專利名稱：對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法
技術領域：
本發明涉金屬部件修復技術領域，確切的說是一種對破損金屬部件進行自動堆焊 修復的方法。
背景技術：
自20世紀90年代以來，我國對再制造工程進行了深入的研究，有關專家將再制造 工程定義為“是以產品全壽命周期設計和管理為指導，以優質、高效、節能、節才、環保為目 標，以先進的技術和產業化生成為手段，來修復和改造廢舊產品的一系列技術措施和工程 活動的總稱”。再制造工程包括對產品的修復和改造。其中，對金屬零部件的修復是再制造工程 中的主要研究內容之一。對廢舊(破損)金屬零部件的缺損部分進行尺寸修復是關鍵環節， 現有的修復方法包括堆焊技術、電刷鍍技術、熱噴涂技術、激光再制造技術等。堆焊技術是利用焊接的方法在機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，并同時恢復零件的幾何尺寸。因為報廢或損壞的零部件其退役情況 和損壞方式的多樣性，所以對其進行堆焊修復具有小批量、個性化的特點。現有最廣泛的修 復方法是手工電弧堆焊，其缺點是1、操作人員必須是掌握熟練的堆焊技術；2、人工修復 質量參差不齊，堆焊層的一般較高；3、難以實現批量、流水線方式的工作流程，效率低。
發明內容
本發明的目的是提供一種對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法，快速恢復其 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上，操作測量機器人對部件 進行掃描，得到破損部件的三維型面點云數據。通過測量機器人與弧焊機器人坐標系轉換 關系，將點云數據轉換到弧焊機器人坐標系下，在計算機中導入金屬部件的CAD模型，將數 據與CAD模型配準，使非破損區域與CAD模型重合，通過計算點云到CAD模型的誤差來提取 破損區域數據。計算破損點云數據的PCA坐標系，應用平面切割，求取凸包線的方法生成堆 焊修復路徑。控制弧焊機器人完成對金屬部件的缺損部分的幾何修復。本發明的優點是現有對金屬部件進行堆焊尺寸修復的方法主要是采用人工堆 焊，勞動強度大，效率低，堆焊層質量和性能難以保證，難以實現批量，流水線方式的工作流 程。本發明應用測量機器人，弧焊機器人等先進設備實現對金屬部件的自動堆焊修復，具有 自動化程度高，修復效率高，修復質量穩定，適用批量修復作業等優點。
圖1是本發明的系統組成圖。圖2是本發明中PCA坐標系反映的破損數據在三維空間中的姿態。圖3是缺損區域生成凸線的示例圖。
圖4是本發明中焊槍進行堆焊修復時的運動軌跡圖5是本發明中完整的修復路徑。圖中1為焊槍，2為線結構光傳感器，3為2#六自由度機械臂，4為1#六自由度機械臂。
具體實施例方式該系統由測量機器人和弧焊機器人兩個部分組成。其中，測量機器人由線結 構光傳感器2和1#六自由度機械臂4組成，機械臂選用motoman公司的HP6型號機器 人。弧焊機器人由焊槍(1)和2#六自由度機械臂(3)組成，集成產品選擇motoman公司 M0T0MAN-SSA2000 弧焊機器人。工作過程系統工作過程包括3個部分破損部件型面掃描和定位、破損區域的提取和自動 生成修復路徑。(1)破損部件型面掃描和定位應用測量機器人獲得的金屬部件型面的數據，該數據是在測量機器人基坐標系下 的三維點云數據，測量機器人基坐標系與弧焊機器人基坐標系的關系可以預先標定，因此 可以將金屬部件型面數據變換到弧焊機器人基坐標系下，即實現了破損部件在弧焊機器人 坐標系下的定位。(2)破損區域的提取該過程是通過把金屬部件原始CAD模型與點云數據配準來提取破損區域的點云 數據。部件的CAD模型以STL (Stereo Lithography)的文件格式進行運算，STL是用三角 面片來描述三維實體模型。應用最近點迭代(ICP)算法實現點云數據與CAD模型的配準， 在進行迭代過程中，將旋轉平移矩陣作用于CAD模型，通過改變CAD模型的位置和姿態實現 CAD模型與點云數據的幾何對齊，即實現點云數據非破損數據與CAD模型的重合。在配準完 成后，通過計算點云數據與CAD模型的誤差來確定破損區域的點云數據。如果設定誤差閥 值為￡，那么當點云與CAD模型的距離誤差大于e，那該點數據即為破損區域數據。(3)自動生成修復路徑步驟1.建立破損數據的PCA坐標系應用主元分析方法(PCA)確定破損區域方向，設破損點云為P{Pl，p2...pn}，點云 中心為P。，則
