基于非剛性配準的復(fù)雜零件幾何修復(fù)技術(shù)研究.pdf

1、在航空航天、運載工具、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)動機葉片等仍然受制于發(fā)達國家，嚴重依賴國外進口。此類零件通常采用性能優(yōu)異、價格高昂的高溫合金制造，長期在高溫、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，致使零件尚未達到其使用壽命就不得不選擇報廢。直接替換這些損傷零件會給企業(yè)造成極高的運營成本和資金浪費。因此，對損傷零件進行修復(fù)以恢復(fù)使役性能就成為延長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。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量過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)的精簡方法;詳細討論了受損零件損傷區(qū)域及修復(fù)精加工區(qū)域的識別過程并給出了相應(yīng)的識別算法;提出了基于轉(zhuǎn)角的區(qū)域測量數(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)點對的截面輪廓構(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;針對目標點距離名義曲線較遠時變形曲線易出現(xiàn)形狀突變問題，基于曲線約束變形及光順方法，將曲線光順變形轉(zhuǎn)化為使變形能量最小的優(yōu)化問題，給出了使變形能量最小的曲線控制點的計算方法，構(gòu)造出的曲線不僅能夠通過給定的目標點而且同時滿足曲線光順的要求。
　　其次，討論了測量數(shù)據(jù)與名義模型之間的剛性配準過程。給出了測量數(shù)據(jù)與名義模型間剛性配準問題的數(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,針對無任何預(yù)知聯(lián)系下的測量數(shù)據(jù)與截面輪廓間配準問題，以曲率為聯(lián)系特征在測量數(shù)據(jù)與截面輪廓之間建立起滿足三角距離約束的對應(yīng)關(guān)系，進而利用提出的三點旋轉(zhuǎn)平移變換法生成旋轉(zhuǎn)平移變換列表，然后通過最小距離目標函數(shù)選取正確的三維坐標變換，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)與截面輪廓之間的初始配準;為了解決精確配準中測量數(shù)據(jù)與名義曲線間對應(yīng)的準確構(gòu)建問題，借助伯恩斯坦多項式算術(shù)運算和貝賽爾曲線的凸包性質(zhì)，提出了基于遞歸分割的

5、點到B樣條曲線最近點的計算方法;在此基礎(chǔ)上，給出了測量數(shù)據(jù)與名義曲線間精確剛性配準算法并將其推廣到曲面剛性配準中。
　　再次，針對損傷零件形狀的復(fù)雜性和損傷區(qū)域的不確定性，將非剛性配準的基本思想引入到損傷工件實際模型重構(gòu)之中;建立了測量數(shù)據(jù)與名義模型間非剛性配準的數(shù)學(xué)模型;通過對非剛性變換的分析，將其分解過調(diào)整測量數(shù)據(jù)與名義模型間相對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，進而基于弦長參數(shù)給出了損傷區(qū)域非剛性配準重構(gòu)時約束條件的構(gòu)造方法，詳細論述了存在損傷區(qū)域時非完整截面數(shù)據(jù)的約束非剛性配準重構(gòu)過程，給出了損傷截面輪廓的約束非剛性配準重構(gòu)算法;基于重構(gòu)的截面輪廓，利用蒙皮算法實現(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)控加工去除時的進給率自適應(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床的正向及逆向運動學(xué)變換模型;詳細討論了五軸數(shù)控加工中的運動幾何學(xué)及機床驅(qū)動特性約束，推導(dǎo)出了控制幾何精度的弦高誤差、刀尖點速度及加速度、刀軸角速度及角加速度、機床各驅(qū)動軸速度、加速度及加加速度的表達式及對進給速度的約束條件;據(jù)此給出了基于等比例調(diào)節(jié)和曲線光順變形的進給率曲線演化策略;在此基礎(chǔ)上，進一步提出了基于曲線變形的五軸數(shù)控加工進給率松弛方法;該方法通過對B樣條表示的進

8、給率曲線進行控制點的自適應(yīng)配置，然后在幾何精度約束、機床驅(qū)動軸運動學(xué)約束下對進給率曲線進行松弛調(diào)整，實現(xiàn)了各類約束下進給率的自適應(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，詳細討論了損傷工件測量和數(shù)據(jù)處理、損傷工件的實際模型曲面重構(gòu)、修復(fù)加工區(qū)域的識別以及多余修復(fù)材料數(shù)控加工的整個實驗過程，證實了與傳統(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)點的序化及參數(shù)化、節(jié)點形容性處理等操作，簡