一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置与流程

本发明涉及船体复杂外板自动加工领域，尤其涉及一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置。

背景技术：

船体复杂外板，又称水火弯板，它利用金属受热发生形变的特性，对金属面板进行高温加热，使之发生形变之后，加水冷却形成整体的弯曲的加工工艺流程。

在目前的水火弯板加工成型工艺中，普遍使用人工操作的方式，自动化程度比较低，而且这种方法费时费力，需要具有2-3年加工经验的工人才能很好把握加热形变程度。

在使用水火弯板自动化加工时，加热火枪常常会因为加工弯板受热形变过大，曲率较为弯曲，使得加热火枪有可能会与加工弯板发生碰撞，为保护加热装置和保证弯板受热均匀，需要确保加热火枪和加工弯板之间的垂直。因此，加热火枪和加工弯板之间的垂直度难以保持是本领域技术人员需要解决的技术问题。

技术实现要素：

本发明实施例提供了一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置，用于解决加热火枪和加工弯板之间的垂直度难以保持的技术问题。

本发明实施例提供一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法，包括：

从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标；

以所述加工点坐标为中心扫描出与所述加工点固定距离的所述加工外板上的至少3个锚点；

根据所述锚点计算所述加工外板在所述加工点坐标上的目标法向量；

根据所述目标法向量计算出RX方向的空间方位角和RZ方向的空间方位角；

根据所述RX方向的空间方位角控制加热火枪在RX方向转动，根据所述RZ方向的空间方位角控制所述加热火枪在RZ方向转动。

优选地，所述从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标具体包括：

使用3D激光扫描仪获取加工外板点云数据；

根据所述点云数据规划出加工焰道；

从所述加工焰道中获取加工点坐标。

优选地，所述以所述加工点坐标为中心扫描出与所述加工点固定距离的所述加工外板上的至少3个锚点具体包括：

以所述加工点坐标为中心，以预选取的一个半径R为扫描半径，以垂直于水平面向上为正方向建立正半球体；

计算所述正半球体与所述加工外板的交集并从所述交集中选取至少3个锚点。

优选地，所述根据所述锚点计算所述加工外板在所述加工点坐标上的目标法向量具体包括：

以所述加工点坐标为起点，以所述至少3个锚点的坐标为终点，计算至少3个向量；

以每相邻两向量组成一个平面，计算相对应的多个平面法向量；

将计算得出的每一个平面的法向量进行加和，并取均值，求出加工点实际的目标法向量；

优选地，所述根据所述目标法向量计算出RX方向的空间方位角和RZ方向的空间方位角具体包括：

将所述目标法向量向xy平面投影，得到投影向量；

计算所述投影向量与坐标轴Y轴之间的夹角β作为RZ方向的空间方位角，计算所述投影向量与所述目标法向量之间的夹角θ作为RX方向的空间方位角。

优选地，所述根据所述RX方向的空间方位角控制加热火枪在RX方向转动，根据所述RZ方向的空间方位角控制所述加热火枪在RZ方向转动具体包括：

通过船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置上的RX轴电机根据所述RX方向的空间方位角控制所述加热火枪转动；

通过船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置上的RZ轴电机根据所述RZ方向的空间方位角控制所述加热火枪转动。

优选地，所述至少3个锚点具体为8个锚点。

本发明实施例提供一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置，基于上述的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法进行运作，包括：处理器、RX轴电机、RZ轴电机和加热火枪；

所述处理器与所述RX轴电机、所述RZ轴电机连接；

所述加热火枪固定于所述RX轴电机上；

所述加热火枪与所述RX轴电机组合后固定于所述RZ轴电机上；

所述RZ轴电机设置于一固定位置；

所述处理器包括加工点坐标获取模块、锚点确定模块、目标法向量模块、空间方位角计算模块和控制模块；

加工点坐标获取模块，用于从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标；

锚点确定模块，用于以所述加工点坐标为中心扫描出与所述加工点固定距离的所述加工外板上的至少3个锚点；

目标法向量模块，用于根据所述锚点计算所述加工外板在所述加工点坐标上的目标法向量；

空间方位角计算模块，用于根据所述目标法向量计算出RX方向的空间方位角和RZ方向的空间方位角；

控制模块，用于根据所述RX方向的空间方位角发送控制所述加热火枪在RX方向转动的第一控制信号，根据所述RZ方向的空间方位角发送控制所述加热火枪在RZ方向转动的第二控制信号；

