（机械制造及其自动化专业论文）逆向工程辅助的零件修复技术.pdf

摘要 imylllllllliil9iiiilll删4211lll9ljllll1y9 摘要 随着技术的进步，机械零件中出现了大量的有着表面形状复杂，外形呈自 由曲面的零件。一旦这些零件因磨损、断裂、腐蚀等原因失效，整个机器将不 可避免彻底失去其使用功能。传统的零件维修方法在修复这些失效零件，要么 修复过程繁琐、复杂，要么无法修复。这造成了巨大的浪费。为了精确地、方 便地修复这些形状复杂、有着自由曲面特征的零件，本文尝试了引入逆向工程 技术中的表面数据采集技术，结合快速成型技术对这些失效零件进行修复，为 复杂表面的失效零件提供了一种新的修复手段。 本文的研究包括以下几个方面： 1 ) 逆向工程辅助的零件修复技术的总体方案设计，研究了使用于使用本方 法进行修复的零件失效形式，逆向工程数字化采集方法的选择，以及零件缺损 部位数字模型的获得和快速成型修复的总体流程。 2 ) 研究了分析了失效零件表面数据采集与一般逆向工程数据采集之间的不 同之处，提出了针对以修复零件为目的的失效零件表面数据采集的方法。 3 ) 通过将失效零件表面数据与原始c a d 模型作对比，得到零件缺损部位 的数字化模型。在具体比较方法上，本文提出了点云比较法和实体比较法两种 获得缺损部位的数字化模型的方法。 4 ) 提出了使用快速成型技术，对零件进行修复的技术。本文研究了根据零 件材质的不同，选择不同类型的快速成型方法进行修复。根据各种快速成型方 法的技术特点，将失效零件的修复方法分为直接修复法和间接修复法两类。 论文最后，通过两个失效零件的实例数据采集与快速成型修复，验证了将 逆向工程技术与快速成型手段相结合，修复复杂表面零件的可行性与实际运用 价值。 关键字：零件修复；逆向工程；三维扫描；快速成型 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g y , an u m b e ro fc o m p o n e n t sw i t hc o m p l e xo r f r e es u r f a c eh a v eb e e na p p e a r e d i ft h e s ec o m p o n e n t sf a i lb e c a u s eo fa b r a s i o n , f r a c t u r ea n dc o r r o s i o n ，t h ew h o l em a c h i n ec a n n o tw o r k sn o r m a l l y i ft h ef a i l e d c o m p o n e n th a v ec o m p l e xo rf r e es u r f a c e ，i ti sv e r yd i f f i c u l to rc o m p l i c a t e di n p r o c e s s i o nf o rt h et r a d i t i o n a lm e t h o d st or e p a i rt h i sk i n do ff a i l e dc o m p o n e n t t h i s m a k e sag r e a tw a s t e t h i sp a p e rf o c u s e so nu s i n gd a t ac o l l e c t i o nt e c h n o l o g yo f r e v e r s ee n g i n e e r i n g ，c o m b i n ew i t ht h er a p i dp r o t o t y p i n gt e c h n o l o g y , t r y i n gt o p r o v i d ea n e wm e t h o do ff a i l e dc o m p o n e n tr e p a i r i n g t h i ss t u d yi n c l u d e st h ef o l l o w i n gr e s p e c t ： 1 ) d e t e r m i n et h eo v e r a l lp r o g r a ma n dt h ea p p l i a n c er a n g eo ff a i l e dc o m p o n e n t r e p a i r i n g 、i lr e v e r s ee n g i n e e r i n g 2 ) a n a l y s i s t h ed i f f e r e n c e so fs u r f a c e d i g i t a l c o l l e c t i o nb e t w e e nf a i l e d c o m p o n e n ta n dn o r m a lr e v e r s ee n g i n e e r i n g ，p r o p o s e dt h ep a r t i c u l a rw a yo ff a i l e d c o m p o n e n t ss u r f a c ed i g i t a lc o l l e c