1 “ 構建協方差矩陣Cp Cp為對實對稱矩陣，計算其三個非負的特征值X ” X 2和X 3。設X 彡X 2彡入3， 對應于入”^和入3的單位特征向量為61，62和63。三個特征向量相互正交，構成三維直 角坐標系，即做PCA坐標系，PCA坐標系反映了破損數據在三維空間中的姿態。如圖2示例所示，藍色區域代表的破損區域點云數據，其PCA坐標系如圖中標識所示。其中e3近似垂 直于破損區域的曲面，為焊槍較理想修復姿態，為破損區域的長軸方向，為焊槍修復時的 運動方向。步驟2.計算CAD模型上對應點集在e3方向上計算點云P{Pi，P2. Pn}在CAD模型的投影點集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^，則得到P在CAD模型上的對應點集Q。點集P和Q在構成了一系列空間線段(Pi， 1)，則缺損區域的信息由線段集(Pi，qi)進行描述。步驟3.生成修復路徑對于已知的焊絲，根據經驗可以得到其在特定功率和速度下進行堆焊的熔敷層的 高度和寬度，設其高度為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路徑。首先，求取破損區域在％方向 上的最小點(在PCA坐標系下的最低點)為pmin。以pmin為基準點，做垂直于e3軸，間距為 h的平面集與線段集相交，得到點集Pi，P2. . .Pi。點集Pi是在不同平面上的二維點集，計算 Pi的凸包得到其凸包線C2...Ci0對于實例數據其結果如圖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，每一個平面能夠與凸包線相交得到2個 交點，即一條直線段。這樣由得到的線段集構成了直線修復路徑。如圖4所示為最底層(C》 生成的修復路徑C1_L1，Cl_L2...Cl_Ln，作為焊槍進行堆焊修復時的運動軌跡。如5所示 為完整的修復路徑。通過計算機控制弧焊機器人按照生成路徑運動實現對破損區域的堆焊修復。
權利要求
一種對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法，其特征在于由測量機器人和弧焊機器人組成，其中測量機器人由結構光傳感器(2)和1#六自由度機械臂(4)構成，弧焊機器人由焊槍(1)和2#六自由度機械臂(3)構成；其工作過程如下a、用測量機器人掃描金屬部件，得到金屬部件的三維型面數據，三維型面數據為點云數據；b、將點云數據與原始CAD模型進行比對，提取出破損區域數據；c、根據破損區域數據生成修復路徑；d、控制弧焊機器人修復破損區域數據。
2.根據權利要求1所述的一種對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法，其特征在 于點云數據與原始CAD模型比對是通過ICP配準算法實現，破損區域數據通過配準誤差閥值確定。
3.根據權利要求1所述的一種對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法，其特征在 于點云方向是應用PCA算法確定，破損區域的修復路徑是用空間中的線段集描述破損區 域三維信息，通過平面切割，計算凸包線生成。
全文摘要
本發明是一種對破損金屬部件進行自動堆焊修復的方法，是針對于破損金屬部件上缺失的部分進行自動堆焊修復的技術方案，本發明由測量機器人和弧焊機器人構成，其中測量機器人由結構光傳感器和六自由度機械臂組成，弧焊機器人由焊槍和六自由度機器臂組成。系統工作的步驟是首先將待修復的破損部件固定在工作臺上，由測量機器人掃描破損部件，獲得部件破損的三維型面點云數據；然后將三維型面點云數據與金屬部件的原始CAD模型進行配準(幾何對齊)，通過計算點云數據到CAD模型的誤差提取破損區域的點云數據；根據破損區域的三維信息自動生成堆焊修復路徑，由計算機控制弧焊機器人完成對部件破損區域的自動修復。
文檔編號B23K9/12GK101927391SQ20101026455
公開日2010年12月29日 申請日期2010年8月27日 優先權日2010年8月27日
發明者王文標, 胡英, 馬孜 申請人:大連海事大學