CN116079757B - 一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法，包括加工室、传送带、三自由度滑块组随动装置、待扫描件转动平台和数据处理与显示器，传送带可将待扫描件转动平台沿着Y轴方向传送至加工室内的加工区域处，加工室内安装有三自由度滑块组随动装置，三自由度滑块组随动装置上安装有扫描镜头角度补偿装置，加工室的内侧设置有若干个补光灯随动装置。本发明采用六自由度动态随动协同原理应用逆向重构技术对大中小型模具点云重构装置进行设计，解决了当前逆向重构中大中小型零部件逆向动态获取点云数据时技术精度低、开发周期长的问题，保证了逆向建模的精度及后续模具加工工艺与制造的精度。

Description

一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法

技术领域

本发明涉及模具加工相关技术领域，尤其涉及一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法。

背景技术

近年来随着汽车、电子等塑料制品应用行业的迅速发展，消费者对产品的颜色搭配、产品材质的选择、表面处理的方法等要求越来越高，尤其对汽车内饰产品更新换代频率也越来越高，导致汽车内饰产品的纹理模具更换频率也逐步加快，为此快速高效获取当前模具点云数据是解决上述问题的关键，同时也是进行模具毛坯精加工的基础。

目前进行模具等大中小型零部件逆向建模时，大都是对单个产品进行人工扫描或进行逆向建模，然而，模型精度容易受测量误差、光线环境和工人技术等因素影响。此外，进行模具非纹理区域加工时大都采用人工方式或者人工辅助机器的方式进行喷涂，喷涂精度和效率同样受到上述因素影响，以逆向重构点云数据为基础，进行模具非纹理区域的自动喷涂是当前国内外专家学者关注的热点问题。此外，目前在处理非纹理区域时大都采用人工方式或者人工辅助机器的方式进行喷涂，因这种处理方式喷涂时易受工作环境、工作状态以及技术娴熟程度的影响，模具非纹理区域喷涂精度和喷涂效率不一。

因此，进行一种六自由度动态模具点云重构装置的设计，是进行模具非纹理区域喷涂的前提基础，也是进行模具点云数据快速高效重构的有效方法。

有鉴于上述的缺陷，本设计人积极加以研究创新，以期创设一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法，使其更具有产业上的利用价值。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种六自由度动态模具点云重构装置及喷涂方法。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

本发明目的之一：

一种六自由度动态模具点云重构装置，包括加工室、传送带、三自由度滑块组随动装置、待扫描件转动平台和数据处理与显示器，传送带可沿着Y轴方向移动，传送带上沿着Y轴方向均布有若干个待扫描件转动平台，传送带可将待扫描件转动平台沿着Y轴方向传送至加工室内的加工区域处，加工室内安装有三自由度滑块组随动装置，加工室的外侧一侧安装有数据处理与显示器，三自由度滑块组随动装置上安装有扫描镜头角度补偿装置，加工室的内侧设置有若干个补光灯随动装置。

作为本发明的进一步改进，三自由度滑块组随动装置包括X轴滑块、Y轴滑块、Z轴滑块、X轴滑道、Y轴滑道、Z轴滑道、X轴电机、Y轴电机和Z轴电机；

X轴电机安装在X轴滑道上的一侧，X轴滑块与X轴滑道组成X轴螺旋副，在X轴电机的带动下实现X轴滑块在X轴滑道上沿着X轴方向运动；

Y轴电机安装在Y轴滑道上的一侧，Y轴滑块与Y轴滑道组成Y轴螺旋副，在Y轴电机的带动下实现Y轴滑块在Y轴滑道上沿着Y轴方向运动；

Z轴电机安装在Z轴滑道上的一侧，Z轴滑块与Z轴滑道组成Z轴螺旋副，在Z轴电机的带动下实现Z轴滑块在Z轴滑道上沿着Z轴方向运动；

X轴滑块上安装有扫描镜头角度补偿装置。

作为本发明的进一步改进，Z轴滑道固定在Y轴滑块上，X轴滑道固定在Z轴滑块上；

当Y轴滑块沿着Y轴方向运动时，将拖动X轴滑道和Z轴滑道整体沿着Y轴运动，以实现X轴滑块上安装的扫描镜头角度补偿装置沿着Y轴方向运动；

当Z轴滑块沿着Z轴方向运动时，X轴滑道可沿着Z轴方向整体移动，以实现X轴滑块上安装的扫描镜头角度补偿装置沿着Z轴方向运动；

当X轴滑块沿着X轴方向运动时，将带动扫描镜头角度补偿装置沿着X轴方向运动；以此来实现扫描镜头角度补偿装置在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三个自由度进行运动。

作为本发明的进一步改进，扫描镜头角度补偿装置包括悬挂臂、Z轴转动电机、X轴转动电机、转动臂、镜头安装架、Y轴转动电机和连接臂，悬挂臂安装在X轴滑块上，悬挂臂的底部安装有Z轴转动电机，Z轴转动电机的底部通过连接臂与沿着X轴正方向一侧的X轴转动电机相连接，X轴转动电机沿着X轴正方向的一侧通过转动臂与Y轴转动电机沿着Y轴负方向的一侧相连接，Y轴转动电机沿着Y轴正方向的一侧安装有镜头安装架，镜头安装架沿着Y轴正方向的一侧安装有扫描镜头；