t i o n 3 ) b ym e a s u r e m e n tt h es u r f a c eo ff a i l e dc o m p o n e n t ，c o m p a r i s o nb e t w e e nt h e o r i g i n a lc a dm o d e la n dp o i n tc l o u do ff a i l e dc o m p o n e n t ，w ec a nq u i c k l yg e tt h e d i g i t a lm o d e lo fp a r t sd e f e c ts i t e i ns p e c i f i cc o m p a r i s o nm e t h o d s ，t h i sp a p e rp r o p o s e d t w ok i n do fw a yt og e tt h ed i g i t a lm o d e lo fc o m p o n e n t sd e f e c ts i t e ：p o i n tc l o u d c o m p a r i s o na n de n t i t yc o m p a r i s o n 4 ) a c c o r d i n gt o t h ed i f f e r e n tc o m p o n e n tm a t e r i a l s ，w es h o u l ds e l e c td i f f e r e n t t y p e so fr pm e t h o dt or e p a i ra n da c c o r d i n gt ov a r i o u st e c h n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fr p t e c h n o l o g y , w ec a nd i v i d e dt h ef a i l e dc o m p o n e n t sr e p a i r i n gm e t h o d si n t ot w o c a t e g o r i e s ：d i r e c tr e p a i r i n ga n di n d i r e c tr e p a i r i n g b yu s i n gt w oc o m p o n e n t sr e p a i r i n gi n s t a n c e sw ea u t h e n t i c a t i o nt h ef e a s i b i l i t y a n dp r a c t i c a l a p p l i c a t i o no fc o m b i n i n gt h er e v o l v ee n g i n e e r i n ga n dt h er a p i d p r o t o t y p i n gt or e p a i rc o m p l e xs u r f a c ec o m p o n e n t k e y w o r d s ：p a r t sr e p a i r i n g ；r e v e r s ee n g i n e e r i n g ；3 ds c a n n i n g ；r a p i dp r o t o t y p i n g 第一章绪论 第一章绪论 全球工业的高速发展，各种产品的种类和数量与日俱增。在工业发展带给 人们财富和文明的同时，对于自然资源和能源的消耗也十分严重。许多关键零 件仅仅因为部分部位失效，就丧失了其原有的使用价值。对于这部分零件，如 果能够有先进的现代修复技术，对其进行修复，就可以再次恢复其使用价值。 本文从零件失效的机理和现有零件修复的修复技术着手，尝试将逆向工程 技术中数据采集技术及其后处理技术引入到零件修复过程中去，提出了将逆向 工程技术与快速成型技术相结合的新的零件修复方式。 1 1 课题的背景及其研究意义 1 1 1 工程背景 随着科学技术的不断进步，机电产品的更新换代也越来越快、使用各种机 器的机械结构也越来越复杂。这些产品常常会因为机构中一两个关键零件的失 效而彻底失去其使用功能。 图1 1 因磨损而失效的齿轮图1 2 因载荷过大而失效的轴颈 而在这些失效的零件，常常只有一两处局部失效而导致零件的整体报废。 例如，图1 1 所示的齿轮，因为若干轮齿磨损而导致整个齿轮失效，图1 2 所示 的轴颈因为载荷过大而发生断裂、崩塌。在这两例中，零件其他部位完好，只 发生了局部失效，但却使得零件整体失效导致整个零件报废，造成了巨大的浪 费 为了修复这些失效零件，人们对零件的失效做了分类研究。 第一章绪论 机械零件由于某种原因不能正常工作时，称为失效【1 1 。零件失效即失去了其 原有的功能的含义包括三种情况【2 j ： 零件由于断裂、腐蚀、失效、变形等，从而完全失去其功能。 零件在外部环境作用下，部分的失去原有的功能，虽然能够工作，但不 能完成规定的功能，如由于失效导致尺寸超差等。 零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全 可靠性。