所述RX轴电机，用于根据所述第一控制信号控制所述加热火枪在RX方向转动；

所述RZ轴电机，用于根据所述第二控制信号控制所述加热火枪在RZ方向转动。

优选地，所述加工点坐标获取模块包括：

3D激光扫描仪，用于获取加工外板点云数据；

加工焰道子单元，用于根据所述点云数据规划出加工焰道；

加工点子单元，用于从所述加工焰道中获取加工点坐标。

优选地，所述锚点确定模块包括：

正半球子单元，用于以所述加工点坐标为中心，以预选取的一个半径R为扫描半径，以垂直于水平面向上为正方向建立正半球体；

锚点子单元，用于计算所述正半球体与所述加工外板的交集并从所述交集中选取至少3个锚点。

从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法根据点云数据通过至少3个锚点计算出加工点的法向量，从而根据法向量控制加热火枪转动，使得加热火枪在船体复杂外板成型自动加工过程中始终保持加热火枪与加工外板之间的垂直，解决了加热火枪和加工弯板之间的垂直度难以保持的技术问题。此外，采用至少3个锚点对法向量进行计算，在加工外板上选取至少3个锚点，避免了对整个加工外板的计算，使得计算方法更加简单，降低了计算成本，加快了计算速度，从而让加热火枪能够更加迅速地转动，能够更加准确迅速地保持加热火枪与加工外板之间的垂直。

此外，本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置配置了电机、加热火枪和用于自动化计算的各种模块，结合本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法通过各种模块进行执行，控制电机转动，从而使得加热火枪在船体复杂外板成型自动加工过程中始终保持加热火枪与加工外板之间的垂直，保护加热火枪同时使得加工外板受热均匀。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的一个实施例的示意图；

图2为本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例的示意图；

图3为本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置的一个实施例的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例的采用八个锚点计算加工点法向量的示意图；

图5为本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例的法向量在RX，RZ两个角度方向的偏量计算示意图。

其中，附图标记如下：

1、RX轴电机；2、RZ轴电机；3、加热火枪。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置，用于解决加热火枪和加工弯板之间的垂直度难以保持的技术问题。

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的一个实施例，包括：

101、从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标；

102、以所述加工点坐标为中心扫描出与所述加工点固定距离的所述加工外板上的至少3个锚点；

103、根据所述锚点计算所述加工外板在所述加工点坐标上的目标法向量；

104、根据所述目标法向量计算出RX方向的空间方位角和RZ方向的空间方位角；

105、根据所述RX方向的空间方位角控制加热火枪在RX方向转动，根据所述RZ方向的空间方位角控制所述加热火枪在RZ方向转动。

需要说明的是，RX方向，RZ方向是自定义的方向，总的来说RZ方向是在XY平面上以原点为中心顺时针或逆时针转动的方向，RX方向是在YZ或者XZ平面以原点为中心顺时针或逆时针转动的方向。

以上对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例进行详细的描述。

请参阅图2，本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例包括：

201、使用3D激光扫描仪获取加工外板点云数据；

202、根据所述点云数据规划出加工焰道；

203、从所述加工焰道中获取加工点坐标。

204、以所述加工点坐标为中心，以预选取的一个半径R为扫描半径，以垂直于水平面向上为正方向建立正半球体；

205、计算所述正半球体与所述加工外板的交集并从所述交集中选取至少3个锚点。

206、以所述加工点坐标为起点，以所述至少3个锚点的坐标为终点，计算至少3个向量；

207、以每相邻两向量组成一个平面，计算相对应的多个平面法向量；

208、将计算得出的每一个平面法向量进行加和，并取均值，求出加工点实际的目标法向量；

209、将所述目标法向量向xy平面投影，得到投影向量；

210、计算所述投影向量与坐标轴Y轴之间的夹角β作为RZ方向的空间方位角，计算所述投影向量与所述目标法向量之间的夹角θ作为RX方向的空间方位角。

211、通过船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置上的RX轴电机根据所述RX方向的空间方位角控制所述加热火枪转动；

212、通过船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置上的RZ轴电机根据所述RZ方向的空间方位角控制所述加热火枪转动。

需要说明的是，上述的以垂直于水平面向上为正方向建立正半球体具体为：以竖直向上为正方向建立正半球体。竖直向上也就是与重力相反的方向。

以上是对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法的另一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置的一个实施例进行详细的描述。

请参阅图3，本发明实施例提供一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置，基于上述的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法进行运作，包括：处理器、RX轴电机1、RZ轴电机2和加热火枪3；

