CN113021017B - 随形自适应3d检测与加工*** - Google Patents

Abstract

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种随形自适应3D检测与加工***，旨在解决现有技术中复杂形面零部件加工装置适应性和兼容性低、加工精度差、智能化低的问题。本申请提供的随形自适应3D检测与加工***可实现五轴随形检测+八轴自随形自适应加工模式、八轴随形检测+五轴随形自适应加工模式、多轴随形检测+九轴随形自适应加工三种工作模式自由切换。通过多轴联动设计、多模式工艺切换、智能化控制***开发等技术，可实现复杂形面零部件随形自适应智能3D检测与加工。

Description

随形自适应3D检测与加工***

技术领域

本发明属于智能制造技术领域，具体涉及一种随形自适应3D检测与加工***。

背景技术

在航空发动机、燃气轮机等工业领域，存在有大量复杂形面零部件，如发动机叶片、叶盘、曲轴等，这些零部件大都具有复杂曲面、曲线以及其它不规则形状特点，且部分零件如高端航空发动机叶片等零件，属于保密技术，很难获得其真实的曲面或曲线方程、图纸等技术资料，从而导致在对这些零部件进行加工或修复时，无法准确获得其外形参数，加工和修复精度很难达到规定标准。通过精确的传感器来对复杂形面零部件进行三维重建，获得其精确的外形参数，并将参数传输给后续的执行单元进行加工或修复是解决该问题的一条技术途径。

目前复杂零部件进行三维重建的方法很多，主要分为接触式和非接触式两类，对于接触式方法，如三坐标测量仪，具有精度高的优点、但其检测效率往往较低，且检测和加工很难放在一个单元里集成运行。对于非接触方法，如视觉传感器，其检测精度虽然不及接触式测量方法，但由于其检测效率高、易于与加工单元进行集成，因此成为目前研究和应用的热点。

对于现有检测与加工设备，其往往通过在现有的机床或机械手上进行改造，加装非接触式传感器，但这种方式具有很大局限性，首先是适应性不高，受限于原有设备的结构，改造后的设备通常是专用设备，只能针对一种或一类零件加工，适应性和兼容性较低；第二是测量精度不高，由于加工误差、装配误差、结构限制、标定误差等原因，很难获得加工制造所需的精度；第三，智能化程度低，由于是后期改造，导致其控制***设计受限，智能化程度较低。

发明内容

为了解决现有技术中的上述问题，即为了解决现有技术中复杂形面零部件加工装置适应性和兼容性低、加工精度差、智能化低的问题，本发明提供了一种随形自适应3D检测与加工***，该***包括彼此通信连接的双轴旋转运动单元、三轴坐标运动单元、六轴随形运动单元、3D检测模块和总控中心，所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元分别装设于所述双轴旋转运动单元的两侧；

所述双轴旋转运动单元包括俯仰装置和偏转装置，用于带动第一负载进行俯仰运动和旋转运动；

所述三轴坐标运动单元用于带动第二负载沿三个相互正交方向进行直线运动；

所述六轴随形运动单元由六个独立的伺服运动轴组成，以带动第三负载进行空间六自由度随形运动；

所述3D检测模块用于获取工件的空间位姿信息；

所述第一负载、所述第二负载、所述第三负载分别为工件、加工执行器、所述3D检测模块中的任意一者且互不相同；

在工作状态下，所述总控中心基于所述3D检测模块获取的工件信息，选择预构建的联动加工模式并实时生成控制指令以控制加工执行器对工件进行加工。

在一些优选技术方案中，所述双轴旋转运动单元还包括支架，所述偏转装置通过所述俯仰装置固定于所述支架；

所述俯仰装置包括第一转台、俯仰驱动装置和运动架，两个所述第一转台平行间隔装设于所述支架，所述第一转台的旋转面垂直于所述支架设置；所述俯仰驱动装置装设于所述第一转台的一侧；所述运动架横向连接于两个所述第一转台之间；所述俯仰驱动装置驱动所述第一转台旋转以带动所述运动架进行俯仰运动；

所述偏转装置包括第二转台和偏转驱动装置，所述第二转台和所述偏转驱动装置均装设于所述运动架，所述偏转驱动装置的输出轴垂直于所述支架设置并与所述第二转台连接，所述第二转台的旋转面与所述第一转台的旋转面正交设置，所述偏转驱动装置驱动所述第二转台旋转以带动装设于所述第二转台上的负载进行偏转运动。

在一些优选技术方案中，3D检测模块包括两个相机、投影仪、相机运动模块，两个所述相机分别通过两个所述相机运动模块装设于所述投影仪的两侧，两个所述相机沿所述投影仪的投影方向轴对称设置，所述相机运动模块用于带动所述相机运动以检测工件的三维图像信息。

在一些优选技术方案中，所述***还包括本体结构件，所述本体结构件为框架结构，所述本体结构件的底面与水平面平行，所述本体结构件用于固定所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元；

所述三轴坐标运动单元包括彼此正交设置的第一水平驱动机构、第二水平驱动机构和纵向驱动机构，所述第一水平驱动机构和所述第二水平驱动机构设置于与水平面平行的平面，所述纵向驱动机构能够沿所述第一水平驱动机构和所述第二水平驱动机构延伸方向运动。

