基于改进灰度重心法的线结构光中心提取算法

针对传统算法无法准确提取线结构光条中曲率变化较大区域中心线的缺陷,提出了一种基于改进灰度重心法的线结构光中心线提取算法。基于阈值法提取感兴趣区域和开闭运算滤除图像中的噪声点,获取质量相对较高的待处理图像;利用灰度重心法提取光条中心点,得到初始坐标并设置一个矩形计算区域,根据最小二乘法计算每个初始点的方向向量和法向量;在设定的矩形区域内计算初始点在其法线方向上的偏移量,得到精确的中心点坐标。实验结果表明:提出的算法能在线结构光中心中曲率变化较大区域精确提取中心线,提取精度均值为0.096 pixels,精度比率为44.2%,平均提取速度为0.082 s。

整体叶盘叶片加工补偿策略及实验研究

目的降低航天发动机整体叶盘的加工误差,实现产品高精度化。方法建立整体叶盘叶片加工变形量全局分布有限元模型,考虑补偿加工时刀具修正量与变形误差的耦合效应,采用多次迭代法计算叶片变形补偿量;提出反向重构几何模型补偿策略,利用补偿量对叶片几何轮廓进行重构,重新生成包含叶片变形误差信息的刀轨程序。通过某型号航空发动机整体叶盘叶片铣削加工实验和型面精度测量实验,对变形分布预测模型及所提出的反向重构模型补偿策略进行验证。结果预测结果与实验结果有很好的吻合度,平均误差为7.96%;新的补偿策略数据嵌入方式高效,可显著降低加工过程中产生的变形误差,将成品精度控制在设计的许用公差范围以内。结论所提方法可以明显提高整体叶盘叶片铣削加工质量,可为后续磨削加工提供更高型面精度的叶片零件。

304LN表面沉积异质合金过程多组元传输行为数值模拟

目的探究在304LN不锈钢表面上激光沉积Stellite 6合金过程中的多元素传输机制。方法采用流体体积法VOF(Volume of Fluid),建立气-液两相传热传质激光沉积模型。模型中使用改进VOF法对熔池表面进行追踪,结合多组分传输模型与熔凝杠杆原则(Lever Rule),对异质材料熔覆界面的多元素传输进行模拟,采用扫描电子显微镜(SEM)与能谱仪(EDS)观察组织结构和元素分布,对比模拟结果分析多组沉积层宏观形貌和元素分布特征。结果沉积过程中,熔池的流动与材料导热对温度的传输起着重要作用,前端对流不断地将已熔化的基材金属运输至熔池中部,后端对流则将卷积的Fe元素和Co元素进一步混合。最终沉积层的宏观形貌平均误差为2.67%,主要元素Fe、Co、Cr的质量分数误差分别为0.64%、1.27%、0.31%。结论Fe元素浓度整体区域分布相对均匀,但在沉积层底部,Fe元素浓度迅速升高,Co元素浓度随沉积深度加深逐渐降低,Cr元素在沉积层中部富集的分布特性。该优化后的模型可以准确模拟异质合金沉积过程中的温度场、流场与质量传输过程。

复杂曲面机器人砂带磨抛材料去除深度预测模型及试验研究

针对复杂曲面零件的磨抛过程中曲率半径对机器人砂带磨抛加工中型面精度的影响,开展基于多曲率半径镍基高温合金的机器人磨抛加工试验研究。主要探究不同曲率半径的试验件的磨抛加工性,对不同曲率半径的镍基高温合金试验件进行砂带磨抛加工设置相应的砂带粒度和磨抛工艺参数,采集试验件的材料去除深度,并对试验结果进行研究分析。试验结果表明,曲率半径的变化对材料去除深度存在着一定的影响,在曲率半径由大到小的变化中,材料去除深度也随之增加,即材料去除深度与曲率半径呈负相关关系。基于多元非线性回归模型提出关于砂带粒度、进给速度、接触力、工件曲率半径等影响因素的机器人砂带磨抛材料去除深度预测模型,模型的平均预测误差为1.45μm,准确率达到91.04%,预测误差区间为–5.34~4.57μm,并对预测模型进行显著性检验,表明该预测模型可为实际机器人砂带磨抛加工前期工艺参数设计提供重要的理论支持。

