CN214583043U - 一种用于工件涂装的三维扫描系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于工件涂装的三维扫描系统，包括输送线、上位机和执行机构；输送线的进料端设置有箱体，箱体为不透光的密闭箱体、且其上设置有用于发出激光线的激光器和用于拍摄的摄像机；输送线上设置有用于检测工件位置的光电传感器；上位机分别与执行机构、激光器、摄像机、光电传感器电控连接。利用激光器与摄像机的配合可实现大视野的三维扫描，最大可实现宽1500mm、长4500mm的工件扫描，同时可对工件的边、凹槽、凸条和面进行扫描，提高扫描精准度，进而实现工件的精准喷涂，使整个系统既具备传统的工件涂装行业工件的定位功能，同时又解决了机械定位和光幕定位无法对工件形状进行有效扫描的问题，实用性强。

Description

一种用于工件涂装的三维扫描系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于工件涂装的三维扫描系统。

背景技术

目前对于工件涂装行业的工件定位有两种方式。

第一种是机械定位法，它的基本原理是将工件通过输送线用机械结构固定工件定位，再通过输送线把工件输送到喷涂工位进行喷涂作业。但是机械定位法是无法对工件的形状进行分析处理，即喷涂工位不能实现工件的精确喷涂作业。

第二种是通过光幕检测扫描，得到工件的左右边界，然后控制喷涂机器人进行大范围往复喷涂作业。但是，光幕扫描精度低，不能同时对多个工件的边界进行精准扫描，从而影响工件的喷涂成品率，同时光幕扫描只能实现二维扫描，不能实现三维扫描，即无法对工件的沟槽或凸条进行扫描，导致喷涂机器人无法对工件进行精确喷涂作业。

因此，有必要进一步改进。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在提供一种用于工件涂装的三维扫描系统，以克服现有技术中的不足之处。

按此目的设计的一种用于工件涂装的三维扫描系统，包括输送线，其特征在于：还包括上位机和执行机构；所述输送线的进料端设置有箱体，箱体为不透光的密闭箱体、且其上设置有用于发出激光线的激光器和用于拍摄的摄像机；所述输送线上设置有用于检测工件位置的光电传感器；所述上位机分别与执行机构、激光器、摄像机、光电传感器电控连接。

所述激光器与摄像机之间形成间距，并分别与输送线之间形成高度差。

所述激光器和摄像机分别设置在箱体的顶部或上部，其中，激光器和摄像机设置的高度一致或不一致。

所述激光器与摄像机之间形成一定的夹角设置，该夹角为30-60度。

所述箱体底部敞开、且形成敞开口；所述激光器通过敞开口对输送线上的工件发出激光线；所述摄像机通过敞开口对输送线上的工件进行拍摄。

所述执行机构至少包括工控机、PLC控制器、上料单元、下料单元、喷涂机器人；所述PLC控制器分别与工控机、上位机、上料单元、下料单元、喷涂机器人电控连接。

一种扫描成像方法，其特征在于：包括上述用于工件涂装的三维扫描系统；所述上位机内置有视觉软件控制程序，上位机通过视觉软件控制程序设置喷涂工艺参数、且对生产配方进行管理，并可接受激光器和摄像机的图像数据。

其中，三维扫描系统利用激光器发出激光线、且形成激光三角对工件实现三维扫描，以得到工件的三维点云数据，随后利用摄像机对扫描的工件进行拍摄，以得到工件的深度图，上位机对三维点云数据进行图像处理，并提取深度图特征数据，从而规划喷涂路径，再根据喷涂路径控制喷涂机器人对工件进行精确定位和喷涂作业。

所述扫描成像方法原理如下：工件通过输送线进入箱体内，激光器投射一条细长的发光直线，该发光直线为激光线、且照射到工件表面，激光线在输送过程中的工件表面被不停地重建，摄像机对投影到工件表面的激光线进行拍摄，并获得工件的不同轮廓图像，上位机根据轮廓图像进行图像处理，以最终实现工件的三维模型，并其将可视化。

所述扫描成像方法过程如下：

步骤一、激光器朝输送线投射光平面、且在射出的位置形成激光线，摄像机的光轴与光平面之间形成三角测量角a；

步骤二、工件通过输送线输送至箱体内、且在输送过程中，光电传感器检测工件进入光平面，随后发送工件到位信号给PLC控制器，PLC控制器接收工件到位信号，并控制摄像机开始拍摄；