在一些优选技术方案中，所述第一负载为工件，所述工件固设于所述第二转台；

所述第二负载为所述3D检测模块，所述3D检测模块固设于所述三轴坐标运动单元的纵向驱动机构；

所述第三负载为加工执行器，所述加工执行器与所述六轴随形运动单元固定连接；

所述3D检测模块与所述三轴坐标运动单元构成五轴随形检测模块，所述加工执行器与所述六轴随形运动单元构成八轴随形自适应加工模块。

在一些优选技术方案中，所述第一负载为工件，所述工件固设于所述第二转台；

所述第二负载为加工执行器，所述加工执行器固设于所述三轴坐标运动单元的纵向驱动机构；

所述第三负载为3D检测模块，所述3D检测模块与所述六轴随形运动单元固定连接；

所述3D检测模块与所述六轴随形运动单元构成八轴随形检测模块，所述加工执行器与所述三轴坐标运动单元构成五轴随形自适应加工模块。

在一些优选技术方案中，所述第一负载为所述3D检测模块，所述第二负载为工件或加工执行器；

当所述第二负载为工件时，所述第三负载为加工执行器；

当所述第二负载为加工执行器时，所述第三负载为工件。

在一些优选技术方案中，所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元均包括六维力位传感器组件；所述总控中心包括彼此通信连接的标定模块、高精度三维重构模块、离线轨迹规划模块、多轴力位耦合控制模块、离线仿真分析模块和多轴组合加工控制模块；

所述标定模块用于对工件进行标定，生成标定信息；

所述高精度三维重构模块基于所述标定信息对所述工件进行三维重构，获取工件的三维重构模型；

所述离线轨迹规划模块基于所述三维重构模型选择加工模式并生成加工轨迹；

所述多轴力位耦合控制模块基于所述加工轨迹生成加工轨迹和力-位耦合加工控制策略；

所述离线仿真分析模块基于所述加工模式进行模拟测量和加工仿真，并进行干涉检测获取分析结果；

所述多轴组合加工控制模块基于所述分析结果、所述加工轨迹和所述加工控制策略控制所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元以对工件进行加工。

在一些优选技术方案中，所述标定模块包括以下标定步骤：相机内参标定，相机和投影仪联合标定，相机和机械臂手眼标定，相机和转轴联合标定。

在一些优选技术方案中，还包括机械臂和负载架，所述负载架用于固定工件、加工执行器和3D检测模块，所述机械臂上装设有三维图像采集设备，所述三维图像采集设备用于获取工件的三维图像信息；

在工作状态下，所述机械臂基于所述三维图像采集设备获取的工件三维图像信息选择工件的初始加工模式，并依据所述初始加工模式将工件、加工执行器、3D检测模块一一对应地装设于各单元的固定部。

在一些优选技术方案中，该***还包括模式快速切换单元和自动切换机械手；

所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元、所述六轴随形运动单元为主动单元；所述第一负载、所述第二负载、所述第三负载为从动单元，各所述主动单元均装设有工装公头，各所述从动单元均装设有工装母头，各所述从动单元均通过所述工装母头装设于所述工装公头，并能够在所述主动单元的带动下运动；

所述模式快速切换单元用于承载各所述从动单元；

所述自动切换机械手用于将所述模式快速切换单元上的所述从动单元夹持至所述主动单元的工装公头处；所述自动切换机械手上设置有视觉识别装置，所述自动切换机械手能够基于所述视觉识别装置获取所述主动单元上工装公头的两个定位柱的坐标位置；

所述自动切换机械手能够基于所述两个定位柱的坐标位置调整所述工装母头的位姿，以使得所述工装公头与所述工装母头匹配；或者

所述自动切换机械手分别通过通讯链路与各所述主动单元通信连接，各所述主动单元能够基于所述两个定位柱的坐标位置，调整所述工装公头的位姿，以使得所述工装公头与所述工装母头匹配。

本发明的有益效果：

本发明可实现五轴随形检测+八轴自随形自适应加工模式、八轴随形检测+五轴随形自适应加工模式、2+3或2+六轴随形检测+九轴随形自适应加工三种工作模式自由切换。通过多轴联动设计、多模式工艺切换、智能化控制***开发等技术，可实现复杂形面零部件随形自适应智能3D检测与加工。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一种实施例的随形自适应3D检测与加工***整体结构示意图；

图2为本发明一种实施例中三轴坐标运动单元的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中双轴旋转运动单元的结构示意图；

图4为本发明一种实施例中六轴随形运动单元的结构示意图；

图5为本发明一种实施例中3D检测模块的结构示意图；

图6为本发明一种实施例中模式快速切换单元的结构示意图；

图7为本发明一种实施例中自动切换机械手的结构示意图；

图8为本发明一种实施例中加工执行器的结构示意图；

图9为本发明一种实施例中公头与母头对接的结构示意图；

图10为本发明一种实施例中***为五轴随形检测与八轴随形自适应加工模式的示意图；

图11为本发明一种实施例中***为八轴随形检测与五轴随形自适应加工模式的示意图；

图12为本发明一种实施例中多轴随形检测与九轴随形自适应加工的示意图一；

图13为本发明一种实施例中多轴随形检测与九轴随形自适应加工的示意图二；

附图标记列表：

1-三轴坐标运动单元；2-双轴旋转运动单元；3-六轴随形运动单元；4-3D检测模块；5-第一水平驱动机构；6-第二水平驱动机构；7-纵向驱动机构；8-上中空转台；9-左中空转台；10-右中空转台；11-偏转RV自锁蜗杆减速机；12-俯仰RV自锁蜗杆减速机；13-支架；14-运动架；15-转盘；16-相机；17-投影仪；18-平移模块；19-旋转模块；20-相机机架；21-工件；22-加工执行器；23-模式快速切换单元；24-自动切换机械手；25-快速更换工装公头；26-快速更换工装母头；27-气动夹具；28-模式切换定位相机。