当Z轴转动电机转动时可带动镜头安装架上的扫描镜头绕着Z轴方向转动，当X轴转动电机转动时可带动镜头安装架上的扫描镜头绕着X轴方向转动，当Y轴转动电机转动时可带动镜头安装架上的扫描镜头绕着Y轴方向转动。

作为本发明的进一步改进，补光灯随动装置包括悬挂支架、补光灯转动电机和补光灯安装支架，悬挂支架安装在加工室的内侧，悬挂支架沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯转动电机，补光灯转动电机沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯安装支架，补光灯安装支架沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯；

当补光灯转动电机转动时可带动补光灯安装支架上的补光灯绕着X轴方向转动。

作为本发明的进一步改进，待扫描件转动平台包括待扫描件固定平台、平台转动电机、平台升降轴和平台升降电机，平台升降电机的底部安装在下方的传送带上，平台升降电机顶部的驱动端通过平台升降轴与上方的平台转动电机相连接，平台转动电机顶部的驱动端与上方的待扫描件固定平台相连接；

当平台转动电机转动时可带动上方的待扫描件固定平台绕着Z轴方向转动。

作为本发明的进一步改进，加工室的内侧设置有吸光内壁。

本发明目的之二：

一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，依次包括以下步骤：

步骤S1、模具三维坐标点位构建步骤：

选用固定的工作区域和工位，固定扫描设备机位，以获取特定坐标系下的模具点云数据；

步骤S2、模具三维数据逆向重构步骤：

将上述步骤S1中的特定工作区域和工位作为逆向重构的基础环境，进行三维数据扫描，获取模具点云数据，并基于点云数据进行模具的逆向建模；

步骤S3、模具非纹理区域界限划定步骤与喷涂路径优化步骤：

步骤S31、模具非纹理区域界限划定是将逆向建好的模具进行纹理和非纹理区域界限划分；

步骤S32、非纹理喷涂路径优化是将模具非纹理区域进行喷涂路径规划，以模具非纹理区域界限作为边界条件，综合喷涂速度以喷涂时间最小和喷涂难度系数最低为优化目标进行最优路径优化，获取最优喷涂路径；

步骤S4、喷涂厚度仿真和喷涂作业步骤：

基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真是基于喷涂机器人手臂中喷涂流量和上述步骤S3中喷涂速度构建喷涂厚度的函数关系，并进行喷涂作业。

作为本发明的进一步改进，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、将待测模具放入选定的工作区域，工作区域内具有可转动和可移动的待扫描件转动平台，以保证模具待加工表面点全部被扫描设备扫入；

步骤S12、选定固定工作区域是扫描点云数据的工作环境，也是作为喷涂作业时的工作环境，以保证点云数据和喷涂作业时都处于相同的坐标系下。

作为本发明的进一步改进，步骤S2中，当重构模具三维数据时，通过基于特性与非特征相结合的混合造型方法提高模型重构精度；步骤S2中，当重构模具三维数据时，实时通过体偏差等参数量化重构模型与实体模型表面差值，不断反馈调整重构模型精度。

作为本发明的进一步改进，步骤S32具体包括以下步骤：

步骤S321、综合考虑喷涂机器人手臂可以完成喷涂工作的难易程度，建立难度系数对应函数f_k＝{t_op,l_op,v_op,h_op,m_os,j_os}；

其中，f_k为难度系数，t_op为喷涂时间数组，l_op为喷涂路径长度数组，v_op为喷涂速度数组，h_p为喷涂厚度数组，m_s为待喷涂表面材料数组，j_s为表面结构；

步骤S322、综合考虑喷涂机器人手臂喷涂速度，建立喷涂速度与喷涂时间函数v_p＝{t_p,l_p,h_p}；

其中，t_p为喷涂时间，l_p为喷涂路径长度，v_p为喷涂速度，h_p为喷涂厚度；

步骤S323、以模具非纹理区域和纹理区域界限作为优化路径边界条件，以喷涂难度系数最低和喷涂时间最小为优化目标，进行最优化处理，根据优化结果，建立难度系数与喷涂时间最小值与不同优化方案函数关系f_opt＝{f_k,v_p,t_p,Q_ct}，进行函数求导，获取喷涂路径优化函数的极小值点；

其中，Q_ct＝{v_p,l_p,h_p,n_p,t_p}；

其中，Q_ct为可变喷涂流量，n_p为喷涂次数；

步骤S4中基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真时，考虑待加工模具喷涂厚度要求范围、喷涂机器人手臂的喷涂速度、喷涂流量与喷涂厚度关系，建立一定喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_c＝{v_p,l_p,h_p,Q_c}；

其中，fc为喷涂速度与喷涂厚度函数，v_p为喷涂速度，l_p为喷涂路径长度，h_p为喷涂厚度，Q_c为喷涂流量；

以及建立不同喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_ct＝{v_p,l_p,h_p,Q_ct}；

其中，f_ct为喷涂速度与喷涂厚度函数，Q_ct为可变喷涂流量。

作为本发明的进一步改进，步骤S4中，喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，是将带喷涂模具放入指定的工作区域，以保证带喷涂模具与逆向重构模具在同一坐标下；喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，依据指定工况下的最优喷涂路径，和建立的喷涂厚度函数关系，实现指定要求下的模具非纹理区域喷涂。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

