基于非剛性配準的復雜零件幾何修復技術研究.pdf

1、在航空航天、運載工具、能源裝備等重大工程領域中，受到材料制備、加工技術等方面的限制，許多關鍵零部件如航空發(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以恢復使役性能就成為延長其使用壽命的有效手

2、段，也是目前學術界和工業(yè)界研究的熱點。為此，本文將圍繞復雜零件修復技術展開論述，著重討論損傷零件模型重構及修復零件高效數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據的精簡方法;詳細討論了受損零件損傷區(qū)域及修復精加工區(qū)域的識別過程并給出了相應的識別算法;提出了基于轉角的區(qū)域測量數據邊界提取方法，從而能夠快速界定損傷及加工區(qū)域;給出了基于最小關聯點對的截面輪廓構造方法以

3、及散亂截面數據的快速有序化算法，得到了順序排列的截面數據點;針對目標點距離名義曲線較遠時變形曲線易出現形狀突變問題，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，討論了測量數據與名義模型之間的剛性配準過程。給出了測量數據與名義模型間剛性配準問題的數學描述，討論了求解兩者之間剛性變換的四

4、元數法、奇異值分解法以及迭代方法;在此基礎上,針對無任何預知聯系下的測量數據與截面輪廓間配準問題，以曲率為聯系特征在測量數據與截面輪廓之間建立起滿足三角距離約束的對應關系，進而利用提出的三點旋轉平移變換法生成旋轉平移變換列表，然后通過最小距離目標函數選取正確的三維坐標變換，實現測量數據與截面輪廓之間的初始配準;為了解決精確配準中測量數據與名義曲線間對應的準確構建問題，借助伯恩斯坦多項式算術運算和貝賽爾曲線的凸包性質，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;在此基礎上，給出了測量數據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之中;建立了測量數據與名義模型間非剛性配準的數學模型;通過對非剛性變換的分析，將其分解過調整測量數據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，討論了基于控制網格和控制體的曲線曲面變形量的計算方法;在此基礎上，先提出了僅存在變形的截面輪廓的非剛性重構方法，進而基于弦長參數給出了損傷區(qū)域非剛性配準重構時約束條件的構造方法，詳細論述了存在損傷區(qū)域時非完整截面數據的約束非剛性配準重構過程，給出了損傷截面輪廓的約束非剛性配準重構算法;基于重構的截面輪廓，利用蒙皮算法實現了損傷工件模型曲面的快速構造。
　　然后，討論了修復區(qū)域堆焊材料數控加工去除時的進給率自適應規(guī)劃方法。首先

7、，給出了五軸數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變換模型;詳細討論了五軸數控加工中的運動幾何學及機床驅動特性約束，推導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;據此給出了基于等比例調節(jié)和曲線光順變形的進給率曲線演化策略;在此基礎上，進一步提出了基于曲線變形的五軸數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配置，然后在幾何精度約束、機床驅動軸運動學約束下對進給率曲線進行松弛調整，實現了各類約束下進給率的自適應規(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據處理、損傷工件的實際模型曲面重構、修復加工區(qū)域的識別以及多余修復材料數控加工的整個實驗過程，證實了與傳統曲面擬合操作相比本文所提損傷區(qū)域幾何修復方法能夠有效地避免數據點的序化及參數化、節(jié)點形容性處理等操作，簡