如经过长期高温运行的压力容器机器管道，其内部组织已经发生变化， 当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。 机械零件的失效形式，大体上可以分为三类：过量变形、断裂及表面损伤 【3 - 5 1 ，而表面损伤又可分为两类：磨损和腐蚀。 对于修复失效零件的修复有很多种技术种类和方法，大致有如下种类【6 】： ( 1 ) 调整法。通过调整设备的装配参数来使设备回复正常工作。很多设备在 设计时就考虑到使用调整问题。 ( 2 ) 换位法。零件的失效总是不均匀的，当零件的一部分工作面失效较大时， 另一部分的工作面可能只有轻微失效，将零件没有失效的部位换到工作部位， 就称为换位修理法。 ( 3 ) 校直法【7 】与压力加工修复法【8 1 。又可分为冷校法和热校法。经常用于轴 类零件的弯曲校正。火焰矫正法是热校法中常用的技术之一【9 1 。压力加工修复是 利用零件的金属塑性变形来恢复零件损伤部位的尺寸和形状。 ( 4 ) 修复热处理法【i o 】。修复热处理法主要是利用高温热处理方法修复、愈合 零件的疲劳裂纹的方法。在热加工条件下，基体金属内的原子扩散，使裂纹得 到愈合。 ( 5 ) 修理配件法。用修理配件法恢复失效的配合件，是对配合中的一个零件 进行加工，使它具有正确的几何形状，然后再根据加工后零件的尺寸，更换与 其相配的零件。 ( 6 ) 附加零件法。当两配合件失效后，将相配合的零件分别进行机加工。使 其得到正确的几何形状，然后在配合中增加一个附加零件，以恢复原配合。 ( 7 ) 局部更换法。该方法是将失效的零件进行部分更换。 ( 8 ) 零件尺寸恢复法( 修理尺寸法) 【l l 】。零件尺寸恢复法是零件修复工艺中 十分重要的一种，也是本课题研究的主要零件修复方式，它包含有许多不同的 修复方式。尺寸恢复焊接法是使失效的零件恢复原来的尺寸和形状，通常用于 2 第一章绪论 对磨损失效或是断裂失效零件的修复。根据增补的材料与原零件的结合关系， 可分为以下几类： 焊接修复。焊接修复是零件修复工艺中最重要的一种。常用的焊接方法 有焊条电弧焊、气保护焊、t i g 焊、埋弧焊激光焊型1 2 】等。 在焊接修复工艺中，堆焊修复是一种十分有效的修复手段。堆焊【1 3 】是将特 定使用性能的合金材料，利用某种热源覆熔在零件的基体材料上，从而达到恢 复零件尺寸、形状和使用要求的方法。 目前，堆焊技术已经广泛用于零件的修复工作，其最新的发展趋势，一是 将零件尺寸恢复与表面改性相结合，应用于再制造领域，大大延长了零部件的 使用寿命和使用效果。二是受到现代先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智 能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术( n e a rn e ts h a p e ) 引起了制作 业的广泛关注。而已经出现了全自动堆焊设型1 8 】，在堆焊处理过程中采用数 字化控制技术，则可进一步提高堆焊的质量和效率。 热喷涂。热喷涂【1 啦! 】技术热喷涂技术是通过火焰、电弧或等离子体等热 源，将某种线状或粉末状的材料加热形成熔滴高速喷向基体形成涂层。在生产 实际中应用比较广泛的方法主要有火焰喷涂，包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷 涂、爆炸喷涂、超音速火焰喷涂、等离子喷涂和电弧喷涂等，常用的热喷涂技 术按喷涂热源分类见表1 1 。 表1 1 常用热喷涂技术分类 电弧喷涂技术的基本原理是是以两根丝状金属喷涂材料在喷枪端部短路产 生的电弧为热源，将熔化的金属丝用压缩空气气流雾化呈微熔滴，高速喷射到 工件表面形成喷涂层的一种工艺。电弧喷涂原理简图如图1 3 所示。 3 第一章绪论 l 麓律2 缓攫搴簪缓辘 4 。兢谤s 。趱壤塑气 舐曦纛。嗽巍瓤嚆纛 8 薹 l ，节乞麓落霪。璐辫弋绛敷麓嘎雒糕凌棒锗v 氖气绺唆嚏6 。塞气摹，璐辘的气绺鬟磺潦瑟 9 。缓缝覆翳黪謦镑璩覆豫耪澎 图1 3 电弧喷涂示意图图l 4 火焰丝材喷涂示意图 火焰喷涂技术按喷涂材料的类型分为丝材火焰喷涂、线材火焰喷涂和棒材 火焰喷涂。其喷涂原理与电弧喷涂基本相同，所不同的是以氧乙炔作为加热热 源，喷枪也不同。火焰喷涂原理简图如图1 4 所示。 电镀与电刷镀 电镀就是利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过 程。作为零件修复的一种重要手段，常用于修复因磨损而失效的零件。 电刷镀【2 2 2 4 】技术不需要使用电镀槽，它具有设备轻便、工艺灵活、镀积速 度快、镀层种类多、结合强度高、对环境污染小等一系列优点，并且适应范围 广泛，尤其适用于大型机械的不解体现场修理或野外抢修。电刷镀技术的基本 原理如图1 5 所示。 图1 5 电刷镀原理图 除了上诉三种主要技术外，尺寸恢复法还包括：粘接、挤压等方法。 采用上诉传统技术修复失效零件时，对于外形简单、规则的零件，可以使 4 第一章绪论 用车、铣等【2 5 】工艺去除材料的方法将零件失效面的失效量均匀化，以利于零件 尺寸的修复精度。但是，对一些复杂表面，或难以加工表面则较难以使用除表 面材料的方法将零件失效面的失效量均匀化。 