CN107745123B - 一种面向装备零件仿制的3d打印系统及方法 - Google Patents
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Abstract
一种面向装备损坏零件复制的3D打印系统，该系统包括：视觉子系统，用于采集工件图像、处理相应数据进而取三维点云数据；运动执行机构，用于整个系统所有运动的执行工作；工控机系统，用于图像处理、分析与规划、控制所述运动执行机构的运动；所述视觉子系统中的成像装置将采集的损坏机械零件图像通过网口及串口等通讯方式传输给所述工控机系统，所述工控机系统中的运动控制子系统规划相应的运动轨迹后，通过程序指令传输给所述运动执行机构，所述运动执行机构将待加工的材料进行复制裁剪。本发明可针损坏简单还原后的机械零件进行数字化的模型，提高了整个机械零件修复的精准率。
Description
技术领域
本发明涉及视觉三维重构及智能控制技术领域，具体涉及一种面向装备零件仿制的3D打印系统及方法。
背景技术
随着现代科技的快速发展,现有的工业产装备到日常消费产品都逐渐从大批量的生产模式向小批量、定制服务化的模式发展，其零部件也呈现形貌各异的特征。当该类小批量的机械零部件发生断裂、磨损等损坏难以修复时候，购买配件较困难或价格较高。
目前，国内的3D打印技术主要集中于具有数学化模型的零部件成形。对无数字化模型的机械零部件发生断裂、磨损等损坏后，现有方法还难以完成相应替代件的3D打印成形；其次，在一些发生断裂、磨损的机械零部件结构较为复杂，测绘困难时，难以完成相应3D建模，进而难以获取其数字化模型，应用现有的3D打印技术有一定的困难。虽然现有3D重构技术、3D打印技术都有现成的工业应用，但针对装备损坏零部件复制快速3D打印系统及方法仍未见报道。
鉴于上述缺陷，本发明创作者经过长时间的研究和实践终于获得了本发明。
发明内容
为解决上述技术缺陷，本发明采用的技术方案在于，提供一种面向装备损坏零件复制的3D打印系统，该系统包括：视觉子系统，用于采集工件图像、处理相应数据进而取三维点云数据；运动执行机构，用于整个系统所有运动的执行工作；工控机系统，用于图像处理、分析与规划、控制所述运动执行机构的运动；所述视觉子系统中的成像装置将采集的损坏机械零件图像通过网口及串口等通讯方式传输给所述工控机系统，所述工控机系统中的运动控制子系统规划相应的运动轨迹后，通过程序指令传输给所述运动执行机构，所述运动执行机构将待加工的材料进行复制裁剪。
较佳的，所述视觉子系统包含成像装置及图像处理模块；所述成像装置包括第一相机、第二相机、激光器；所述第一相机、第二相机、激光器设置在同一平面内；所述第一相机的光轴与所述激光器的夹角为α，所述第二相机的光轴与所述激光器的夹角为β；所述图像处理模块位于工控机系统内。
较佳的，所述运动执行机构包含x向运动执行机构、y向运动执行机构、z向运动执行机构、加工执行机构均用于系统机械运动的执行工作。
较佳的，所述运动执行机构还包括一转台，用于辅助第一相机、第二相机成像。
较佳的，所述运动执行机构还包括转台及驱动转台的伺服电机，用于辅助第一相机、第二相机成像。
较佳的，所述工控机系统包含有一运动控制子系统，所述运动控制子系统包括转台运动控制模块，用于控制转台的运转方向及运转的速度；x向运动控制模块、y向运动控制模块、z向运动控制模块，均用于控制运动执行机构中的x、y、z向运动执行机构方向的移动。
较佳的，所述转台设置在所述成像装置的下方，用于放置损坏的机械零件且能够通过所述运动控制子系统中所述转台运动控制模块对所述转台的转动起点、转动速度以及方向进行控制。
较佳的，所述加工执行机构包括电主轴和铣刀，所述电主轴配合所述铣刀将待加工的部件进行复制裁剪。
较佳的，一种如上述所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，具体步骤如下：
(1)将装备损坏零件进行预处理；
