CN113427133A - 基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法，包括五轴运动平台，激光器，光路传输系统，数字条纹三维扫描装置，扫描振镜和工业控制计算机，本发明能够实现复杂构件的在线测量并自动提取加工信息，然后引导激光加工，整个过程自动化完成，无二次装夹定位，提高了激光加工的自动化水平、加工精度和效率。
Description
技术领域
本发明属于激光精密加工制造技术领域，具体涉及一种基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法，用于实现对工件的在线测量并引导激光自动加工。
背景技术
航天器固面天线反射器、雷达部件频率选择器、涡轮叶片铸造用陶瓷型芯、涡轮部件等核心复杂构件表面的精细制造是新型航天器、高性能航空发动机研制成败的关键因素，是影响飞行器深空探测、隐身/反隐身、飞机动力及寿命等方面的性能和水平的重要因素。
激光具有很多优异的光学特性，相比用传统加工，激光加工的效率明显提高，如对航空发动机叶片和燃烧室成千上万个形状各异的孔的3D加工，比传统EDM加工效率至少提高5～8倍；激光光斑直径可以小至微米，可用于材料表面调控或者加工微孔微槽，在航空航天领域发挥着重要作用。
五轴超快激光加工装备是先进激光加工技术的发展方向是国家战略技术的制高点，国内在五轴超快激光加工方面的研究还存在很多空白。航空航天复杂构件受限于成型毛坯的缺陷，其激光精密加工前需实现焦点与加工边缘间的精准位置。目前国内虽然已经拥有五轴大功率激光切割设备，针对集三维视觉在线测量与多轴联动运动平台为一体的超快激光加工装备还未见报道。
发明内容
针对航空航天复杂构建表面修型，面向多轴超快激光加工制造领域，为弥补国内相关装备空白，本发明提供了一种基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法，具有加工边缘在线测量及5+2联动加工的功能，能够实现对航空航天复杂零部件进行在线测量与加工一体化。
本发明采用如下技术方案来实现的：
基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，包括五轴运动平台，激光器，光路传输系统，数字条纹三维扫描装置，扫描振镜和工业控制计算机；其中，
五轴运动平台用来调整数字条纹三维扫描装置对复杂构件的测量位姿，同时用来运行加工程序，完成对复杂构件的加工；激光器用来发出激光，经过光路传输系统传输，最终聚焦到工件上，通过五轴运动平台联动，实现对复杂构件的加工；光路传输系统用来实现对激光的导光功能；数字条纹三维扫描装置用来对复杂构件在线测量，获取复杂构件的点云模型，通过工业控制计算机处理，进一步的在线获取工件的装夹位姿及加工轮廓，然后控制五轴运动平台对复杂构件的位姿进行调整，最后引导激光对复杂构件进行加工；扫描振镜具有高动态响应特性，用来实现对平面复杂图案的快速扫描，同时配合五轴运动平台的联动，实现对大幅面二维图案的激光加工和对三维结构的激光加工。
本发明进一步的改进在于，激光器发出的光通过光路传输系统传输，到达扫描振镜，通过扫描振镜与五轴运动平台的联动，实现大幅面二维图案的激光加工或者三维结构的激光加工。
本发明进一步的改进在于，数字条纹三维扫描装置包括CCD视觉相机和条纹光投影仪，通过双目三维重建原理实现加工工件三维点云模型的扫描，自动测量加工边缘，并基于测量边缘自动生成运动控制程序。
本发明进一步的改进在于，工作时，将毛坯装夹到转台上，移动加工装备Z轴运动台到预定的位置，然后数字条纹三维扫描装置投射条纹光到毛坯表面，条纹光投射后由数字条纹三维扫描装置拍照，然后转台转动设定的角度使得毛坯处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将数字条纹三维扫描装置获得的数据传输到工业控制计算机上，工业控制计算机处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给五轴运动平台，对毛坯进行加工，得到工件，加工后取下工件，然后加工下一个毛坯。