具体实施方式

为使本发明的实施例、技术方案和优点更加明显，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非旨在限制本发明的保护范围。

本发明的一种自适应3D检测与加工***包括彼此通信连接的双轴旋转运动单元、三轴坐标运动单元、六轴随形运动单元、3D检测模块和总控中心，所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元分别装设于所述双轴旋转运动单元的两侧；

所述双轴旋转运动单元包括俯仰装置和偏转装置，用于带动第一负载进行俯仰运动和旋转运动；

所述三轴坐标运动单元用于带动第二负载沿三个相互正交方向进行直线运动；

所述六轴随形运动单元由六个独立的伺服运动轴组成，以带动第三负载进行空间六自由度随形运动；

所述3D检测模块用于获取工件的空间位姿信息；

所述第一负载、所述第二负载、所述第三负载分别为工件、加工执行器、所述3D检测模块中的任意一者且互不相同；

在工作状态下，所述总控中心基于所述3D检测模块获取的工件信息，选择预构建的联动加工模式并实时生成控制指令以控制加工执行器对工件进行加工。

为了更清晰地对本发明自适应3D检测与加工***进行说明，下面结合附图对本发明一种优选实施例进行展开详述。

实施例1：

作为本发明的一个优选实施例，本发明的自适应3D检测与加工***如图1所示，包括本体结构件，该本体结构件为框架结构，该本体结构件的底面与水平面平行，本体结构件具有容纳空间，该容纳空间用于固定双轴旋转运动单元2、三轴坐标运动单元1和六轴随形运动单元3以及3D检测模块4；三轴坐标运动单元1和六轴随形运动单元3分别装设于双轴旋转运动单元2的两侧；3D检测模块4的位置可变，其可以依据加工模式装设于双轴旋转运动单元2、三轴坐标运动单元1和六轴随形运动单元3中任一单元的固定部上。

参阅图3，双轴旋转运动单元2包括俯仰装置和偏转装置以及第一固定部，该第一固定部用于固定第一负载，双轴旋转运动单元2用于带动第一负载进行俯仰运动和旋转运动。具体而言，双轴旋转运动单元2还包括支架，偏转装置通过俯仰装置固定于支架13；俯仰装置包括第一转台、俯仰驱动装置和运动架14，两个第一转台平行间隔装设于支架13，第一转台的旋转面垂直于支架设置，参阅附图，两个第一转台分别为左中空转台9和右中空转台10；俯仰驱动装置装设于第一转台的一侧，优选地，俯仰驱动装置为俯仰RV自锁蜗杆减速机12，其装设于右中空转台10的一侧。运动架14横向连接于两个第一转台之间，即运动架14的两端分别与左中空转台9和右中空转台10连接；俯仰驱动装置驱动第一转台旋转以带动运动架14进行俯仰运动；

偏转装置包括第二转台和偏转驱动装置，优选地，第二转台包括图3所示的转盘15和上中空转台8，偏转驱动装置包括偏转RV自锁蜗杆减速机11和伺服电机；上中空转台8、转盘15、偏转RV自锁蜗杆减速机11以及伺服电机均装设于运动架14，偏转RV自锁蜗杆减速机11的输入端与伺服电机的输出轴连接，偏转RV自锁蜗杆减速机11的输出轴垂直于支架13设置并通过上中空转台8与转盘15连接，转盘15的旋转面与第一转台的旋转面正交设置，偏转RV自锁蜗杆减速机11驱动转盘15旋转以带动装设于转盘15上的负载进行偏转运动。

双轴旋转运动单元2由上中空转台8，左中空转台9，右中空转台10，偏转RV自锁蜗杆减速机11，俯仰RV自锁蜗杆减速机12、支架13，运动架14以及转盘15组成。其中转盘15与上中空转台8运动部分连接，上中空转台8输入孔与偏转RV自锁蜗杆减速机11输出轴固连，偏转RV自锁蜗杆减速机11输入孔与伺服电机输出轴固连，从而实现转盘15在伺服电机带动下，与上中空转台8运动部分共同旋转，实现偏转运动；上中空转台8静止部分与运动架14固连，左中空转台9运动部分以及右中空转台10运动部分与运动架14固连，左中空转台9静止部分以及右中空转台10静止部分与支架13固连，右中空转台10输入孔与俯仰RV自锁蜗杆减速机12输出轴固连，俯仰RV自锁蜗杆减速机12输入孔与伺服电机输出轴固连，从而实现运动架14在伺服电机带动下，与右中空转台10运动部分共同旋转，实现俯仰运动。

进一步地，三轴坐标运动单元1用于带动第二负载沿三个相互正交方向进行直线运动。参阅图2，三轴坐标运动单元1包括彼此正交设置的第一水平驱动机构5、第二水平驱动机构6和纵向驱动机构7，第一水平驱动机构5和第二水平驱动机构6设置于与水平面平行的平面，在本申请的优选实施例中，第一水平驱动机构5和第二水平驱动机构6均设置于本体结构件的框架结构顶部。纵向驱动机构7能够沿第一水平驱动机构5和第二水平驱动机构6延伸方向运动。

具体而言，其中三轴坐标运动单元1由3个单轴伺服机械手组成，其中，第二水平驱动机构6与第一水平驱动机构5的滑块固定连接，纵向驱动机构7与第二水平驱动机构6的滑块固定连接，纵向驱动机构7的滑块具有第二固定部，第二固定部既可以用于固定3D检测模块，也可以用于固定加工执行器和工件。