处理器与RX轴电机1、RZ轴电机2连接；

加热火枪3固定于RX轴电机1上；

加热火枪3与RX轴电机1组合后固定于RZ轴电机2上；

RZ轴电机2设置于一固定位置；

处理器包括加工点坐标获取模块、锚点确定模块、目标法向量模块、空间方位角计算模块和控制模块；

加工点坐标获取模块，用于从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标；

锚点确定模块，用于以加工点坐标为中心扫描出与加工点固定距离的加工外板上的至少3个锚点；

目标法向量模块，用于根据锚点计算加工外板在加工点坐标上的目标法向量；

空间方位角计算模块，用于根据目标法向量计算出RX方向的空间方位角和RZ方向的空间方位角；

控制模块，用于根据RX方向的空间方位角发送控制加热火枪3在RX方向转动的第一控制信号，根据RZ方向的空间方位角发送控制加热火枪3在RZ方向转动的第二控制信号；

RX轴电机1，用于根据第一控制信号控制加热火枪3在RX方向转动；

RZ轴电机2，用于根据第二控制信号控制加热火枪3在RZ方向转动。

其中，加工点坐标获取模块包括：

3D激光扫描仪，用于获取加工外板点云数据；

加工焰道子单元，用于根据点云数据规划出加工焰道；

加工点子单元，用于从加工焰道中获取加工点坐标。

其中，锚点确定模块包括：

正半球子单元，用于以加工点坐标为中心，以预选取的一个半径R为扫描半径，以垂直于水平面向上为正方向建立正半球体；

锚点子单元，用于在正半球体与加工外板的交集中选取至少3个锚点。

以上是对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持装置的一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置的另一个实施例进行详细的描述。

本发明实施例提出的一种船体复杂外板自动加工成型火枪头垂直度保持方法的另一个实施例，包括以下步骤：

步骤1：从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标。

步骤2：以加工点坐标为中心，半径为R，扫描出距离加工点位置最近的8个锚点，计算加工点和两个锚点之间组成的平面法向量，再使用法向量求和求均值的方式计算出获取的焰道加工点的法向量。

步骤3：对步骤2中计算的法向量分解为在RX，RZ两个方向的空间方位角，使用两个联动的轴来控制加热火枪在这两个方向的转动，将计算得出转动量赋值给这两个轴，从而达到保持加工火枪与加工外板之间的垂直度。

所述的装置包括：1)RX轴控制电机1以及安装在其上并受其控制的加热火枪；2)RZ轴控制电机2，并且RZ轴控制电机2控制着整个RX轴控制电机1以及加热火枪的转动。

在一种优选的方案中，步骤1中所述的获取加工点坐标，其特征在于，使用一个3D激光扫描仪获取加工外板点云数据，规划出加工焰道，再从规划出的焰道中提取加工点的位置坐标。

在一种优选的方案中，步骤2中所述的计算焰道加工点的法向量，其特征在于，使用8个锚点对加工点的法向量进行计算，具体包括以下步骤：

a)为确保计算的加工点方向符合实际方向，以垂直水平面方向为正方向，以加工点O(X，Y，Z)为中心，半径为R，作一个半球体，利用所建立的半球体扫描距离加工点最近的8个空间点云坐标；

b)以加工点为起点，连接扫描到的8个锚点，建立8个方向的向量；

c)以每相邻两向量组成一个平面，计算平面的法向量。

d)将计算得出的每一个平面的法向量进行加和，并取均值，求出加工点实际的法向量。

在一种优选方案中，步骤3所述的计算RX，RZ方向空间方位角，其特征在于，将计算得出的加工点法向量n分解为RX，RZ两个角度方向，具体包括以下步骤：

a)将n向x，y平面投影，计算投影向量与Y轴之间的夹角β作为RZ方向空间方位角，与向量n之间的夹角θ作为RX方向空间方位角；

b)设计一个RX，RZ轴联动装置，用于控制实现加热火枪与加工外板的垂直度保持。其中β为RZ轴转动的角度，θ为RX轴转动的角度。

以上是对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置的另一个实施例进行详细的描述，以下将对本发明实施例提供的一种船体复杂外板加工火枪头垂直度保持方法及装置的另一个实施例进行详细的描述。

本发明实施例提出的一种船体复杂外板自动加工成型火枪头垂直度保持方法的另一个实施例，包括以下步骤：

步骤1：从获取的加工外板的点云数据中提取加工点坐标，如图4所示的O(x，y，z)。

步骤2：以加工点坐标为中心，半径为R，扫描出距离加工点位置最近的8个锚点，如图4所示，计算加工点和两个锚点之间组成的平面法向量，再使用法向量求和求均值的方式计算出获取的焰道加工点的法向量。