本发明采用六自由度动态随动协同原理应用逆向重构技术对大中小型模具点云重构装置进行设计，解决了当前逆向重构中大中小型零部件逆向动态获取点云数据时技术精度低、开发周期长的问题，保证了逆向建模的精度及后续模具加工工艺与制造的精度；

本发明解决了当前采用人工进行大中小型零部件逆向建模时精度较低、开发周期长、建模水平参差不齐的问题，提高了零部件逆向建模精度；

本发明解决了模具等零部件因人工扫描或建模时整体生产周期长、产品上市周期长的问题，显著提高模具加工效率；

本发明能够有效避免因模具逆向重构时产生误差导致的后续加工工艺出现精度低等问题，为模具纹理精确加工奠定了基础；

本发明可以提高模具逆向重构精度和重构效率，保障模具加工工艺精度和模具产品性能；

本发明采用手动建模以及计算机仿真方式协同进行，解决了当前自动识别非纹理区域技术精度低、开发周期长的问题，保证了非纹理区域喷涂加工精度；

本发明解决了当前采用人工进行模具非纹理区域喷涂时的喷涂精度较低、喷涂水平参差不齐的问题，提高了模具非纹理区域喷涂精度；

本发明解决了因人工喷涂效率低造成模具纹理加工整体生产周期长、产品上市周期长的问题，显著提高模具纹理加工效率；

本发明能够有效避免人工喷涂产生误差，显著提升喷涂效率和喷涂精度，为模具纹理精确加工奠定了基础；

本发明可以提高模具非纹理区域的喷涂精度和喷涂效率，保障模具纹理加工的精度和模具产品性能。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明一种六自由度动态模具点云重构装置的结构示意图；

图2是图1中扫描镜头角度补偿装置的结构示意图；

图3是图1中补光灯组随动装置的结构示意图；

图4是图1中待扫描件转动平台的结构示意图；

图5是本发明一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法的流程示意图。

其中，图中各附图标记的含义如下。

1传送带 2扫描镜头角度补偿装置

3补光灯组随动装置 4待扫描件转动平台

5X轴滑块 6Y轴滑块

15数据处理与显示器

21悬挂臂 22Z轴转动电机

23X轴转动电机 24转动臂

25镜头安装架 26Y轴转动电机

27连接臂

31悬挂支架 32补光灯转动电机

33补光灯安装支架

41待扫描件固定平台 42平台转动电机

43平台升降轴 44平台升降电机

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1～图4所示，

本发明目的之一：

一种六自由度动态模具点云重构装置，包括加工室、传送带1、三自由度滑块组随动装置、待扫描件转动平台4和数据处理与显示器15，传送带1可沿着Y轴方向移动，传送带1上沿着Y轴方向均布有若干个待扫描件转动平台4，传送带1可将待扫描件转动平台4沿着Y轴方向传送至加工室内的加工区域处，加工室内安装有三自由度滑块组随动装置，加工室的外侧一侧安装有数据处理与显示器15，三自由度滑块组随动装置上安装有扫描镜头角度补偿装置2，加工室的内侧设置有若干个补光灯随动装置3。

优选的，三自由度滑块组随动装置包括X轴滑块5、Y轴滑块6、Z轴滑块7、X轴滑道8、Y轴滑道9、Z轴滑道10、X轴电机11、Y轴电机12和Z轴电机13；

X轴电机11安装在X轴滑道8上的一侧，X轴滑块5与X轴滑道8组成X轴螺旋副，在X轴电机11的带动下实现X轴滑块5在X轴滑道8上沿着X轴方向运动；

Y轴电机12安装在Y轴滑道9上的一侧，Y轴滑块6与Y轴滑道9组成Y轴螺旋副，在Y轴电机12的带动下实现Y轴滑块6在Y轴滑道9上沿着Y轴方向运动；

Z轴电机13安装在Z轴滑道10上的一侧，Z轴滑块7与Z轴滑道10组成Z轴螺旋副，在Z轴电机13的带动下实现Z轴滑块7在Z轴滑道10上沿着Z轴方向运动；

X轴滑块5上安装有扫描镜头角度补偿装置2。

优选的，Z轴滑道10固定在Y轴滑块6上，X轴滑道8固定在Z轴滑块7上；

当Y轴滑块6沿着Y轴方向运动时，将拖动X轴滑道8和Z轴滑道10整体沿着Y轴运动，以实现X轴滑块5上安装的扫描镜头角度补偿装置2沿着Y轴方向运动；

当Z轴滑块7沿着Z轴方向运动时，X轴滑道8可沿着Z轴方向整体移动，以实现X轴滑块5上安装的扫描镜头角度补偿装置2沿着Z轴方向运动；

当X轴滑块5沿着X轴方向运动时，将带动扫描镜头角度补偿装置2沿着X轴方向运动；以此来实现扫描镜头角度补偿装置2在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三个自由度进行运动。