六轴随形运动单元3由六个独立的伺服运动轴组成，其具有第三固定部，以带动第三负载进行空间六自由度随形运动。六个伺服运动轴与前述三轴坐标运动单元1以及双轴旋转运动单元2采用同一总线通讯协议，如ethercat总线。

接着，3D检测模块用于获取工件的空间位姿信息。参阅图5，3D检测模块4包括两个相机16、投影仪17、相机运动模块，两个相机16分别通过两个相机运动模块装设于投影仪17的两侧，两个相机16沿投影仪7的投影方向轴对称设置，相机运动模块用于带动相机16运动以检测工件的三维图像信息。

进一步地，相机运动模块包括平移模块18和旋转模块19，其中两个相机16分别与两个旋转模块19固连，从而实现两个相机可以自由旋转调整与投影仪光轴之间夹角，两个旋转模块19分别与两个平移模块18固连，从而实现两个相机可以沿水平方向调整两者之间的距离。投影仪17与相机机架20固定，两个平移模块18与相机机架20固定。

上述的第一负载、第二负载、第三负载分别为工件、加工执行器、3D检测模块4中的任意一者或组合。具体而言，即工件可以作为第一负载与双轴旋转运动单元的第一固定部连接，也可以作为第二负载与三轴坐标运动单元的第二固定部连接，还可以作为第三负载与六轴随形运动单元的第三固定部连接。同理，加工执行器和3D检测模块也可以作为第一负载、第二负载、第三负载分别装设于各单元的固定部。

在工作状态下，本***的总控中心基于输入的工件信息或3D检测模块4获取的工件信息，选择预构建的联动加工模式并实时生成控制指令以控制加工执行器对工件进行加工。需要说明的是，本申请是基于工件的重量和外形尺寸选择的联动加工模式。

本申请的工作模式包括随形检测模式和随形自适应加工模式。优选地，本申请***可实现五轴随形检测+八轴自随形适应加工模式、八轴随形检测+五轴随形自适应加工模式、多轴随形检测+九轴随形自适应加工三种工作模式自由切换。即当待加工工件重量小于5kg，外形最大尺寸小于500mm时，***采用五轴随形检测+八轴自随形适应加工模式对工件进行加工；当待加工工件重量大于5kg，外形最大尺寸小于500mm时，***采用八轴随形检测+五轴自随形适应加工模式对工件进行加工；当待加工工件外形最大尺寸大于500mm时，***采用多轴随形检测+九轴随形自适应加工对工件进行加工；本领域技术人员也可灵活调整联动加工模式与工件的重量和外形尺寸的映射关系。

下面将具体详细描述本申请的各工作模式。

当第一负载为工件21、第二负载为3D检测模块4、第三负载为加工执行器22时；3D检测模块4与三轴坐标运动单元1构成五轴随形检测模块，加工执行器22与六轴随形运动单元3构成八轴随形自适应加工模块。

具体地，五轴随形检测是指由三轴坐标运动单元1与双轴旋转运动单元2以及3D检测模块4组合联动，进行随形检测。其中3D检测模块4与纵向驱动机构7固连，由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4一起运动，工件放置于双轴旋转运动单元2的转盘15上，实现工件与双轴旋转运动单元一起运动。五轴随形检测是指双轴旋转运动单元2带动工件做偏转和俯仰运动，而三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4随着工件一起随形运动，从而保证3D检测模块可以将复杂形面工件所有区域均高精度对焦拍摄并拼接，实现复杂形面工件高精度五轴随形检测。

八轴随形自适应加工是指由六轴随形运动单元3与双轴旋转运动单元2组合联动，实现随形自适应加工。其中加工执行器22(如电主轴、切削具等)与六轴随形运动单元3固连，工件放置于双轴旋转运动单元2的转盘15上，实现工件与双轴旋转运动单元一起运动。八轴随形自适应加工是指双轴旋转运动单元2带动工件做偏转和俯仰运动，而六轴随形运动单元3带动加工执行器对工件进行加工，通过八轴之间联动运动实现复杂形面工件高精度随形自适应加工。

当第一负载为工件、第二负载为加工执行器、第三负载为3D检测模块4时，3D检测模块4与六轴随形运动单元3固定连接；3D检测模块4与六轴随形运动单元3构成八轴随形检测模块，加工执行器22与三轴坐标运动单元1构成五轴随形自适应加工模块。

八轴随形检测是指由六轴随形运动单元3与双轴旋转运动单元2以及3D检测模块4组合联动，进行随形检测。其中3D检测模块4与六轴随形运动单元3固连，由六轴随形运动单元3带动3D检测模块4一起运动，工件放置于双轴旋转运动单元2的转盘15上，实现工件与双轴旋转运动单元一起运动。所述八轴随形检测是指双轴旋转运动单元2带动工件做偏转和俯仰运动，而六轴随形运动单元3带动3D检测模块4随着工件一起随形运动，从而保证3D检测模块可以将复杂形面工件所有区域均高精度对焦拍摄并拼接，实现复杂形面工件高精度八轴随形检测。

五轴随形自适应加工是指由三轴坐标运动单元1与双轴旋转运动单元2组合联动，实现随形自适应加工。其中加工执行器(如电主轴、切削具等)与三轴坐标运动单元1中的纵向驱动机构7固连，工件放置于双轴旋转运动单元2的转盘15上，实现工件与双轴旋转运动单元一起运动。所述五轴随形自适应加工是指双轴旋转运动单元2带动工件做偏转和俯仰运动，而三轴坐标运动单元1带动加工执行器对工件进行加工，通过五轴之间联动运动实现复杂形面工件高精度随形自适应加工。

