降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法与流程

1.本发明涉及机械设备测绘技术领域，尤其涉及一种降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法。


背景技术：

2.漏斗形结晶器是薄板坯连铸设备的核心技术，有别于普通结晶器的是其内部开档上两侧的宽面铜板采用了垂直方向上带锥度的漏斗形设计，而非常规的平板设计。该漏斗区曲面形状的优劣与否，将与高温坯壳内的应变、应变速率以及塑变区应力水平等产生密切相关，直接影响铸坯的表面质量。
3.对于此类产品的逆向开发，主要采用逆向建模技术。该类技术在汽车、航天等领域应用较广，使用检测设备获取样件实物表面数据，基于自带或配套的软件工具，通过一定的算法优化生成加工模型。但对于某些曲面产品的逆向设计而言，这种对样件实物扫描或测头采点后，直接利用软件工具算法逆向建模的方法，存在较大的不确定性和风险。
4.在钢铁行业中，以漏斗形结晶器曲面铜板逆向设计为例，主要表现在：1）可获取的样件实物铜板本身存放时间较长，其制造精度与整体变形情况对逆向还原精度影响较大；2）结晶器中，铜板与水箱是硬连接的把紧关系，不同的把紧方法、力矩都会对曲面铜板的形态细节产生影响；3）样件实物扫描过程中，受检测设备本身检测精度的影响；4）曲面重构生成，尤其是曲面拼接时，可能因方法选择不当而产生原理性误差，有时甚至是不可接受的。
5.综合上述，在对此类产品的逆向设计时，若采用传统单一的样件实物数据采集、算法优化、模型重构的方式，显然是不合适的。其逆向设计结果必将与原始设计产生较大失真，给后期的产品设计与制造带来较大的技术风险。故而，急需探索和寻找一种能有效解决上述问题的逆向模型重构方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题是提供一种降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法，本方法克服传统逆向建模技术的缺陷，有效降低逆向设计与原始设计之间的失真误差，最大程度实现对原始设计的精准还原，提高漏斗形结晶器产品质量。
7.为解决上述技术问题，本发明降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法包括如下步骤：步骤一、对样件曲面铜板进行全区域初次三维扫描，通过数据处理、算法拼接与重构，获得样件曲面铜板自由状态下的三维模型，了解和确认样件曲面铜板的整体变形状态；步骤二、采用三维软件工具将三维模型中样件曲面铜板的安装面投影于平面上，并导出二维工程图；或采用人工测绘的方式，对样件曲面铜板的安装面进行测绘出图；
步骤三、根据样件曲面铜板的二维工程图，参照曲面铜板与其安装水箱的连接关系，设计与制作专用夹具，专用夹具为正垫板，且平面度要求≤0.02mm，具有充足的结构刚性；步骤四、按照曲面铜板与水箱之间螺栓把紧顺序与力度的安装标准，将样件曲面铜板安装把紧于正垫板上；步骤五、样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，检测样件曲面铜板表面与正垫板表面之间的状态，获得样件曲面铜板的在机平面度检测数据；步骤六、采用非接触式三维激光扫描仪对样件曲面铜板进行再次扫描，并重构初始三维模型；步骤七、通过对样件曲面铜板再次扫描所生成片体的分析，并结合以往类似曲面铜板的认知与资料，对曲面铜板构建的原始设计进行初步推断；步骤八、依据初步推断，对步骤六所重构的初始三维模型进行等距分割出截面曲线，利用截面曲线重新构建曲面并绘制出曲面铜板的初始模型；步骤九、对初始模型扩大原有分割面数量，等距分割出更多截面曲线，并抓取各截面曲线的数据，对样件曲面铜板的曲面区域，采用3d表逐点检测采集曲面数据；步骤十、将采集的曲面数据与初始模型各截面曲线的数据进行比对计算，形成差异量；步骤十一、基于步骤五的在机平面度检测数据和步骤十的差异量，对比分析形成样件曲面铜板曲面的变形趋势与状态，判断其变形的方向和规律；步骤十二、通过对曲面数据的比对、分析以及结合工艺资料，以曲面各点位为依据，通过样件曲面铜板与初始模型的各截面曲率图剔除或修正差异点，拟合并推算出各截面的曲线方程；步骤十三、根据已确立的各截面的曲线方程，利用三维软件工具通过各截面的曲线方程重构出曲面铜板的曲面。
8.进一步，所述步骤五中，样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，将正垫板和样件曲面铜板放置于数控机床台面上，以样件曲面铜板的铜板漏斗平面为基准，找正、拉直侧面，检测样件曲面铜板的曲面及正垫板剩余外露面，获得样件曲面铜板的在机检测数据。
9.进一步，利用对样件曲面铜板其它部位的测绘数据，结合重构出曲面铜板的曲面，构建出完整的曲面铜板三维模型，供后续曲面铜板加工制造使用。由于本发明降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法采用了上述技术方案，即本方法采用多重对比、综合判断，逆向建模的方式，通过多方采样检测获取曲面数据，推断曲面类型，比对检测数据与形变之间的关系，并结合工艺资料，对曲面各点位数值基于上述判断依据下，对截面曲线进行一定范围的修正，推算形成新的曲线方程，再以此通过正向建模的方式，利用三维软件工具建模，还原出更贴近于原始设计的曲面铜板曲面。本方法可有效降低逆向设计与原始设计之间的失真误差，尤其适用于因长期存放、表面变形过大，局部曲面受到轻微蚕食的曲面铜板的逆向开发，最大程度实现对原始设计的精准还原，提高漏斗形结晶器产品质量。