步骤三、激光线与摄像机视点之间形成交叉点，该交叉点取决于工件表面的高度；因此工件在输送过程中，激光线投射到的工件表面在高度上有变化，交叉点的位置跟随发生移动，摄像机开始拍摄到工件表面激光线的成像不是直线，而是工件表面的轮廓；

步骤四、通过工件相对于激光器和摄像机的移动，摄像机每一次拍摄都可以获得一张工件表面某一位置上的激光线图像，这些激光线图像为工件轮廓图像；

步骤五、上位机依次将摄像机获取的工件轮廓图像储存为图像中的一行，并得到视差图像；

步骤六、通过上位机对三维扫描系统的坐标进行标定，使视差图像中的每个点的坐标X^C、Y^C、Z^C以及它的灰度值代表着对应的工件表面上的点在世界坐标中X^W、Y^W、Z^W；

步骤七、上位机根据各个点的坐标X^C、Y^C、Z^C，将其绘制在三维坐标中，即可得到工件的三维模型，并将其可视化，以最终生成工件的三维图像。

所述步骤二中，三角测量角a为30-60度。

所述步骤一或步骤二中，PLC控制器控制上料单元对工件进行上料，并放置在输送线上。

所述步骤七中，上位机将生成的工件三维图像规划成喷涂路径，再根据喷涂路径控制喷涂机器人对工件进行精确定位和喷涂作业，喷涂机器人在工件喷涂完成后发送喷涂完成信号给PLC控制器，PLC控制器接收喷涂完成信号，并控制下料单元对工件进行下料。

本实用新型通过上述结构的改良，与现有技术相比，具有以下优点：

一、可柔性化生产

1、激光器与摄像机的配合可实现大视野的三维扫描，最大可实现宽 1500mm、长4500mm的工件扫描，使用范围大，升级可能性大；

2、可对工件的边、凹槽、凸条和面进行扫描，提高扫描精准度；

3、可实现多品种不同工件的混线生产；

4、可实现加厚工件不同高度喷涂作业；

5、可实现较复杂工件的喷涂工艺。

二、提高喷涂质量和材料使用率

1、利用三维视觉实现喷涂轨迹的精确生成，提高工件涂膜的均匀性等外观质量；

2、精准轨迹喷涂能降低喷涂材料的损耗，提高材料利用率；

3、能有效解决喷涂机器人对边、凹槽、凸条等部分喷涂质量不佳的问题。

三、易操作和维护

1、上位机的视觉软件控制程序无需用户编程，大大缩短现场调试时间；

2、工控机、PLC控制器和上位机可实现模块化设计，大大缩短日常维护时间。

四、设备利用率高

1、通过生成喷涂轨迹控制喷涂机器人工作，可实现喷涂机器人的利用率可达90％-95％，远远高于往复式自动喷涂机利用率。

五、可扩展性

1、工件的喷涂、上料、下料可采用现场的PLC控制器进行控制，同时 PLC控制器还可以与周边设备以及客户MES等系统联动。

综合而言，上述三维扫描系统既具备传统的工件涂装行业工件的定位功能，同时又解决了机械定位和光幕定位无法对工件形状进行有效扫描的问题，实用性强。

附图说明

图1为本实用新型一实施例的结构示意图。

图2为本实用新型一实施例的电路原理图。

图3、图4为本实用新型一实施例的激光器、摄像机工作原理图。

图5为本实用新型一实施例的视差图像形成原理图。

图6为本实用新型一实施例的工作原理图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型作进一步描述。

参见图1-图6，本用于工件涂装的三维扫描系统，包括输送线5、上位机8和执行机构；所述输送线5的进料端设置有箱体9，箱体9为不透光的密闭箱体、且其上设置有用于发出激光线的激光器3和用于拍摄的摄像机1；所述输送线5上设置有用于检测工件位置的光电传感器6；所述上位机8分别与执行机构、激光器3、摄像机1、光电传感器6电控连接。

