CN110370832A - 一种三维模型表面喷绘工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三维模型表面喷绘工艺，所述工艺包括以下步骤：步骤S1、工作人员多源获取遥感测绘数据以及通过其他测绘手段获取的地表测绘信息，采用RGB和CMYK模式表达，通过配准、纠偏、调色、分色、半调以及二值化步骤，处理成控制喷墨头喷墨动作的二进制数据；步骤S2、测绘数据处理过后进行沙盘模型涂布，在模型表面喷涂白色漆料，在保证模型细节的前提下，将模型表面处理成均匀的白色；在底涂表面均匀覆上一层透明涂层；步骤S3、沙盘模型涂布处理过后进行三维彩色喷绘，经过涂布工艺处理后的地理模型，即可进行地形实景喷绘；本发明实现图形图像的融合与处理、多轴协同控制、颜色高还原度、沙盘精准定位等核心技术设计。

Description

一种三维模型表面喷绘工艺

技术领域

本发明涉及三维喷绘技术领域，特别是一种三维模型表面喷绘工艺。

背景技术

目前市场上的喷绘技术多针对规则物体表面。这种喷绘方式，无法满足人们在不规则物体表面进行喷绘上色的需求，或无法在不规则物体表面做出精细的彩色喷绘。

随着时代的进步，类似沙盘、浮雕产品等对喷绘技术的要求也在逐步提高。然而，目前的彩色喷绘方式无法满足客户对沙盘的生产、浮雕产品生产周期短、色彩内容丰富、色彩精度高等要求。因此需要提供一种制作方法，能够在三维模型表面进行彩色喷绘，从而实现快速、精准、高效的产品上色。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种三维模型表面喷绘工艺，实现图形图像的融合与处理、喷绘数据的仿真演示，改变了原有生产模式，喷绘的三维模型匹配精度更高和色彩内容更丰富。

本发明采用以下方法来实现：一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、工作人员多源获取遥感测绘数据以及通过其他测绘手段获取的地表测绘信息，采用RGB 和CMYK 模式表达，通过配准、纠偏、调色、分色、半调以及二值化步骤，处理成控制喷墨头喷墨动作的二进制数据；

步骤S2、测绘数据处理过后进行沙盘模型涂布，在模型表面喷涂白色漆料，在保证模型细节的前提下，将模型表面处理成均匀的白色；在底涂表面均匀覆上一层透明涂层，所述透明涂层主要成分为二氧化硅和PVA；

步骤S3、沙盘模型涂布处理过后进行三维彩色喷绘，经过涂布工艺处理后的地理模型，即可进行地形实景喷绘。

进一步的，所述步骤S3中的地形实景喷绘中所需要用到的数据为巴特沃斯滤波后的DEM数据和经过补偿标准化后的测绘彩色图像。

进一步的，步骤S3中所述地形实景喷绘包括以下步骤：

步骤S31、对彩色图像进行CMYK 空间的分色，在分色过程中要注意总墨量的平衡，得到CMYK 灰度图像；

步骤S32、 对所述的CMYK 灰度图像中得到的图像，利用基于曲面特征的三维半色调算法进行半色调处理，得到CMYK 半色调图像；

步骤S33、根据优化的喷绘角度，对喷绘装置的六轴进行轨迹规划；

步骤S34、利用所述步骤S33中得到的轨迹，控制喷绘装置运动，使得四色喷头紧贴模型，利用运动控制卡反馈的x 轴位置信息触发FPGA 控制系统的喷墨中断，执行喷墨动作，最终实现卫星实景沙盘的全过程喷绘。

进一步的，所述喷绘装置包括工作台和龙门架，所述龙门架设置于所述工作台的工作平面上，所述龙门架的竖杆侧面设置有第一电机，所述第一电机输出端设置有一螺杆，所述螺杆穿过所述龙门架的左横杆且所述螺杆末端穿过所述龙门架的右横杆进行固定，所述龙门架的两横杆之间设置有第一导向杆和第二导向杆，且所述第一导向杆和第二导向杆分别位于所述螺杆的上下两侧；所述龙门架上安装设置有用于对沙盘进行喷绘的喷头机构。