附图说明
10.下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明：图1为本方法中正垫板与样件曲面铜板安装把紧示意图；图2为本方法中对样件曲面铜板再次扫描后重构的初始三维模型示意图；图3为本方法中根据各截面的曲线方程重构的曲面铜板曲面示意图。
具体实施方式
11.实施例如图1、图2和图3所示，本发明降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法包括如下步骤：步骤一、对样件曲面铜板进行全区域初次三维扫描，通过数据处理、算法拼接与重构，获得样件曲面铜板自由状态下的三维模型，了解和确认样件曲面铜板的整体变形状态；经三维重构该样件曲面铜板其平面最大变形约1.4mm，呈中凸状；步骤二、采用三维软件工具将三维模型中样件曲面铜板的安装面投影于平面上，并导出二维工程图；或采用人工测绘的方式，对样件曲面铜板的安装面进行测绘出图；其中样件曲面铜板的安装面为水槽安装面。
12.步骤三、根据样件曲面铜板的二维工程图，参照曲面铜板与其安装水箱的连接关系，设计与制作专用夹具，专用夹具为正垫板，且平面度要求≤0.02mm，具有充足的结构刚性；步骤四、按照曲面铜板与水箱之间螺栓把紧顺序与力度的安装标准，将样件曲面铜板安装把紧于正垫板上；如图1所示，即将样件曲面铜板1的水槽安装面与正垫板2的安装面放置重合，采用外六角螺栓3按标准螺距与安装顺序依次把紧，并用塞尺检查是否存在缝隙；步骤五、样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，检测样件曲面铜板表面与正垫板表面之间的状态，获得样件曲面铜板的在机平面度检测数据；检测结果：样件曲面铜板的平面平面度为0.13mm（平面外圈四点中，三点接近0位，左下角-0.05），正垫板平面可检测部分平面度增大至0.18mm，通过上述检测可以得出：由于样件曲面铜板存在较大中凸状变形，带动正垫板发生形变；步骤六、采用非接触式三维激光扫描仪对样件曲面铜板进行再次扫描，并重构初始三维模型，该初始三维模型如图2所示；步骤七、通过对样件曲面铜板再次扫描所生成片体的分析，并结合以往类似曲面铜板的认知与资料，对曲面铜板构建的原始设计进行初步推断；即可初步推断样件曲面铜板曲面的原始设计是由一定规律的曲线所组成的漏斗型曲面；步骤八、依据初步推断，对步骤六所重构的初始三维模型进行等距分割出截面曲线，利用截面曲线重新构建曲面并绘制出曲面铜板的初始模型；步骤九、对初始模型扩大原有分割面数量，等距分割出更多截面曲线，并抓取各截面曲线的数据，对样件曲面铜板的曲面区域，采用3d表逐点检测采集曲面数据；步骤十、将采集的曲面数据与初始模型各截面曲线的数据进行比对计算，形成差异量；通过对样件曲面铜板数据与初始模型点位值的比对，两者最大相差异量为0.176mm，平均差异量0.065mm。其中，最大正向差异量0.176mm，最大负向差异量-0.146mm；
步骤十一、基于步骤五的在机平面度检测数据和步骤十的差异量，对比分析形成样件曲面铜板曲面的变形趋势与状态，判断其变形的方向和规律；经分析，考虑到铜板曲面左右两侧线受实际变形影响，呈中凹状，若以两侧拉直补偿检测数据平均差异量，即调整值预估可在0.11mm左右，漏斗曲面整体态势趋向向上水平抬起0.1mm；根据查阅的工艺资料，依据文献中对曲面铜板修复工艺的描述，铜板在完成漏斗曲面精加工后，平面仍需再去除0.1mm，也就是说实际铜板漏斗面与平面的位置关系将上抬0.1mm；综合上述情况，样件曲面铜板的检测数据与初始模型值平均差异量0.11mm（调整值）减去0.1mm（工艺要求的平面最终去除量），那么平均差异量仅0.01mm；铜板漏斗曲面整体态势趋向向上水平抬起0.1mm与之实际匹配吻合，可作为下一步数据修正量使用；步骤十二、通过对曲面数据的比对、分析以及结合工艺资料，以曲面各点位为依据，通过样件曲面铜板与初始模型的各截面曲率图剔除或修正差异点，拟合并推算出各截面的曲线方程；步骤十三、根据已确立的各截面的曲线方程，利用三维软件工具通过各截面的曲线方程重构出曲面铜板的曲面。
13.优选的，所述步骤五中，样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，将正垫板和样件曲面铜板放置于数控机床台面上，以样件曲面铜板的铜板漏斗平面为基准，找正、拉直侧面，检测样件曲面铜板的曲面及正垫板剩余外露面，获得样件曲面铜板的在机检测数据。
14.优选的，利用对样件曲面铜板其它部位的测绘数据，结合重构出曲面铜板的曲面，构建出完整的曲面铜板三维模型，供后续曲面铜板加工制造使用。完整的曲面铜板三维模型如图3所示。
15.本方法应用于曲面铜板的逆向设计，经验证表明：本方法所构建的曲面铜板加工模型，对比传统数据处理、算法拼接与重构所获取的模型，精度提升0.31mm左右。这种差异，亦可以通过图2和图3的对比，清晰的反映出两者的区别差异。从而降低结晶器曲面铜板逆向重构失真，最大程度实现对原始设计的精准还原，提高漏斗形结晶器产品质量。

