一种基于激光三维点云的喷涂系统的制作方法

1.本发明属于自动化技术领域，尤其涉及一种基于激光三维点云的喷涂系统。


背景技术：

2.喷涂工艺是现代工业的一个非常重要的流程，传统喷涂一般采用人工作业或半自动化方式完成，喷涂房噪音和粉尘会给工人造成一定的身体伤害。同时，传统人工喷涂作业效率低，喷涂质量难以得到保障，且不利于节省喷涂材料。
3.随着工业4.0时代的到来，工业机器人在生产中起到越来越大的作用，工业机器人可以代替人类进行喷涂、移动和焊接等工作。
4.随着自动化、信息化和智能化技术的发展，机器人自动喷涂技术应运而生。采用机器人喷涂可以提高产品质量和生产效率，还可减少工人工作量，保障工人的健康。
5.当前工业机器人在喷涂应用中仍需要大量的人工识别和示教，不利于非标工件的全自动喷涂应用，喷涂作业耗时长且成本高。
6.对不同大小形状的非标工件实现自动喷涂，避免喷嘴碰撞工件，等都是亟待解决的问题。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于：为了克服现有技术问题，公开了一种基于激光三维点云的喷涂系统，本发明喷涂系统通过激光三维点云采集单元实现了待喷涂工件的点云扫描，并由喷涂轨迹规划单元完成了喷嘴运动轨迹规划，解决了对不同大小形状的非标工件的机器人自动喷涂问题。
8.本发明目的通过下述技术方案来实现：
9.一种基于激光三维点云的喷涂系统，所述喷涂系统包括激光三维点云采集单元、喷涂轨迹规划单元和机器人喷涂单元，所述激光三维点云采集单元用于采集待喷涂工件的喷涂面数据信息，所述喷涂轨迹规划单元用于完成喷嘴运动轨迹规划，所述机器人喷涂单元基于规划的喷嘴运动轨迹完成待喷涂工件的喷漆作业。
10.根据一个优选的实施方式，所述喷涂轨迹规划单元按如下方法规划喷嘴运动轨迹，具体包括：判断点云是否存在分层，并针对各层规划喷嘴运动轨迹。
11.根据一个优选的实施方式，通过如下方式判断点云是否存在分层：设当前作业区间内的点云集合为pk，若当前区间点云高程差大于阈值z
t
，且在预设高程区间范围内存在空白区域，即预设高程区间内点云数量小于阈值n
t
，则待喷涂工件结构在当前区域内存在上下两层结构。
12.根据一个优选的实施方式，针对各层规划喷嘴运动轨迹具体包括：
13.对于任意分层，取当前分层点云集合p，采用最小二乘法拟合得到点云平面ax+by+cz+d＝0；
14.设当前分层平面法向量为(a,b,c)，则平面法向量反向为喷嘴作业方向，喷涂轨迹
约束为到平面距离为h，通过求解如下方程即可得到喷嘴运动轨迹坐标：
[0015][0016]
其中，xc,yc,zc分别表示法向量与平面的交点坐标，x,y,z表示喷枪的末端坐标，且上述2次方程求解后会得到2个有效解，2个点坐标分别对应当前分层平面对称设置的两个喷涂点位。
[0017]
根据一个优选的实施方式，所述激光三维点云采集单元包括：门型桁架、轨道平车和若干设置于门型桁架上的激光扫描仪；待喷涂工件固定于轨道平车之上，由所述轨道平车带动待喷涂工件通过门型桁架，通过各激光扫描仪获取待喷涂工件点云信息。
[0018]
根据一个优选的实施方式，所述激光三维点云采集还单元包括：光电对射开关和设置于轨道平车侧面的齿条；
[0019]
轨道平车向门型桁架移动或穿过门型桁架时，光电对射开关照射齿条，齿条移动通过光电对射开关时使得光电对射开关能够进行增量式编码。
[0020]
根据一个优选的实施方式，激光扫描仪的扫描过程中，通过对齿条和光电对射开关组成的运动测量数据进行插值，以实现运动测量分辨率的提升，具体地：
[0021]
设第i和i+1个光电对射开关产生的矩形方波对应的激光扫描仪的激光扫描断面为n0和n0+j，即两个矩形方波上升沿对应的时间中扫描仪共计扫描j个断面；设每一个矩形方波对应的轨道平车(105)运动距离δx，则对n0和n0+j之间每一个扫描断面数据所对应的运动距离，即x轴移动距离，计算为：
[0022][0023]
其中，(y0,z0)为第j帧激光扫描仪扫描所获取的断面坐标，n为当前扫描帧相对于n0帧的增量。
[0024]
根据一个优选的实施方式，各激光扫描仪扫描的点云采用如下方法完成坐标统一，具体包括：
[0025]
以各激光扫描仪中任意一个激光扫描仪扫描点云作为第一扫描仪，设第一扫描仪扫描获得的点云集合为p1，设与第一扫描仪具备重叠区域的第二扫描仪扫描获得的点云集合为p2，选取第一扫描仪和第二扫描仪两点云集合点云中的同名点p1和p2，设两片点云坐标系满足关系：p1＝r