(2)将预处理修复后的零件放置于转台上；依据工件的尺寸L、相机的最高采样频率f、一帧图像处理时间t等因素制定转台的转动速度；通过所述运动控制子系统设定所述转台的旋转速度，完成一圈的转动；
(3)当所述运动控制子系统中所述转台控制模块发出相应信号驱动所述转台带动零件运动时，同时发出相机采集触发信号，所述第一相机、第二相机均以相同的采样频率f对装备损坏零件表面的线结构光投影图像进行同步采样；
(4)通过装备现场的测量计算，获取工件在空间x、y、z方向的实际的尺寸，并将数据输入到所述视觉子系统图像处理单元中；所述视觉子系统通过图像处理单元的对图像特征进行提取，结合图像二维坐标与实际工件空间三维坐标的映射模型，获取工件的三维点云数据。将工件实际测量的三维尺寸与基于视觉获取的三维点云对应的尺寸进行对比分析，进而对图像二维坐标与实际工件空间三维坐标的映射模型参数进行修正；
(5)完成相应模型参数修正后，所述视觉子系统自动、精确地获取装备损坏零部件对应的三维点云数据发送给所述运动控制子系统，所述运动控制子系统规划出所述运动执行机构的加工起点及运动轨迹；
(6)当所述运动控制子系统完成相应加工起点及运动轨迹规划后，自动的将相应运动指令传输给所述运动执行机构对应的伺服电机驱动器，从而驱动执行机构运动，所述运动执行机构在x、y、z任意方向进行移动，配合所述电主轴进行协同运动，完成对待加工部件的机械复制加工，从而完成装备机械零部件的自动复制。
较佳的，所述具体获取三维点云数据的步骤如下：
假设以转台表面旋转中心为原点O，沿水平方向向右为x轴，沿垂直方向为z轴，则垂直于面xz的发现即为y轴，建立工作坐标系统OXYZ；
以开始工作时为0时刻，旋转一周的时间为t0；当工作时刻为t时，且0≤t≤t0；空间点Ai在第一相机11坐标系中对应的特征点为A1it(u1it,v1it)、在第二相机坐标中对应的特征点A2it(u2it,v2it)，它们满足如下映射关系：
由以上两公式可以求得t时刻，第一相机坐标系中A1it与第二相机坐标系中A2it对应的空间点Ait(xit,yit,zit)的三维空间坐标；将其转换成极坐标形式为Ait(ρit，αit，βit，γit)；其中：ρit为坐标系OXYZ中OAit的长度；αit为坐标系OXYZ中OAit与xy面的夹角；βit为坐标系OXYZ中OAit与yz面的夹角；γit为坐标系OXYZ中OAit与xz面的夹角；
则当扫描完成后，构成整个工件的点云坐标为：Ait(Ρit，αit，βit，γit+2πt/t0)；
将其转换成三维坐标的方法如下：
装备的断裂、剥落等缺陷零部件在粘合修复过程中，由于粘合剂的影响，其沿x、y、z方向的测量长度Lx、Ly、Lz必然大于或等于实际长度Lx0、Ly0、Lz0因此需要经点云数据进行压缩处理，即：
装备的磨损等缺陷零部件，其沿x、y、z方向的测量长度Lx1、Ly1、Lz1必然小于或等于实际长度Lx01、Ly01、Lz01因此需要经点云数据进行拉伸处理，即：
通过装备现场的测量计算，获取工件x、y、z方向的实际的尺寸，结合图像获取的工件对应的三维点云数据对应的测量尺寸，对图像特征二维坐标与工件三维坐标之间的映射模型的参数及上式5，6中的参数进行修正。
较佳的，所述装备损坏零件发生断裂、剥落，用相应的粘合剂进行预处理；装备损坏零件发生磨损，则不做处理。
与现有技术比较本发明的有益效果在于：1，本发明可以进行小批量、多品种、定制化的装备的快速、低成本的修复。2，本发明可自动获取经简单修复过的损坏机械零件的数字化模型，提高整个机械零件修复的精准率。3，本发明操作简单，使用率高，提升了机械设备的维修效率及质量。4，本发明可完成相应机械零部件的3D建模，有效的提高了本领域相关技术。5，本发明有效的延长了更换后零部件的使用寿命，降低了用户的使用成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明各实施例中的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1是本发明系统的示意图；
