基于工业机器人的3D曲面喷绘系统及其工作方法与流程

基于工业机器人的3d曲面喷绘系统及其工作方法
技术领域
1.本发明属于3d曲面喷绘技术领域，特别涉及一种基于工业机器人的3d曲面喷绘系统及其工作方法。


背景技术：

2.自从20世纪80年代开始，大型喷墨打印机应用于各种彩色喷绘作业中。随着喷绘技术的进步以及计算技术、3d技术的发展，浮现出越来越多的3d曲面的作业需求。
3.然而，现有的喷墨打印设备仅对平面材质进行打印，虽然平面喷绘行业目前已经非常成熟，并形成了稳定可靠的平面打印系统，但是其对于3d曲面喷绘并不适用。
4.因此，目前迫切需要开发出一种适用于3d曲面喷绘作业的系统，其可以在3d曲面上完成喷绘。文献号为cn103521410b的中国发明专利，其提出了一种在车身表面三维图案的自动喷绘方法。但是对于该系统喷绘使用方法中使用步骤与结构都不够明确。
5.鉴于此，本发明提供了一种基于工业机器人的3d曲面喷绘系统及其工作方法。


技术实现要素：

6.针对现有技术中存在的上述缺陷，本发明提供了一种能够有效实现3d曲面喷绘的基于工业机器人的3d曲面喷绘系统及其工作方法。
7.本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于工业机器人的3d曲面喷绘系统，其特征是：包括有：
8.喷绘机：用于对工件进行喷绘，具有三坐标移动机构，可沿x方向、y方向、z方向进行移动，并带有超声定位系统；
9.工业机器人：具有六自由度，与喷绘机连接，通过调整姿态满足喷绘机位置要求；
10.三维视觉系统：包括3d相机，用于采集待喷绘工件的点云数据及捕捉待喷绘工件的特征面，并引导工业机器人调整姿态；
11.点云数据处理模块：用于将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，通过在模型表面输入编码展示预喷绘效果，根据设计人员决策的喷绘形状和位置给出喷绘路径；
12.工业机器人模块：根据3d相机捕捉到的待喷绘工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的喷头垂直及检测喷绘机的喷头到喷绘表面的距离，控制工业机器人调整姿态使喷绘机的喷头时刻与待喷绘的曲面垂直，并生成喷绘路径；
13.喷绘机系统模块：根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人模块生成的喷绘路径结合控制喷绘机进行喷绘，并实时仿真显示；
14.plc中控系统：用于控制点云数据处理模块、工业机器人模块、喷绘机系统模块工作。
15.本发明中，工业机器人在三维视觉系统的引导下调整姿态，使得喷绘机的喷头时刻保持与待喷绘的曲面垂直，喷绘机根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人
模块生成的喷绘路径结合进行喷绘，从而实现对3d曲面的喷绘作业。
16.上述的基于工业机器人的3d曲面喷绘系统的工作方法，包括如下步骤：(1)3d相机在线检测到工件进入工件待喷绘区，plc中控系统同时启动点云数据处理模块和工业机器人模块；点云数据处理模块将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，在模型表面输入编码展示出预喷绘效果，通过设计人员决策预喷绘效果的喷绘形状和位置，然后由点云数据处理模块给出喷绘路径；
17.与此同时，工业机器人模块待喷绘工件进入预定位置，根据3d相机捕捉到的工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的喷头垂直及检测喷绘机的喷头到喷绘表面的距离是否满足小于5mm，如若满足则生成喷绘路径，如若不满足则3d相机引导工业机器人调整姿态以满足要求，并指引喷绘机的喷头到达特征点位置，再生成喷绘路径；
18.(2)喷绘机系统模块工作，喷绘机的三坐标移动机构回到原点，通过超声定位系统辅助调整喷头与喷绘表面的距离，调整到合适位置后，喷头在三坐标移动机构的配合下进行喷绘图案，喷绘时根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人生成的喷绘路径结合进行喷绘，并实时仿真显示，直到最后完成喷绘工作。
19.本发明的有益效果是：本发明将喷绘机、工业机器人、三维视觉系统结合，通过工业机器人在三维视觉系统的引导下调整姿态，使得喷绘机的喷头时刻保持与待喷绘的曲面垂直，喷绘机根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人模块生成的喷绘路径结合进行喷绘，可有效实现对3d曲面的喷绘作业。
附图说明
20.图1是本发明的结构示意图；
21.图2是本发明中的点云数据处理模块的原理框图；
22.图3是本发明中的喷绘机系统模块的原理框图；
23.图4是本发明中的机器人模块的原理框图；
24.图5是本发明中的plc中控系统的原理框图；
25.图6是本发明中的喷绘机的立体结构示意图；
26.图7是本发明中的喷绘机的x方向的传动机构的结构示意图；
27.图8是本发明中的喷绘机的另一个视角的立体结构示意图；
28.图中，1、待喷绘工件，2、喷绘机，3、三维视觉系统，4、工业机器人，2-1、机器人末端执行器连接装置，2-2、侧面轨道轮，2-3、x方向传动齿轮，2-4、同步带轮，2-5、z方向伸缩喷头，2-6、伸缩喷头外壳，2-7、y方向运动电机，2-8、导轨喷绘机导轨，2-9、小同步带轮，2-10、x方向运动电机，2-11、正面轨道轮，2-12、z方向伸缩运动电机，2-13、齿条，2-14、限位块，2-15、喷绘机底板，2-16、轴，2-17、大同步带轮，2-18、超声定位模块，2-19、x方向导轨架，2-20、y方向支架。