优选的，扫描镜头角度补偿装置2包括悬挂臂21、Z轴转动电机22、X轴转动电机23、转动臂24、镜头安装架25、Y轴转动电机26和连接臂27，悬挂臂21安装在X轴滑块5上，悬挂臂21的底部安装有Z轴转动电机22，Z轴转动电机22的底部通过连接臂27与沿着X轴正方向一侧的X轴转动电机23相连接，X轴转动电机23沿着X轴正方向的一侧通过转动臂24与Y轴转动电机26沿着Y轴负方向的一侧相连接，Y轴转动电机26沿着Y轴正方向的一侧安装有镜头安装架25，镜头安装架25沿着Y轴正方向的一侧安装有扫描镜头；

当Z轴转动电机22转动时可带动镜头安装架25上的扫描镜头绕着Z轴方向转动，当X轴转动电机23转动时可带动镜头安装架25上的扫描镜头绕着X轴方向转动，当Y轴转动电机26转动时可带动镜头安装架25上的扫描镜头绕着Y轴方向转动。

优选的，补光灯随动装置3包括悬挂支架31、补光灯转动电机32和补光灯安装支架33，悬挂支架31安装在加工室的内侧，悬挂支架31沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯转动电机32，补光灯转动电机32沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯安装支架33，补光灯安装支架33沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯；

当补光灯转动电机32转动时可带动补光灯安装支架33上的补光灯绕着X轴方向转动。

优选的，待扫描件转动平台4包括待扫描件固定平台41、平台转动电机42、平台升降轴43和平台升降电机44，平台升降电机44的底部安装在下方的传送带1上，平台升降电机44顶部的驱动端通过平台升降轴43与上方的平台转动电机42相连接，平台转动电机42顶部的驱动端与上方的待扫描件固定平台41相连接；

当平台转动电机42转动时可带动上方的待扫描件固定平台41绕着Z轴方向转动。

优选的，加工室的内侧设置有吸光内壁14。

如图5所示，

本发明目的之二：

一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，依次包括以下步骤：

步骤S1、模具三维坐标点位构建步骤：

选用固定的工作区域和工位，固定扫描设备机位，以获取特定坐标系下的模具点云数据；

步骤S2、模具三维数据逆向重构步骤：

将上述步骤S1中的特定工作区域和工位作为逆向重构的基础环境，进行三维数据扫描，获取模具点云数据，并基于点云数据进行模具的逆向建模；

步骤S3、模具非纹理区域界限划定步骤与喷涂路径优化步骤：

步骤S31、模具非纹理区域界限划定是将逆向建好的模具进行纹理和非纹理区域界限划分；

步骤S32、非纹理喷涂路径优化是将模具非纹理区域进行喷涂路径规划，以模具非纹理区域界限作为边界条件，综合喷涂速度以喷涂时间最小和喷涂难度系数最低为优化目标进行最优路径优化，获取最优喷涂路径；

步骤S4、喷涂厚度仿真和喷涂作业步骤：

基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真是基于喷涂机器人手臂中喷涂流量和上述步骤S3中喷涂速度构建喷涂厚度的函数关系，并进行喷涂作业。

优选的，步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、将待测模具放入选定的工作区域，工作区域内具有可转动和可移动的待扫描件转动平台4，以保证模具待加工表面点全部被扫描设备扫入；

步骤S12、选定固定工作区域是扫描点云数据的工作环境，也是作为喷涂作业时的工作环境，以保证点云数据和喷涂作业时都处于相同的坐标系下。

优选的，步骤S2中，当重构模具三维数据时，通过基于特性与非特征相结合的混合造型方法提高模型重构精度；步骤S2中，当重构模具三维数据时，实时通过体偏差等参数量化重构模型与实体模型表面差值，不断反馈调整重构模型精度。

优选的，步骤S32具体包括以下步骤：

步骤S321、综合考虑喷涂机器人手臂可以完成喷涂工作的难易程度，建立难度系数对应函数f_k＝{t_op,l_op,v_op,h_op,m_os,j_os}；

其中，f_k为难度系数，t_op为喷涂时间数组，l_op为喷涂路径长度数组，v_op为喷涂速度数组，h_p为喷涂厚度数组，m_s为待喷涂表面材料数组，j_s为表面结构；

步骤S322、综合考虑喷涂机器人手臂喷涂速度，建立喷涂速度与喷涂时间函数v_p＝{t_p,l_p,h_p}；

其中，t_p为喷涂时间，l_p为喷涂路径长度，v_p为喷涂速度，h_p为喷涂厚度；

步骤S323、以模具非纹理区域和纹理区域界限作为优化路径边界条件，以喷涂难度系数最低和喷涂时间最小为优化目标，进行最优化处理，根据优化结果，建立难度系数与喷涂时间最小值与不同优化方案函数关系f_opt＝{f_k,v_p,t_p,Q_ct}，进行函数求导，获取喷涂路径优化函数的极小值点；

其中，Q_ct＝{v_p,l_p,h_p,n_p,t_p}；

其中，Q_ct为可变喷涂流量，n_p为喷涂次数；

步骤S4中基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真时，考虑待加工模具喷涂厚度要求范围、喷涂机器人手臂的喷涂速度、喷涂流量与喷涂厚度关系，建立一定喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_c＝{v_p,l_p,h_p,Q_c}；

其中，fc为喷涂速度与喷涂厚度函数，v_p为喷涂速度，l_p为喷涂路径长度，h_p为喷涂厚度，Q_c为喷涂流量；

以及建立不同喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_ct＝{v_p,l_p,h_p,Q_ct}；