水导激光烧蚀碳化硅仿真与实验研究

目的探究碳化硅水导激光加工烧蚀机理。方法采用实验与仿真相结合的方式对碳化硅烧蚀过程进行研究分析。结果水射流持续冷却作用极大地降低了碳化硅加工过程中的热累积效应,通过烧蚀阈值计算方法得到了多脉冲水导激光烧蚀碳化硅功率阈值(约为0.1565 W),烧蚀阈值基本不随脉冲数的改变而发生波动。通过对碳化硅刻蚀形貌进行分析发现,烧蚀宽度随着脉冲数整体在3.1~4.1μm之间波动,基本不受脉冲数的影响,烧蚀深度随着脉冲数的增加而增大,但随着烧蚀深度的增加,水导激光烧蚀能力逐渐被削弱,适当增加激光功率可以抑制水导激光烧蚀能力减弱的趋势,通过较大的激光功率更易加工出深宽比较大的沟槽。确定了碳化硅烧蚀功率与烧蚀直径之间的等量关系,通过激光功率能够合理预测烧蚀宽度,经与实验结果进行对比发现较符合,这也间接说明脉冲数对于水导激光烧蚀直径不是主要影响因素。碳化硅水导激光刻蚀截面呈现倒梯形,由于水射流冲刷作用的存在,重凝物质无法富集在材料表面,使得SiC烧蚀表面与未烧蚀区域之间过渡较为平滑,沟槽侧壁带状条纹特征也证实了水射流冲刷作用的存在。结论水射流冷却及冲刷作用的存在,使得水导激光在加工硬脆性材料具有独特的优势,能够实现对硬脆性材料的无裂纹及无热影响区加工。

激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99组织及性能的影响

目的解决镍基单晶高温合金航空发动机涡轮叶片在服役时发生表面损伤的问题,探究激光冲击强化对镍基单晶高温合金SRR99的强化变形机制。方法采用高功率(8J)短脉冲激光分别对试样进行1、2、3次表面强化,使用白光干涉仪、显微硬度仪、X射线分析仪对强化前后的镍基单晶高温合金试样表面形貌、粗糙度、显微硬度、残余应力进行测试,通过扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射仪分析激光冲击强化对镍基单晶高温合金微观组织和物相组成的影响。结果经过1、2、3次激光冲击后,单晶高温合金试样表面发生了塑性变形,表面凹坑随着冲击次数的增加逐渐加深,表面粗糙度分别为1.566、1.868、2.265μm,显微硬度分别增加了15.3%、25.8%、32.1%,表面残余压应力分别提高为–790、–870、–917MPa。经强化后,试样表层形成了畸变层,γ′相的面积和体积分数均增大,合金未发生相变,但两相发生了严重的晶格畸变,晶格常数和晶面间距的变化导致两相晶格发生失配,经强化后在试样表层γ′强化相、γ通道、γ/γ′界面观察到大量位错结构,此外还观察到贯穿γ′相、γ相的位错滑移带和致密的位错网络。结论激光冲击强化技术可使镍基单晶高温合金SRR99发生塑性变形,在其表层内部形成高密度位错网络结构,加工硬化效果显著,提高了基体表面的显微硬度和残余应力。

基于PSO-LSSVR的机器人磨抛材料去除模型

为了建立磨抛工艺参数与材料去除深度的关系,建立一种基于最小二乘法支持向量回归机(LSSVR)的材料去除深度预测模型,并引入粒子群优化(PSO)算法来优化LSSVR的超参数,可提高LSSVR模型的预测准确性和全局优寻能力。搭建叶片机器人砂带磨抛实验平台,设计并进行多工艺参数实验,考虑工艺参数:砂带粒度、砂带转速、进给速度、接触力和叶片表面曲率半径,获得叶片表面的材料去除深度,最终利用实验数据建立了PSO-LSSVR叶片材料去除深度预测模型。结果表明,PSO-LSSVR模型的预测准确率为95.37%,平均预测误差为0.003463,说明PSO-LSSVR模型具有较高的预测精度,并结合实际加工情况进行实验验证可行性,证明PSO-LSSVR模型可以有效合理地建立工艺参数与材料去除深度的关系。