基于三维视觉在线测量引导自动加工的方法，该方法基于所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，包括以下步骤：
步骤1，数字条纹三维扫描装置的标定：借助高精度标定块标定数字条纹三维扫描装置坐标系在五轴运动平台坐标系下的坐标位置，获得五轴运动平台坐标系与数字条纹三维扫描装置坐标系的变换矩阵；
步骤2，复杂构件的在线测量：通过五轴运动平台运动，将复杂构件移动至不同的位置和角度，同时保证复杂构件在数字条纹三维扫描装置的测量视野范围内，数字条纹三维扫描装置成对不同位置和角度处的复杂构件的测量，生成各个位置的单片点云模型，通过点云拼接生成完整的点云模型；
步骤3，复杂构件装夹位姿测量：利用步骤2中获得的点云模型与标准CAD模型配准，获得实际装夹后的复杂构件与标准CAD模型的位姿偏差；
步骤4，复杂构件加工边缘轨迹生成：利用步骤3中获得的位姿偏差，通过五轴运动平台对实际装夹后的复杂构件进行位姿调整，进一步的通过边缘提取算法或者边缘配准算法获得准确的加工轮廓路径；
步骤5，引导激光自动加工：通过步骤1-4获得准确的加工路径，通过工业控制计算机处理，将加工路径转换成五轴运动平台的运动指令，引导激光对复杂工件进行加工。
本发明进一步的改进在于，借助高精度标定块实现数字条纹三维扫描装置坐标系在五轴运动平台坐标系下的标定，标定关系公式(1)，其中H为数字条纹三维扫描装置坐标系与五轴运动平台坐标系的旋转变换矩阵；nx，ny，nz为高精度标定块调平后与五轴运动平台的X，Y，Z轴方向平行的平面法向量在数字条纹三维扫描装置坐标系下的坐标；
本发明至少具有如下有益的技术效果：
1、本发明针对航空航天复杂构件设计一种基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法。该系统包括五轴运动平台，激光器，光路传输系统，数字条纹三维扫描装置，扫描振镜和工业控制计算机。其中。通过五轴运动平台与数字条纹三维扫描装置的集成，可以充分发挥激光加工优势，加工效率高，能够实现光轴任意空间位姿的定位，能够实现复杂构件的三维视觉在线测量、加工一体化的功能，能够切削硬脆材料等传统机床刀具难以切削的材料。
2、通过5轴运动平台与2轴振镜可以实现5+2轴联动加工，克服传统三轴激光加工不能加工曲面轮廓的局限。
4、本发明中集成的数字条纹三维扫描装置，能够实现复杂构件的在线测量并自动提取加工信息，然后引导激光加工，整个过程自动化完成，无二次装夹定位，提高了激光加工的自动化水平、加工精度和效率。
综上所述，本发明提供的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备及方法，能够实现视觉引导下的复杂构件五轴联动激光加工与5+2轴联动的激光加工。
附图说明
图1为本发明整体结构示意图。
图2为工作流程示意图。
图3为标定关系示意图。
具体实施方式
下面借助实例更详细的说明本发明，但以下实例仅是说明性的，本发明的保护范围不受这些实例的限制。
如图1所示，本发明提供的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，包括五轴运动平台1，激光器2，光路传输系统3，数字条纹三维扫描装置4，扫描振镜5和工业控制计算机6；其中，五轴运动平台1用来调整数字条纹三维扫描装置4对复杂构件的测量位姿，同时用来运行加工程序，完成对复杂构件的加工；激光器2用来发出激光，经过光路传输系统3传输，最终聚焦到工件上，通过五轴运动平台1联动，实现对复杂构件的加工；光路传输系统3用来实现对激光的导光功能；数字条纹三维扫描装置4用来对复杂构件在线测量，获取复杂构件的点云模型，通过工业控制计算机6处理，进一步的在线获取工件的装夹位姿及加工轮廓，然后控制五轴运动平台1对复杂构件的位姿进行调整，最后引导激光对复杂构件进行加工；扫描振镜5具有高动态响应特性，用来实现对平面复杂图案的快速扫描，同时配合五轴运动平台1的联动，实现对大幅面二维图案的激光加工和对三维结构的激光加工。