图2是本发明系统的主视图；
图3是本发明系统的结构图；
图4是本发明系统的后视图；
图5是本发明中第一相机11、第二相机12、激光器13之间角度设置的示意图；
图6是本发明中工控机系统上的运动执行机构的结构图；
图7是本发明中的图像显示器与连接件连接关系的结构图；
图8是本发明中的加工执行机构结构图；
图9是本发明中的待加工件加工台的内部结构图；
图10是本发明中装备损坏零件发生断裂、剥落等情况预修复的示意图；
图11(a)、(b)分别是本发明的第一相机11、第二相机12采集线结构光投影的图像；
图12是本发明转台上xyz坐标系统示意图；
图中数字表示：
1.成像装置 2.工控机系统 3.运动执行结构 4.视觉系统安装台 5.工控机安装架 6.转台 7.待加工件加工台 11.第一相机 12.第二相机 13.激光器 15.罩子 16.偏振镜 22.运动控制子系统 31.x向运动机构 32.y向运动机构 33.z向运动机构 34.加工执行机构 51.工控机系统显示器 52.机械连接件 225.转台运动控制模块 311.电主轴 312.活动连接件 313.铣刀 521.顶轴 522.中轴 A.损坏的机械零件
具体实施方式
以下结合附图，对本实用新型上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。
实施例1
如图1,2，3，4所示，一种面向装备损坏零件复制的3D打印系统，该系统包括：视觉子系统，用于采集工件图像，对图像进行处理分析，获取损坏零件的三维点云数据；工控机系统2，用于图像处理、分析与运动规划、控制运动执行机构3的运动；运动执行机构3，用于整个系统所有运动的执行。
视觉子系统包含成像装置1及图像处理模块21；成像装置1，用于采集损坏的机械零件A原始模型的图像；图像处理模块21用于对图像三维点云数据的处理；图像处理模块则在工控机系统2内进行工作。
成像装置1为一体式装置，包括第一相机11、第二相机12、激光器13；其中第一相机11、第二相机12、激光器13设置在同一平面内。视觉子系统先将采集损坏机械零件原始模型图像的第一相机11和第二相机12与图像处理模块通过网口或串口等通讯方式相连。此装置还包括有一罩子15，通过两固定杆及连接件将此装置固定在视觉系统安装台4的上方，并且垂直立于视觉系统安装台4上的一侧；如图5所示，第一相机11光轴与激光器13的夹角为α，第二相机12光轴与激光器13的夹角为β，且在装置内还设有一偏振镜16，第一相机11和第二相机12的光轴以及激光器13的激光通过偏振镜16进行线结构光投影，且角度α、β可进行调整。工控机系统2位于工控机安装架5内。
成像装置1的下方还设有一转台6，用于放置有缺陷的机械零件A且能够在通过运动控制子系统22对转台6转动速度以及方向加以控置。
工控机系统2包括有一运动控制子系统22，运动控制子系统22包括转台运动控制模块225，转台运动控制模块225用于控制转台运动驱动器以及转台伺服电机，三者均位于成像装置1下与转台6活动相连接；通过控制转台伺服电机的输出功率用于控制转台6的运转方向及运转的速度；运动控制子系统22还包括x向运动控制模块、y向运动控制模块、z向运动控制模块、电主轴运动控制模块也位于工控机系统2内，分别与工控机安装架5上运动执行机构3所对应的x向运动机构31、y向运动机构32、z向运动机构33、加工执行机构34相连接；用于实现加工起点的选择，运动轨迹规划等功能。工控机系统2中的图像处理模块对图像进行处理分析并将所得的损坏机械零件数字化模型数据传输到工控机系统2中的运动控制子系统22中。运动控制子系统22对所得的损坏机械零件数字化模型数据进行处理，规划出运动执行机构的路径，并将指令传达到运动执行机构的运动执行控制器。运动执行机构的控制器得到命令后驱动运动执行机构3工作。