激光器3与摄像机1之间形成间距，并分别与输送线5之间形成高度差。

激光器3和摄像机1分别设置在箱体9的顶部或上部，其中，激光器 3和摄像机1设置的高度一致或不一致。

激光器3与摄像机1之间形成一定的夹角设置，该夹角为30-60度。

具体地讲，本实施例的激光器3与摄像机1分别设置在箱体9的顶部、且二者设置的高度一致，同进激光器3与摄像机1之间形成间距，而还分别与输送线5之间形成高度差。因此激光器3朝输送线5投射时能形成光平面，并在射出的位置形成激光线。

箱体9底部敞开、且形成敞开口；所述激光器3通过敞开口对输送线 5上的工件发出激光线；所述摄像机1通过敞开口对输送线5上的工件进行拍摄。

本实施例的执行机构至少包括工控机4、PLC控制器7、上料单元、下料单元、喷涂机器人；所述PLC控制器7分别与工控机4、上位机8、上料单元、下料单元、喷涂机器人电控连接。

上述用于工件涂装的三维扫描系统的扫描成像方法，是利用激光三角测量的方式，其通过一组包含高度信息的轮廓线来近似地重建出工件三维对象的表面。这激光三角测量主要利用的是Sheet-of-light技术。

进一步地讲，

摄像机1主要用于图像采集。

激光器3主要用于激光三角三维图像成像。

工控机4主要用于图像采集、视觉处理，结果数据通讯。

输送线5主要用于工件的输送。

光电传感器6主要用于工件的位置检测。

PLC控制器7主要用于输送线5、光电传感器6、上料单元、下料单元、喷涂机器人、上位机8的通讯控制。

上位机8内置有视觉软件控制程序，其能通过视觉软件控制程序实现人机交换、设置喷涂工艺参数、对生产配方进行管理，并可接受激光器3 和摄像机1的图像数据，它的主要作为在于图像采集、处理、运算、数据发送。

其中，三维扫描系统利用激光器3发出激光线、且形成激光三角对工件实现三维扫描，以得到工件的三维点云数据，随后利用摄像机1对扫描的工件进行拍摄，以得到工件的深度图，上位机8对三维点云数据进行图像处理，并提取深度图特征数据，从而规划喷涂路径，再根据喷涂路径控制喷涂机器人对工件进行精确定位和喷涂作业。

上述用于工件涂装的三维扫描系统的扫描成像方法原理如下：工件通过输送线5进入箱体9内，激光器3投射一条细长的发光直线，该发光直线为激光线、且照射到工件表面，激光线在输送过程中的工件表面被不停地重建，摄像机1对投影到工件表面的激光线进行拍摄，并获得工件的不同轮廓图像，上位机8根据轮廓图像进行图像处理，以最终实现工件的三维模型，并其将可视化。

上述用于工件涂装的三维扫描系统的扫描成像方法过程如下：

步骤一、激光器3朝输送线5投射光平面、且在射出的位置形成激光线，摄像机1的光轴与光平面之间形成三角测量角a；

步骤二、工件通过输送线5输送至箱体9内、且在输送过程中，光电传感器6检测工件进入光平面，随后发送工件到位信号给PLC控制器7，PLC 控制器7接收工件到位信号，并控制摄像机1开始拍摄；

步骤三、激光线与摄像机1视点之间形成交叉点P，该交叉点P取决于工件表面的高度；因此工件在输送过程中，激光线投射到的工件表面在高度上有变化，交叉点P的位置跟随发生移动，摄像机1开始拍摄到工件表面激光线的成像不是直线，而是工件表面的轮廓；

步骤四、通过工件相对于激光器3和摄像机1的移动，摄像机1每一次拍摄都可以获得一张工件表面某一位置上的激光线图像，这些激光线图像为工件轮廓图像；

步骤五、上位机8依次将摄像机1获取的工件轮廓图像储存为图像中的一行，并得到视差图像；

步骤六、通过上位机8对三维扫描系统的坐标进行标定，使视差图像中的每个点的坐标X^C、Y^C、Z^C以及它的灰度值代表着对应的工件表面上的点在世界坐标中X^W、Y^W、Z^W；