可以看到，传统零件的维修方式没有充分利用数控技术，计算机技术等现 代先进技术，在修复过程中，依然需要人工的大量参与，只能对一些形状简单， 破坏轻微的失效零件进行修复，而对一些表面形状复杂，或者外形呈自由曲面 的零件，要么修复过程繁琐、复杂，要么无法修复。因此，需要研究一种能够 充分融入现代计算机技术与数控技术的现代化零件修复技术。 使用逆向工程技术中的表面数字化技术【2 6 】，可以迅速得到零件表面形貌数 据。分析得到失效面的详细失效量分布情况，结合快速成型技术，可以解决一 些复杂表面或难加工表面失效后的难以修复的问题。当零件失效量较大时，将 逆向工程中的实物外形数字化技术与快速成型技术相结合，使得对复杂表面的 失效修复变得更加方便、快捷。通过扫描失效零件的外形，与零件的原始c a d 模型做比较，快速得到零件各个面的详细失效情况数据。其数据经过处理，编 制成快速成型设备的数控工艺程序，并交由快速成型设备对零件进行修复。 本文即基于这些技术，提出课题的研究的问题和方向。 1 1 2 课题意义 本课题的研究阐述了使用逆向工程技术辅助对单个或小批量复杂外形失效 零件进行修复的方法，为将来实现零件的自动化个性修复提供了理论可能性。 该技术也可运用于如再制造等新兴领域，推动再制造技术的应用和发展。 在经济和社会效益方面，该课题重点研究了有复杂曲面的失效零件的修复 问题，目的是使原先无法修复而不得不更换的零件再次具有使用价值，预期能 够为企业和社会节省了有限的资源。因此，该课题的研究具有重要的经济效益 和应用价值。 1 2 主要研究内容、研究目标 应用逆向工程数据采集设备和软件能够进行数字化测量和预处理技术，获 得失效零件表面的高质量点云数字化模型。如i m a g e w a r e 、g e o m a g i c 等 逆向工程软件支持以此数字化模型与失效前的零件c a d 模型对齐与比较，并可 以以可视化彩色浓淡图和数据报表等形式直观评价零件表面的失效量，指导零 第一章绪论 件修复。 在测量条件良好的情况下，光栅投影式三维扫描仪的测量精度大约在 o 0 5 m m 左右【2 7 1 。但由于测量、点云拼合等一系列原因，在实际使用中，只能对 损坏程度较严重零件进行精确测量。这也意味着使用逆向工程技术的修复方法， 较适合于修理如失效比较严重之类的零件。 在具体修复方式上，传统修复方法不足以支持本课题的研究，为了达到精 确地，自动化的修复零件的目的，快速成型技术作为近年来发展极为迅速的一 项先进技术，是计算机技术、材料成型技术和数控技术的高度集合，在零件的 修复领域有着巨大的潜力。因此，引入快速成型技术作为零件修复工作的研究 重点。 1 2 1 主要研究内容 失效机械零件的表面数据采集 根据零件失效形式的不同，以及是否有原始c a d 模型而选择采用不同的表 面数据采集方式。包括零件测量前的表面处理以及如何达到高精度的测量数据。 失效零件损坏部位c a d 模型获取 研究利用逆行工程数据采集技术得到的失效零件表面数据，生成零件损坏 部位c a d 模型。对于没有原始c a d 模型的失效零件，还要考虑如何通过获得 的数据，重构零件的原始c a d 模型。 快速成型修复零件 对于没有自带分层片程序的快速诚信设备，研究了根据层叠法【2 8 1 制定修复 工艺路径的方法。针对不同材质的零件，选择不同的快速成型修复方式。对于 不同的零件失效情况，考虑采用直接修复方式还是间接修复方式。 1 2 2 研究目标 建立一套基于逆向工程数据采集技术采集零件失效部位的损坏情况，进而 生成零件失效部位缺损部分的数字模型，通过分析失效零件材料、失效形式从 而确定具体的快速成型修复方式，并交由快速成型设备进行零件的直接或间接 修复，从而简化复杂表面零件修复过程的一系列系统方法。 6 第一章绪论 1 2 相关领域技术现状研究 1 2 1 逆向工程数据采集技术与失效零件修复 数据采集技术是逆行工程的一项核心组成技术。逆向工程( r e v e r s e e n g i n e e r i n g ，r e ) 2 9 】是指从实物样件获取产品数学模型，进而开发出同类的先 进产品的技术。逆向工程的主要工作流程包括：数据获得、数据预处理、模型 重构( 如图1 6 ) 。 图1 6 逆向工程流程图 运用逆向工程技术可以在无图纸或者图纸不完整以及无c a d 模型的情况 下，将实物样件或者手工模型转化为c a d 数据，以便利用快速原型系统( r a p i d p r o t o t y p i n g ，r p ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t u r e ，c a m ) 系统、 产品数据管理( p r o d u c td a t am a n a g e m e n t ，p d m ) 等先进技术对其进行处理和管 理，并进行进一步修改和再设计优化。逆向工程技术的出现改变了传统的从图 纸到实物的产品设计方法，使企业迅速制造产品原型、开发新产品成为可能， 提高了企业在快速多变的市场环境下的竞争能力。 目前，逆向工程的各项技术发展的十分成熟，已经广泛运用于家电、汽车、 玩具、轻工、医疗、航空、航天、国防等各个行业，并且取得了十分巨大的经 济效益。 逆向工程在零件的修复工程中的运用主要就是指逆行工程数据采集技术的 运用。作为逆向工程的核心技术之一，数据采集技术已经取得了长足的发展。 