本發(fā)明屬于輪胎生產(chǎn)制造領(lǐng)域，具體涉及一種基于輪胎圓柱坐標(biāo)的三維激光蝕刻方法。

背景技術(shù)：

1、輪胎硫化模壓技術(shù)是輪胎傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)技術(shù)，但由于模具上的年周號(hào)活絡(luò)塊每周都要定期更換，一是易對模具造成損壞，影響輪胎外觀質(zhì)量；二是由于更換活絡(luò)塊會(huì)影響開機(jī)效率和能耗損失；三是由于每年產(chǎn)生較大的人工維修成本和模具更換成本；四是無法保證年周號(hào)更換的時(shí)效性。其次，全鋼子午線輪胎生產(chǎn)編號(hào)通過把“小鋼片”擺放在胎側(cè)下模具壓模形成，每條輪胎都需要人工干預(yù)，在精準(zhǔn)性、產(chǎn)品美觀度和耗材方面都不理想，而且容易對輪胎造成外觀損傷，及輪胎信息匹配錯(cuò)誤。另外目前一些個(gè)性化定制標(biāo)識(shí)的商業(yè)需求在加大，也增加了生產(chǎn)的模具更換的頻繁及生產(chǎn)成本的增加。

2、近年來隨著國內(nèi)激光技術(shù)和智能技術(shù)的快速發(fā)展,輪胎表面激光蝕刻技術(shù)在行業(yè)中開始發(fā)展起來，并在快速推廣。目前國內(nèi)頭部輪胎企業(yè)紛紛采用激光蝕刻技術(shù)在輪胎表面蝕刻生產(chǎn)編號(hào)、年周號(hào)、定制標(biāo)識(shí)等信息。因該技術(shù)極具靈活性和先進(jìn)性，代替了輪胎模壓技術(shù)部分功能，給輪胎傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝帶來了新鮮活力和創(chuàng)新價(jià)值。

3、但是由于在技術(shù)上缺乏對輪胎外形及輪胎表面圖案標(biāo)識(shí)排版的深刻理解，在輪胎的掃描成像和和蝕刻定位的描述上采用了傳統(tǒng)的直角坐標(biāo)系方式，造成了大規(guī)模規(guī)格品種輪胎混合自動(dòng)化生產(chǎn)的現(xiàn)場無法實(shí)現(xiàn)輪胎標(biāo)識(shí)精準(zhǔn)定位，也影響了標(biāo)識(shí)刻蝕的美觀性；或者完全通過人工在現(xiàn)場調(diào)整確定標(biāo)識(shí)的定位，這樣情況效率低下，使蝕刻的周期和勞動(dòng)力成本增加，無法達(dá)到快速響應(yīng)生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明提供了一種基于輪胎圓柱坐標(biāo)的六軸機(jī)器人和激光器的輪胎激光蝕刻方法，該發(fā)明的特點(diǎn)通過圓柱坐標(biāo)來表達(dá)工件-輪胎的蝕刻位置以及機(jī)器人第六軸中心坐標(biāo)和旋轉(zhuǎn)角度，最終實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的運(yùn)行軌跡。該工藝流程包括以下步驟：輪胎到達(dá)蝕刻工位后，通過對中機(jī)構(gòu)夾持定位，激光測距傳感器檢測輪胎的高度；機(jī)器人移動(dòng)到預(yù)設(shè)位置，進(jìn)行條碼識(shí)別和3d建模；3d相機(jī)掃描胎側(cè)，生成三維模型，并通過圖像智能識(shí)別確定標(biāo)識(shí)位置；依據(jù)輪胎的三維坐標(biāo)，激光器執(zhí)行蝕刻。通過三維圓柱坐標(biāo)系統(tǒng)，系統(tǒng)將蝕刻機(jī)器人六軸中心轉(zhuǎn)換為直角坐標(biāo)運(yùn)行，再以關(guān)節(jié)坐標(biāo)運(yùn)行角度，以精準(zhǔn)控制激光蝕刻定位過程。在此工藝中，六軸機(jī)器人不僅攜帶激光器，還安裝有3d相機(jī)用于識(shí)別標(biāo)識(shí)位置，實(shí)現(xiàn)精確的激光蝕刻。這種工藝可以根據(jù)輪胎的不同形狀和尺寸自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)更高的蝕刻精度和靈活性。