其中，f_ct为喷涂速度与喷涂厚度函数，Q_ct为可变喷涂流量。

优选的，步骤S4中，喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，是将带喷涂模具放入指定的工作区域，以保证带喷涂模具与逆向重构模具在同一坐标下；喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，依据指定工况下的最优喷涂路径，和建立的喷涂厚度函数关系，实现指定要求下的模具非纹理区域喷涂。

本发明公开一种六自由度动态模具点云重构装置，涉及机械设计领域，该装置用于模具快速逆向重构获取三维点云数据，并为高效精准进行模具逆向建模、模具非纹理区域动态喷涂或模具3D打印奠定基础。本装置主要包括加工室、传送带1、三自由度滑块组随动装置、待扫描件转动平台4和数据处理与显示器15。传送带1拖动二自由度的待扫描件转动平台4将待扫描件送入扫描装置内，数据处理与显示器15获取定焦距后控制三自由度滑块组随动装置随着待扫描件拖动装置移动，并控制三自由度扫描镜头角度补偿装置进行扫描镜头的角度补偿，实现定焦距下扫描镜头的六自由度运动。同时，传送带1拖动二自由度的待扫描件转动平台4移动，实现待扫描件的三自由度运动。本发明实现了待扫描件全方位无死角逆向扫描，为模具快速精准逆向建模奠定基础，极大的提高了待扫描件逆向建模精度及工作效率，很大程度减少人力物力成本，将对大中小型零部件的快速逆向建模产生重要的实际意义。

如图1至4所示，本发明的实施例提出了一种六自由度动态模具点云重构装置，其包括传送带1、待扫描件转动平台4、三自由度滑块组随动装置、扫描镜头角度补偿装置2、补光灯组随动装置3、数据处理与显示器11，其中多个待扫描件转动平台4以设定距离固定在传送带1上，传送带1拖动待扫描件转动平台以设定速度将待检测物体送入本发明装置内部。

在本实施例中，待扫描件固定平台41安装在平台转动电机42上方，当平台转动电机42按设定规律运行时，待扫描件固定平台41可拖动待扫描件圆周运动；平台升降轴43安装于转动平台42的下方，平台升降轴42安装在平台升降电机44的上方，并与平台升降电机机架组成螺旋副，平台升降电机在设定的规律下运行时平台升降轴上下移动，拖动平台转动电机与平台固定平台进行升降运动，以实现待扫描件转动平台的二自由度控制。待扫描件转动平台固定在传送带上，随传送带同步运动，待扫面件固定平台在转动电机的带动下做圆周转动；平台升降电机带动平台升降轴实现上下移动，三自由度滑块组随动装置协同三自由度扫描镜头角度补偿装置对待扫描件底部聚焦，从而实现待扫描件底部扫描。

具体地，待扫描件固定平台固定好待扫描件后随着传送带1移动，进入六自由度动态模具点云重构装置箱内，扫描镜头在数据处理与显示装置的控制下随着待扫描件转动平台的移动做同步运动，与此同时待扫描件转动平台进行旋转运动；当待扫描件平台完成一个旋转周期后，平台升降电机进行上升运动，扫描镜头在三自由度滑块组随动装置和三自由度扫描镜头角度补偿装置的协同下，聚焦到扫描件底部，应用顶部与侧面扫描方式对扫描件进行底部进行扫描。

在本实施例中，为了实现扫描镜头与动态待扫描件同步，以获取更高的扫描精度，设计了三自由度滑块组随动装置。三自由度滑块组随动装置主要由X轴滑块5、X轴滑道8及X轴电机11组成X轴滑块组；Y轴滑块6、Y轴滑道9及Y轴电机12组成Y轴滑块组；Z轴滑块7、Z轴滑道10及Z轴电机13组成Z轴滑块组；滑块与滑道组成的传动副在电机带动下实现沿着X、Y、Z轴相对运动。

其中，X轴电机11安装在X轴滑道8上的一侧，X轴滑块5与X轴滑道8组成X轴螺旋副，在X轴电机11的带动下实现X轴滑块5在X轴滑道8上沿着X轴方向运动；

Y轴电机12安装在Y轴滑道9上的一侧，Y轴滑块6与Y轴滑道9组成Y轴螺旋副，在Y轴电机12的带动下实现Y轴滑块6在Y轴滑道9上沿着Y轴方向运动；

Z轴电机13安装在Z轴滑道10上的一侧，Z轴滑块7与Z轴滑道10组成Z轴螺旋副，在Z轴电机13的带动下实现Z轴滑块7在Z轴滑道10上沿着Z轴方向运动。

具体地，Z轴滑道10固定在Y轴滑块6上，X轴滑道8固定在Z轴滑块7上，当Y轴滑块6沿着Y轴方向运动时，将拖动X轴滑道8和Z轴滑道10整体沿着Y轴运动，以实现X轴滑块5上安装的扫描镜头角度补偿装置2沿着Y轴方向运动。