进一步的，所述喷头机构包括机械背板，所述机械背板正面从左至右并排设置有多个齿条固定板，所述齿条固定板上端均设置有限位开关挡片，所述机械背板上并排开设有多个直线导轨开口，所述直线导轨开口内嵌入设置有用于限位所述齿条固定板的滑块支座，所述机械背板上并排设置有用于适配不同齿轮的多个齿轮适配器，所述齿轮适配器上设置有齿轮，所述齿条固定板侧面设置有与所述齿轮相啮合的齿条，所述机械背板背面设置有用于带动所述齿轮的第二电机，以利于第二电机能够带动所述齿条固定板上下运动；所述齿条固定板正面设置有用于固定墨瓶的墨瓶垫块，所述墨瓶垫块上设置有用于放置墨瓶的墨瓶座，所述墨瓶座上设置有用于将墨瓶分隔开的墨瓶栏；所述齿条固定板正面下端设置有用于联接喷头元件的喷头联接座，所述喷头联接座上设置有用于固定喷头的喷头底座；所述机械背板背面左右两端均固定设置有用于固定电路板的U形电路板支撑座，所述U形电路板支撑座内侧下端连接设置有一固定柱连接板，所述固定柱连接板下表面设置有固定柱，所述机械背板通过固定柱固定安装在所述龙门架上，以利于第一电机转动时能够带动所述机械背板进行左右运动。

进一步的，所述喷头联接座下表面中部设置一圆柱凸部，所述喷头底座上表面开设有与所述圆柱凸部相配合的圆形凹槽，以利于所述喷头联接座和所述喷头底座经圆柱凸部和圆形凹槽相配合进行连接固定。

进一步的，所述滑块支座左侧面设置有一U形滑块，所述齿条固定板右侧嵌入所述U形滑块内，以利于所述齿条固定板能够保持竖直方向的上下运动。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种三维模型表面喷绘工艺，改变了原有生产模式，喷绘的三维模型匹配精度更高、色彩内容更丰富、自适应能力强、生产周期更短、从业门槛更低，具有重大的生产实践意义；本发明采用自动化机器人技术，整个生产流程基本由自动化机器人系统完成，极大的提高了生产效率；采用了高分辨率全彩色实景沙盘模型喷绘工艺，设计合理的喷绘支持设备，实现一体化四色喷头位置控制，提升喷绘工艺中的套色精度和定位精度；设计合理的喷墨工艺，减小由于喷绘中的高度落差带来的散墨现象。

附图说明

图1为测绘信息处理和三维喷绘数据流程和技术路线。

图2为所述喷绘装置的结构示意图。

图3为所述龙门架的结构示意图。

图4为所述喷头机构的结构示意图。

图5为所述喷头机构的拆装结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

请参阅图1所示，本发明提供了一实施例：一种三维模型表面喷绘工艺，包括以下步骤：

步骤S1、工作人员多源获取遥感测绘数据以及通过其他测绘手段获取的地表测绘信息，采用RGB 和CMYK 模式表达，通过配准、纠偏、调色、分色、半调以及二值化步骤，处理成控制喷墨头喷墨动作的二进制数据；

步骤S2、测绘数据处理过后进行沙盘模型涂布，在模型表面喷涂白色漆料，在保证模型细节的前提下，将模型表面处理成均匀的白色；在底涂表面均匀覆上一层透明涂层，所述透明涂层主要成分为二氧化硅和PVA；

