在现代工业中，航空航天、国防工业等领域使用的零部件要求很高，价格大多昂贵，且备件稀少。因此，检测缺陷并快速修复具有重要的经济意义。本文提出了一种结合三维扫描和……的方法。 激光熔覆 本文研究型材零件的修复方法。首先，利用三维扫描技术获取型材零件缺陷区域的点云数据，然后通过数字化处理建立缺陷零件的数学模型。最后，采用工业机器人结合激光熔覆技术对局部缺陷进行修复。实验结果表明，该方法可用于复杂型材的精密修复加工。

目前，从航天卫星的大跨度支撑结构到飞机发动机部件，研发过程中普遍采用新材料和新工艺，生产成本较高。然而，一旦加工零件的表面出现损伤或破损，零件的使用性能或气动性能就会受到影响，特别是复杂曲面零件的表面，修复难度更大。如何在保证零件性能的前提下，修复受损零件的轮廓缺陷区域，是我们需要解决的问题。

三维激光扫描技术又称实景复制技术，是继GPS技术之后测绘领域的一项技术革命。它突破了传统的单点测量方法，具有高效、高精度的独特优势。三维激光扫描技术能够提供被扫描物体表面的三维点云数据，可用于制造初期阶段的逆向设计以及制造后期阶段的表面几何形状检测。金属激光熔覆是一种传统制造工艺无法加工的集成制造技术，具有生产周期短、材料利用率高、复杂结构制造能力强等优点，能够满足个性化小批量生产的需求。三维扫描技术与激光熔覆技术的有机结合，是修复曲面零件表面缺陷的有效途径。图1展示了中国科学院沈阳自动化研究所利用激光熔覆技术修复飞机发动机机匣裂纹的场景。

在制造业中，三维扫描仪作为一种快速立体测量设备，因其测量速度快、精度高、非接触式、操作简便等优点而得到越来越广泛的应用。与普通的平面扫描或相机摄影相比，三维扫描仪精度更高、速度更快、可进行多角度扫描、精度更高，能够更完整地将现实世界中物体的三维信息采集到计算机中。使用三维扫描仪扫描样品和模型可以获得它们的三维尺寸数据。这些数据可以直接与CAD/CAM软件对接。在CAD系统中，可以对数据进行调整和修复，然后将数据发送到加工中心或快速成型设备进行制造，从而大大缩短产品制造周期。

目前，使用配备三维扫描仪的工业机器人进行扫描是一种流行的扫描方法。工业机器人作为运动平台，搭载三维扫描仪，按照预先规划的轨迹完成扫描操作。与人工手持扫描相比，这种方法更加稳定高效。陶景新等人提出了一种基于机器人的三维扫描方法，用于壳体产品的自动测量。该方法根据壳体产品的形状特征，特别是孔、槽、狭窄空间等位置特征，设定扫描轨迹并生成机器人的离线编程语言。艾晓祥等人基于最小二乘法生成了三维扫描路径。在飞机机翼壁板的装配过程中，采用遗传算法优化机器人姿态调整，引导机器人进行数字化扫描。张志峰等人设计了一种工业机器人辅助的三维激光扫描测量系统，并将其应用于复杂结构件的装配平台，为结构件的实际装配提供了良好的理论参考。刘国超等人……本文采用三维激光扫描仪获取曲面零件表面的大量点云数据，并利用第三方软件将获取的点云数据与标准模型进行比对，以发现产品问题。卞培英[5]通过三维扫描获取缺陷零件和完整零件的点云数据，并建立CAD模型。采用基于UG的二次开发方法对两个模型进行比对，以确定模型问题并指导零件修复。本研究将三维扫描仪、激光熔覆头和六自由度机器人相结合，构建了一个具有测量和三维打印功能的高柔性零件修复系统。同时，结合机器人的高柔性，采用快速更换装置实现了测量和打印功能的切换。利用三维扫描技术检测三维打印零件的几何形态，并利用激光熔覆头修复缺陷零件。对修复方法进行了研究、仿真和实验验证。

1. 曲面部分修复方法

在零件修复过程中，首要条件是获取零件补偿区域的数字模型，并采用三维扫描技术对零件进行扫描以获取点云数据。为了适应不同零件的测量范围，我们采用机器人端夹持扫描系统的测量方法（图2）。该测量系统由史陶比尔机器人、法罗测量臂、运动导轨、PLC、工件定位平台和控制系统组成。机器人驱动测量臂在一定范围内采集点云数据，该系统具有足够的灵活性。

1.1 缺陷位置采集

1.1.1 表面缺陷的三维扫描

为保证点云质量，机器人末端的扫描头在扫描零件前需要进行标定，以便在测量过程中控制扫描角度沿测量面法线方向，并确保扫描头的测量距离在测量范围内。零件扫描算法流程图如图3所示。图4显示了缺陷区域的点云结果。