2、本發(fā)明提供一種基于輪胎圓柱坐標(biāo)的三維激光蝕刻方法，該方法基于輪胎的外形特征在設(shè)計(jì)時(shí)建立平面設(shè)計(jì)極坐標(biāo)，給出參考點(diǎn)坐標(biāo)和蝕刻坐標(biāo)的極徑和極角，通過運(yùn)算得到極徑偏差值和極角偏差值，來確定蝕刻點(diǎn)到參考點(diǎn)的相對平面位置；在輪胎輸送面上建立極坐標(biāo)，極點(diǎn)為輪胎的圓心；通過連接極點(diǎn)和機(jī)器人的基坐標(biāo)原點(diǎn)在極坐標(biāo)的投影點(diǎn)，反方向建立極軸；z軸通過極點(diǎn)，垂直極坐標(biāo)平面朝上，建立三維圓柱坐標(biāo)；通過安裝調(diào)整和校正，使機(jī)器人的第六軸初始的中心(運(yùn)動(dòng)原點(diǎn))在三維圓柱坐標(biāo)的z軸上，6軸關(guān)節(jié)坐標(biāo)平行于輪胎輸送極坐標(biāo)，第5軸的姿態(tài)保持和z軸平行或在z軸上?；谶@個(gè)三維坐標(biāo)，機(jī)器人進(jìn)行3d相機(jī)掃描并且建模；通過計(jì)算第六軸的運(yùn)行坐標(biāo)以及和機(jī)器人的基坐標(biāo)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，機(jī)器人第六軸中心再運(yùn)行到第二個(gè)中心后，第六軸再旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行激光蝕刻?？梢岳斫獾氖?，該方法雖然采用了機(jī)器人激光蝕刻，但基于輪胎圓柱坐標(biāo)的方法和蝕刻基本原理也適用于其他設(shè)備類型的輪胎激光蝕刻。

3、具體而言，本發(fā)明提供的三維激光方法包括如下步驟：1輪胎極坐標(biāo)的建立方法：1.1輪胎設(shè)計(jì)平面極坐標(biāo)系建立如下：根據(jù)輪胎模具設(shè)計(jì)的俯視圖，以輪胎中心為極點(diǎn)o，以極點(diǎn)o到輪胎標(biāo)志位置的連接射線為極軸，逆時(shí)針方向?yàn)檎O坐標(biāo)系；1.2輪胎三維圓柱坐標(biāo)系建立如下：基于用于輸送輪胎的輪胎輸送底面，以輪胎中心為極點(diǎn)o，以輪胎輸送方向垂直射線為極軸，逆時(shí)針方向?yàn)檎O坐標(biāo)系，以極坐標(biāo)系平面垂直的射線為z軸，建立輪胎的三維圓柱坐標(biāo)系；實(shí)際自動(dòng)化大規(guī)模生產(chǎn)時(shí)輪胎進(jìn)入設(shè)備時(shí)，在極坐標(biāo)極角方向是無序的，所以在生產(chǎn)現(xiàn)場的極坐標(biāo)的極軸是以結(jié)合設(shè)備的位置為參考，和設(shè)計(jì)時(shí)有所不同。所述的三維蝕刻方法在設(shè)備運(yùn)行時(shí)包括如下步驟：

4、步驟1)輪胎到達(dá)刻字工位輸送帶，對中機(jī)構(gòu)對輪胎進(jìn)行夾持抱中，激光測距傳感器檢測輪胎高度；

5、步驟2)六軸機(jī)器人帶動(dòng)3d相機(jī)下降到預(yù)設(shè)離輪胎表面的拍攝焦深高度；

6、步驟3)機(jī)器人1-5軸保持姿態(tài)，第六軸帶動(dòng)讀碼器、3d相機(jī)作365°旋轉(zhuǎn)，讀取圖像和條碼；

7、步驟4)讀碼器對輪胎條碼進(jìn)行讀碼識(shí)別，系統(tǒng)和mes管理系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)交互,系統(tǒng)給出蝕刻的內(nèi)容和蝕刻定位信息；