步骤S3、沙盘模型涂布处理过后进行三维彩色喷绘，经过涂布工艺处理后的地理模型，即可进行地形实景喷绘。

所述步骤S3中的地形实景喷绘中所需要用到的数据为巴特沃斯滤波后的DEM数据和经过补偿标准化后的测绘彩色图像。

请继续参阅图1所示，本发明一实施例中，步骤S3中所述地形实景喷绘包括以下步骤：

步骤S31、对彩色图像进行CMYK 空间的分色，在分色过程中要注意总墨量的平衡，得到CMYK 灰度图像；

步骤S32、 对所述的CMYK 灰度图像中得到的图像，利用基于曲面特征的三维半色调算法进行半色调处理，得到CMYK 半色调图像；

步骤S33、根据优化的喷绘角度，对喷绘装置的六轴进行轨迹规划；

步骤S34、利用所述步骤S33中得到的轨迹，控制喷绘装置运动，使得四色喷头紧贴模型，利用运动控制卡反馈的x 轴位置信息触发FPGA 控制系统的喷墨中断，执行喷墨动作，最终实现卫星实景沙盘的全过程喷绘。

请参阅图2至图5所示，本发明一实施例中，所述喷绘装置1包括工作台11和龙门架12，所述龙门架12设置于所述工作台11的工作平面上，所述龙门架12的竖杆侧面设置有第一电机13，所述第一电机13输出端设置有一螺杆14，所述螺杆14穿过所述龙门架12的左横杆且所述螺杆14末端穿过所述龙门架12的右横杆进行固定，所述龙门架12的两横杆之间设置有第一导向杆15和第二导向杆16，且所述第一导向杆15和第二导向杆16分别位于所述螺杆14的上下两侧；所述龙门架12上安装设置有用于对沙盘进行喷绘的喷头机构2，经喷头机构2可对沙盘实现卫星实景沙盘的立体表面喷绘。使得第一电机13带动螺杆14转动，螺杆14转动能够带动喷头机构2在龙门架12上左右运动。

请继续参阅图4和图5所示，本发明一实施例中，所述喷头机构2包括机械背板21，所述机械背板21正面从左至右并排设置有多个齿条固定板22，用于固定齿条，所述齿条固定板22上端均设置有限位开关挡片23，用于防止机构动作超出设计范围而发生事故，所述机械背板21上并排开设有多个直线导轨开口24，保护传感器及电线，保持光轴的清洁度，减少了传感器和光轴的故障率，同时保持了设备的外形美观；所述直线导轨开口24内嵌入设置有用于限位所述齿条固定板22的滑块支座25，使得齿条能够保持在竖直方向的滑动位移，所述机械背板21上并排设置有用于适配不同齿轮的多个齿轮适配器26，用于兼容不同类型的齿轮，从而使两个因接口问题不兼容的齿轮能一起工作，所述齿轮适配器26上设置有齿轮27，所述齿条固定板22侧面设置有与所述齿轮27相啮合的齿条（未图示），所述机械背板21背面设置有用于带动所述齿轮27的第二电机28，以利于第二电机28能够带动所述齿条固定板22上下运动，在立体喷绘中需要根据模型的曲面特征来调整喷头的角度以减小喷头与模型表面的距离，提高喷绘效果；所述齿条固定板22正面设置有用于固定墨瓶的墨瓶垫块3，防止墨瓶在工作时脱落，所述墨瓶垫块3上设置有用于放置墨瓶的墨瓶座31，所述墨瓶座31上设置有用于将墨瓶分隔开的墨瓶栏32；所述齿条固定板22正面下端设置有用于联接喷头元件的喷头联接座33，所述喷头联接座33上设置有用于固定喷头的喷头底座34；所述机械背板21背面左右两端均固定设置有用于固定电路板的U形电路板支撑座4，可大幅降低电路板受到按压力时发生弯曲变形的程度，避免电路板在进行置件等加工过程中发生损坏，所述U形电路板支撑座4内侧下端连接设置有一固定柱连接板41，所述固定柱连接板41下表面设置有固定柱42，所述机械背板21通过固定柱42固定安装在所述龙门架12上，以利于第一电机13转动时能够带动所述机械背板21进行左右运动。