12
p2+t
12
[0026]
其中，r
12
和t
12
分别为点云p2的旋转和平移矩阵，即两片点云中的同名点云通过r
12
和t
12
的旋转和平移后完全重叠，则以第一扫描仪为基准的第二扫描仪点云坐标变换为p2′
＝r
12
p2+t
12
，即经过旋转和平移变换后的p2′
与p1在同一个坐标系；
[0027]
从而，通过相应旋转和平移矩阵r
12
和t
12
完成各激光扫描仪扫描点云的坐标系统一。
[0028]
前述本发明主方案及其各进一步选择方案可以自由组合以形成多个方案，均为本发明可采用并要求保护的方案。本领域技术人员在了解本发明方案后根据现有技术和公知
常识可明了有多种组合，均为本发明所要保护的技术方案，在此不做穷举。
[0029]
本发明的有益效果：
[0030]
本发明通过设计激光三维扫描单元，解决了非标工件点云数据采集问题；通过喷涂轨迹规划单元的轨迹规划算法，完成了喷涂机器人行程轨迹和喷涂方向规划，实现了全自动喷涂的目的。使得本发明系统适合于机器人对各类非标工件的进行自动喷涂作业。
附图说明
[0031]
图1是本发明喷涂系统中激光三维扫描单元的结构示意图；
[0032]
图2是本发明喷涂系统中喷涂作业示意图。
具体实施方式
[0033]
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0034]
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
[0035]
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，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”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
[0037]
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“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，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0038]
另外，本发明要指出的是，本发明中，如未特别写出具体涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等，则本发明涉及的结构、连接关系、位置关系、动力来源关系等均为本领域技术人员在现有技术的基础上，可以不经过创造性劳动可以得知的。
[0039]
实施例1：
[0040]
本实施例公开了一种基于激光三维点云的喷涂系统，所述喷涂系统包括激光三维点云采集单元、喷涂轨迹规划单元和机器人喷涂单元。
[0041]
激光三维点云采集单元用于采集待喷涂工件的喷涂面数据信息，所述喷涂轨迹规
划单元用于完成喷嘴运动轨迹规划，所述机器人喷涂单元基于规划的喷嘴运动轨迹完成待喷涂工件的喷漆作业。
[0042]
优选地，参考图1所示，所述激光三维点云采集单元包括：门型桁架102、轨道平车105和若干设置于门型桁架102上的激光扫描仪101。待喷涂工件固定于轨道平车105之上，由所述轨道平车105带动待喷涂工件通过门型桁架102，通过各激光扫描仪101获取待喷涂工件点云信息。
[0043]
将工件搭载于轨道平车105通过门型桁架102的前后移动实现整个工件点云采集，轨道平车105采用固定的结构支撑待喷涂工件，这样可通过点云数据预处理实现支撑结构部分点云的剔除。
[0044]
优选地，所述激光三维点云采集还单元包括：光电对射开关103和设置于轨道平车105侧面的齿条104。
[0045]
轨道平车105向门型桁架102移动或穿过门型桁架102时，光电对射开关103照射齿条104，齿条104移动通过光电对射开关103时使得光电对射开关103能够进行增量式编码。产生类似增量式编码器。
[0046]
优选地，齿条104宽度2cm，轨道平车105沿x轴运动时光电对射开关103输出矩形方波用于测量轨道平车运动。
[0047]
在一个优选的实施例中，激光三维点云采集设备可扫描的最大工件尺寸为20m
×
4m
×
4m，测量精度优于2mm。
[0048]
进一步地，采用两个开关量通过相位控制(安装位置)可以避免因平车后退导致的测量偏差。
[0049]