数据采集是指，以某种测量方法或测量设备测量得到被测原型物体的各表面点 7 第一章绪论 的几何坐标信息，也被称之为零件的表面数字化。数据采集技术是逆向工程技 术中最基本，最必不可少的关键环节。随着测量技术的进步，数据采集技术以 从原先的接触式测量方式，发展到非接触式测量方式，从原先的单个点坐标依 次获取，到如今的一次测量既可获得大面积的点云数据，而且精度越来越高， 测量越来越便捷。 逆向工程数据采集技术一般可以分为接触式测量方式和非接触式测量方式 两类。接触式测量方法主要有测量机器人( 机器手测量) 和三坐标测量仪 ( c o o r d i n a t em e a s u r i n gm a c h i n e ，c m m ) 。近年来，也出现了使用非接触测量技 术进行测量的测量机器人【3 0 1 。三坐标测量仪c m m 3 1 】是2 0 世纪6 0 年代后期发展 起来的一种高效率、新型、精密的测量设备。它一般由若干个自由度的杆式机 构和末端的探针组成，通过运动学计算得到末端探针触点的三坐标信息，其技 术目前已比较成熟。它广泛应用于机械制造、电子、汽车和航空工业中，获取 表面数据的采集，是产品逆向工程实现的基础和关键技术之一。但是一般三坐 标测量仪测量效率比较低，而且对一些软质表面由于使用接触头的关系无法进 行测量，数据需进行测头半径补偿。使用激光探针代替接触式探针【3 2 】可以使三 坐标测量仪应用范围拓展到软质表面零件。 非接触式测量的主要技术方法有：声学方法、磁学方法、光学方法。而光 学方法又是非接触式测量方法中应用最广泛的一种方法。它的显著特点是测量 速度快。激光测距法、激光三角形法、结构光照法、干涉测量法及图像分析法 是常用的五种光学方法。这其中，激光三角形法和结构光照法是目前较最为成 熟的方法，激光三角形法具有测量速度快、精度较高等优点。结构光照法中最 典型的方法是投影光栅法。它除了精度高，扫描速度快等优点外，还具有成本 低、单次测量范围大，且能得到较密集的点云数据等优点。相对的不足之处在 于对于变化剧烈的表面测量精度大大降低，无法测量零件内腔。 目前，非接触式测量越来越受到人们的重视，应用范围越来越广泛。在运 用非接触式测量方式的测量设备中值得一提的是德国g o m 公司研制的a t o s 流 动式光学扫描仪，此设备是目前市场上本类产品中可以购买到最先进的设备之 8 第一章绪论 图1 7 表面数字化技术分类 该设备采用可见光，将特定的光栅条纹投影到测量工件表面，借助两个高 分辨率c c d 数码相机对光栅干涉条纹进行拍照，利用光学拍照定位技术和光栅 测量原理，可在极短的时间获得复杂工件表面的完整密集点云( 点距 0 0 3 x 0 5 m m ) 。测量综合精度高，达到o 1 m m m ；测量快捷，标定工作可在1 0 m i n 完成，测量效率高单幅扫描时间只需8 s ；测量范围广，单幅测量范围从5 0 x 4 0 m m 到2 0 0 0x2 0 0 0m l t l ，测量工件从1 0 m m 到1 2 m 。可以认为，a t o s 光学测量仪反 应了逆向工程数据采集技术的最新进展和未来发展方向，即测量精度越来越高， 测量速度越来越快，同时，获得的点云数据也越来越密集。 表1 2 典型三维扫描方法的特点比较 在零件的修复过程中，逆向工程的主要应用有两个，一是将零件失效部位 表面数字化，以获取失效部位的精确数字形貌；二是在没有零件原始c a d 模型 的情况下，通过对采集的数据进行分析汇总，重构零件的原始c a d 模型。在其 中，并不是每种测量方式都适用于该领域的应用，需要根据工程使用的实际情 况，对上诉数据采集技术进行选择。 9 第一章绪论 1 2 2 快速成型技术与失效零件修复 快速成型是近年来发展迅速的一个领域，快速成型制造技术也称l i p 技术 ( r a p i dp r o t y p i n g ) ，这种技术的主要思路是就是以材料的分成叠加的方式制 造工件的先进制造技术。快速成型技术将计算机辅助设计( c a d ) 、计算机辅助 制造( c a m ) 、计算机数字控制( c n c ) 、精密伺服驱动和新型材料等先进技术 集于一体，利用材料的分成叠加方式来制造产品。快速成型技术作为制造技术 的一大飞跃，得到了制造业的极度重视，运用到越来越多的领域，取得了越来 越多的成果。快速成型技术的特点在于特别适合于制造形状复杂、精细的零件， 其生产的柔性化程度很高，数字化程度很高，制造时不需要专门的工装夹具和 模具，大大缩短了产品的制造时间和难度。快速成型技术虽然制造零件的成本 较高，但是其成本与零件的复杂程度与批量无关，对于失效零件，由于每个失 效零件的破坏程度各部相同，决定了单个零件的数控修复轨迹也不尽相同。这 点特别适合于快速成型技术在零件修复工艺上的运用。 目前，快速成型技术还罕有用于零件修复过程的运用，其主要运用范围有： 1 产品样件的试制、设计评审、性能测试即装配实验。用户可以根据快速成 型制造的产品样件进行设计方案评审，进行模拟性能测试和模拟装配实验，并 可提供生产可行性分析。最后将这些评审、分析与实验结果反馈给设计人员， 以便于以后的设计修改和进化。 2 基于快速成型技术的快速模具制造。将快速成型技术与传统的模具制造结 合在一起，可以缩短模具的制造时间，提高生产效率。 