一种废旧零件的再制造修复方法、系统、设备及存储介质

1.本发明属于设计再制造领域，涉及一种废旧零件的再制造修复方法、系统、设备及存储介质。


背景技术：

2.近年来，科学技术和工业水平不断提升，机电产品的保有量逐年增多，各类废旧机电产品的规模也越来越大，这些产品在服役过程中出现不同程度的损伤，在未达到使用寿命的情况下便被淘汰。如果直接将这些产品废弃，转而用全新的产品代替，不仅会造成原材料的严重浪费，污染生态环境，还会大幅增加生产成本，造成极大的经济损失。叶片是航空发动机的关键零件之一，其加工质量和性能水平的好坏关系到发动机乃至整个飞机的安全和工作条件。同时，叶片也是温度最高、应力最复杂、工作环境最恶劣的部件，长期受到温度、压力和气流的影响，极易出现断裂、变形等损伤。如果直接将这些损伤叶片废弃，更换新的叶片，会造成很大的经济损失。
3.目前对于损伤叶片修复再制造领域的研究相对较少，没有固定可靠的再制造修复流程，大多数航空公司只能更换新叶片或者是经过漫长的修复周期，导致零件的维修成本急剧上升，增加了航空公司的经济负担。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于解决现有技术中的问题，提供一种废旧零件的再制造修复方法、系统、设备及存储介质。
5.为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
6.一种废旧零件的再制造修复方法，包括以下步骤：
7.获取断裂叶片模型中叶片表面三维点云；
8.对叶片表面三维点云进行分析处理，得到重建后的完整叶片模型；
9.基于断裂叶片模型和完整叶片模型，计算得到叶片断裂部位的模型；
10.以断裂叶片为基体，根据叶片断裂部位的模型对断裂部位进行修复。
11.本发明的进一步改进在于：
12.所述叶片表面点云数据获取具体包括以下步骤：
13.将待测叶片固定在水平面上；
14.利用3d激光扫描仪对断裂叶片进行扫描；
15.将扫描得到的数据信息传递至计算机，并对数据信息进行分析处理；
16.获取到断裂叶片的完整点云数据。
17.所述重建完整叶片模型具体包括以下步骤：
18.通过水平切面切割叶片三维点云，得到二维截面点云；
19.通过nurbs曲线对各截面点云进行拟合，得到各截面曲线；
20.对各截面曲线进行放样处理，得到重建后的完整叶片模型。
21.所述通过nurbs曲线对各截面点云进行拟合，具体拟合步骤为：
22.计算节点矢量，采用规范累积弦长法对点云进行参数化处理，得到节点向量；
23.确定边界条件，将首末数据点的切矢作为边界条件，得到完整线性方程组；
24.反算控制点，由节点向量和边界条件得到nurbs曲线控制点的线性方程组；
25.求解线性方程组，得到nurbs曲线所有控制点的值；
26.根据权因子和控制点相结合得到截面拟合曲线。
27.所述叶片断裂部位的模型通过布尔运算计算得到。
28.所述对叶片的断裂部位进行修复时，通过激光成形修复，修复时的工艺参数为：扫描速度为5mm/s，光斑直径为2mm，激光功率为1500w。
29.一种废旧零件的再制造修复系统，包括：
30.点云获取模块，所述点云获取模块用于获取断裂叶片模型中叶片表面三维点云；
31.叶片模型重建模块，所述叶片模型重建模块用于对叶片表面三维点云进行分析处理，得到重建后的完整叶片模型；
32.分析处理模块，所述分析处理模块用于根据断裂叶片模型和完整叶片模型，计算得到叶片断裂部位的模型；
33.修复模块，所述修复模块用于以断裂叶片为基体，根据叶片断裂部位的模型对断裂部位进行修复。
34.所述点云获取模块包括3d激光扫描仪、数据处理单元和数据存储单元；
35.所述3d激光扫描仪用于对断裂叶片进行激光扫描，得到断裂叶片表面的激光扫描数据；
36.所述数据处理单元用于接收3d激光扫描仪传输的激光扫描数据，并对激光扫描数据进行处理，得到断裂叶片的点云数据；
37.所述数据存储单元用于接收数据处理单元中得到的断裂叶片的点云数据。
38.一种计算机设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现所述废旧零件的再制造修复方法的步骤。
39.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现所述废旧零件的再制造修复方法的步骤。
40.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
