基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法和设备的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法和设备。五轴联动激光切割机切割前通常都需要一个示教的过程，但原有的示教录返过程不但费时费力，而且不易准确控制。本发明在激光切割头上固定一个光学测量仪，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪一起运动，利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，来完成工件空间点坐标的测量，获取其点云数据，然后利用逆向工程软件重构工件的CAD模型，进而根据该CAD模型实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划。本发明用于对三维大型覆盖件等薄壁、易变形工件的在线切割。
【专利说明】基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法和设备
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种在五轴联动激光切割机上安装测量装置通过逆向工程软件重构其CAD模型，实现复杂板材的免示教激光切割的方法和设备。
【背景技术】
[0002]五轴联动激光切割机原有的示教录返过程是依靠操作者的视觉和手工点动来完成的，整个过程不但费时费力，而且由于测头与工件的间距靠操作者肉眼确定，不易准确控制；同时由于测头结构的限制，导致精度不能得到有效保证。如何充分地利用已有的系统设备来实现免示教切割，便成为一个迫切需要解决的实际工程问题。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是提供一种基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法和设备，通过利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，实现三维曲面上切割姿态、轨迹的自动规划和数控编程。
[0004]本发明的目的是这样实现的:
基于逆向工程技术的免示教激光自动切割装置，其组成包括:五轴联动激光切割机，所述的五轴联动激光切割机连接数字化采集硬件和计算机，共同构成获取工件的点云数据的三维测量系统，所述的数字化采集硬件的光学测量仪与激光切割头固定，作为工件空间点坐标的测量装置。
[0005]一种基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，在激光切割头上固定一个光学测量仪，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪一起运动，利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，来完成工件空间点坐标的测量，获取其点云数据，然后利用逆向工程软件重构工件的CAD模型，进而根据该CAD模型实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划。
[0006]所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，光学测量仪与激光切割头固定在一起，利用五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，测量和加工在同一台设备上完成，工件一次装夹就完成测量和加工，消除二次装夹误差。
[0007]所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，利用逆向工程软件重构工件CAD模型，进而根据所述的CAD模型及激光切割要求实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划，实现复杂曲面的五轴联动免示教激光切割。
[0008]所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，通过切割机的运动控制系统带动光学测量仪运动，实现对工件的扫描运动，光学测量仪采用数字光栅投影方式将光栅条纹投影到被测物体表面，CCD相机从相异的角度拍摄被测物体表面的条纹图像，并输入到计算机；计算机上的数据处理软件根据获取条纹图像中的信息精确解析出每一个像素对应物体表面点的空间坐标(X,Y,Z)，生成被测物体表面的三维点云数据，并对数据进行自动合成，生成工件表面完整的点云数据，作为逆向工程软件的输入；由逆向工程软件完成复杂型面点云数据的预处理、点云数据与目标曲面的配准、点云数据的分片、曲线曲面的重构及CAD模型重建；然后根据重构的CAD模型的特点及激光切割的特点利用轨迹规划软件实现切割头姿态及轨迹的自动规划，并输出其G代码，这样不需要示教，就可以直接获得激光的切割轨迹。
[0009]有益效果:
本发明通过借机测量系统充分发挥了五轴联动激光切割机CNC系统的功能，对解决激光加工中切割头姿态及轨迹自动规划这一工程实际问题起到了有效的作用。
[0010]本发明特别适合于对三维大型覆盖件等薄壁、易变形工件的在线切割，可以进一步降低设备对工人的技术要求、节省加工时间、提高加工效率，更好地满足五轴联动激光切割加工的要求。本发明具有速度快、精度高、可操作性强的优点，可以更好地满足五轴联动激光切割加工的要求。
[0011]本发明通过逆向工程技术为解决该问题提供了一条新思路，在激光切割头上固定一个光学测量仪，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪一起运动，利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，来完成工件空间点坐标的测量，获取其点云数据，然后利用逆向工程软件重构工件的CAD模型，进而根据该CAD模型实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划，实现复杂板材的免示教激光切割。
[0012]本发明在五轴联动激光切割机上，配置相应的数字化采集硬件和计算机软件，构成简易的三维测量系统，从而达到投资少、见效快、事半功倍的效果。该测量系统属于准在线测量系统，测量和加工在同一台设备上完成，工件一次装夹就完成测量和加工，省时且测量成本低，无二次装夹误差。同时，该系统容易实现自动控制测量的示教录返编程，比起原有的点动控制示教录返编程，具有速度快、精度高、可操作性强的优点，因而可以更好地满足五轴联动激光切割加工的要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1:一种基于逆向工程技术的免不教三维激光切割方法；
图2:—种基于逆向工程技术的免示教激光切割机数据处理流程。