x向运动控制模块、y向运动控制模块、z向运动控制模块，均用于控制加工执行机构34的x、y、z方向的移动；电主轴运动控制模块用于控制电主轴的方向移动。
如图6所示，运动执行机构3包括x向运动机构31、y向运动机构32、z向运动机构33、加工执行机构34及转台6，除转台6外，其余均相互连接位于工控机安装架5上方。x、y、z向运动机构31、32、33均使用传输链条处理连接线拖动的问题。
x向运动机构31包括机构x、伺服电机x、x向运动控制器；y向运动机构32包括机构y、伺服电机y、y向运动控制器；z向运动机构33包括机构z、伺服电机z、z向运动控制器；各向伺服电机与运动控制器均位于工控机安装架5内与各自机构相连接。
x向运动控制模块用于控制伺服电机x及运动控制器x；y向运动控制模块用于控制伺服电机y及运动控制器y；z向运动控制模块用于控制伺服电机z及运动控制器z。
工控机安装架5上方的另一侧通过机械连接件52连接有一工控机系统显示器51，工控机系统显示器51连接工控机系统2，便于实时显示图像处理模块、运动控制子系统22的实时状态。如图7所示，机械连接件52的一端固定连接在工控机安装架5上，另一端固定连接在图像显示器51上，其机械连接件52的中轴522与固定连接显示器的顶轴521均可进行360度转动，便于工控机系统显示器51能够360°全方位转动；使其各个角度都能够观察到模型数字化模型重构状态，三维加工的实时情况，且能避免结构干涉。
如图8所示，加工执行机构34包括有一电主轴341，电主轴341与y、z向运动执行机构相连接，通过电主轴运动控制模块控制电主轴341的运动；电主轴341还设有两个上下可的活动连接件342，位于下方的活动连接件342固定安装一铣刀313，铣刀343与活动连接件342共同移动作业，对待加工材料A’进行复制裁剪。
工控机系统显示器51的同侧还设有一待加工件加工台7，待加工件加工台7的上方可放置待加工材料A’，如图9所示，待加工件加工台7与视觉系统安装台4的结合处采用刚性固定结构。待工件工作台7内部采用T型槽结构，便于代加工材料A’的安装及固定。
其次，本发明还公开一种面向装备损坏零件复制的3D打印系统打印方法，具体检测步骤如下：
(1)如图10所示，若装备损坏零件发生断裂、剥落等情况，可采用相应的粘合剂进行预处理，实现损坏零部件的拼接，完成预修复功能。若装备损坏零件发生磨损等情况，则不做处理。
(2)将预修复后的零件A放置于转台6上。依据工件的尺寸L、相机的最高采样频率f、一帧图像处理时间t等因素制定转台6的转动速度。通过运动控制子系统22设定转台6的旋转速度，完成一圈的转动。
(3)如图11(a)、(b)所示，当运动控制子系统22发出相应信号驱动转台4带动零件A运动时，同时发出相机采集触发信号，第一相机11、第二相机12均以采样频率f对装备损坏零件表面的线结构光投影图像进行采样。
(4)具体获取三维点云数据的步骤如下：
如图12所示，假设以转台6表面旋转中心为原点O，沿水平方向向右为x轴，沿垂直方向为z轴，则垂直于面xz的发现即为y轴，建立工作坐标系统OXYZ。
以开始工作时为0时刻，旋转一周的时间为t0；当工作时刻为t时，且0≤t≤t0；空间点Ai在第一相机11坐标系中对应的特征点为A1it(u1it,v1it)、在第二相机坐标中对应的特征点A2it(u2it,v2it)，它们满足如下映射关系：
由以上两公式可以求得t时刻，第一相机11坐标系中A1it与第二相机12坐标系中A2it对应的空间点Ait(xit,yit,zit)的三维空间坐标；将其转换成极坐标形式为Ait(ρit，αit，βit，γit)；其中：ρit为坐标系OXYZ中OAit的长度；αit为坐标系OXYZ中OAit与xy面的夹角；βit为坐标系OXYZ中OAit与yz面的夹角；γit为坐标系OXYZ中OAit与xz面的夹角；
则当扫描完成后，构成整个工件的点云坐标为：Ait(Ρit，αit，βit，γit+2πt/t0)；
将其转换成三维坐标的方法如下：