8、步驟5)且3d相機(jī)對輪胎胎側(cè)進(jìn)行掃描三維建模，ocr識(shí)別或模板比對在模型中檢索參考標(biāo)識(shí)；根據(jù)參考點(diǎn)坐標(biāo)及和蝕刻標(biāo)識(shí)的相對極坐標(biāo)位置，得出蝕刻標(biāo)識(shí)的極坐標(biāo)的絕對位置。

9、步驟6)蝕刻位置通過激光振鏡聚焦蝕刻，依據(jù)輪胎的三維圓柱坐標(biāo)，3d相機(jī)掃描輪胎后確認(rèn)需要蝕刻的三維圓柱坐標(biāo)，系統(tǒng)將蝕刻中心三維圓柱坐標(biāo)轉(zhuǎn)換成三維直角坐標(biāo)，以使得激光器依據(jù)該直角坐標(biāo)和關(guān)節(jié)坐標(biāo)角度運(yùn)動(dòng)到蝕刻中心。

10、在一些實(shí)施方式中，所述的機(jī)器人上設(shè)有3d相機(jī)與激光器發(fā)射鏡頭，o’機(jī)器人第六軸軸心的的初始位點(diǎn)，o2是機(jī)器人3d相機(jī)掃描時(shí)第六軸軸心坐標(biāo)，o3是機(jī)器人第六軸軸心的激光蝕刻目標(biāo)位點(diǎn)，當(dāng)機(jī)器人第六軸軸心到達(dá)掃描目標(biāo)位點(diǎn)o2時(shí)，機(jī)器人通過第六軸旋轉(zhuǎn)，帶動(dòng)3d鏡頭和讀碼器達(dá)到輪胎閱讀的景深范圍進(jìn)行掃描，完成后機(jī)器人第六軸軸心運(yùn)行到激光蝕刻中心點(diǎn)上方的焦深高度，通過振鏡進(jìn)行激光刻蝕。完成后軸心和旋轉(zhuǎn)角度返回到原始位置。旋轉(zhuǎn)的角度和定位按圓柱坐標(biāo)進(jìn)行。

11、在一些實(shí)施方式中，步驟2)中，激光器運(yùn)行軌跡計(jì)算如下：

12、步驟i)機(jī)器人第六軸軸心從初始坐標(biāo)o’(x0,y0,z0)運(yùn)行到o2(x22,y22,z22)。

13、x0＝d1??????????????????????????(式1)

14、y0＝0???????????????????????????(式2)

15、z0＝zdmax+f1+h1+d2+c??????????(式3)

16、d1：機(jī)器人基坐標(biāo)和輪胎圓柱坐標(biāo)在x軸上的距離，為常數(shù)；

17、d2：機(jī)器人基坐標(biāo)和輪胎圓柱坐標(biāo)在z軸上的距離，為常數(shù)；

18、zdmax：最高的輪胎輪胎斷面高度；

19、f1：3d相機(jī)的掃描焦距；

20、h1：3d相機(jī)鏡頭中心到運(yùn)動(dòng)軸心在z軸方向的高度距離；

21、c:設(shè)定的常數(shù)。

22、x22＝x0＝d1???????????????????????????????????????(式4)

23、y22＝y(tǒng)0＝0????????????????????????????????????????(式5)

24、z22＝zd+f1+h1+d2????????????????????????????????(式6)

25、zd：激光測距傳感器檢測輪胎高度；

26、第六軸心到位后，第六軸旋轉(zhuǎn)365度進(jìn)行掃描及掃碼。

27、根據(jù)權(quán)利要求2所述的輪胎激光蝕刻方法，其特征在于，步驟5)～步驟6)中，激光器運(yùn)行軌跡計(jì)算如下：

28、步驟ii)計(jì)算機(jī)器人第六軸軸心運(yùn)行到蝕刻任務(wù)的三維直角坐標(biāo)o3(x3,y3,z3)；

29、步驟2a)設(shè)m0(ρ0，θ0，z0)為3d相機(jī)掃描圖像中識(shí)別的參考位置點(diǎn)，投影到輪胎輸送底面極坐標(biāo)為m0’(ρ0，θ0)；