当第一负载为3D检测模块4，第二负载为工件21或加工执行器22时；3D检测模块4与双轴旋转运动单元2构成多轴随形检测模块，加工执行器22与三轴坐标运动单元1或六轴随形运动单元3构成九轴随形自适应加工模块。

当第二负载为工件21时，第三负载为加工执行器22；

当第二负载为加工执行器22时，第三负载为工件21。

多轴随形检测是指由双轴旋转运动单元2以及3D检测模块4组合联动，进行随形检测。其中3D检测模块4与双轴旋转运动单元2的转盘15固连，由双轴旋转运动单元2带动3D检测模块4一起运动，工件既可以与三轴坐标运动单元1的纵向驱动机构7滑块固连，也可以与六轴随形运动单元3固连。参阅附图，附图12示意了工件与三轴坐标运动单元1的纵向驱动机构7滑块固连的示意图；附图13示意了工件与六轴随形运动单元3固连的示意图。多轴随形检测是指双轴旋转运动单元2带动3D检测模块4做偏转和俯仰运动，而三轴坐标运动单元1或六轴随形运动单元3带动带动工件运动，从而保证3D检测模块可以将复杂形面工件所有区域均高精度对焦拍摄并拼接，实现复杂形面工件高精度双轴随形检测。

九轴随形自适应加工是指由三轴坐标运动单元1与六轴随形运动单元3组合联动，实现随形自适应加工。其中加工执行器(如电主轴、切削具等)与工件分别与三轴坐标运动单元1、六轴随形运动单元3固连，两者位置可以互换。所述九轴随形自适应加工是指由三轴坐标运动单元1带动加工执行器对放置于六轴随形运动单元3末端的工件进行随形自适应加工，或者由六轴随形运动单元3带动加工执行器对放置于三轴坐标运动单元1的纵向驱动机构7滑块上的工件进行随形自适应加工，通过上述两种方式，可以实现九轴之间联动运动，从而实现复杂形面工件高精度随形自适应加工。

五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式是指对于一些复杂形面零件轻载(重量小于5kg，外形最大尺寸小于500mm)高精度加工而言，首先通过五轴随形检测实现对工件的高精度三维重构，获得点云坐标后，将坐标数据传输到平台集成控制***，然后由平台集成控制***对八轴随形自适应加工***进行轨迹规划与力位控制策略生成，之后进行离线仿真模拟，确认无误后进行八轴随形自适应加工，具体加工模式参阅图10。

八轴随形检测+五轴随形自适应加工模式是指对于一些复杂形面零件重载(重量大于5kg，外形最大尺寸小于500mm)高精度加工而言，首先通过八轴随形检测实现对工件的高精度三维重构，获得点云坐标后，将坐标数据传输到平台集成控制***，然后由平台集成控制***对五轴随形自适应加工***进行轨迹规划与力位控制策略生成，之后进行离线仿真模拟，确认无误后进行五轴随形自适应加工，具体加工模式参阅图11。

多轴随形检测+九轴随形自适应加工模式是指对于一些形状特别复杂，尺寸非常大的工件(外形最大尺寸大于500mm)，需要通过大行程运动或更多轴联动加工的工件而言，首先通过多轴随形检测实现对工件的高精度三维重构，获得点云坐标后，将坐标数据传输到平台集成控制***，然后由平台集成控制***对九轴随形自适应加工***进行轨迹规划与力位控制策略生成，之后进行离线仿真模拟，确认无误后进行九轴随形自适应加工(如图12和图13所示)。

本申请随形自适应3D检测与加工***由平台总控中心做为统一控制平台，总控中心由运动控制卡通过总线协议(如Ethercat等总线)与各轴伺服驱动器进行通讯，总控中心包含彼此通信连接的***标定模块、高精度三维重构***、离线轨迹规划***、多轴力位耦合控制***、离线仿真分析***、多轴组合(五轴加工、八轴加工、九轴加工)加工运动控制***六大模块组成。标定模块用于对工件进行标定，生成标定信息；高精度三维重构模块基于所述标定信息对所述工件进行三维重构，获取工件的三维重构模型；离线轨迹规划模块基于所述三维重构模型选择加工模式并生成加工轨迹；多轴力位耦合控制模块基于所述加工轨迹生成加工轨迹和力-位耦合加工控制策略；离线仿真分析模块基于所述加工模式进行模拟测量和加工仿真，并进行干涉检测获取分析结果；多轴组合加工控制模块基于所述分析结果、所述加工轨迹和所述加工控制策略控制所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元以对工件进行加工。

其中***标定模块可以实现在不同工作模式下进行***标定；标定模块包括以下标定步骤：相机内参标定，相机和投影仪联合标定，相机和机械臂手眼标定，相机和转轴联合标定。

高精度三维重构***在多模式(五轴随形检测、八轴随形检测、多轴随形检测)工作状态下实现对多尺度、复杂曲面零部件的高精度三维重构；离线轨迹规划***可以在不同工作模式下生成3D测量与加工轨迹；多轴力位耦合控制***可以实现在不同工作模式下力-位耦合加工控制策略；离线仿真分析***可以实现在不同工作模式下进行模拟测量与加工仿真，并进行干涉检测；多轴组合(五轴加工、八轴加工、九轴加工)加工运动控制***可以实现根据连线轨迹规划结果以及力-位耦合加工控制策略生成运动控制指令，实现具体加工。

下面结合具体工作方法对本申请实施例1的五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式进行详细说明。