本实施例中，激光扫描仪扫描帧率600hz，平车运动速度较慢，激光扫描仪101的扫描过程中，通过对齿条104和光电对射开关103组成的运动测量数据进行插值，以实现运动测量分辨率的提升，具体地：
[0050]
设第i和i+1个光电对射开关103产生的矩形方波对应的激光扫描仪101的激光扫描断面为n0和n0+j，即两个矩形方波上升沿对应的时间中扫描仪共计扫描j个断面；设每一个矩形方波对应的轨道平车105运动距离δx，则对n0和n0+j之间每一个扫描断面数据所对应的运动距离，即x轴移动距离，计算为：
[0051][0052]
其中，(y0,z0)为第j帧激光扫描仪扫描所获取的断面坐标，n为当前扫描帧相对于n0帧的增量。通过式(1)，可有效解决轨道平车运动测量分辨率低的问题，即将矩形方波之间的运动视为匀速运动，将各扫描帧均匀分布在运动方向上。
[0053]
设单个激光扫描仪101所获取的三维点云数据为pi,i＝1,2...7(本实施例中安装有7个激光扫描仪101，7个单线激光扫描仪101分布在门型桁架102的四周保证管屏无死角覆盖，通过轨道平车移动实现工件表面三维点云采集)，则不同激光扫描仪101运用轨道平车和扫描断面数据实现局部三维扫描。各激光扫描仪101由于现场安装存在一定的随机性，安装后的点云需要计算相互之间的安装参数才能实现点云坐标的统一和多个扫描仪安装
参数的检校。
[0054]
各激光扫描仪101扫描的点云采用如下方法完成坐标统一，具体包括：
[0055]
以各激光扫描仪101中任意一个激光扫描仪101扫描点云作为第一扫描仪，设第一扫描仪扫描获得的点云集合为p1，设与第一扫描仪具备重叠区域的第二扫描仪扫描获得的点云集合为p2，选取第一扫描仪和第二扫描仪两点云集合点云中的同名点p1和p2，设两片点云坐标系满足关系：
[0056]
p1＝r
12
p2+t
12
ꢀꢀ
(2)
[0057]
其中，r
12
和t
12
分别为点云p2的旋转和平移矩阵，即两片点云中的同名点云通过r
12
和t
12
的旋转和平移后完全重叠，则以第一扫描仪为基准的第二扫描仪点云坐标变换为p2′
＝r
12
p2+t
12
，即经过旋转和平移变换后的p2′
与p1在同一个坐标系。
[0058]
从而，通过相应旋转和平移矩阵r
12
和t
12
完成各激光扫描仪101扫描点云的坐标系统一。经过旋转和平移后的各扫描仪点云坐标完全统一至预设坐标系，点云之间无错位，扫描对象结构信息完整。
[0059]
喷涂作业如图2所示，喷涂机器人喷涂覆盖区域为等腰三角形范围，要求喷涂作业时喷嘴所喷射的涂料垂直于待喷涂工件的上表面，预设喷涂高度h。设剔除支撑结构后的待喷涂工件点云集合p，沿x轴方向，分段提取点云数据计算喷涂作业轨迹。
[0060]
优选地，所述喷涂轨迹规划单元按如下方法规划喷嘴运动轨迹，具体包括：判断点云是否存在分层，并针对各层规划喷嘴运动轨迹。
[0061]
具体地，通过如下方式判断点云是否存在分层：
[0062]
设当前作业区间内的点云集合为pk，pk＝{pi∈p|x∈[x
i x
i+1
]}，采用式(3)所示的方法判断点云是否存在上下分层(管屏存在l型立柱)：
[0063][0064]
即若当前区间点云高程差大于阈值z
t
，且在预设高程区间[zi,zj]范围内存在空白区域，即预设高程区间内点云数量小于阈值n
t
，则待喷涂工件结构在当前区域内存在上下两层结构。
[0065]
优选地，针对各层规划喷嘴运动轨迹具体包括：
[0066]
对于任意分层，取当前分层点云集合p，采用最小二乘法拟合得到点云平面ax+by+cz+d＝0；
[0067]
设当前分层平面法向量为(a,b,c)，则平面法向量反向为喷嘴作业方向，喷涂轨迹约束为到平面距离为h，通过求解如下方程即可得到喷嘴运动轨迹坐标：
[0068][0069]
其中，xc,yc,zc分别表示法向量与平面的交点坐标，x,y,z表示喷枪的末端坐标，且上述2次方程求解后会得到2个有效解，2个点坐标分别对应当前分层平面对称设置的两个喷涂点位。
[0070]
由式(4)求解得到的喷涂轨迹和喷涂方向参数送入机器人喷涂单元，机器人喷涂单元自动实现喷涂作业。
[0071]
