廓提取示意图；
[0027]图5为激光熔覆轨迹生成过程示意图。
【具体实施方式】