3 医学领域的运用，根据扫描得到的人体器官截面数据，制造出人体局部或 器官模型，用于临床辅助诊断或手术方案的确定。 4 微型机械零件的制造。快速成型可以采用某些特殊的成型方法，如光固法 和l v d 法，制造并装配一些微型机械零件。 5 其他领域的运用。快速成型技术还有用于文物的复制、制作工艺品设计原 型、会展模型等。 目前常用的快速成型方式有光固化技术( s l a ) 、层叠实体制造技术( l o m ) 、 激光选区烧结技术( s l s ) 、熔融沉积技术( f d m ) 等，堆焊快速成型技术作为 一种新型、廉价的成型技术，近年来也得到了较大的发展。并不是所有的快速 成型技术都能运用在零件的快速修复领域，例如，层叠实体制造技术( l o m ) ， 由于成型材料多使用纸质材料，其在零件的快速修复领域的运用价值就不高。 l o 第一章绪论 大部分快速成型方法，如用于零件的直接修复( 在零件的失效部位上直接成型) ， 会和成型喷头或者铺粉滚筒发生干涉与碰撞，需要对设备进行改造，或者采取 间接修复的方法( 缺损部位单独成型后通过某种方式，结合到待修复零件上去) 。 一般，对于非金属类零件可以采用两种修复方法，但是对金属类零件，间接法 并不适用，需要开发新的成型修复方法。在这方面，堆焊快速成型法有着良好 的运用前景。 在零件的修复过程中，对于不同材料的零件，可以采用不同的快速成型修 复方式。对于非金属类零件，立体光固化与熔融沉积法等方法比较适用。对于 金属类零件，可用的方法有激光选区烧结( s l s ) 与电子束熔融沉积快速成型 ( e b m ) 等以及比较有发展前途的堆焊快速成型法。但是此种方法也有局限性， 堆焊成型的形状精度不易控制，成型后表面质量较差。 1 4 论文结构 本文以逆向工程技术为指导，通过建立损坏零件缺损部位的高精度数字化 模型，利用层叠法生成以自动化堆焊设备维修失效零件为目标的零件修复数控 代码。全文共分为七章，具体内容安排如下： 第一章绪论。介绍了论文的研究背景，研究方向的确立，主要研究内容， 研究目标以及本文的章节结构。 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计。本章提出了逆向工程数据 采集技术在零件的修复过程中的主要应用技术路线。 第三章失效零件表面数据采集。本章阐述了零件表面数字化技术在对待修 复零件的外形扫描工作中的主要操作步骤，以及应注意事项。 第四章失效零件缺损部位的数字模型生成。阐述了零件缺损部位的数字模 型生成的具体方法。 第五章失效零件的快速成型修复。阐述了分层切片算法在零件修复的数控 代码生成中的运用以及一些分层切片算法的最新发展情况。通过零件实例修复， 验证了逆向工程与快速成型技术相结合修复零件的可行性。 第六章结论与展望。对本论文的工作做出了总结，指出了本方法的可行性 和实际操作性，指出了现有技术手段不足之处和将来的进一步发展方向。 第一章绪论 本章小结 本章为本文的绪论部分，在分析了零件失效分类、零件修复方法以及逆向 工程技术的理论以及国内外最新研究状况。对本文的研究目标、研究内容进行 了阐述，最后介绍了章节安排。 1 2 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 逆向工程辅助零件修复，实际上就是将逆向工程技术和快速成型技术相结 合的一个过程。传统上，逆向工程技术就与快速成型技术组合实现了产品的快 速三维拷贝，从而达到对零部件的快速仿制等目的。其主要步骤有：原型产 品的表面数字化；产品数字化建模( 包括了点云数据的各种处理) ；交由快 速成型设备制造成型修复。 图2 1 逆向工程辅助零件修复的总体方案图 逆向工程辅助零件修复的主要步骤就是从上诉三个步骤中衍生出来的。其表 面数字化的对象是残缺的零件，快速成型的对象则是残缺的零件的缺损部位。 在步骤二与步骤三之间再加入失效零件与零件原始c a d 模型之间的比较得到零 件的缺损部位这一步骤。 目前，关于逆向工程在零件修复中的研究文献不多，而快速成型领域则将烟 具重点放在了新型成型方式的开发已经零件成型等领域，对本课题研究较有价 1 3 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 值的研究有：刘军、王荣霞等【3 3 】研究运用逆向工程修复受损的模具；龚振宇、 刘彦普等【3 4 】研究了将逆向工程运用于修复人体颌骨；韩磊等【3 5 】研究了逆向工程 修复合模线存在变形的模具修复；b a g i c 3 6 】研究了逆向工程在破损和磨损零件修 复中应用。 就整体而言，上诉研究在修复零件的具体手段上还是停留在：一是简单的修 补，二是对损坏较严重的零件重新制造，除了引入逆向工程技术外，没有将快 速成型技术等最先进零件修复技术和逆向工程相结合，其修复方法较为传统。 2 1 表面数字化方式的选择 2 1 1 本课题研究的零件失效形式 并不是所有的零件失效方式都适合于采用逆向工程辅助的方式来进行修 复，该方法主要是采用增加材料的方式来修复零件，主要针对的是零件因尺寸 变化而造成的失效。如果零件因使用过程中材料性质改变，如受热部件的高温 蠕变或疲劳失效等失效形式，由于没有明显的尺寸变化，就不适合采用本方法 进行修复。 