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于激光三维点云的喷涂系统，其特征在于，所述喷涂系统包括激光三维点云采集单元、喷涂轨迹规划单元和机器人喷涂单元，所述激光三维点云采集单元用于采集待喷涂工件的喷涂面数据信息，所述喷涂轨迹规划单元用于完成喷嘴运动轨迹规划，所述机器人喷涂单元基于规划的喷嘴运动轨迹完成待喷涂工件的喷漆作业。2.如权利要求1所述的喷涂系统，其特征在于，所述喷涂轨迹规划单元按如下方法规划喷嘴运动轨迹，具体包括：判断点云是否存在分层，并针对各层规划喷嘴运动轨迹。3.如权利要求2所述的喷涂系统，其特征在于，通过如下方式判断点云是否存在分层：设当前作业区间内的点云集合为p
k
，若当前区间点云高程差大于阈值z
t
，且在预设高程区间范围内存在空白区域，即预设高程区间内点云数量小于阈值n
t
，则待喷涂工件结构在当前区域内存在上下两层结构。4.如权利要求3所述的喷涂系统，其特征在于，针对各层规划喷嘴运动轨迹具体包括：对于任意分层，取当前分层点云集合p，采用最小二乘法拟合得到点云平面ax+by+cz+d＝0；设当前分层平面法向量为(a,b,c)，则平面法向量反向为喷嘴作业方向，喷涂轨迹约束为到平面距离为h，通过求解如下方程即可得到喷嘴运动轨迹坐标：其中，x
c
,y
c
,z
c
分别表示法向量与平面的交点坐标，x,y,z表示喷枪的末端坐标，且上述2次方程求解后会得到2个有效解，2个点坐标分别对应当前分层平面对称设置的两个喷涂点位。5.如权利要求1所述的喷涂系统，其特征在于，所述激光三维点云采集单元包括：门型桁架(102)、轨道平车(105)和若干设置于门型桁架(102)上的激光扫描仪(101)；待喷涂工件固定于轨道平车(105)之上，由所述轨道平车(105)带动待喷涂工件通过门型桁架(102)，通过各激光扫描仪(101)获取待喷涂工件点云信息。6.如权利要求5所述的喷涂系统，其特征在于，所述激光三维点云采集还单元包括：光电对射开关(103)和设置于轨道平车(105)侧面的齿条(104)；轨道平车(105)向门型桁架(102)移动或穿过门型桁架(102)时，光电对射开关(103)照射齿条(104)，齿条(104)移动通过光电对射开关(103)时使得光电对射开关(103)能够进行增量式编码。7.如权利要求6所述的喷涂系统，其特征在于，激光扫描仪(101)的扫描过程中，通过对齿条(104)和光电对射开关(103)组成的运动测量数据进行插值，以实现运动测量分辨率的提升，具体地：设第i和i+1个光电对射开关(103)产生的矩形方波对应的激光扫描仪(101)的激光扫描断面为n0和n0+j，即两个矩形方波上升沿对应的时间中扫描仪共计扫描j个断面；设每一个矩形方波对应的轨道平车(105)运动距离δx，则对n0和n0+j之间每一个扫描断面数据所对应的运动距离，即x轴移动距离，计算为：
其中，(y0,z0)为第j帧激光扫描仪扫描所获取的断面坐标，n为当前扫描帧相对于n0帧的增量。8.如权利要求5所述的喷涂系统，其特征在于，各激光扫描仪(101)扫描的点云采用如下方法完成坐标统一，具体包括：以各激光扫描仪(101)中任意一个激光扫描仪(101)扫描点云作为第一扫描仪，设第一扫描仪扫描获得的点云集合为p1，设与第一扫描仪具备重叠区域的第二扫描仪扫描获得的点云集合为p2，选取第一扫描仪和第二扫描仪两点云集合点云中的同名点p1和p2，设两片点云坐标系满足关系：p1＝r
12
p2+t
12
其中，r
12
和t
12
分别为点云p2的旋转和平移矩阵，即两片点云中的同名点云通过r
12
和t
12
的旋转和平移后完全重叠，则以第一扫描仪为基准的第二扫描仪点云坐标变换为p
′2＝r
12
p2+t
12
，即经过旋转和平移变换后的p
′2与p1在同一个坐标系；从而，通过相应旋转和平移矩阵r
12
和t
12
完成各激光扫描仪(101)扫描点云的坐标系统一。

技术总结
本发明公开了一种基于激光三维点云的喷涂系统，所述喷涂系统包括激光三维点云采集单元、喷涂轨迹规划单元和机器人喷涂单元，所述激光三维点云采集单元用于采集待喷涂工件的喷涂面数据信息，所述喷涂轨迹规划单元用于完成喷嘴运动轨迹规划，所述机器人喷涂单元基于规划的喷嘴运动轨迹完成待喷涂工件的喷漆作业。本发明通过设计激光三维扫描单元，解决了非标工件点云数据采集问题；通过喷涂轨迹规划单元的轨迹规划算法，完成了喷涂机器人行程轨迹和喷涂方向规划，实现了全自动喷涂的目的。使得本发明系统适合于机器人对各类非标工件的进行自动喷涂作业。的进行自动喷涂作业。的进行自动喷涂作业。


技术研发人员：汪玉 张国威 钟正彬 周东 盛仲曦 卓磊 郭建亮
受保护的技术使用者：东方电气集团科学技术研究院有限公司
技术研发日：2023.04.20
技术公布日：2023/8/21