1.1.2 零件缺陷模型生成

使用第三方软件处理点云噪声，然后进行模型匹配。在误差分析过程中，设定精度范围要求，选取缺陷区域的点云，并采用逆向建模方法获得三角模型，输出为stl文件，如图5(a)所示。将重建模型与原始设计模型的点云进行匹配，如图5(b)所示。

1.1.3 模型部分的布尔差分计算

空间模型的布尔运算主要指两个三维空间模型的交集、并集和差集运算，目的是得到一个新的三维空间模型。本文主要研究激光熔覆加工，因此布尔运算主要采用差集运算。

所需的布尔差分运算是通过调用计算几何算法库（CGAL）实现的。该库是一个基于C++的几何数据结构和算法库，广泛应用于图形学等领域。由于CGAL只能将常见数学模型的数据结构转换为多面体格式，因此，CGAL中能够灵活进行布尔运算的数据结构是Nef-多面体格式。所以，需要将两个空间模型转换为多面体格式，然后将CGAL内部格式转换为Nef-多面体格式。进行布尔差分运算后，结果再次转换为多面体格式，最终转换回模型的原始数据结构进行输出，如图6所示。

在实际应用中，由于重建模型与原始设计模型之间存在一定的误差，匹配后也会存在一定的误差。图6所示的算法仅适用于两个模型完全不一致的情况。以下是实际应用过程中需要采用的方法：

（1）首先，得到上述方法的交集结果，如图7（a）所示。可以看出，存在许多分散的网格，其中一些甚至是离散的（即，这些网格单独构成一个个面片）。

(2) 利用图论中的最大团算法获取最大完全网格。图 7(b) 展示了图 7(a) 中的离散网格（不在主网格范围内）和 Nef-Polyhedral 格式的网格（满足半边结构：一条边仅被一个面片占据，即该面片只占据了边的一半，另一半是空的）。对半边结构的数据点进行筛选和重排序后，即可提取满足半边结构的模型部分，即图 7(c) 中的网格，它是满足半边结构的模型的最大团数据。

（3）提取并排序最大团数据，以多面体格式重新生成网格，得到如图 7（d）所示的网格。

1.2 路径规划

增材制造的路径规划算法主要包括切片轮廓的特征识别和路径填充。由于切片轮廓可能包含单个多边形轮廓，也可能是带有空心岛的嵌套轮廓，甚至是包含多个空心岛的轮廓结构。目前，轮廓的特征识别需要将包含关系的内圆和外圆分别顺时针和逆时针替换。增材路径主要在切片后的平面轮廓上进行填充。由于本文的研究主要基于平面轮廓，因此路径填充相对简单。可以选择等距轮廓偏移（CPO）或往复填充法（Zig-Zag），如图8（a）和（b）所示。为了避免这两种路径对轮廓边界覆盖不足的问题，我们还提出了一种混合路径，它结合了上述两种路径。最外层是2或3层等距轮廓，内层是往复路径，如图8（c）所示。

2 模拟和处理实验

2.1 模拟实验

为了验证该算法的实用性，对上述示例进行布尔差分运算和最大聚类提取，得到的待填充模型如图 9 所示。

然后，将缺陷部分切开并填充，如图 10 所示。

2.2 应用示例

2.2.1 示例 1

为了验证算法的实用性，对飞机发动机定子侧壁进行了激光修复，修复材料为IN625镍基高温合金。技术难点在于：修复区域对尺寸精度要求高，成形高度为10mm、直径为150mm的薄壁壁需要达到1mm的精度，且零件整体变形量需小于3%。采用成形冷却工艺满足上述要求，实现了高尺寸精度和小变形量。发动机定子修复工艺流程如图11所示。

2.2.2 示例 2

对某发动机端盖部件进行修复，修复材料为316L不锈钢。技术难点：修复区域对尺寸精度要求高，部件整体变形量要求小于1%。修复区域需满足严格的缺陷检测要求，不允许存在裂纹、熔合不良等缺陷。修复后整体变形量需满足小于1%的要求。端盖部件的修复过程及修复后成品如图12所示。

3结论

本文提出了一种结合三维扫描技术和激光熔覆技术的表面零件修复技术，该技术能够精确修复零件的不规则缺陷，具有一定的实用价值。结论如下：

（1）采用布尔差分运算求解原始设计模型和扫描后的重构模型。对于布尔差分运算生成的离散网格以及不符合半边结构的网格数据，利用图论中的最大团算法重新提取网格表面，提取结果满足半边结构。

（2）本文中的算法用于工程应用，实践表明，它可以用于薄壁表面缺陷部分的高精度修复。