基于机器学习的K424合金刻蚀深度预测

为探究水导激光加工过程中不同工艺参数对K424高温合金刻蚀深度的作用,对K424高温合金进行了包括激光功率、进给速度及加工次数在内的三个关键工艺参数的影响刻蚀实验,实验结果表明:较大的功率、较小的进给速度和多次加工会产生更深的刻蚀。此外采用XGBoost、RF、BPNN以及SVR四种模型建立了激光功率、进给速度和加工次数与加工深度之间的预测模型。在拟合效果上XGBoost与SVR模型表现优异,最大误差百分比均不到0.3%;在预测结果方面显示,XGBoost最大误差百分比6.698%,优于另三种模型。最后得出XGBoost模型在拟合和预测K424高温合金加工深度方面有更好的性能。与传统的干式激光加工相比,水导激光加工技术减少了材料热损伤,提高了加工质量。该研究为水导激光加工K424高温合金提供了参考。

航空发动机风扇叶轮机器人自动化定量去除方法

航空发动机风扇叶轮动平衡差会引起发动机内部轴承及叶片等零部件的损坏,导致发动机振动,整体性能下降。针对某航空发动机风扇叶轮的动平衡定点定量去除加工要求,提出了一种多传感器融合的自动化加工方法。该方法基于六自由度机器人系统及数控转台,将测量传感器与力学传感器相融合,利用机器人控制技术来实现风扇叶轮的自动化磨抛,并进行理论去除量与实际去除量的对比实验分析。实验结果表明,当磨抛区间>10°时,理论去除量和实际去除量的差值在±1%以内,验证了所提出的预测磨抛区间的准确性与加工方法的可行性。与传统的人工磨抛或复杂昂贵的机床磨抛加工相比,此方法对于航空发动机风扇叶轮定点定量去除具有集成度高、效率高、普及性强等优点,为航空发动机的制造提供有力的技术支撑。

水导激光加工CFRP质量和效率实验研究

为实现碳纤维增强复合材料的高质高效切割,采用水导激光加工技术对CFRP进行微槽加工,通过正交实验法、单因素实验法研究了激光功率、扫描速度和扫描路径重叠率对热影响区宽度和材料去除率的影响规律,并以此为目标进行了优化。结果表明:激光功率、扫描路径重叠率对热影响区宽度和材料去除率的影响显著;当激光功率35 W、扫描速度4 mm/s和扫描路径重叠率40%时,热影响区宽度为184.484μm,材料去除率为0.068 mm ^(3)/s,能获得较小的热影响区宽度和较高的加工效率。

基于4-PPPS并联机构的机身舱段对接方法研究

基于多数控定位器构成的分布式4-PPPS并联机构,实现舱段的自动化精准对接。冗余驱动能够提高机构承载能力、使驱动力分配更加均衡,但冗余系统构成的黎曼流形内存在高维零空间,协调分配的非线性方程具有多约束和非正定性,分配不当会产生过大的应力应变。为同时实现对接过程运动学层面的精准和动力学层面的稳态协同,基于旋量理论,将刚体运动分解成绕任意轴的转动和平移,建立运动学模型、确定关节驱动量。推导非冗余和冗余情况下的动力学模型,并求解舱段角速度和角加速度等影响对接运动特性的模型参数。提出了以力二范数最小为目标对对接运动驱动力进行优化分配的求解方法。以5次多项式描述位姿轨迹,用黄金分割法逼近出最优时间。最后开展了非冗余和冗余驱动的对比仿真,对接过程精准平稳,证明了此方法的正确性和可行性。