步骤3：请参阅图5，对步骤2中计算的法向量分解为在RX，RZ两个方向的空间方位角，使用两个联动的轴来控制加热火枪在这两个方向的转动，如图3所示，将计算得出转动量赋值给这两个轴，从而达到保持加工火枪与加工外板之间的垂直度。

在具体的实施过程中，步骤1中，所述的获取加工点坐标，包括以下步骤：

1)使用一个3D激光扫描仪获取加工外板点云数据；

2)规划出加工焰道；

3)从规划出的焰道中获取加工点。

如图4所示的O(x，y，z)为提取出的加工焰道点。

在具体的实施过程中，步骤2中所述的计算焰道加工点的法向量，使用8个锚点对加工点的法向量进行计算，具体包括以下步骤：

a)以加工点O(X，Y，Z)为中心，垂直于水平面方向为正方向，半径为R作一个半球体，确保所计算的加工点法向量方向不会于加工面板方向相反，利用所建立的半球体扫描距离加工点最近的8个空间点云坐标，D1(X₁，Y₁，Z₁)，D2(X₂，Y₂，Z₂)，D3(X₃，Y₃，Z₃)，D4(X₄，Y₄，Z₄)，D5(X₅，Y₅，Z₅)，D6(X₆，Y₆，Z₆)，D7(X₇，Y₇，Z₇)，D8(X₈，Y₈，Z₈)；

需要说明的是，由于使用的是激光扫描仪，扫描出来的图像是一堆点云数据，这8个点是存在扫描出来的加工点周边，选取一个扫描半径R，以加工点为圆心进行扫描，以垂直于水平面向上为正方向，建立正半球体。

建立半球体的圆心是加工面板上的点，因此扫描出的8个锚节点是建立的半球体与加工面板的交集。

8个锚节点已经足够求出加工点实际的法向量，太多锚节点会带来数据繁杂，冗余。

b)以加工点为起点，连接扫描到的8个锚点，建立8个方向的向量，如图4中所示的(X₁-X，Y₁-Y，Z₁-Z)，(X₂-X，Y₂-Y，Z₂-Z)，(X₃-X，Y₃-Y，Z₃-Z)，(X₄-X，Y₄-Y，Z₄-Z)，(X₅-X，Y₅-Y，Z₅-Z)，(X₆-X，Y₆-Y，Z₆-Z)，(X₇-X，Y₇-Y，Z₇-Z)，(X₈-X，Y₈-Y，Z₈-Z)；

c)以每相邻两向量组成一个平面，计算平面的法向量：

如图4中所示，每一个法向量：代表一个平面，利用平面法向量加和原则计算加工点O的法向量。

d)将计算得出的每一个平面的法向量进行加和，并取均值，求出加工点实际的法向量

在具体的实施过程中，步骤3所述的计算RX，RZ方向空间方位角，如图5所示，将加工点法向量分解为RX，RZ两个角度方向，并使用如图3所示的装置，在RX，RZ两个轴中赋予从法向量n分解得到的RX，RZ两个方向空间方位角(θ和β)，具体包括以下步骤：

a)将向x，y平面投影，计算投影向量与坐标轴Y轴之间的夹角β作为RZ方向空间方位角，与向量n之间的夹角θ作为RX方向空间方位角；

b)设计一个RX，RZ轴联动装置，用于控制实现加热火枪与加工外板的垂直度保持。其中β为RZ轴转动的角度，θ为RX轴转动的角度。

c)如图3所示，RX轴电机1上连着加热火枪，RX轴电机1转动可控制火枪在Z轴方向的移动，RZ轴电机2上连着RX轴电机1，RZ轴电机2转动可带动RX轴电机1以及加热火枪在XY平面上的角度转换，RX轴电机1的设计可满足加热火枪在RX方向上的角度θ的转动，而RZ轴电机2的设计可满足加热火枪在RZ方向上的角度β的转动。

需要说明的是，RX，RZ是自定义的角度，总的来说RZ是在XY平面上转动，RX是在YZ或者XZ平面转动。

所设计的装置RX轴电机1、RZ轴电机2的联动，可保证加热火枪与加工外板之间的垂直度保持，满足生产的要求。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的系统，装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如至少3个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。

另外，在本发明各个实施例中的各功能模块可以集成在一个处理模块中，也可以是各个模块单独物理存在，也可以两个或两个以上模块集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。

以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。