所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，激光器2发出的光通过光路传输系统3传输，到达扫描振镜5，通过扫描振镜5与五轴运动平台1的联动，实现大幅面二维图案的激光加工或者三维结构的激光加工。
所述的数字条纹三维扫描装置4包括CCD视觉相机41和条纹光投影仪42，通过双目三维重建原理实现加工工件三维点云模型的扫描，自动测量加工边缘，并基于测量边缘自动生成运动控制程序。
所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的方法，包括以下步骤：
步骤1，数字条纹三维扫描装置4的标定：借助高精度标定块113标定数字条纹三维扫描装置坐标系112在五轴运动平台坐标系111下的坐标位置，获得五轴运动平台坐标系111与数字条纹三维扫描装置坐标系112的变换矩阵；
步骤2，复杂构件的在线测量：通过五轴运动平台1运动，将复杂构件移动至不同的位置和角度，同时保证复杂构件在数字条纹三维扫描装置4的测量视野范围内，数字条纹三维扫描装置4完成对不同位置和角度处的复杂构件的测量，生成各个位置的单片点云模型，通过点云拼接生成完整的点云模型；
步骤3，复杂构件装夹位姿测量：利用步骤2中获得的点云模型与标准CAD模型配准，获得实际装夹后的复杂构件与标准CAD模型的位姿偏差；
步骤4，复杂构件加工边缘轨迹生成：利用步骤3中获得的位姿偏差，通过五轴运动平台1对实际装夹后的复杂构件进行位姿调整，进一步的通过边缘提取算法或者边缘配准算法获得准确的加工轮廓路径；
步骤5，引导激光自动加工：通过步骤1-4获得准确的加工路径，通过工业控制计算机6处理，将加工路径转换成五轴运动平台1的运动指令，引导激光对复杂工件进行加工；
所述的借助高精度标定块113实现数字条纹三维扫描装置坐标系112在五轴运动平台坐标系111下的标定，标定关系如公式(1)，其中H为数字条纹三维扫描装置坐标系112与五轴运动平台坐标系111的旋转变换矩阵。nx，ny，nz为高精度标定块113调平后与五轴运动平台1的X，Y，Z轴方向平行的平面法向量在数字条纹三维扫描装置坐标系112下的坐标。
本发明工作流程基本说明见图2，首先如图2所示，将毛坯11装夹到转台12上，移动加工装备Z轴运动台13到预定的位置，然后数字条纹三维扫描装置4投射条纹光到毛坯11表面，条纹光投射后由数字条纹三维扫描装置4拍照，然后转台12转动设定的角度使得毛坯11处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将数字条纹三维扫描装置4获得的数据传输到工业控制计算机6上，工业控制计算机6处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给五轴运动平台1，对毛坯11进行加工，得到工件14，加工后取下工件14，然后加工下一个毛坯11。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (6)
1.基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，其特征在于，包括五轴运动平台(1)，激光器(2)，光路传输系统(3)，数字条纹三维扫描装置(4)，扫描振镜(5)和工业控制计算机(6)；其中，
五轴运动平台(1)用来调整数字条纹三维扫描装置(4)对复杂构件的测量位姿，同时用来运行加工程序，完成对复杂构件的加工；激光器(2)用来发出激光，经过光路传输系统(3)传输，最终聚焦到工件上，通过五轴运动平台(1)联动，实现对复杂构件的加工；光路传输系统(3)用来实现对激光的导光功能；数字条纹三维扫描装置(4)用来对复杂构件在线测量，获取复杂构件的点云模型，通过工业控制计算机(6)处理，进一步的在线获取工件的装夹位姿及加工轮廓，然后控制五轴运动平台(1)对复杂构件的位姿进行调整，最后引导激光对复杂构件进行加工；扫描振镜(5)具有高动态响应特性，用来实现对平面复杂图案的快速扫描，同时配合五轴运动平台(1)的联动，实现对大幅面二维图案的激光加工和对三维结构的激光加工。