步骤七、上位机8根据各个点的坐标X^C、Y^C、Z^C，将其绘制在三维坐标中，即可得到工件的三维模型，并将其可视化，以最终生成工件的三维图像。

步骤二中，三角测量角a为30-60度。

步骤一或步骤二中，PLC控制器7控制上料单元对工件进行上料，并放置在输送线5上。

具体地讲，为了重建工件的整个表面，需要激光器3扫描整个工件表面，摄像机1尽可能多地拍摄投射到工件各个位置的激光线图像，以获得一组工件高度轮廓，因而工件必须相对于激光器3和摄像机1移动，同时本实施例的三角测量角a优选为45度。

在步骤三、四、五、六、七中，如图3、图4所示，激光线与摄像机1 视点之间形成的交叉点P取决于工件表面的高度。所以，如果激光线投射到的工件在高度上有变化，交叉点P也会发生移动，摄像机1拍摄到的工件表面激光线的成像就不是直线，而是工件表面的轮廓，利用这个轮廓，我们就可以得到该工件的高度差。

如图5所示，由于工件相对于激光器3、摄像机1是移动的，因此摄像机1在工件移动的过程中可以进行不停的拍摄，在每一次拍摄时都可以获得一张工件表面某一位置上的轮廓图。依次将摄像机1获取的激光线图像(即轮廓图像)储存为图像中的一行，从而得到视差图像。

步骤七中，上位机8将生成的工件三维图像规划成喷涂路径，再根据喷涂路径控制喷涂机器人对工件进行精确定位和喷涂作业，喷涂机器人在工件喷涂完成后发送喷涂完成信号给PLC控制器7，PLC控制器7接收喷涂完成信号，并控制下料单元对工件进行下料。

步骤二中，如果光电传感器6检测工件未进入光平面，即停止工件检测，同时向PLC控制器7发送工件未到位信号，PLC控制器7接收工件未到位信号，并发出警报，以提醒工作人员。

利用激光器3、摄像机1的配合对工件的形状及尺寸进行扫描，以确定喷涂路径，以提高喷涂机器人的喷涂准确性，使喷涂机器人能够在指定的路径内进行喷涂，不易产生不良品。而且喷涂机器人的喷涂作业智能化进行，配合视觉软件控制程序的喷涂参数设置，既可以满足经扫描生成之后的喷涂轨迹作业，又可以满足按工作设定轨迹执行喷涂作业，适应不同工件、不同漆种的智能喷涂需求。

上述为本实用新型的优选方案，显示和描述了本实用新型的基本原理、主要特征和本实用新型的优点。本领域的技术人员应该了解本实用新型不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本实用新型的原理，在不脱离本实用新型精神和范围的前提下本实用新型还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本实用新型范围内，本实用新型要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (6)

1.一种用于工件涂装的三维扫描系统，包括输送线(5)，其特征在于：还包括上位机(8)和执行机构；所述输送线(5)的进料端设置有箱体(9)，箱体(9)为不透光的密闭箱体、且其上设置有用于发出激光线的激光器(3)和用于拍摄的摄像机(1)；所述输送线(5)上设置有用于检测工件位置的光电传感器(6)；所述上位机(8)分别与执行机构、激光器(3)、摄像机(1)、光电传感器(6)电控连接。

2.根据权利要求1所述用于工件涂装的三维扫描系统，其特征在于：所述激光器(3)与摄像机(1)之间形成间距，并分别与输送线(5)之间形成高度差。

3.根据权利要求2所述用于工件涂装的三维扫描系统，其特征在于：所述激光器(3)和摄像机(1)分别设置在箱体(9)的顶部或上部，其中，激光器(3)和摄像机(1)设置的高度一致或不一致。

4.根据权利要求3所述用于工件涂装的三维扫描系统，其特征在于：所述激光器(3)与摄像机(1)之间形成一定的夹角设置，该夹角为30-60度。

5.根据权利要求1所述用于工件涂装的三维扫描系统，其特征在于：所述箱体(9)底部敞开、且形成敞开口；所述激光器(3)通过敞开口对输送线(5)上的工件发出激光线；所述摄像机(1)通过敞开口对输送线(5)上的工件进行拍摄。

6.根据权利要求1所述用于工件涂装的三维扫描系统，其特征在于：所述执行机构至少包括工控机(4)、PLC控制器(7)、上料单元、下料单元、喷涂机器人；所述PLC控制器(7)分别与工控机(4)、上位机(8)、上料单元、下料单元、喷涂机器人电控连接。

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