具体地，X轴滑道8安装在Z轴滑块7上，当Z轴滑块7沿着Z方向运动时，X轴滑道8可沿着Z方向整体移动，X轴滑块5上安装的扫描镜头角度补偿装置2可沿Z方向运动。

具体地，X轴滑块5上安装扫描镜头角度补偿装置2，可实现扫描镜头随着X轴滑块5沿着X方向运动，为此扫描镜头底座装置可实现沿着X、Y、Z方向三个自由度进行运动。

在本实施例中，为了实现扫描镜头与动态待扫描件同步，以获取更高精度的焦距，设计了扫描镜头角度补偿装置2，其中悬挂臂21安装在X轴滑块5上，Z轴转动电机22固定在悬挂臂21下面，连接臂27连接X轴转动电机23和Z轴转动电机22，X轴转动电机23处于Z轴转动电机22的下方；转动臂24连接X轴转动电机23和Y轴转动电机26，镜头安装架25安装在Y轴转动电机26机架上。

具体地，当Z轴转动电机转动时，可带动连接臂27、X轴转动电机23、转动臂24、Y轴转动电机26和镜头安装架25整体绕着Z轴转动；

当X轴转动电机转动时可带动转动臂24、Y轴转动电机26和镜头安装架25整体绕着X轴转动；

当Y轴转动电机转动时，可带动镜头安装架25绕Y轴转动，从而实现安装在镜头安装架25的扫描镜头绕X、Y、Z方向的三自由度运动。

在本实施例中，为了更清楚进行待扫描件扫描，避免因光线不足产生的扫描误差，设计了补光灯随动装置3，其中，悬挂支架31安装在本发明装置的加工室的内侧上面，转动电机32安装在悬挂支架的X轴正方向，补光灯安装支架33安装在转动电机32的X轴正方向。

具体地，当转动电机32转动时，带动安装在补光灯安装支架上面的补光灯绕着X轴转动，以动态调整补光灯照射角度，完成待扫描件的补光。补光灯随动装置中的补光灯安装支架带动补光灯在数据处理与显示器的控制下随着待扫描件转动平台的移动而调整角度，进而获取更高质量的扫面件三维云数据。

本发明的一种六自由度动态模具点云重构装置在使用时，包括以下步骤：首先将待扫描件安装在待扫面件固定平台41上，扫描镜头安装在镜头安装架25上，补光灯安装在补光灯随动装置3上；然后通过数据处理与显示装置15设定传送带1的速度，通过协同分析原理和逆向扫描原理，选择三自由度滑块随动、三自由度扫描镜头角度补偿、补光灯随动以及二自由度待扫面件固定平台转动的运行方案；初始设定完成后，待扫描件随着传动带进入扫描区域，系统根据运行方案，扫描镜头角度补偿和三自由度滑块随动获取高精度焦距和高质量的扫描云数据，当完成待扫描件顶部和侧面扫描后，系统控制扫描镜头进行六自由度运动并协同待扫描件固定平台的二自由度运动，完成扫描件底部扫描；最后，当完成扫描件整体扫描后，扫描件在传送带拖动下退出扫描装置，下一个扫描件进入扫描区域，进行下一个周期的扫描。本发明极大的提高了待扫描件逆向重构建模精度及工作效率，作业过程仅需要少量工作人员进行监管维护，很大程度减少人力物力成本，且作业过程绿色无污染、能源消耗少，将对大中小型零部件的快速逆向建模需求产生有益作用。

如图5，一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，包括步骤S1、模具三维坐标点位构建步骤；

步骤S2、模具三维数据逆向重构步骤：基于三维坐标系进行模具三维数据逆向重构；

步骤S3、模具非纹理区域界限划定步骤与喷涂路径优化步骤；

步骤S4、喷涂厚度仿真和喷涂作业步骤：基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真，综合喷涂路径实现喷涂作业。

在本方案的步骤S1中，三维坐标系点位搭建时，选用固定的工作区域和工位，固定扫描设备机位，以获取特定坐标系下的模具点云数据。将特定工作区域和工位作为逆向重构和喷涂作业的固定坐标系，以实现仿真建模和喷涂作业的整体坐标系的自动对齐。

具体地，将待测模具放入选定的工作区域，工作区域内具有可转动和可移动的托盘，以保证模具待加工表面点全部被扫描设备扫入。

具体地，选定固定工作区域是扫描点云数据的工作环境，也是作为喷涂作业时的工作环境，以保证点云数据和喷涂作业时都处于相同的坐标系下。

在本方案步骤S2中，将获得的模具三维点云数据，进行逆向重构。

具体地，当重构模具三维数据时，可通过基于特性与非特征相结合的混合造型方法提高模型重构精度。

具体地，当重构模具三维数据时，可实时通过体偏差等参数量化重构模型与实体模型表面差值，不断反馈调整重构模型精度。

在本方案的步骤S31中，为进一步提高喷涂路径优化精度，根据纹理加工指标要求，可预先划定模具纹理区域与非纹理区域的界限，为喷涂路径规划和喷涂路径优化提供边界条件。

具体地，进行喷涂路径优化时，综合考虑喷涂机器人手臂可以完成喷涂工作的难易程度，建立难度系数对应函数。

具体地，所述喷涂路径优化时，综合考虑喷涂机器人手臂喷涂速度，建立喷涂速度与喷涂时间函数。

具体地，所述喷涂路径优化时，以所述模具非纹理区域和纹理区域界限作为优化路径边界条件，以喷涂难度系数最低和喷涂时间最小为优化目标，进行最优化处理，获取喷涂路径优化函数的极小值点。