过量变形、断裂及表面损伤这三种常见的失效形式中，过量变形虽然也是 因为零件的尺寸的改变而造成零件失效，并不总是能通过去除零件材料的方法 来恢复零件应有的尺寸，因此，本方法在修复该类失效零件中的应用就极为有 限。 同时，表面数字化方式也决定了本修复方式的实用性。无论何种表面数字 化方式，都有其最小分辨率和精度，尺寸变化范围过小，使得零件失效情况难 以在表面数字化过程中显现，就使得后续的工作变得毫无意义。 断裂和磨损量足够大磨损失效是比较适合采用逆行工程技术来确定零件失 效情况的典型零件损伤。根据具体情况，腐蚀失效的尺寸改变量足够大时，也 能够采用本方法进行修复，但是在数据采集前，应预先将腐蚀面表层去除，以 免影响零件修复后的正常使用。 综上所述，在确定采用逆向工程辅助零件修复的工作之前，应首先确定该 零件的失效形式，判断是否适合采用这一方法来进行修复。 1 4 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 2 1 2 表面数据采集方式的选择 目前，有许多常见的表面数据采集方式：大体上分为接触式测量方式和非 接触式测量方式，具体上又可分为三坐标接触测量、三坐标非接触测量、投影 光栅法、激光三角法、工业c t 法、层切法、声学、磁学测量方法等。这些测量 方法各有各的特点。 逆向工程辅助的零件修复要求的数据采集方式应具有：测量精确、点云密 度高、测量迅速、成本低廉、不破坏被测零件等特点。投影光栅法虽然也有诸 如无法进行内腔测量、被测物体表面不能变化过陡、无法一次完成周转物体的 测量等缺点，但是，可以结合高精度的点云拼接和合理的测量路径安排来克服 上述缺点。其他如三坐标仪测量、激光三角法、工业c t 法等，要么测量慢、点 云密度低，要么成本较高或者测量精度差。 如图2 2 所示的三坐标测量仪采集的点云数据，可以看到图中点云带有清晰 的仪器探头运动轨迹，其采集点云数据的密度远不如投影光栅法所得到的点云 密度，且测量耗时巨大。 就目前的研究现状来看，光栅投影技术是光学三维测量中最常用的、最有 发展前途的技术。其研究重点集中在三个方面，第一是条纹图形处理技术的发 展，其重点在于变频条纹投射技术的研究，能够解决具有台阶或不连通区域的 复杂面形测量：第二，与其它空间编码技术的结合。常见的编码方法包括二维 网格图案编码【3 7 1 、二进制编码【3 8 1 、位相编码、随即图案编码【3 9 1 。位相编码具有 一定的优势，将其与其他编码方式相结合，从而产生新的技术；第三，光栅投影 设备的发展，例如通过数字投影设备通过编程实现了非机械精确相移【4 0 1 ，从而 增加仪器的测量精度。随着光栅投影测量法的进步，其再零件的修复过程中的 运用也将变的更为有效。 因此，投影光栅法是逆向工程辅助的零件修复技术中首选的表面数据采集 方式。本文即通过研究、使用投影光栅测量法，来生成失效零件缺损部位数字 模型，达到研究目的。 2 2 表面数据采集与s t l 文件生成 2 2 1 表面数据采集 在实际修过过程中，失效零件常常因为各种原因丢失了原始设计信息，这就 1 5 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 需要将零件的表面数据采集分为两类：以得到零件失效部位信息的数据采集与以 重构零件原始c a d 模型的数据采集。这两类采集方式在具体操作上有一定区别。 以得到零件失效部位信息的数据采集在点云质量要求上，可以采用疏密结 合的方式，即：对于零件的失效部位，要求点云的高密度，高精度；对于其他 的完好部位，如果是与原始c a d 模型对齐时的重要参考部位，可适当的提高要 求，其余部位则可降低点云的测量质量。 而以重构零件原始c a d 模型的数据采集则与上述情况相反，对于失效部位 的点云，由于一般不具有模型重构时的重要参考意义，可降低要求，甚至不做 测量，其他完好部位则要求高质量的点云数据。 在实际测量过程中也可将两者合并，对零件全局采用高质量、高密度的点 云获取要求，然后根据不同的使用要求对点云进行局部删减，以达到精简实验 步骤的效果。 2 2 2 缺损部位s t l 文件生成 缺损部位s t l 文件生成是本论文研究的重点。其总体思想是通过 g e o m a g i c 软件比较零件在失效前与失效后点云数据，删去两者之间的重合部 分，所剩的既是所需的缺损部位点云，通过该点云数据构建缺损部位的s t l 文 件，具体有可分为实体比较法与点云比较法两种方法。 s t l 文件生成可分为两种情况，其一是在有原始c a d 模型参考下的点云对 比，主要涉及到了点云的后处理技术和c a d 模型实体，多边形( s t l 文件) 与 点云数据之间的格式转换与对齐；其次是无原始c a d 模型参考下的点云对比。 除了上诉处理方法外，还涉及到了通过残缺零件的点云数据，重构出原始c a d 模型的方法与过程。 鼍 l 慧然| 吟 坐标系中重合 哪 零件缺损部分 的数字模型 气霪乎南 图2 2 缺损部位s t l 文件生成的基本方法 1 6 第二章逆向工程辅助零件修复的总体方案设计 2 3 快速成型修复方式 逆向工程技术自诞生以开始，就始终与快速成型方式紧密的结合。王永兵， 祁文军等人研究了反求工程与快速成型一体化应用研究【4 1 1 ；袁小江的基于逆向 工程的快速成型技术的应用【4 2 】等等，有研究将这两项技术联合在一起使用，称 之为快速反求工程。 在本课题研究中，快速成型方式好坏决定了零件的最终修复质量。