41.本发明首先通过获取断裂叶片模型中叶片表面的三维点云，并对叶片表面三维点云进行分析处理，得到重建后的完整叶片模型，然后基于断裂叶片模型和完整叶片模型，计算得到叶片断裂部位的模型，最后以断裂叶片为基体，对叶片的断裂部位进行修复。能够有效地实现以破损叶片为主体的废旧零件的再制造修复，可以降低零件的维修成本，减小经济损失。
42.进一步地，还公开了一种废旧零件的再制造修复系统，系统包括点云获取模块、叶片模型重建模块、分析处理模块和修复模块，各个模块之间交互协同工作，并且能够实时反馈各阶段的工作流程，从而使系统能够实现再制造修复工作。
附图说明
43.为了更清楚的说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
44.图1为本发明的废旧零件再制造修复方法流程图；
45.图2为本发明的废旧零件再制造修复系统各模块示意图；
46.图3为本发明的断裂叶片完整点云数据图；
47.图4为nurbs曲线拟合法拟合截面点云示意图；
48.图5为放样处理后得到的完整叶片模型示意图；
49.图6为两模型的布尔运算求差示意图。
具体实施方式
50.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
51.因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
52.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
53.在本发明实施例的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“水平”、“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
54.此外，若出现术语“水平”，并不表示要求部件绝对水平，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
55.在本发明实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，若出现术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
56.下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
57.参见图1，为本发明中一种废旧零件的再制造修复方法流程图，包括以下步骤：
58.步骤1，获取断裂叶片模型中叶片表面三维点云，在对叶片点云进行测量时，首先
使用辅助夹紧装置将待测叶片固定在水平桌面上，然后利用手持3d激光扫描仪对断裂叶片进行多角度的多次扫描，并且将扫描得到的数据信息传递到计算机系统中，最后再计算机中对数据做出进一步的处理，最终得到断裂叶片的完整点云数据如图3所示。
59.步骤2，对叶片表面三维点云进行分析处理，得到重建后的完整叶片模型，通过水平切面切割叶片点云，将测得的三维空间点云降为二维平面点云，得到沿叶片高度方向的截面点云集合，通过不同高度的截面点云来反映叶片截面的几何特征。使用nurbs曲线拟合法对各截面点云进行拟合，拟合后的截面点云如图4所示，nurbs曲线方程的参数表达式为：
[0060][0061]
其中，n
i,k
(u)表示b样条基函数，k为基函数的阶数，ωi为权因子，与控制点pi相对应，i＝0,1,...n。
[0062]
具体的拟合步骤包括：
[0063]
(1)计算节点矢量，选择规范累积弦长法对点云数据进行参数化处理，得到节点向量u；
[0064][0065]
式中，ui为节点值，pi为控制点。
[0066]
(2)确定边界条件，将首末数据点的切矢作为边界条件，得到完整线性方程组，切矢条件的公式为：
[0067][0068]
式中，δi＝u
i 1-ui，d0与dn为首末数据点的切矢量。
[0069]
(3)反算控制点，由得到的节点矢量和边界条件得到nurbs曲线控制点的线性方程组为：
[0070]
[0071]
式中，式中，δi＝u
i 1-ui(i＝1,2,...,n-2)。
[0072]
通过求解，得到曲线所有控制点的值，将设定的权因子与控制顶点相结合得到截面拟合曲线，求得不同高度下的截面曲线后，对截面曲线进行放样处理，得到完整的叶片模型，放样后的完整叶片模型如图5所示。
[0073]
步骤3，针对断裂叶片模型和完整叶片模型进行布尔运算，得到叶片断裂部位的模型，两模型的布尔运算求差示意图如图6所示。
[0074]