【具体实施方式】
[0014]实施例1:
基于逆向工程技术的免示教激光自动切割装置，其组成包括:五轴联动激光切割机，所述的五轴联动激光切割机连接数字化采集硬件和计算机，共同构成获取工件的点云数据的三维测量系统，所述的数字化采集硬件的光学测量仪与激光切割头固定，作为工件空间点坐标的测量装置。
[0015]实施例2:
一种基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，在激光切割头上固定一个光学测量仪，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪一起运动，利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，来完成工件空间点坐标的测量，获取其点云数据，然后利用逆向工程软件重构工件的CAD模型，进而根据该CAD模型实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划。[0016]实施例3:
实施例2所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，光学测量仪与激光切割头固定在一起，利用五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，测量和加工在同一台设备上完成，工件一次装夹就完成测量和加工，消除二次装夹误差。
[0017]实施例4:
实施例3所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，利用逆向工程软件重构工件CAD模型，进而根据所述的CAD模型及激光切割要求实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划，实现复杂曲面的五轴联动免示教激光切割。
[0018]实施例5:
光学测量仪与激光切割头固定在一起，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪运动，实现对工件的扫描运动。光学测量仪采用数字光栅投影方式将光栅条纹投影到被测物体表面，CCD相机从相异的角度拍摄被测物体表面的条纹图像，并输入到计算机。计算机上的数据处理软件根据获取条纹图像中的信息精确解析出每一个像素对应物体表面点的空间坐标(X、Y、Z)，生成被测物体表面的三维点云数据，并对数据进行自动合成，生成工件表面完整的点云数据，作为逆向工程软件的输入。由逆向工程软件完成复杂型面点云数据的预处理、点云数据与目标曲面的配准、点云数据的分片、曲线曲面的重构及CAD模型重建等。然后根据重构的CAD模型的特点及激光切割的特点利用轨迹规划软件实现切割头姿态及轨迹的自动规划，并输出其G代码，这样不需要示教，就可以直接获得激光的切割轨迹。
[0019]其中采用的硬件:
(I)光学测量仪。本系统采用光学双目面扫描测头，测量距离为800mm-1000mm，分辨率可达1280*1024，测量精度0.05mm，单次扫描时间< 5s。
[0020](2)五轴联动激光切割机的运动控制系统。包括驱动系统和相应执行机构，由它们来完成测量过程计算机发出的运动指令。
[0021](3)数控系统中的测量软件模块。借机量系统的功能实现，很大程度上取决于系统的软件，它主要完成测头运动控制，如光学测量仪运动速度和空间位置的控制；采样数据处理，获取机床当前三坐标的空间位置。
[0022](4)专用逆向工程软件。根据测量模块的测量结果进行数据处理、曲线曲面重构获取其CAD模型。
[0023](5)基于CAD模型的轨迹规划软件。根据逆向工程软件重构的CAD模型特征及激光切割的特点，实现切割姿态及轨迹的自动规划。
[0024]以上仅是本发明的具体应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制，凡采用等同变换、等效变换而形成的技术方案，均在本发明权利保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于逆向工程技术的免不教激光自动切割装置，其组成包括:五轴联动激光切割机，其特征是:所述的五轴联动激光切割机连接数字化采集硬件和计算机，共同构成获取工件的点云数据的三维测量系统，所述的数字化采集硬件的光学测量仪与激光切割头固定，作为工件空间点坐标的测量装置。
2.一种基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，其特征是:在激光切割头上固定一个光学测量仪，由切割机的运动控制系统带动光学测量仪一起运动，利用光学测量仪与五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，来完成工件空间点坐标的测量，获取其点云数据，然后利用逆向工程软件重构工件的CAD模型，进而根据该CAD模型实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划。
3.根据权利要求2所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，其特征是:光学测量仪与激光切割头固定在一起，利用五轴联动激光切割机的数控系统构成借机测量系统，测量和加工在同一台设备上完成，工件一次装夹就完成测量和加工，消除二次装夹误差。
4.根据权利要求2或3所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，其特征是:利用逆向工程软件重构工件CAD模型，进而根据所述的CAD模型及激光切割要求实现对激光切割姿态、轨迹的在线规划，实现复杂曲面的五轴联动免示教激光切割。
5.根据权利要求2或3所述的基于逆向工程技术的免示教激光三维测量方法，其特征是:通过切割机的运动控制系统带动光学测量仪运动，实现对工件的扫描运动，光学测量仪采用数字光栅投影方式将光栅条纹投影到被测物体表面，CCD相机从相异的角度拍摄被测物体表面的条纹图像，并输入到计算机；计算机上的数据处理软件根据获取条纹图像中的信息精确解析出每一个像素对应物体表面点的空间坐标(X、Y、Z)，生成被测物体表面的三维点云数据，并对数据进行自动合成，生成工件表面完整的点云数据，作为逆向工程软件的输入；由逆向工程软件完成复杂型面点云数据的预处理、点云数据与目标曲面的配准、点云数据的分片、曲线曲面的重构及CAD模型重建；然后根据重构的CAD模型的特点及激光切割的特点利用轨迹规划软件实现切割头姿态及轨迹的自动规划，并输出其G代码，这样不需要示教，就可以直接获得激光的切割轨迹。
【文档编号】G05B19/4097GK103885390SQ201410139980
【公开日】2014年6月25日 申请日期:2014年4月9日 优先权日:2014年4月9日
【发明者】王懋露, 张宏志, 王扬, 刘俊岩, 杨立军 申请人:哈尔滨工业大学