根据快 速成型设备的成型原理，将零件分为两类：金属类和非金属类零件。对非金属 类零件而言，可采用的修复方法有：立体光固化快速成型( s l a ) 、熔融沉积法 快速成型等方法。对于金属类零件，可采用的修复方法有：激光选区烧结快速 成型、电子束熔融沉积快速成型与焊接成型法等。 在快速成型修复零件时，有两种方式可供选择：一是直接修复法；二是间 接修复法。 材科恢复部位与失效零佟 图2 3 零件的直接修复法图2 4 零件的间接修复法 在采用直接修复法时，需要考虑到零件在光栅投影测量时的坐标系、软件 拼合坐标系与快速成型设备的加工坐标系之间的转换。 本章小结 本章主要提出了逆向工程辅助零件修复的主要技术路线，总结了该方法修 复零件时应注意的问题，总结点云的质量要求与表面数字化方式的选择，失效 零件缺损部位生成的主要方法以及零件针对不同材质、不同失效情况零件所选 用不同的修复方式和快速成型修复设备。 1 7 第三章失效零件表面数据采集 第三章失效零件表面数据采集 表面数字化技术也就是产品的外形数字化获取，主要是通过特定的设备和 特定的方法，得到零件表面离散点的三维坐标数据。 一般的逆行工程表面数字化过程有两大步骤，一是零件的测量前处理，包 括零件的清洗已经染色剂涂覆；二是测量规划，主要包括测量坐标系统一以及 测量分块。 以修复零件目的的表面数字化过程与传统的逆向工程表面数字化过程基本 相同，值得注意的是，对于待修复部位可以使用高精度的测量，而其他部位在 可以得到清晰的零件特征外形( 清晰的特征外形可以在点云拼接以后作为零件 拼接以及与原始c a d 模型作对比的参考标志) 可适当的降低精度要求，以达到 简化点云数据的目的。 为了获得高精度的点云数据，除了选择合理测量方式外，在操作过程中还 必须要注意以下问题： 测量设备的标定，任何测量系统只有进行了精确的标定，才能控制点云 的误差。设备经过长期工作或者搬运移动与测量环境发生变化后，都有可能导 致标定值偏移，故应重新标定。 测量过程中，测量系统和被测件不应发生振动，运用光学原理的非接触 式测量对环境光线有较高要求，环境光线不能过强，且光照应均匀。 被测件预处理，绝大多数测量系统对被测件上的孔、槽、凹陷处等无法 进行数据采集，这样在造型时会出现数据“空白”，将增大数据处理和逆向建模 的难度，故测量前可采用石膏、油泥等对被测件进行填充。 3 1 失效零件的分类与测量前处理 对于逆行工程辅助的零件修复来说，有其适用的零件失效形式。在测量前， 因充分考虑到零件失效形式，分析其能否使用本方法来进行维修。 一般而言，失效可分为过量变形、断裂及表面损伤。断裂及表面损伤比较 适合于采用本方法来进行修复。 在断裂、磨损或者腐蚀等典型失效行为中，其数据采集的方式都是基本一 1 8 第三章失效零件表面数据采集 样，所不同的是，对于腐蚀失效，还应将失效面腐蚀层彻底去除。 除此以外，失效零件由于长期使用或者其他各种原因，其表面通常都有锈 蚀，磨损等各种使用痕迹，失效零件的失效部位，通常还有因各种失效情况而 产生的缺口，毛刺，不规则的凸起等表面形状。如图3 1 所示，该零件失效处， 有大量缺口、毛刺，不规则的凸起，造成拍摄所得点云质量不佳，相互遮挡等 情况。且，这种对后续的堆焊修复也相当不利，各种断面和缺口将阻挡堆焊焊 头的运动。 图3 1 某失效圆锥型轴套零件外观图3 2 圆锥零件未处理毛刺前所拍摄的点云图 ( 左右图为两视角所拍摄的同一区域点云) 如图3 2 所示，该片点云数据为某零件在未处理失效面的断口，缺口和毛刺 是所拍摄得到的点云数据片，可以看到，该零件在失效部位的点云数据，由于 失效部位存在严重的不规则造型，导致在拍摄点云是，各种毛刺，凹凸部位相 互遮挡，使得点云片出现遮挡，缺损等缺陷，点云拍摄质量不佳，即使使用多 次拍摄，获取不同方位的点云数据然后再将个点云片拼接，也无法得到高质量 的点云数据。 因此，在零件拍摄前，应先对零件进行处理。对于零件表面的锈蚀等，可 以使用砂纸等手段去除，直到表面出现金属光泽或足够光滑。对于毛刺，不规 则的凹凸块等，应使用砂轮、锉刀或者其他手段予以去除，是的失效面竟可能 光洁，既有助于提高点云拍摄质量，也有利于堆焊修复时，堆焊材料的依附。 图3 3 为圆锥零件失效面经处理后的照片，使用砂轮将原来失效面上的毛 刺，不规则的凹凸块等予以去除，可见，经过处理后零件失效面较为光洁。 1 9 第三章失效零件表面数据采集 图3 3 某圆锥零件失效面经处理照片 图3 4 为该零件处理后拍摄的点云图像，通过观察点云图像可以看见，与图 3 2 做比较，零件失效部位的点云数据较为连续，平整，不存在明显的点云数据 部连续或者遮挡等不良效果，较好的表达了零件失效部位的实际形貌状况。同 时，在处理点云时也发现，点云数据出现跳点的情况大大减少，为后续数据处 理和修复做好了准备。 图3 4 某圆锥零件处理后拍摄的点云图像 3 2 零件的表面着色与涂层覆盖 在本课题的研究中，预定采用结构光测量法对失效零件进行表面数据采集， 由于结构光栅投影的三维测量基于三角原理【4 3 】，该方法采用光栅投影系统，在 被测物体表面投射形成明显的条纹，然后拍摄下带有光栅条纹投射图案的影像 照片，通过对影像照片上已被编码的光栅条纹，进而解算出被测物体表面的形 2 0 第三章失效零件表面数据采集 貌数据特征，形成点云数据。因此，在被测物体