步骤4，以断裂叶片为基体，根据叶片断裂部位的模型对叶片的断裂部位进行修复，修复时采用激光成形修复，激光成形修复是一种具有高针对性的、可以用来修复精度要求较高零件的尖端修复技术，通过控制工艺参数，按照逐层叠加的方式将相应的金属材料融化并堆积在零件的磨损或损坏区域，从而实现具有三维形状缺陷零件的成形修复。
[0075]
激光成形修复出色的增材修补能力使其在高端设备维修和组件损伤修补中成为非常重要的工具。完成修复后还可以通过有限元软件ansys对断裂叶片模型进行激光成形修复仿真实验，并分析修复过程中工艺参数(激光功率、扫描速度)对修复质量的影响。通过多组实验来对激光功率、扫描速度等工艺参数进行调整，最终得到质量较高、性能完备的修复件。
[0076]
参见图2，为本发明中一种废旧零件的再制造修复系统，包括点云获取模块、叶片模型重建模块、分析处理模块和修复模块；
[0077]
点云获取模块用于获取断裂叶片模型中叶片表面三维点云，点云获取模块包括3d激光扫描仪、数据处理单元和数据存储单元，3d激光扫描仪用于对断裂叶片进行激光扫描，得到断裂叶片表面的激光扫描数据；数据处理单元用于接收3d激光扫描仪传输的激光扫描数据，并对激光扫描数据进行处理，得到断裂叶片的点云数据；数据存储单元用于接收数据处理单元中得到的断裂叶片的点云数据。
[0078]
叶片模型重建模块用于对叶片表面三维点云进行分析处理，得到重建后的完整叶片模型，与点云获取模块相交互，基于水平切面将叶片三维点云分割为沿叶片高度方向的二维截面点云，拟合截面点云得到各截面曲线，然后对截面曲线进行放样处理，重建完整叶片模型。
[0079]
分析处理模块用于根据断裂叶片模型和完整叶片模型，计算得到叶片断裂部位的模型，分析处理模块包括叶片断裂部位模型建立单元，用于基于断裂叶片模型和完整叶片模型，计算得到叶片断裂部位模型。
[0080]
修复模块用于以断裂叶片为基体，对叶片的断裂部位进行修复，利用激光成形修复技术，以断裂叶片为基体，对叶片的断裂部位进行修复，选择钛合金粉末作为修复使用的金属粉末材料，修复时使用的工艺参数为：扫描速度为5mm/s，光斑直径为2mm，激光功率为1500w。
[0081]
本发明一实施例提供一种计算机设备。该实施例的终端设备包括：处理器、存储器以及存储在所述存储器中并可在所述处理器上运行的计算机程序。所述处理器执行所述计算机程序时实现上述各个废旧零件的再制造修复方法实施例中的步骤。或者，所述处理器
执行所述计算机程序时实现上述各装置实施例中各模块/单元的功能。
[0082]
所述计算机程序可以被分割成一个或多个模块/单元，所述一个或者多个模块/单元被存储在所述存储器中，并由所述处理器执行，以完成本发明。
[0083]
所述废旧零件的再制造修复终端设备可以是桌上型计算机、笔记本、掌上电脑及云端服务器等计算设备。所述废旧零件的再制造修复终端设备可包括，但不仅限于，处理器、存储器。
[0084]
所述处理器可以是中央处理单元(central processing unit，cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor，dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。
[0085]
所述存储器可用于存储所述计算机程序和/或模块，所述处理器通过运行或执行存储在所述存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现所述废旧零件的再制造修复终端设备的各种功能。
[0086]
所述废旧零件的再制造修复计算机设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，所述计算机程序包括计算机程序代码，所述计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。所述计算机可读介质可以包括：能够携带所述计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom，read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，所述计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减，例如在某些司法管辖区，根据立法和专利实践，计算机可读介质不包括电载波信号和电信信号。
[0087]
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。