在本方案的步骤S4中，所述基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真时，考虑待加工模具喷涂厚度要求范围、喷涂机器人手臂的喷涂速度、喷涂流量与喷涂厚度关系，建立一定喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数和不同喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数。

具体地，所述喷涂厚度函数是关于喷涂速度、喷涂流量的三维函数关系，以保证不同工况要求。

在本方案的步骤S4中，所述喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，是将带喷涂模具放入指定的工作区域，以保证带喷涂模具与逆向重构模具在同一坐标下。

具体地，所述喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，依据指定工况下的最优喷涂路径，和建立的喷涂厚度函数关系，实现指定要求下的模具非纹理区域喷涂。

本发明一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，本方法采用手动建模以及计算机仿真方式协同进行，解决了当前自动识别非纹理区域技术精度低、开发周期长的问题，保证了非纹理区域喷涂加工精度；解决了当前采用人工进行模具非纹理区域喷涂时的喷涂精度较低、喷涂水平参差不齐的问题，提高了模具非纹理区域喷涂精度；解决了因人工喷涂效率低造成模具纹理加工整体生产周期长、产品上市周期长的问题，显著提高模具纹理加工效率。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接：可以是机械连接，也可以是电连接：可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通.对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，包括加工室、传送带(1)、三自由度滑块组随动装置、待扫描件转动平台(4)和数据处理与显示器(15)，所述传送带(1)沿着Y轴方向移动，所述传送带(1)上沿着Y轴方向均布有若干个待扫描件转动平台(4)，所述传送带(1)将待扫描件转动平台(4)沿着Y轴方向传送至加工室内的加工区域处，所述加工室内安装有三自由度滑块组随动装置，所述加工室的外侧一侧安装有数据处理与显示器(15)，所述三自由度滑块组随动装置上安装有扫描镜头角度补偿装置(2)，所述加工室的内侧设置有若干个补光灯随动装置(3)，所述加工室的内侧设置有吸光内壁(14)；

其特征在于：

依次包括以下步骤：

步骤S1、模具三维坐标点位构建步骤：

选用固定的工作区域和工位，固定扫描设备机位，以获取特定坐标系下的模具点云数据；

步骤S2、模具三维数据逆向重构步骤：

将上述步骤S1中的特定工作区域和工位作为逆向重构的基础环境，进行三维数据扫描，获取模具点云数据，并基于点云数据进行模具的逆向建模；

步骤S3、模具非纹理区域界限划定步骤与喷涂路径优化步骤：

步骤S31、模具非纹理区域界限划定是将逆向建好的模具进行纹理和非纹理区域界限划分；

步骤S32、非纹理喷涂路径优化是将模具非纹理区域进行喷涂路径规划，以模具非纹理区域界限作为边界条件，综合喷涂速度以喷涂时间最小和喷涂难度系数最低为优化目标进行最优路径优化，获取最优喷涂路径；

步骤S4、喷涂厚度仿真和喷涂作业步骤：

基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真是基于喷涂机器人手臂中喷涂流量和上述步骤S3中所述喷涂速度构建喷涂厚度的函数关系，并进行喷涂作业。

2.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述三自由度滑块组随动装置包括X轴滑块(5)、Y轴滑块(6)、Z轴滑块(7)、X轴滑道(8)、Y轴滑道(9)、Z轴滑道(10)、X轴电机(11)、Y轴电机(12)和Z轴电机(13)；

所述X轴电机(11)安装在X轴滑道(8)上的一侧，所述X轴滑块(5)与X轴滑道(8)组成X轴螺旋副，在所述X轴电机(11)的带动下实现X轴滑块(5)在X轴滑道(8)上沿着X轴方向运动；

所述Y轴电机(12)安装在Y轴滑道(9)上的一侧，所述Y轴滑块(6)与Y轴滑道(9)组成Y轴螺旋副，在所述Y轴电机(12)的带动下实现Y轴滑块(6)在Y轴滑道(9)上沿着Y轴方向运动；

所述Z轴电机(13)安装在Z轴滑道(10)上的一侧，所述Z轴滑块(7)与Z轴滑道(10)组成Z轴螺旋副，在所述Z轴电机(13)的带动下实现Z轴滑块(7)在Z轴滑道(10)上沿着Z轴方向运动；

所述X轴滑块(5)上安装有扫描镜头角度补偿装置(2)；

所述Z轴滑道(10)固定在Y轴滑块(6)上，所述X轴滑道(8)固定在Z轴滑块(7)上；

当Y轴滑块(6)沿着Y轴方向运动时，将拖动X轴滑道(8)和Z轴滑道(10)整体沿着Y轴运动，以实现X轴滑块(5)上安装的扫描镜头角度补偿装置(2)沿着Y轴方向运动；

当Z轴滑块(7)沿着Z轴方向运动时，X轴滑道(8)沿着Z轴方向整体移动，以实现X轴滑块(5)上安装的扫描镜头角度补偿装置(2)沿着Z轴方向运动；

当X轴滑块(5)沿着X轴方向运动时，将带动扫描镜头角度补偿装置(2)沿着X轴方向运动；以此来实现扫描镜头角度补偿装置(2)在X轴方向、Y轴方向和Z轴方向三个自由度进行运动。