请继续参阅图5所示，本发明一实施例中，所述喷头联接座33下表面中部设置一圆柱凸部35，所述喷头底座34上表面开设有与所述圆柱凸部35相配合的圆形凹槽36，以利于所述喷头联接座33和所述喷头底座34经圆柱凸部35和圆形凹槽36相配合进行连接固定。

所述滑块支座25左侧面设置有一U形滑块（未图示），所述齿条固定板22右侧嵌入所述U形滑块内，以利于所述齿条固定板22能够保持竖直方向的上下运动。

所述喷头机构2的工作原理为：当沙盘需进行卫星实景沙盘立体模型表面喷绘时，将墨瓶放置在墨瓶座上，在齿轮适配器上安装齿轮，然后工作人员开始进行沙盘的立体模型表面喷绘，在喷绘时，开启第二电机，使得机械背板在龙门架上进行左右运动，以利于喷头能够将墨水喷涂至整个沙盘，工作人员打开第一电机，第一电机带动齿轮转动，由于齿轮与齿条的啮合效果，在齿条的带动下，齿条固定板进行上下运动，通过 Z 轴末端执行器的替换在同一平台上实现雕刻和喷绘两种功能。

本发明中所采用的喷绘用墨水采用弱溶剂墨水作为三维喷绘墨水，但不仅限于此。

本发明中所采用的喷墨头为XAAR 公司的 xj64/xj128 两种喷头，主要有以下原因：

xj64 喷头是市面上体积小的压电式喷头，能够很好地适应三维喷绘喷头紧贴 模型表面的要求。但目前该喷头已不再生产，存货量不大，xj128是其替代产品， 体积较小，在户外广告领域应用广泛，其结构上是两组 xj64核心组合，因此在 喷墨控制上有一定的兼容性。另外，XAAR 公司作为全球喷墨系统解决方案提供商，提供了 xj64/xj128 喷头的数据控制逻辑，开发者可以根据自己的需要设计喷墨控制系统架构，这一点尤其适合三维喷绘这种对喷墨系统自主设计要求较高的系统。图4和图5 为 xj128 喷头外观结构图，有效喷孔数量为 128 个，标准电压下墨滴速度为 5m/s，高喷射频率为 5.5KHz，物理精度185dpi。

本发明对喷墨系统的要求是：

(1) 喷墨系统执行末端的体积。实现三维彩色喷绘，需要 CMYK 四基色喷墨系统，同时要求喷头紧贴三维模型表面运动，在机械结构上需增加四个驱动喷头运动的 z 轴。因此，如果喷墨系统末端体积过大，喷头距离模型表面较远影响喷绘的效果；同时容易造成机械上的干涉，减小三维喷绘的幅面。

(2) 喷墨系统的稳定性。体现在两个方面：一是喷墨头长时间工作的输出图 像稳定性，以保证大幅面喷绘的需求；二是喷墨系统在 XYZ 三个自由度快速运动过程中的系统结构稳定性。

（3）喷墨系统对墨水的适应性。墨水是喷墨系统中重要环节。喷墨方式的原理决定了墨水在极性、形态、腐蚀性等方面的性质。三维喷绘对象为各种材料制作的模型表面，因此要求采用的墨水有较好的附着力和适应性，在特殊情况下，也可能采用不同种类的墨水以配合不同的材质，这就反过来要求喷墨系统能够适用多种性质不同的墨水；所以综合以上三点，在3D 喷绘机器人系统中，我们采用压电式按需喷墨技术，但不仅限于此。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (7)

1.一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、工作人员多源获取遥感测绘数据以及通过其他测绘手段获取的地表测绘信息，采用RGB 和CMYK 模式表达，通过配准、纠偏、调色、分色、半调以及二值化步骤，处理成控制喷墨头喷墨动作的二进制数据；