装备的断裂、剥落等缺陷零部件在粘合修复过程中，由于粘合剂的影响，其沿x、y、z方向的测量长度Lx、Ly、Lz必然大于或等于实际长度Lx0、Ly0、Lz0因此需要经点云数据进行压缩处理，即：
装备的磨损等缺陷零部件，其沿x、y、z方向的测量长度Lx1、Ly1、Lz1必然小于或等于实际长度Lx01、Ly01、Lz01因此需要经点云数据进行拉伸处理，即：
通过装备现场的测量计算，获取工件x、y、z方向的实际的尺寸，结合图像获取的工件对应的三维点云数据对应的测量尺寸，对图像特征二维坐标与工件三维坐标之间的映射模型的参数及上式5，6中的参数进行修正。通过自动获取经简单修复过的损坏机械零件的数字化模型，提高了整个机械零件修复的精准率。
(6)完成修正后，视觉子系统自动将装备损坏零件A对应的三维点云数据发送给运动控制子系统22，运动控制子系统22规划加工起点及运动轨迹。
(7)当运动控制子系统22完成相应规划的加工起点及运动轨迹后，自动的将相应运动指令传输给运动执行机构3，运动执行机构3在x、y、z等方向，配合电主轴311进行协同运动，完成对待加工部件的机械加工，从而实现装备机械零部件的自动复制，本发明适应小批量、多品种、定制化的装备的快速、低成本的修复。
实施例2
本实施与上述实施例的区别在于，将电主轴311换成激光成形装置，可用于基于激光的装备损坏零部件的3D减材复制。
实施例3
本实施与上述实施例的区别在于，将电主轴311换成材料喷头，配合相应的3D成形技术，可用于装备损坏零部件的增材复制。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，对本发明而言仅仅是说明性的，而非限制性的。本专业技术人员理解，在本发明权利要求所限定的精神和范围内可对其进行许多改变，修改，甚至等效，但都将落入本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述面向装备损坏零件复制的3D打印系统包括：视觉子系统，用于采集工件图像、处理相应数据进而获取三维点云数据；运动执行机构，用于整个系统所有运动的执行工作；工控机系统，用于图像处理、分析与规划、控制所述运动执行机构的运动；所述视觉子系统中的成像装置将采集的损坏机械零件图像通过网口及串口的通讯方式传输给所述工控机系统，所述工控机系统中的运动控制子系统规划相应的运动轨迹后，通过程序指令传输给所述运动执行机构，所述运动执行机构将待加工的材料进行复制裁剪；
所述方法的具体步骤如下：
(1)将装备损坏零件进行预处理；
(2)将预处理后的零件放置于转台上；依据工件的尺寸L、相机的最高采样频率f、一帧图像处理时间t因素制定转台的转动速度；通过所述运动控制子系统设定所述转台的旋转速度，完成一圈的转动；
(3)当所述运动控制子系统中所述转台控制模块发出相应信号驱动所述转台带动零件运动时，同时发出相机采集触发信号，第一相机、第二相机均以相同的采样频率f对装备损坏零件表面的线结构光投影图像进行同步采样；
(4)通过装备现场的测量计算，获取工件在空间x、y、z方向的实际的尺寸，并将数据输入到所述视觉子系统图像处理单元中；所述视觉子系统通过图像处理单元的对图像特征进行提取，结合图像二维坐标与实际工件空间三维坐标的映射模型，获取工件的三维点云数据；将工件实际测量的三维尺寸与基于视觉获取的三维点云对应的尺寸进行对比分析，进而对图像二维坐标与实际工件空间三维坐标的映射模型参数进行修正；
(5)完成相应模型参数修正后，所述视觉子系统自动、精确地获取装备损坏零部件对应的三维点云数据发送给所述运动控制子系统，所述运动控制子系统规划出所述运动执行机构的加工起点及运动轨迹；
(6)当所述运动控制子系统完成相应加工起点及运动轨迹规划后，自动的将相应运动指令传输给所述运动执行机构对应的伺服电机驱动器，从而驱动执行机构运动，所述运动执行机构在x、y、z任意方向进行移动，配合电主轴进行协同运动，完成对待加工部件的机械复制加工，从而完成装备机械零部件的自动复制；