具体实施方式
29.下面通过非限定性的实施例并结合附图对本发明作进一步的说明：
30.如附图所示，一种基于工业机器人的3d曲面喷绘系统，用于对工件1的3d曲面进行喷绘，其包括喷绘机2、三维视觉系统3、工业机器人4、点云数据处理模块、喷绘机系统模块、
工业机器人模块、plc中控系统。
31.喷绘机2包括机器人末端执行器连接装置2-1、x方向导轨架2-19、y方向支架2-20、喷绘机底板2-15、z方向伸缩喷头2-5。机器人末端执行器连接装置2-1设置在x方向导轨架2-19下部，用于与工业机器人4的末端执行器连接，x方向导轨架2-19上部设置有两条沿x方向设置的喷涂机导轨2-8，x方向导轨架2-19上部在两条喷涂机导轨2-8之间还设置有与喷涂机导轨2-8平行的齿条2-13。喷绘机底板2-15的底部两侧分别通过两个正面轨道轮2-11和两个侧面轨道轮2-2滑动设置在喷涂机导轨2-8上。y方向支架2-20为门式结构，y方向支架2-20竖向固定设置在喷绘机底板2-15的上部，y方向支架2-20的上端设置有传动轴，传动轴上安装有同步带轮，对应y方向支架2-20的下端在喷绘机底板2-15上安装有轴2-16，轴2-16上对应于y方向支架2-20上端设置的同步带轮设置有同步带轮2-4，两同步带轮间安装有同步带。轴2-16的传动侧还安装有小同步带轮2-9。喷绘机底板2-15上部固定安装有x方向运动电机2-10和y方向运动电机2-7。x方向运动电机2-10的电机轴上安装有x方向传动齿轮2-3，x方向传动齿轮2-3与齿条2-13啮合传动，x方向运动电机2-10通过x方向传动齿轮2-3与齿条2-13的啮合传动带动喷绘机底板2-15沿喷绘机导轨2-8运动。y方向运动电机2-7的电机轴上安装有大同步带轮2-17，其通过同步带与轴2-16上安装的小同步带轮2-9配合传动，y方向运动电机2-7通过同步带传动，带动轴2-16转动，从而带动同步带轮2-4上的同步带运动。z方向伸缩喷头2-5通过其外部的伸缩喷头外壳2-6与同步带轮2-4上的同步带固定在一起，z方向伸缩喷头2-5可通过同步带带动其进行移动。伸缩喷头外壳2-6上固定安装有z方向伸缩运动电机2-12，z方向伸缩运动电机2-12控制z方向伸缩喷头2-5在z方向上运动，用以调整伸缩喷头2-5与待喷绘工件1表面之间的距离。x方向运动机构、y方向运动机构、z方向运动机构构成三坐标移动机构。伸缩喷头在y方向上下移动进行喷绘作业，喷绘机x方向运动配合y方向上的喷头运动完成喷绘作业。z方向伸缩喷头2-5上设置有超声定位模块2-18。喷绘机导轨上2-8上设置有限位块2-14，用来限制喷绘机在x方向上的移动范围，防止喷绘机移动范围过大而发生脱轨的现象。
32.三维视觉系统3包括3d工业相机及相机支架，工业相机设置在相机支架上。
33.工业机器人4为大负载工业机器人，具有六自由度，其为现有技术，例如abb的工业机器人。喷绘机2通过机器人末端执行器连接装置2-1与工业机器人4的末端执行器连接在一起。
34.点云数据处理模块：用于将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，通过在模型表面输入编码展示预喷绘效果，根据设计人员决策的喷绘形状和位置给出喷绘路径。
35.工业机器人模块：根据3d相机捕捉到的待喷绘工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的喷头垂直及检测喷绘机的喷头到喷绘表面的距离，控制工业机器人调整姿态使喷绘机的喷头时刻与待喷绘的曲面垂直，并生成喷绘路径。
36.喷绘机系统模块：根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人模块生成的喷绘路径结合控制喷绘机进行喷绘，并实时仿真显示。
37.plc中控系统：用于控制点云数据处理模块、工业机器人模块、喷绘机系统模块工作。
38.基于工业机器人的3d曲面喷绘系统的工作方法是：首先，3d相机在线检测到工件
进入工件待喷绘区，plc中控系统同时启动点云数据处理模块和工业机器人模块。点云数据处理模块将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，在模型表面输入编码会展示出预喷绘效果，设计人员决策预喷绘效果的喷绘形状和位置，然后点云数据处理模块给出喷绘路径。
39.与此同时，工业机器人模块待喷绘工件进入预定位置，根据3d相机捕捉到的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的z方向伸缩喷头2-5垂直，检测喷绘机的z方向伸缩喷头2-5到喷绘表面的距离是否满足小于5mm，如若满足则生成喷绘路径，如若不满足则3d相机引导工业机器人4调整姿态以满足要求，指引z方向伸缩喷头2-5到达特征点位置，再生成喷绘路径，然后让末端的喷绘系统工作。
40.然后，喷绘系统工作，三坐标移动机构回原点，超声定位模块2-18辅助调z方向伸缩喷头2-5与喷绘表面的距离，调整到合适位置后，z方向伸缩喷头2-5喷绘图案，三坐标移动机构配合z方向伸缩喷头2-5进行喷绘，根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人生成的喷绘路径结合进行喷绘，并实时仿真显示，直到最后完成喷绘工作。
41.本实施例中的其他部分均为现有技术，在此不再赘述。

