基于非剛性配準(zhǔn)的復(fù)雜零件幾何修復(fù)技術(shù)研究.pdf

1、在航空航天、運(yùn)載工具、能源裝備等重大工程領(lǐng)域中，受到材料制備、加工技術(shù)等方面的限制，許多關(guān)鍵零部件如航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片等仍然受制于發(fā)達(dá)國(guó)家，嚴(yán)重依賴國(guó)外進(jìn)口。此類零件通常采用性能優(yōu)異、價(jià)格高昂的高溫合金制造，長(zhǎng)期在高溫、高速、高壓等極端環(huán)境下工作，極易產(chǎn)生彎曲變形及表面損傷，致使零件尚未達(dá)到其使用壽命就不得不選擇報(bào)廢。直接替換這些損傷零件會(huì)給企業(yè)造成極高的運(yùn)營(yíng)成本和資金浪費(fèi)。因此，對(duì)損傷零件進(jìn)行修復(fù)以恢復(fù)使役性能就成為延長(zhǎng)其使用壽命的有效手

2、段，也是目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界研究的熱點(diǎn)。為此，本文將圍繞復(fù)雜零件修復(fù)技術(shù)展開論述，著重討論損傷零件模型重構(gòu)及修復(fù)零件高效數(shù)控加工中所涉及的幾何處理方法。
　　首先，討論了損傷零件的測(cè)量過(guò)程以及分別基于曲率和給定采樣間距的稠密散亂數(shù)據(jù)的精簡(jiǎn)方法;詳細(xì)討論了受損零件損傷區(qū)域及修復(fù)精加工區(qū)域的識(shí)別過(guò)程并給出了相應(yīng)的識(shí)別算法;提出了基于轉(zhuǎn)角的區(qū)域測(cè)量數(shù)據(jù)邊界提取方法，從而能夠快速界定損傷及加工區(qū)域;給出了基于最小關(guān)聯(lián)點(diǎn)對(duì)的截面輪廓構(gòu)造方法以

3、及散亂截面數(shù)據(jù)的快速有序化算法，得到了順序排列的截面數(shù)據(jù)點(diǎn);針對(duì)目標(biāo)點(diǎn)距離名義曲線較遠(yuǎn)時(shí)變形曲線易出現(xiàn)形狀突變問(wèn)題，基于曲線約束變形及光順?lè)椒?，將曲線光順變形轉(zhuǎn)化為使變形能量最小的優(yōu)化問(wèn)題，給出了使變形能量最小的曲線控制點(diǎn)的計(jì)算方法，構(gòu)造出的曲線不僅能夠通過(guò)給定的目標(biāo)點(diǎn)而且同時(shí)滿足曲線光順的要求。
　　其次，討論了測(cè)量數(shù)據(jù)與名義模型之間的剛性配準(zhǔn)過(guò)程。給出了測(cè)量數(shù)據(jù)與名義模型間剛性配準(zhǔn)問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述，討論了求解兩者之間剛性變換的四

4、元數(shù)法、奇異值分解法以及迭代方法;在此基礎(chǔ)上,針對(duì)無(wú)任何預(yù)知聯(lián)系下的測(cè)量數(shù)據(jù)與截面輪廓間配準(zhǔn)問(wèn)題，以曲率為聯(lián)系特征在測(cè)量數(shù)據(jù)與截面輪廓之間建立起滿足三角距離約束的對(duì)應(yīng)關(guān)系，進(jìn)而利用提出的三點(diǎn)旋轉(zhuǎn)平移變換法生成旋轉(zhuǎn)平移變換列表，然后通過(guò)最小距離目標(biāo)函數(shù)選取正確的三維坐標(biāo)變換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)與截面輪廓之間的初始配準(zhǔn);為了解決精確配準(zhǔn)中測(cè)量數(shù)據(jù)與名義曲線間對(duì)應(yīng)的準(zhǔn)確構(gòu)建問(wèn)題，借助伯恩斯坦多項(xiàng)式算術(shù)運(yùn)算和貝賽爾曲線的凸包性質(zhì)，提出了基于遞歸分割的