步骤S2、测绘数据处理过后进行沙盘模型涂布，在模型表面喷涂白色漆料，在保证模型细节的前提下，将模型表面处理成均匀的白色；在底涂表面均匀覆上一层透明涂层，所述透明涂层主要成分为二氧化硅和PVA；

步骤S3、沙盘模型涂布处理过后进行三维彩色喷绘，经过涂布工艺处理后的地理模型，即可进行地形实景喷绘。

2.根据权利要求1所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：所述步骤S3中的地形实景喷绘中所需要用到的数据为巴特沃斯滤波后的DEM数据和经过补偿标准化后的测绘彩色图像。

3.根据权利要求1所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：步骤S3中所述地形实景喷绘包括以下步骤：

步骤S31、对彩色图像进行CMYK 空间的分色，在分色过程中要注意总墨量的平衡，得到CMYK 灰度图像；

步骤S32、 对所述的CMYK 灰度图像中得到的图像，利用基于曲面特征的三维半色调算法进行半色调处理，得到CMYK 半色调图像；

步骤S33、根据优化的喷绘角度，对喷绘装置的六轴进行轨迹规划；

步骤S34、利用所述步骤S33中得到的轨迹，控制喷绘装置运动，使得四色喷头紧贴模型，利用运动控制卡反馈的x 轴位置信息触发FPGA 控制系统的喷墨中断，执行喷墨动作，最终实现卫星实景沙盘的全过程喷绘。

4.根据权利要求3所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：所述喷绘装置包括工作台和龙门架，所述龙门架设置于所述工作台的工作平面上，所述龙门架的竖杆侧面设置有第一电机，所述第一电机输出端设置有一螺杆，所述螺杆穿过所述龙门架的左横杆且所述螺杆末端穿过所述龙门架的右横杆进行固定，所述龙门架的两横杆之间设置有第一导向杆和第二导向杆，且所述第一导向杆和第二导向杆分别位于所述螺杆的上下两侧；所述龙门架上安装设置有用于对沙盘进行喷绘的喷头机构。

5.根据权利要求4所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：所述喷头机构包括机械背板，所述机械背板正面从左至右并排设置有多个齿条固定板，所述齿条固定板上端均设置有限位开关挡片，所述机械背板上并排开设有多个直线导轨开口，所述直线导轨开口内嵌入设置有用于限位所述齿条固定板的滑块支座，所述机械背板上并排设置有用于适配不同齿轮的多个齿轮适配器，所述齿轮适配器上设置有齿轮，所述齿条固定板侧面设置有与所述齿轮相啮合的齿条，所述机械背板背面设置有用于带动所述齿轮的第二电机，以利于第二电机能够带动所述齿条固定板上下运动；所述齿条固定板正面设置有用于固定墨瓶的墨瓶垫块，所述墨瓶垫块上设置有用于放置墨瓶的墨瓶座，所述墨瓶座上设置有用于将墨瓶分隔开的墨瓶栏；所述齿条固定板正面下端设置有用于联接喷头元件的喷头联接座，所述喷头联接座上设置有用于固定喷头的喷头底座；所述机械背板背面左右两端均固定设置有用于固定电路板的U形电路板支撑座，所述U形电路板支撑座内侧下端连接设置有一固定柱连接板，所述固定柱连接板下表面设置有固定柱，所述机械背板通过固定柱固定安装在所述龙门架上，以利于第一电机转动时能够带动所述机械背板进行左右运动。

6.根据权利要求5所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：所述喷头联接座下表面中部设置一圆柱凸部，所述喷头底座上表面开设有与所述圆柱凸部相配合的圆形凹槽，以利于所述喷头联接座和所述喷头底座经圆柱凸部和圆形凹槽相配合进行连接固定。

7.根据权利要求5所述的一种三维模型表面喷绘工艺，其特征在于：所述滑块支座左侧面设置有一U形滑块，所述齿条固定板右侧嵌入所述U形滑块内，以利于所述齿条固定板能够保持竖直方向的上下运动。