一种自由曲面的自适应修复方法、系统、设备及介质

本发明属于表面修复，特别是涉及一种自由曲面的自适应修复方法、系统、设备及介质。

背景技术：

1、自由曲面具有平滑的外形和良好的气动特性，在多种行业，例如航空航天行业、汽车行业和模具制造行业，被广泛用作特殊的功能表面。此类核心功能部件，例如汽轮机叶片、发动机曲轴和冷冲压模具等，通常工作在高温、高压、过载、高冲击、振动和易疲劳的恶劣环境下，长时间的工作服役后容易出现磨损，导致核心设备的性能下降甚至报废。由于制造此类零件时往往需要使用特殊的工程材料和相较复杂的加工工艺，因此相比于重新制造新的工件，在故障部件的基础上进行再制造加工以恢复其功能和性能是节能、节材、省时、经济和环保的。

2、由于自由曲面零件相比于传统平面和回转体表面更为复杂，其自适应修复存在着诸多难题。一方面，传统曲面修复往往采用平面切片的方式，此类方法以平面堆积的形式实现缺陷体的修补，其切片方法和轨迹填充方法相对简单，广泛应用于传统平面类零件的修复工作。然而，自由曲面表面形貌相对复杂，传统平面切片的方法无法实现与自由曲面基底充分的随形融合，此外，还存在着严重的“阶梯效应”，分层切片的连续性较差，容易出现小片段的轨迹，在修复质量和修复效率上有严重的不足，难以满足自由曲面修复的要求。另一方面，传统修复轨迹填充方法通常使用固定搭接间距，此方法适应于平面类型工件表面修复的轨迹规划。而自由曲面表面曲率是动态变化的，传统固定搭接间距方法会导致严重的修复层厚度不均匀的问题，具体表现为凸面熔覆的熔覆层厚度偏薄，凹面熔覆的熔覆层厚度偏厚，这将极大降低修复加工的表面质量和加工精度。

3、现有的方法中，提出了一种基于自由曲面切片的三维打印路径规划方法和系统，此方法考虑了曲面路径规划技术存在曲面模型受到重力挤压变形、料束尚未凝固使得结构发生明显形变、打印精度低的问题，然而，此发明所采用的固定方向等距偏移的切片方法，无法适应自由曲面磨损修复场景，在自由曲面磨损缺陷实体切片时，最终成形的顶部表面仍然存在着严重的“阶梯效应”。一方面，顶部表面的表面质量和精度差，无法满足自由曲面修复场景下对最终修复顶面表面波纹度的要求，另一方面，大量存在的小片段切片轨迹会极大降低修复加工的工作效率。

4、综上所述，面对自由曲面修复场景下对修复表面低波纹度和高加工效率要求，目前没有很好的激光修复的自适应曲面切片和轨迹规划的方法。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种自由曲面的自适应修复方法、系统、设备及介质，以解决上述现有技术存在的问题。

2、为实现上述目的，本发明提供了一种自由曲面的自适应修复方法，包括：

3、步骤一：对磨损工件进行数据离散，得到磨损待修复体；对所述磨损待修复体进行自适应分割，得到初始参考曲面；其中，所述初始参考曲面包括磨损模型底面和标准模型顶面；

4、步骤二：基于所述初始参考曲面构建自由曲面切片；

5、步骤三：计算所述自由曲面切片的表面曲率分布数据，构建曲率-搭界间距优化模型对所述自由曲面切片进行轨迹自适应填充，得到自由曲面扫描轨迹；

6、步骤四：对所述自由曲面扫描轨迹中的扫描轨迹点进行拓扑排序，得到加工轨迹，对所述加工轨迹进行拟合，完成自由曲面的自适应修复。

7、可选的，所述步骤一具体包括：

8、分别对标准工件和所述磨损工件进行数据离散，得到标准点云模型和磨损待修复体，并逐点迭代求取所述磨损待修复体和所述标准点云模型之间的差距值；

9、基于所述差距值对所述磨损待修复体进行自适应分割，得到初始参考曲面。

10、可选的，所述步骤二具体包括：

11、计算所述初始参考曲面中各离散点的法向量，基于各法向量构建对应离散点的相切球模型，构造与各相切球模型相切的包络面作为自由曲面切片。

12、可选的，所述步骤三具体包括：

13、基于所述表面曲率分布数据根据等体积搭接模型构建曲率-搭界间距优化模型；

14、设定初始轨迹平面和距离阈值，获取自由曲面切片中各离散点到所述初始轨迹平面的距离数据，基于所述距离阈值对各离散点的距离数据进行判断，保存小于所述距离阈值的距离数据所对应的离散点，基于保存的离散点构建初始扫描轨迹；