2.根据权利要求1所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，其特征在于，激光器(2)发出的光通过光路传输系统(3)传输，到达扫描振镜(5)，通过扫描振镜(5)与五轴运动平台(1)的联动，实现大幅面二维图案的激光加工或者三维结构的激光加工。
3.根据权利要求1所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，其特征在于，数字条纹三维扫描装置(4)包括CCD视觉相机(41)和条纹光投影仪(42)，通过双目三维重建原理实现加工工件三维点云模型的扫描，自动测量加工边缘，并基于测量边缘自动生成运动控制程序。
4.根据权利要求1所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，其特征在于，工作时，将毛坯(11)装夹到转台(12)上，移动加工装备Z轴运动台(13)到预定的位置，然后数字条纹三维扫描装置(4)投射条纹光到毛坯(11)表面，条纹光投射后由数字条纹三维扫描装置(4)拍照，然后转台(12)转动设定的角度使得毛坯(11)处于下一个工位，重复投影拍照过程，当所需要的测量步骤完成后，将数字条纹三维扫描装置(4)获得的数据传输到工业控制计算机(6)上，工业控制计算机(6)处理后获得所需要的修型轮廓数据，将加工数据传输给五轴运动平台(1)，对毛坯(11)进行加工，得到工件(14)，加工后取下工件(14)，然后加工下一个毛坯(11)。
5.基于三维视觉在线测量引导自动加工的方法，其特征在于，该方法基于权利要求1至4中任一项所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的激光装备，包括以下步骤：
步骤1，数字条纹三维扫描装置(4)的标定：借助高精度标定块(113)标定数字条纹三维扫描装置坐标系(112)在五轴运动平台坐标系(111)下的坐标位置，获得五轴运动平台坐标系(111)与数字条纹三维扫描装置坐标系(112)的变换矩阵；
步骤2，复杂构件的在线测量：通过五轴运动平台(1)运动，将复杂构件移动至不同的位置和角度，同时保证复杂构件在数字条纹三维扫描装置(4)的测量视野范围内，数字条纹三维扫描装置(4)完成对不同位置和角度处的复杂构件的测量，生成各个位置的单片点云模型，通过点云拼接生成完整的点云模型；
步骤3，复杂构件装夹位姿测量：利用步骤2中获得的点云模型与标准CAD模型配准，获得实际装夹后的复杂构件与标准CAD模型的位姿偏差；
步骤4，复杂构件加工边缘轨迹生成：利用步骤3中获得的位姿偏差，通过五轴运动平台(1)对实际装夹后的复杂构件进行位姿调整，进一步的通过边缘提取算法或者边缘配准算法获得准确的加工轮廓路径；
步骤5，引导激光自动加工：通过步骤1-4获得准确的加工路径，通过工业控制计算机(6)处理，将加工路径转换成五轴运动平台(1)的运动指令，引导激光对复杂工件进行加工。
6.根据权利要求5所述的基于三维视觉在线测量引导自动加工的方法，其特征在于，借助高精度标定块(113)实现数字条纹三维扫描装置坐标系(112)在五轴运动平台坐标系(111)下的标定，标定关系公式(1)，其中H为数字条纹三维扫描装置坐标系(112)与五轴运动平台坐标系(111)的旋转变换矩阵；nx，ny，nz为高精度标定块(113)调平后与五轴运动平台的X，Y，Z轴方向平行的平面法向量在数字条纹三维扫描装置坐标系(112)下的坐标；
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