技术特征：
1.一种降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法，其特征在于本方法包括如下步骤：步骤一、对样件曲面铜板进行全区域初次三维扫描，通过数据处理、算法拼接与重构，获得样件曲面铜板自由状态下的三维模型，了解和确认样件曲面铜板的整体变形状态；步骤二、采用三维软件工具将三维模型中样件曲面铜板的安装面投影于平面上，并导出二维工程图；或采用人工测绘的方式，对样件曲面铜板的安装面进行测绘出图；步骤三、根据样件曲面铜板的二维工程图，参照曲面铜板与其安装水箱的连接关系，设计与制作专用夹具，专用夹具为正垫板，且平面度要求≤0.02mm，具有充足的结构刚性；步骤四、按照曲面铜板与水箱之间螺栓把紧顺序与力度的安装标准，将样件曲面铜板安装把紧于正垫板上；步骤五、样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，检测样件曲面铜板表面与正垫板表面之间的状态，获得样件曲面铜板的在机平面度检测数据；步骤六、采用非接触式三维激光扫描仪对样件曲面铜板进行再次扫描，并重构初始三维模型；步骤七、通过对样件曲面铜板再次扫描所生成片体的分析，并结合以往类似曲面铜板的认知与资料，对曲面铜板构建的原始设计进行初步推断；步骤八、依据初步推断，对步骤六所重构的初始三维模型进行等距分割出截面曲线，利用截面曲线重新构建曲面并绘制出曲面铜板的初始模型；步骤九、对初始模型扩大原有分割面数量，等距分割出更多截面曲线，并抓取各截面曲线的数据，对样件曲面铜板的曲面区域，采用3d表逐点检测采集曲面数据；步骤十、将采集的曲面数据与初始模型各截面曲线的数据进行比对计算，形成差异量；步骤十一、基于步骤五的在机平面度检测数据和步骤十的差异量，对比分析形成样件曲面铜板曲面的变形趋势与状态，判断其变形的方向和规律；步骤十二、通过对曲面数据的比对、分析以及结合工艺资料，以曲面各点位为依据，通过样件曲面铜板与初始模型的各截面曲率图剔除或修正差异点，拟合并推算出各截面的曲线方程；步骤十三、根据已确立的各截面的曲线方程，利用三维软件工具通过各截面的曲线方程重构出曲面铜板的曲面。2.根据权利要求1所述的降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法，其特征在于：所述步骤五中，样件曲面铜板与正垫板安装把紧后，将正垫板和样件曲面铜板放置于数控机床台面上，以样件曲面铜板的铜板漏斗平面为基准，找正、拉直侧面，检测样件曲面铜板的曲面及正垫板剩余外露面，获得样件曲面铜板的在机检测数据。3.根据权利要求1所述的降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法，其特征在于：利用对样件曲面铜板其它部位的测绘数据，结合重构出曲面铜板的曲面，构建出完整的曲面铜板三维模型，供后续曲面铜板加工制造使用。

技术总结
本发明公开了一种降低结晶器曲面铜板逆向重构失真的方法，本方法采用多重对比、综合判断，逆向建模的方式，通过多方采样检测获取曲面数据，推断曲面类型，比对检测数据与形变之间的关系，并结合工艺资料，对曲面各点位数值基于上述判断依据下，对截面曲线进行一定范围的修正，推算形成新的曲线方程，再以此通过正向建模的方式，利用三维软件工具建模，还原出更贴近于原始设计的曲面铜板曲面。本方法可有效降低逆向设计与原始设计之间的失真误差，尤其适用于因长期存放、表面变形过大，局部曲面受到轻微蚕食的曲面铜板的逆向开发，最大程度实现对原始设计的精准还原，提高漏斗形结晶器产品质量。器产品质量。器产品质量。


技术研发人员：董黎和 郑顺荣 芮灿 罗东升 林龙 朱杰
受保护的技术使用者：宝武装备智能科技有限公司
技术研发日：2023.07.14
技术公布日：2023/10/11