技术特征：
1.一种基于工业机器人的3d曲面喷绘系统，其特征是：包括有：喷绘机：用于对工件进行喷绘，具有三坐标移动机构，可沿x方向、y方向、z方向进行移动，并带有超声定位系统；工业机器人：具有六自由度，与喷绘机连接，通过调整姿态满足喷绘机位置要求；三维视觉系统：包括3d相机，用于采集待喷绘工件的点云数据及捕捉待喷绘工件的特征面，并引导工业机器人调整姿态；点云数据处理模块：用于将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，通过在模型表面输入编码展示预喷绘效果，根据设计人员决策的喷绘形状和位置给出喷绘路径；工业机器人模块：根据3d相机捕捉到的待喷绘工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的喷头垂直及检测喷绘机的喷头到喷绘表面的距离，控制工业机器人调整姿态使喷绘机的喷头时刻与待喷绘的曲面垂直，并生成喷绘路径；喷绘机系统模块：根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人模块生成的喷绘路径结合控制喷绘机进行喷绘，并实时仿真显示；plc中控系统：用于控制点云数据处理模块、工业机器人模块、喷绘机系统模块工作。2.一种如权利要求1所述的基于工业机器人的3d曲面喷绘系统的工作方法，其特征是：包括如下步骤：(1)3d相机在线检测到工件进入工件待喷绘区，plc中控系统同时启动点云数据处理模块和工业机器人模块；点云数据处理模块将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，在模型表面输入编码展示出预喷绘效果，通过设计人员决策预喷绘效果的喷绘形状和位置，然后由点云数据处理模块给出喷绘路径；与此同时，工业机器人模块待喷绘工件进入预定位置，根据3d相机捕捉到的工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷绘机的喷头垂直及检测喷绘机的喷头到喷绘表面的距离是否满足小于5mm，如若满足则生成喷绘路径，如若不满足则3d相机引导工业机器人调整姿态以满足要求，并指引喷绘机的喷头到达特征点位置，再生成喷绘路径；(2)喷绘机系统模块工作，喷绘机的三坐标移动机构回到原点，通过超声定位系统辅助调整喷头与喷绘表面的距离，调整到合适位置后，喷头在三坐标移动机构的配合下进行喷绘图案，喷绘时根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人生成的喷绘路径结合进行喷绘，并实时仿真显示，直到最后完成喷绘工作。

技术总结
本发明公开了一种基于工业机器人的3D曲面喷绘系统及其工作方法。基于工业机器人的3D曲面喷绘系统，包括工业机器人；与工业机器人连接的喷绘机；三维视觉系统；点云数据处理模块，用于将扫描得到的点云数据转化成基于三角面片的三维模型，根据设计人员决策的喷绘形状和位置给出喷绘路径；工业机器人模块，根据3D相机捕捉到的待喷绘工件的特征面，检测喷绘区域是否与喷头垂直及检测喷头到喷绘表面的距离，控制工业机器人调整姿态使喷头时刻与待喷绘的曲面垂直，并生成喷绘路径；喷绘机系统模块，根据点云数据处理模块生成的喷绘路径和工业机器人模块生成的喷绘路径结合控制喷绘机进行喷绘；PLC中控系统控制各模块工作。PLC中控系统控制各模块工作。PLC中控系统控制各模块工作。


技术研发人员：孙扬 乔晋崴 梁海岗 方建华 邓晶 孙正 梁学真 李振强 杨轩
受保护的技术使用者：中国人民解放军32286部队50分队
技术研发日：2021.11.26
技术公布日：2022/3/8