首先在平台总控中心软件中选择工作模式为五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式。将工件21及工装夹具置于双轴旋转运动单元2上并固连，3D检测模块4与三轴坐标运动单元1固连，加工执行器22与六轴随形运动单元末端轴固连。然后在平台总控中心中根据加工模式进行***标定。标定完成后，首先由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4进行工件三维重建，三维重建的过程包含三步，第一步由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4对工件进行整体拍照，第二步由平台集中控制软件中的离线轨迹规划***智能生成3D检测运动轨迹，并进行离线仿真与干涉检测，第三步由平台集中控制软件中的多轴组合加工运动控制***生成运动指令，控制三轴坐标运动单元1与双轴旋转运动单元2进行联动运动，从而实现工件的高精度三维重建。

重建完成后，三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4回退到安全位置，准备开始进行八轴随形自适应加工。加工过程也分为三步，第一步将生成的工件点云坐标传输到总控中心中，由总控中心离线轨迹规划***智能生成加工轨迹并进行离线仿真与干涉检测，第二步由多轴力位耦合控制***根据当前工作模式(八轴随形自适应加工模式)生成力位耦合控制策略，第三步由多轴组合加工运动控制***生成运动指令，控制六轴随形运动单元3与双轴旋转运动单元2进行联动运动，从而实现工件的高精度随形自适应加工。加工完成后，六轴随形运动单元3带动加工执行器22回退到安全位置，由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4再次重复三维重建过程，对工件进行加工后的三维重建，从而获得加工后的工件高精度三维点云，供后续加工评估或检测评估使用。

以上通过实例对本发明的五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式进行了详细说明，其它加工模式类似上述过程。但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。

实施例2：

该实施例2相比于上述实施例1的区别在于，还包括机械臂和负载架，负载架用于固定工件21、加工执行器22和3D检测模块4，机械臂上装设有三维图像采集设备，三维图像采集设备用于获取工件21的三维图像信息；

在工作状态下，机械臂基于三维图像采集设备获取的工件三维图像信息选择工件的初始加工模式，并依据初始加工模式将工件、加工执行器、3D检测模块一一对应地装设于各单元的固定部。可以理解的是，实施例2同样具有实施例1的所有优点，并能实现实施例1所能实现的所有技术效果，在此不再赘述。

实施例3：

该实施例3相比于上述实施例1的区别在于：

还包括模式快速切换单元23和自动切换机械手24；

双轴旋转运动单元、三轴坐标运动单元、六轴随形运动单元为主动单元；第一负载、第二负载、第三负载为从动单元，各主动单元均装设有工装公头，各从动单元均装设有工装母头，各从动单元均通过所述工装母头装设于工装公头，并能够在主动单元的带动下运动；模式快速切换单元用于承载各从动单元；自动切换机械手24用于将模式快速切换单元23上的从动单元夹持至主动单元的工装公头处以使得从动单元装设于主动单元。自动切换机械手24上设置有视觉识别装置即模式切换定位相机28，自动切换机械手24能够基于模式切换定位相机28获取主动单元上工装公头的两个定位柱的坐标位置；自动切换机械手能够调整所述工装母头的位姿，以使得所述工装公头与所述工装母头匹配；或者自动切换机械手分别通过通讯链路与各所述主动单元通信连接，各主动单元能够基于视觉识别装置获取主动单元上工装公头的两个定位柱的坐标位置，调整工装公头的位姿，以使得工装公头与工装母头匹配。

进一步地，本申请的双轴旋转运动单元、三轴坐标运动单元、六轴随形运动单元上均设置有快速更换工装公头25，第一负载、第二负载、第三负载均设置有快速更换工装母头26，通过快速更换工装公头25和快速更换工装母头26的装配可以实现本申请各单元快速与负载进行装配，进一步地，参阅附图9，快速更换工装公头25和快速更换工装母头26均包含有电磁锁定开关，当快速更换工装公头25的两个定位柱与快速更换工装母头26的两个定位孔对准并***到位后，可自动触发电磁锁定开关开启，从而保证快速更换工装公头25与快速更换工装母头26牢固连接。

具体地，参阅图2，在该实施例中，三轴坐标运动单元包括彼此正交设置的第一水平驱动机构、第二水平驱动机构和纵向驱动机构以及快速更换工装公头25，其中快速更换工装公头25与纵向驱动机构的滑块固定连接，通过快速更换工装公头25既可以使得三轴坐标运动单元1与3D检测模块4固定连接，也可以固定连接加工执行器22。

参阅图3，该实施例中，快速更换工装公头25装设于双轴旋转运动单元2的转盘15上，同理，通过快速更换工装公头25能够使得双轴旋转运动单元2与3D检测模块4或加工执行器22固定连接。

如图4所示，该实施例中，六轴随形运动单元3与快速更换工装公头25固连，六轴随形运动单元3通过快速更换工装公头25既可以固连3D检测模块4，也可以固连加工执行器22。

进一步地，该实施例中，3D检测模块4上装设有两个快速更换工装母头26，参阅图5，通过快速更换工装母头26与快速更换工装公头25之间的配合安装，可以实现3D检测模块4快速与六轴随形运动单元3或双轴旋转运动单元2或三轴坐标运动单元1连接。参阅图8，加工执行器22上同样安装有快速更换工装母头26。

模式快速切换单元23用于放置3D检测模块4与加工执行器22，具体参阅图6，模式快速切换单元23的主要作用是作为模式快速切换时，为3D检测模块4与加工执行器22提供容纳空间。

如图7所示，自动切换机械手24由六轴机械手、气动夹具27、模式切换定位相机28组成。其中气动夹具27可自动夹持3D检测模块4与加工执行器22的快速更换工装母头26部位。模式切换定位相机28用于在模式切换时，作为快速更换工装公头25与快速更换工装母头26定位相机使用。