基于变刚度复杂曲面模糊路径策略的飞机座舱自动化磨抛

飞机座舱罩作为典型的复杂曲面弱刚性薄壁零件,是军用与民用飞机的重要部件,其安全与否直接关系到飞机和飞行员的安全。针对飞机座舱盖研磨抛光过程的曲面形状复杂以及刚性弱等问题,本文基于机器人自动化磨抛系统提出了一种基于自适应阻抗控制策略的复杂曲面模糊路径的生成方法,并对磨抛过程的接触力进行建模与分析,引进主被动相结合的磨抛方法,对某型飞机座舱盖进行了仿真及磨抛试验分析。试验结果表明,所提出的主被动相结合的磨抛方法结合自适应阻抗控制策略能较好的适应复杂曲面模糊路径的磨抛过程,力控制精度可达±1N;提出的复杂曲面模糊路径能够满足某型飞机座舱罩的自动化磨抛工艺需求,在保证磨抛结果一致性的同时提高了磨抛效率。

基于三维扫描和激光熔覆的型面零件修复技术研究

现代工业中,航空航天、国防工业等应用的零件要求较高且大多造价高昂、备件少,对其进行缺陷检测和快速修复具有重要的经济意义。本文提出一种三维扫描和激光熔覆相结合的方法,对型面零件进行修复研究。首先,通过三维扫描获取型面零件的缺陷区域点云,然后进行数字化处理求取缺陷部分的数学模型,最后使用工业机器人结合激光熔覆技术进行区域缺陷修复。实验结果表明,该方法可以用于复杂型面的精密修复加工。

基于Preston-PSO算法的多方向机器人磨抛轨迹生成方法

针对机器人磨抛加工过程中的纹理现象,提出一种基于Preston公式和粒子群优化算法的多方向性机器人磨抛加工轨迹生成方法,获得能自适应曲面模型的光顺无拐角、覆盖均匀且具有多方向性的磨抛加工轨迹。仿真与实验证明,与方向平行轨迹的加工效果相比,此算法生成的轨迹能有效抑制表面条形加工纹理的产生,减小加工表面粗糙度,提高表面质量,获得良好的镜面加工效果。

激光冲击强化对焊缝组织性能影响的研究进展

激光冲击强化(LSP)是一种典型的非弹丸撞击式表面强化技术,可有效提高金属材料的抗疲劳能力、抗腐蚀能力、金属耐磨性能和使用寿命,具有应变率高、效率高、强化效果好等优点。焊缝质量直接影响了焊接件的合格率,而焊缝强化一直是一个比较难的挑战。首先,介绍了激光冲击强化的加工原理,总结了激光冲击强化的影响参数及条件,包括激光功率密度、约束层和吸收层、激光冲击次数、光斑搭接率以及激光脉宽。控制强化工艺参数可以使焊缝显微硬度提升50%、残余压应力提升65%以上,大幅度提升抗拉强度,降低疲劳裂纹扩展。其次,综述了国内外研究人员运用激光冲击强化技术对不同材料焊缝强化的研究与应用,重点论述了激光冲击强化对焊缝力学性能和显微组织的显著强化效果,与未强化试样对比,强化后试样的各项性能明显提升。其中针对力学性能,详细分析了显微硬度、残余应力和疲劳裂纹扩展的变化情况,结合残余应力的理论研究、仿真分析、试验论证以及显微组织变化情况,认为激光冲击强化导致马氏体组织发生了碎化,提高了硬度,产生了残余压应力,引起了晶粒细化,进而有效控制了疲劳裂纹扩展,阻止了裂纹产生,提升了疲劳寿命。通过激光冲击强化不同工艺参数的协同作用,可以获得较高的残余压应力和硬度,引起动态再结晶、晶粒细化等微观组织演变以及位错运动,使焊缝力学性能和显微组织产生相互影响。分析认为,激光冲击强化技术是焊缝强化的有效焊接后处理工艺。最后,展望了激光冲击强化技术在焊缝强化领域中的应用前景。