15、迭代计算所述初始扫描轨迹上各点对应的搭界间距优化点，基于所述搭界间距优化点生成相邻搭接轨迹；

16、基于所述相邻搭接轨迹对所述自由曲面切片进行轨迹自适应填充，得到自由曲面扫描轨迹。

17、可选的，所述步骤四具体包括：

18、对所述自由曲面扫描轨迹中的扫描轨迹点进行拓扑排序，以拓扑排序后的扫描轨迹点作为加工点，基于所述加工点在不同的自由曲面扫描轨迹之间插入安全点，得到加工轨迹，基于所述nurbs曲线对所述加工轨迹进行拟合，完成自由曲面的自适应修复。

19、一种自由曲面的自适应修复系统，包括：

20、待修复体构建模块，用于对磨损工件进行数据离散，得到磨损待修复体；对所述磨损待修复体进行自适应分割，得到初始参考曲面；其中，所述初始参考曲面包括磨损模型底面和标准模型顶面；

21、轨迹自适应填充模块，用于根据所述初始参考曲面构建自由曲面切片，计算所述自由曲面切片的表面曲率分布数据，构建曲率-搭界间距优化模型对所述自由曲面切片进行轨迹自适应填充，得到自由曲面扫描轨迹；

22、拟合模块，用于对所述自由曲面扫描轨迹中的扫描轨迹点进行拓扑排序，得到加工轨迹，对所述加工轨迹进行拟合，完成自由曲面的自适应修复。

23、一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器运行所述计算机程序以使所述电子设备执行所述的一种自由曲面的自适应修复方法。

24、一种计算机可读存储介质，其存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现所述的一种自由曲面的自适应修复方法。

25、本发明的技术效果为：

26、本发明针对传统平面切片方法在自由曲面修复场景下修复加工质量和效率不足的问题，通过对待修复磨损体进行曲面分解，将磨损体分解为磨损模型底面和标准模型顶面。为保证激光熔覆层与磨损体底面充分融合，同时为保证熔覆层的连续性和成形精度，分别以磨损模型底面和标准模型顶面为初始参考表面，通过逐点计算自由曲面点云表面法向量分布，建立给定层厚的相切球模型，进而获得相切球的包络表面，实现法向等距曲面的生成。反复迭代法向等距曲面生成方法，将目标待修复体进行逐层自适应曲面切片。进一步，为保证熔覆层厚度的均匀性和最终成型精度，考虑到传统固定间距的轨迹填充方法在不同曲率部位存在厚度不均匀的问题，通过计算曲面切片的表面曲率分布，建立最优搭界间距-曲率模型，并通过动态优化搭接间距，以获取初始扫描轨迹的相邻搭接轨迹，通过反复迭代上述方法，实现自由曲面切片轨迹由中心向两侧的生长，最终完成自由曲面切片的扫描轨迹完整填充。进一步，根据机器人激光熔覆工艺的需要，对生成的自由曲面扫描轨迹进行拓扑排序，并在相邻扫描轨迹之间插入安全点，对处理后的离散轨迹点进行nurbs曲线拟合，进而驱动机器人对目标自由曲面磨损体进行分层激光熔覆堆积，完成自由曲面表面磨损的自适应修复。

27、本发明通过对磨损体分解，基于分解结果进行法向等间距自由曲面切片，实现了磨损部位磨损基底向目标修复表面顺滑过渡，保证了熔覆层和磨损基体表面的充分融合，同时最大程度保证了熔覆层的连续性，消除了传统切片方法所存在的严重“阶梯效应”，保证机器人激光修复的加工质量和效率。同时，针对传统等间距搭接轨迹在不同曲率部位存在着修复层厚度不均匀的问题，提出了一种基于等体积模型的搭界间距优化方法，通过动态优化搭接间距以适应自由曲面的曲率变化，最大程度保证了熔覆层的厚度均匀性，进一步保证了激光修复表面的加工精度。