本申请自适应3D检测与加工***的加工模式切换通过模式快速切换单元23与自动切换机械手24完成。

在工作状态下，***需要切换加工模式时，由气动夹具27自动夹持3D检测模块4或加工执行器22的快速更换工装母头26部位，然后由自动切换机械手24根据所切换的模式运动到指定位置，首先由模式切换定位相机28对待装配负载单元的快速更换工装公头25拍照，由视觉识别算法计算出快速更换工装公头25上两个定位柱的坐标位置，然后通过双轴旋转运动单元2旋转或六轴随形运动单元3旋转将快速更换工装公头25调整到预定义位置(可以与母头上的两个定位孔对准的位置)，最后由自动切换机械手24带动快速更换工装母头26运动，实现与快速更换工装公头25对接并锁定(通过电磁开关锁定)。可以理解的是，也可通过旋转自动切换机械手24的相对位姿调整快速更换工装母头26的角度，以实现快速更换工装公头25对接并锁定。

下面结合具体工作方法对本实施例图10所示的五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式进行详细说明。

首先在平台总控中心软件中选择工作模式为五轴随形检测+八轴随形自适应加工模式。由气动夹具27自动夹持3D检测模块4的快速更换工装母头26部位，然后由自动切换机械手24带动3D检测模块4到三轴坐标运动单元1的快速更换工装公头25前面预设位置，由模式切换定位相机28对快速更换工装公头25拍照，由视觉识别算法计算出快速更换工装公头25上两个定位柱坐标位置，确认快速更换工装公头25已位于预定义位置(可以与母头上的两个定位孔对准的位置)后，最后由自动切换机械手24带动3D检测模块4运动，实现母头与公头对接并锁定(通过电磁开关锁定)，从而将3D检测模块4与3轴坐标运动单元1固连。

接着，由气动夹具27自动夹持加工执行器22的快速更换工装母头26部位，然后由自动切换机械手24带动加工执行器22到六轴随形运动单元3的快速更换工装公头25前面预设位置，由模式切换定位相机28对快速更换工装公头25拍照，由视觉识别算法计算出快速更换工装公头25上两个定位柱坐标位置，然后由六轴随形运动单元3末端轴旋转调整快速更换工装公头25到预定义位置(可以与母头上的两个定位孔对准的位置)后，最后由自动切换机械手24带动加工执行器22运动，实现母头与公头对接并锁定(通过电磁开关锁定)，从而将加工执行器22与六轴随形运动单元3固连，将工件21及工装夹具置于双轴旋转运动单元2上并固连。

然后由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4进行工件三维重建，三维重建的过程包含三步，第一步由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4对工件进行整体拍照，第二步由平台集中控制软件中的离线轨迹规划***智能生成3D检测运动轨迹，并进行离线仿真与干涉检测，第三步由平台集中控制软件中的多轴组合加工运动控制***生成运动指令，控制三轴坐标运动单元1与双轴旋转运动单元2进行联动运动，从而实现工件的高精度三维重建。

重建完成后，三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4回退到安全位置，准备开始进行八轴随形自适应加工。加工过程也分为三步，第一步将生成的工件点云坐标传输到总控中心中，由总控中心离线轨迹规划***智能生成加工轨迹并进行离线仿真与干涉检测，第二步由多轴力位耦合控制***根据当前工作模式(八轴随形自适应加工模式)生成力位耦合控制策略，第三步由多轴组合加工运动控制***生成运动指令，控制六轴随形运动单元3与双轴旋转运动单元2进行联动运动，从而实现工件的高精度随形自适应加工。加工完成后，六轴随形运动单元3带动加工执行器22回退到安全位置，由三轴坐标运动单元1带动3D检测模块4再次重复三维重建过程，对工件进行加工后的三维重建，从而获得加工后的工件高精度三维点云，供后续加工评估或检测评估使用。

上述本申请实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果及优点：

本发明可实现五轴随形检测+八轴自随形自适应加工模式、八轴随形检测+五轴随形自适应加工模式、2+3或2+六轴随形检测+九轴随形自适应加工三种工作模式自由切换。通过多轴联动设计、多模式工艺切换、智能化控制***开发等技术，可实现复杂形面零部件随形自适应智能3D检测与加工。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示方向或位置关系的术语是基于附图所示的方向或位置关系，这仅仅是为了便于描述，而不是指示或暗示所述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”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，还需要说明的是，在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“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。对于本领域技术人员而言，可根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

术语“包括”或者任何其它类似用语旨在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、物品或者设备/装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其它要素，或者还包括这些过程、物品或者设备/装置所固有的要素。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自适应3D检测与加工***，其特征在于，该***包括彼此通信连接的双轴旋转运动单元、三轴坐标运动单元、六轴随形运动单元、3D检测模块和总控中心，所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元分别装设于所述双轴旋转运动单元的两侧；

所述双轴旋转运动单元包括俯仰装置和偏转装置，用于带动第一负载进行俯仰运动和旋转运动；

所述三轴坐标运动单元用于带动第二负载沿三个相互正交方向进行直线运动；

所述六轴随形运动单元由六个独立的伺服运动轴组成，以带动第三负载进行空间六自由度随形运动；

所述3D检测模块用于获取工件的空间位姿信息；

所述第一负载、所述第二负载、所述第三负载分别为工件、加工执行器、所述3D检测模块中的任意一者且互不相同；

在工作状态下，所述总控中心基于所述3D检测模块获取的工件信息，选择预构建的联动加工模式并实时生成控制指令以控制加工执行器对工件进行加工。

2.根据权利要求1所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述双轴旋转运动单元还包括支架，所述偏转装置通过所述俯仰装置固定于所述支架；