工艺参数对激光清洗GFRP脱模剂层影响研究

目的 有效去除GFRP表面的脱模剂,保证对玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度。方法 运用正交试验法,采用红外脉冲激光对玻璃纤维增强树脂基复合材料(GFRP)表面喷覆黑漆层的脱模剂层进行去除试验,研究激光的平均功率(15、20、25、30W)、激光扫描速度(240、250、255、260mm/s)和激光脉冲频率(70、80、90、100 kHz)对清洗后试件表面形貌和微观组织的影响规律,分别探讨不同激光参数下对GFRP材料表面粗糙度及胶接强度的影响规律。结果 在激光参数为平均功率P=25W、激光扫描速度v=255mm/s、激光脉冲频率f=100kHz下,可将脱模剂有效去除,且保留了玻璃纤维的完整性,同时表面粗糙度值Sa由原来的0.684μm增加到稳定值(4.5±0.3)μm。随着平均功率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐增大,其胶接强度高于未表面处理的胶接强度。随着扫描速度的增大,试件表面粗糙度值Sa先减小、后增大。随着脉冲频率的增大,试件表面粗糙度值Sa逐渐减小。结论 最佳试验制备激光清洗工艺参数为平均功率P=25 W、激光扫描速度v=255 mm/s、激光脉冲频率f=100 kHz,在此参数下能有效去除脱模剂,玻璃纤维损害降到最低,并提高表面粗糙度,有效保证GFRP板材表面质量,同时还有利于提高复合材料之间的胶接强度。该研究结果可为航空领域复合材料脱模剂的激光清洗提供工艺参数参考。

TC4激光沉积的成形效率与精度的工艺影响特性研究

采用单因素控制变量法,在不同激光功率、扫描速度、送粉速度、单层抬升量下进行TC4合金粉末的激光沉积试验,以成形区质量、成形区高度和翘曲变形量的比值分别作为成形效率、成形精度的评价依据,分析各因素对钛合金的沉积成形效率和精度的变化规律。结果表明,成形区质量越大,成形效率越高;成形区高度与翘曲变形的比值越大,成形精度越高。随激光功率的增大,成形区质量增大,精度下降;随抬升量的增加,成形区质量先增大后减小,成形精度先变差再变高;随扫描速度的增大,成形效率减小,精度变差;随送粉速度的增大,成形效率增大,精度变高。当激光功率为3000 W、单层抬升量为0.6 mm、扫描速度为6~10 mm/s,送粉速度为1.2~1.8 g/min时,成形效率和精度综合达到最优。

快速成型制造中零件制作方向的优化方法

通过分析STL模型的几何特性和快速成型的工艺过程,建立了台阶效应、支撑面积和制作时间3个目标的优化模型,并分别利用遗传算法进行了求解,建立了独立满意度;然后采用线性加权法建立了综合满意度函数,利用遗传算法求解,得到优化的制作方向.实验结果表明,该方法能够有效地解决快速成型中的制作方向优化问题.

STL文件的错误检测与修复算法研究

STL文件是CAD系统与快速原型系统之间进行数据交换的准标准格式,由于种种原因,在创建STL文件时会产生许多错误,如果这些错误不加以处理的话,会影响到后面的数据处理和加工。文中提出一种STL文件的检测和修复算法。该算法通过建立点对象、边对象和三角面对象的数据结构,能够十分有效地检测和修复STL文件中的错误。

快速成型技术中分层算法的研究与进展

根据对零件制造精度和效率的关注程度的不同,开发出了多种分层算法。在同等加工时间的情况下,根据加工精度的不同,将这些分层算法分为等层厚分层算法和适应性分层算法两类。通过对STL模型、原始CAD模型和点云数据的分析,讨论了两类分层算法的研究和发展,然后介绍了斜边分层算法和曲面分层算法等先进分层算法的原理和成果,最后讨论了快速成型分层算法的研究方向和趋势。