[发明专利]一种复杂曲面零件破损区域的几何修复方法

说明书

技术领域

本发明属于计算机辅助设计与制造领域，涉及对零件损伤的复杂几何曲面修复方法。

背景技术

叶片等复杂曲面零件由于长时间运行在高温、高热、高速等恶劣环境下，容易产生裂纹、腐蚀、断裂等损伤，并且产生不同程度的变形，导致破损复杂零件的实际几何形状与其名义几何模型存在较大偏差，其名义几何模型不再适用于设计、加工等步骤。因此，为了精密修复复杂曲面破损零件，有必要先恢复损伤零件的实际几何形状，也就是对破损区域进行几何修复。复杂曲面破损零件的几何修复是精密修复加工的关键技术，在激光熔覆、磨削加工阶段以破损区域的几何模型生成精确的加工路径，可以达到精密修复的目的，还避免了用传统修复加工方法手工完成堆焊和磨削、抛光等步骤，但由于复杂零件的破损形状复杂，现有的几何修复方法精度和效率都有待提高。

有关复杂曲面零件破损区域的几何修复方法的专利有发明人为X.Q等的美国专利名称为Method of determining shape data，专利号为US7433799B2.该专利提出了通过引用中弧线的概念，对叶尖磨损的叶片进行形状数据恢复的方法。具体过程是选取未使用过的叶片截面轮廓为参考模型，通过确立参考模型中弧线与磨损叶片完整区域截面轮廓中弧线之间的对应关系，推算出叶尖磨损区域数据。该方法是假定参考模型与磨损叶片高度方向上扭曲度相同情况下提出，因此应用范围有局限性。J.M在论文“Worn area modeling for automating the repair of turbine blades”中，通过损伤叶片数字化后得到的点云和名义几何模型获取了破损区域几何形状。具体过程是首先利用破损叶片的三维测量数据与名义几何模型进行匹配，其次以提取后的破损区域边界对名义几何模型进行裁剪，得出表达形式为三角网格的破损区域几何形状。采用该方法提高了修复效率，但只适用于破损复杂零件未发生变形的情况。Yilmaz,O在论文“Repair and Overhaul Methodology for Aeroengine Components”中，提出了利用逆向工程软件的曲面延拓、修补孔洞等功能对表面缺陷有裂纹、凹坑等的破损复杂零件进行模型重构的方法,该方法恢复了损伤零件的几何模型，但是由于有过多的手工操作，这种几何修复方法并不能有效地满足修复质量和精度要求。

发明内容

本发明的目的是发明一种复杂曲面零件破损区域的几何修复方法。这种方法通过模板曲线逐渐贴合缺损截面数据重建了破损区域的二维轮廓，再由截面曲线生成曲面，克服了现有技术的缺陷，避免了现有方法中繁琐的操作过程和过多的人工干预，且不满足修复质量和精度要求的问题。

本发明采用的技术方案是一种复杂曲面零件破损区域的几何修复方法，通过建立复杂曲面破损零件的实测截面数据与其名义几何模板曲线之间的关系，然后利用交替迭代精配准和自由变形的优化方法，即轮换变量法计算实际测量点到模板曲线的最近点和平移、旋转、变形变换矩阵的求解，逐步减小模板曲线和破损零件实测数据之间的几何偏差，然后对截面轮廓进行蒙皮等操作恢复破损区域的实际几何形状。具体步骤如下：

第一步，对缺损截面轮廓的重建：

（1）利用光学扫描仪或三坐标测量仪等测量设备测量出复杂曲面破损零件的截面数据P＝{p_j}，（0≤j≤m）；

（2）通过对破损零件的名义几何模型切层得出设计模板曲线C_t；模板曲线C_t为NURBS曲线，即：