其中，获取所述三维点云数据的步骤如下：
假设以转台表面旋转中心为原点O，沿水平方向向右为x轴，沿垂直方向为z轴，则垂直于面xz的方向即为y轴，建立工作坐标系统OXYZ；
以开始工作时为0时刻，旋转一周的时间为t0；当工作时刻为t时，且0≤t≤t0；空间点Ai在第一相机坐标系中对应的特征点为A1it(u1it,v1it)、在第二相机坐标中对应的特征点A2it(u2it,v2it)，它们满足如下映射关系：
由以上两公式可以求得t时刻，第一相机坐标系中A1it与第二相机坐标系中A2it对应的空间点Ait(xit,yit,zit)的三维空间坐标；将其转换成极坐标形式为Ait(ρit，αit，βit，γit)；其中：ρit为坐标系OXYZ中OAit的长度；αit为坐标系OXYZ中OAit与xy面的夹角；βit为坐标系OXYZ中OAit与yz面的夹角；γit为坐标系OXYZ中OAit与xz面的夹角；
则当扫描完成后，构成整个工件的点云坐标为：Ait(Ρit，αit，βit，γit+2πt/t0)；
将其转换成三维坐标的方法如下：
装备的断裂、剥落缺陷零部件在粘合修复过程中，由于粘合剂的影响，其沿x、y、z方向的测量长度Lx、Ly、Lz必然大于或等于实际长度Lx0、Ly0、Lz0因此需要经点云数据进行压缩处理，即：
装备的磨损缺陷零部件，其沿x、y、z方向的测量长度Lx1、Ly1、Lz1必然小于或等于实际长度Lx01、Ly01、Lz01因此需要经点云数据进行拉伸处理，即：
通过装备现场的测量计算，获取工件x、y、z方向的实际的尺寸，结合图像获取的工件对应的三维点云数据对应的测量尺寸，对图像特征二维坐标与工件三维坐标之间的映射模型的参数及上式5，6中的参数进行修正。
2.如权利要求1所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述视觉子系统包括成像装置及图像处理模块；所述成像装置包括第一相机、第二相机、激光器；所述第一相机、第二相机、激光器设置在同一平面内；所述第一相机的光轴与所述激光器的夹角为α,所述第二相机的光轴与所述激光器的夹角为β；所述图像处理模块位于工控机系统内。
3.如权利要求2所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述运动执行机构包含x向运动执行机构、y向运动执行机构、z向运动执行机构、加工执行机构均用于系统机械运动的执行工作。
4.如权利要求3所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述运动执行机构还包括一转台，用于辅助第一相机、第二相机成像。
5.如权利要求4所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述工控机系统包括有一运动控制子系统，所述运动控制子系统包括转台运动控制模块，用于控制转台的运转方向及运转的速度；x向运动控制模块、y向运动控制模块、z向运动控制模块，均用于控制运动执行机构中的x、y、z向运动执行机构方向的移动。
6.如权利要求5所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述转台设置在所述成像装置的下方，用于放置损坏的机械零件且能够通过所述运动控制子系统中所述转台运动控制模块对所述转台的转动起点、转动速度以及方向进行控制。
7.如权利要求3或6所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述加工执行机构包括电主轴和铣刀，所述电主轴配合所述铣刀将待加工的部件进行复制裁剪。
8.如权利要求1所述的面向装备损坏零件复制的3D打印系统的打印方法，其特征在于，所述装备损坏零件发生断裂、剥落，用粘合剂进行预处理；装备损坏零件发生磨损，则不做处理。
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