5、點(diǎn)到B樣條曲線最近點(diǎn)的計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上，給出了測(cè)量數(shù)據(jù)與名義曲線間精確剛性配準(zhǔn)算法并將其推廣到曲面剛性配準(zhǔn)中。
　　再次，針對(duì)損傷零件形狀的復(fù)雜性和損傷區(qū)域的不確定性，將非剛性配準(zhǔn)的基本思想引入到損傷工件實(shí)際模型重構(gòu)之中;建立了測(cè)量數(shù)據(jù)與名義模型間非剛性配準(zhǔn)的數(shù)學(xué)模型;通過(guò)對(duì)非剛性變換的分析，將其分解過(guò)調(diào)整測(cè)量數(shù)據(jù)與名義模型間相對(duì)空間位姿的剛性變換和改變名義模型的形狀變形，提出了求解非剛性變換的剛性變換和形狀變形輪換迭代求解的

6、策略，討論了基于控制網(wǎng)格和控制體的曲線曲面變形量的計(jì)算方法;在此基礎(chǔ)上，先提出了僅存在變形的截面輪廓的非剛性重構(gòu)方法，進(jìn)而基于弦長(zhǎng)參數(shù)給出了損傷區(qū)域非剛性配準(zhǔn)重構(gòu)時(shí)約束條件的構(gòu)造方法，詳細(xì)論述了存在損傷區(qū)域時(shí)非完整截面數(shù)據(jù)的約束非剛性配準(zhǔn)重構(gòu)過(guò)程，給出了損傷截面輪廓的約束非剛性配準(zhǔn)重構(gòu)算法;基于重構(gòu)的截面輪廓，利用蒙皮算法實(shí)現(xiàn)了損傷工件模型曲面的快速構(gòu)造。
　　然后，討論了修復(fù)區(qū)域堆焊材料數(shù)控加工去除時(shí)的進(jìn)給率自適應(yīng)規(guī)劃方法。首先

7、，給出了五軸數(shù)控加工刀位路徑的雙NURBS曲線描述模型及五軸機(jī)床的正向及逆向運(yùn)動(dòng)學(xué)變換模型;詳細(xì)討論了五軸數(shù)控加工中的運(yùn)動(dòng)幾何學(xué)及機(jī)床驅(qū)動(dòng)特性約束，推導(dǎo)出了控制幾何精度的弦高誤差、刀尖點(diǎn)速度及加速度、刀軸角速度及角加速度、機(jī)床各驅(qū)動(dòng)軸速度、加速度及加加速度的表達(dá)式及對(duì)進(jìn)給速度的約束條件;據(jù)此給出了基于等比例調(diào)節(jié)和曲線光順變形的進(jìn)給率曲線演化策略;在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步提出了基于曲線變形的五軸數(shù)控加工進(jìn)給率松弛方法;該方法通過(guò)對(duì)B樣條表示的進(jìn)

8、給率曲線進(jìn)行控制點(diǎn)的自適應(yīng)配置，然后在幾何精度約束、機(jī)床驅(qū)動(dòng)軸運(yùn)動(dòng)學(xué)約束下對(duì)進(jìn)給率曲線進(jìn)行松弛調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了各類約束下進(jìn)給率的自適應(yīng)規(guī)劃。
　　最后，本章以典型的Wiggle型曲面工件和航空葉片為例，詳細(xì)討論了損傷工件測(cè)量和數(shù)據(jù)處理、損傷工件的實(shí)際模型曲面重構(gòu)、修復(fù)加工區(qū)域的識(shí)別以及多余修復(fù)材料數(shù)控加工的整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，證實(shí)了與傳統(tǒng)曲面擬合操作相比本文所提損傷區(qū)域幾何修復(fù)方法能夠有效地避免數(shù)據(jù)點(diǎn)的序化及參數(shù)化、節(jié)點(diǎn)形容性處理等操作，簡(jiǎn)