所述俯仰装置包括第一转台、俯仰驱动装置和运动架，两个所述第一转台平行间隔装设于所述支架，所述第一转台的旋转面垂直于所述支架设置；所述俯仰驱动装置装设于所述第一转台的一侧；所述运动架横向连接于两个所述第一转台之间；所述俯仰驱动装置驱动所述第一转台旋转以带动所述运动架进行俯仰运动；

所述偏转装置包括第二转台和偏转驱动装置，所述第二转台和所述偏转驱动装置均装设于所述运动架，所述偏转驱动装置的输出轴垂直于所述支架设置并与所述第二转台连接，所述第二转台的旋转面与所述第一转台的旋转面正交设置，所述偏转驱动装置驱动所述第二转台旋转以带动装设于所述第二转台上的负载进行偏转运动。

3.根据权利要求1所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，3D检测模块包括两个相机、投影仪、相机运动模块，两个所述相机分别通过两个所述相机运动模块装设于所述投影仪的两侧，两个所述相机沿所述投影仪的投影方向轴对称设置，所述相机运动模块用于带动所述相机运动以检测工件的三维图像信息。

4.根据权利要求2所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述***还包括本体结构件，所述本体结构件为框架结构，所述本体结构件的底面与水平面平行，所述本体结构件用于固定所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元；

所述三轴坐标运动单元包括彼此正交设置的第一水平驱动机构、第二水平驱动机构和纵向驱动机构，所述第一水平驱动机构和所述第二水平驱动机构设置于与水平面平行的平面，所述纵向驱动机构能够沿所述第一水平驱动机构和所述第二水平驱动机构延伸方向运动。

5.根据权利要求4所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述第一负载为工件，所述工件固设于所述第二转台；

所述第二负载为所述3D检测模块，所述3D检测模块固设于所述三轴坐标运动单元的纵向驱动机构；

所述第三负载为加工执行器，所述加工执行器与所述六轴随形运动单元固定连接；

所述3D检测模块与所述三轴坐标运动单元构成五轴随形检测模块，所述加工执行器与所述六轴随形运动单元构成八轴随形自适应加工模块。

6.根据权利要求4所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述第一负载为工件，所述工件固设于所述第二转台；

所述第二负载为加工执行器，所述加工执行器固设于所述三轴坐标运动单元的纵向驱动机构；

所述第三负载为3D检测模块，所述3D检测模块与所述六轴随形运动单元固定连接；

所述3D检测模块与所述六轴随形运动单元构成八轴随形检测模块，所述加工执行器与所述三轴坐标运动单元构成五轴随形自适应加工模块。

7.根据权利要求4所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述第一负载为所述3D检测模块，所述第二负载为工件或加工执行器；

当所述第二负载为工件时，所述第三负载为加工执行器；

当所述第二负载为加工执行器时，所述第三负载为工件。

8.根据权利要求1所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元均包括六维力位传感器组件；所述总控中心包括彼此通信连接的标定模块、高精度三维重构模块、离线轨迹规划模块、多轴力位耦合控制模块、离线仿真分析模块和多轴组合加工控制模块；

所述标定模块用于对工件进行标定，生成标定信息；

所述高精度三维重构模块基于所述标定信息对所述工件进行三维重构，获取工件的三维重构模型；

所述离线轨迹规划模块基于所述三维重构模型选择加工模式并生成加工轨迹；

所述多轴力位耦合控制模块基于加工轨迹生成力-位耦合加工控制策略；

所述离线仿真分析模块基于所述加工模式进行模拟测量和加工仿真，并进行干涉检测获取分析结果；

所述多轴组合加工控制模块基于所述分析结果、所述加工轨迹和所述加工控制策略控制所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元和所述六轴随形运动单元以对工件进行加工。

9.根据权利要求1所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，还包括机械臂和负载架，所述负载架用于固定工件、加工执行器和3D检测模块，所述机械臂上装设有三维图像采集设备，所述三维图像采集设备用于获取工件的三维图像信息；

在工作状态下，所述机械臂基于所述三维图像采集设备获取的工件三维图像信息选择工件的初始加工模式，并依据所述初始加工模式将工件、加工执行器、3D检测模块一一对应地装设于各单元的固定部。

10.根据权利要求1所述的自适应3D检测与加工***，其特征在于，该***还包括模式快速切换单元和自动切换机械手；

所述双轴旋转运动单元、所述三轴坐标运动单元、所述六轴随形运动单元为主动单元；所述第一负载、所述第二负载、所述第三负载为从动单元，各所述主动单元均装设有工装公头，各所述从动单元均装设有工装母头，各所述从动单元均通过所述工装母头装设于所述工装公头，并能够在所述主动单元的带动下运动；

所述模式快速切换单元用于承载各所述从动单元；

所述自动切换机械手用于将所述模式快速切换单元上的所述从动单元夹持至所述主动单元的工装公头处；所述自动切换机械手上设置有视觉识别装置，所述自动切换机械手能够基于所述视觉识别装置获取所述主动单元上工装公头的两个定位柱的坐标位置；

所述自动切换机械手能够基于所述两个定位柱的坐标位置调整所述工装母头的位姿，以使得所述工装公头与所述工装母头匹配；或者

所述自动切换机械手分别通过通讯链路与各所述主动单元通信连接，各所述主动单元能够基于所述两个定位柱的坐标位置，调整所述工装公头的位姿，以使得所述工装公头与所述工装母头匹配。

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