3.如权利要求1或2任一所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述扫描镜头角度补偿装置(2)包括悬挂臂(21)、Z轴转动电机(22)、X轴转动电机(23)、转动臂(24)、镜头安装架(25)、Y轴转动电机(26)和连接臂(27)，所述悬挂臂(21)安装在X轴滑块(5)上，所述悬挂臂(21)的底部安装有Z轴转动电机(22)，所述Z轴转动电机(22)的底部通过连接臂(27)与沿着X轴正方向一侧的X轴转动电机(23)相连接，所述X轴转动电机(23)沿着X轴正方向的一侧通过转动臂(24)与Y轴转动电机(26)沿着Y轴负方向的一侧相连接，所述Y轴转动电机(26)沿着Y轴正方向的一侧安装有镜头安装架(25)，所述镜头安装架(25)沿着Y轴正方向的一侧安装有扫描镜头；

当所述Z轴转动电机(22)转动时带动镜头安装架(25)上的扫描镜头绕着Z轴方向转动，当所述X轴转动电机(23)转动时带动镜头安装架(25)上的扫描镜头绕着X轴方向转动，当所述Y轴转动电机(26)转动时带动镜头安装架(25)上的扫描镜头绕着Y轴方向转动。

4.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述补光灯随动装置(3)包括悬挂支架(31)、补光灯转动电机(32)和补光灯安装支架(33)，所述悬挂支架(31)安装在加工室的内侧，所述悬挂支架(31)沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯转动电机(32)，所述补光灯转动电机(32)沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯安装支架(33)，所述补光灯安装支架(33)沿着X轴正方向的一侧安装有补光灯；

当所述补光灯转动电机(32)转动时带动补光灯安装支架(33)上的补光灯绕着X轴方向转动。

5.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述待扫描件转动平台(4)包括待扫描件固定平台(41)、平台转动电机(42)、平台升降轴(43)和平台升降电机(44)，所述平台升降电机(44)的底部安装在下方的传送带(1)上，所述平台升降电机(44)顶部的驱动端通过平台升降轴(43)与上方的平台转动电机(42)相连接，所述平台转动电机(42)顶部的驱动端与上方的待扫描件固定平台(41)相连接；

当所述平台转动电机(42)转动时带动上方的待扫描件固定平台(41)绕着Z轴方向转动。

6.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括以下步骤：

步骤S11、将待测模具放入选定的工作区域，工作区域内具有转动和移动的待扫描件转动平台(4)，以保证模具待加工表面点全部被扫描设备扫入；

步骤S12、选定固定工作区域是扫描点云数据的工作环境，也是作为喷涂作业时的工作环境，以保证点云数据和喷涂作业时都处于相同的坐标系下。

7.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述步骤S2中，当重构模具三维数据时，通过基于特性与非特征相结合的混合造型方法提高模型重构精度；所述步骤S2中，当重构模具三维数据时，实时通过体偏差参数量化重构模型与实体模型表面差值，不断反馈调整重构模型精度。

8.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述步骤S32具体包括以下步骤：

步骤S321、综合考虑喷涂机器人手臂完成喷涂工作的难易程度，建立难度系数对应函数f_k＝{t_op,l_op,v_op,h_op,m_os,j_os}；

其中，f_k为难度系数，t_op为喷涂时间数组，l_op为喷涂路径长度数组，v_op为喷涂速度数组，h_p为喷涂厚度数组，m_s为待喷涂表面材料数组，j_s为表面结构；

步骤S322、综合考虑喷涂机器人手臂喷涂速度，建立喷涂速度与喷涂时间函数v_p＝{t_p,l_p,h_p}；

其中，t_p为喷涂时间，l_p为喷涂路径长度，v_p为喷涂速度，h_p为喷涂厚度；

步骤S323、以模具非纹理区域和纹理区域界限作为优化路径边界条件，以喷涂难度系数最低和喷涂时间最小为优化目标，进行最优化处理，根据优化结果，建立难度系数与喷涂时间最小值与不同优化方案函数关系f_opt＝{f_k,v_p,t_p,Q_ct}，进行函数求导，获取喷涂路径优化函数的极小值点；

其中，Q_ct＝{v_p,l_p,h_p,n_p,t_p}；

其中，Q_ct为可变喷涂流量，n_p为喷涂次数；

所述步骤S4中基于喷涂机器人的喷涂流量进行喷涂厚度仿真时，考虑待加工模具喷涂厚度要求范围、喷涂机器人手臂的喷涂速度、喷涂流量与喷涂厚度关系，建立一定喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_c＝{v_p,l_p,h_p,Q_c}；

其中，fc为喷涂速度与喷涂厚度函数，v_p为喷涂速度，l_p为喷涂路径长度，h_p为喷涂厚度，Q_c为喷涂流量；

以及建立不同喷涂流量下的喷涂速度和喷涂厚度函数f_ct＝{v_p,l_p,h_p,Q_ct}；

其中，f_ct为喷涂速度与喷涂厚度函数，Q_ct为可变喷涂流量。

9.如权利要求1所述的一种六自由度动态模具点云重构装置的喷涂方法，其特征在于，所述步骤S4中，喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，是将带喷涂模具放入指定的工作区域，以保证带喷涂模具与逆向重构模具在同一坐标下；所述喷涂机器人手臂进行喷涂作业时，依据指定工况下的最优喷涂路径，和建立的喷涂厚度函数关系，实现指定要求下的模具非纹理区域喷涂。