30、步驟2b)計(jì)算蝕刻三維坐標(biāo)：m2(ρ2，θ2，z2)為激光蝕刻在輪胎上的蝕刻中心點(diǎn)，p2(ρ2，θ2，z12)激光蝕刻鏡頭中心坐標(biāo)，投影到極坐標(biāo)點(diǎn)為m2’(ρ2，θ2)；

31、

32、式中刻蝕位置和參考點(diǎn)位置的極徑偏差值；

33、式中刻蝕位置和參考點(diǎn)位置的極角偏差值；

34、根據(jù)ρ2，θ2，3d輪胎三維圓柱坐標(biāo)檢索出z2值；

35、步驟2c)計(jì)算掃描點(diǎn)鏡頭坐標(biāo)：在掃描到蝕刻中心點(diǎn)m2點(diǎn)時(shí)，3d相機(jī)的鏡頭中心點(diǎn)在p1(ρ1，θ1，z11)，在輪胎上的垂直掃描點(diǎn)為m1(ρ1，θ1，z1)，投影在輪胎底面坐標(biāo)為m1'(ρ1，θ1)

36、θ1＝θ2??????????(式9)

37、ρ1＝r1??????????(式10)

38、r1：3d相機(jī)機(jī)械臂長，從掃描鏡頭中心到旋轉(zhuǎn)軸心距離,為常數(shù)；

39、z11＝z2-h2+h1?(式11)

40、h1:3d相機(jī)鏡頭中心到第六軸運(yùn)動(dòng)軸心的高度距離。

41、h2:激光蝕刻中心到第六軸運(yùn)動(dòng)軸心的高度距離；

42、步驟2d)計(jì)算蝕刻極坐標(biāo)：根據(jù)步驟2b和2c的結(jié)果計(jì)算輪胎蝕刻時(shí)第六軸心的極坐標(biāo)o3(ρ3，θ3)；

43、

44、r2：激光蝕刻機(jī)械臂長，從蝕刻鏡頭中心到極點(diǎn)o的極徑距離；

45、r1：3d相機(jī)掃描機(jī)械臂長，從掃描鏡頭中心到極點(diǎn)o的極徑距離；

46、y12：步驟2b和2c中蝕刻中心到3d相機(jī)掃描鏡頭中心距離；

47、步驟2e)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換：o3在機(jī)器人的三維直角坐標(biāo)系的直角坐標(biāo)為(x33，y33，z33),根據(jù)式(13)和式(14)和坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式，得出：

48、

49、z33＝z2+f2+h2+d2?(式17)

50、f2:激光蝕刻焦距

51、h2:激光蝕刻中心到運(yùn)動(dòng)軸心的z軸方向高度距離；

52、d1：機(jī)器人基坐標(biāo)和輪胎圓柱坐標(biāo)在x軸上的距離，為常數(shù)；

53、d2：機(jī)器人基坐標(biāo)和輪胎圓柱坐標(biāo)在z軸上的距離，為常數(shù)；

54、步驟iii)第六軸軸臂以關(guān)節(jié)坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)運(yùn)行，運(yùn)行角度等于θ3：

55、θ3＝θ2+180＝θ0+▽θ+180?(式18)

56、步驟iv)根據(jù)以上原理計(jì)算后面多個(gè)任務(wù)的第六軸軸心坐標(biāo)和第六軸的旋轉(zhuǎn)角度。

57、步驟v)蝕刻任務(wù)完成后，第六軸軸心回到o’坐標(biāo),軸臂的旋轉(zhuǎn)角度回到0度。

58、通過本發(fā)明，蝕刻位置的精確控制是通過輪胎的三維圓柱坐標(biāo)系進(jìn)行的，該坐標(biāo)系以輪胎中心為極點(diǎn)，結(jié)合輪胎高度和掃描距離計(jì)算蝕刻位置。此外，發(fā)明中詳細(xì)描述了機(jī)器人軸的坐標(biāo)變化，并通過一系列公式計(jì)算了從機(jī)器人第六軸中心從掃描位置o2到激光蝕刻目標(biāo)位置o3的運(yùn)動(dòng)軌跡，及第六軸關(guān)節(jié)臂的旋轉(zhuǎn)角度，確保了激光蝕刻的精準(zhǔn)性。

59、本發(fā)明提供的激光蝕刻技術(shù)基與輪胎極坐標(biāo)和圓柱坐標(biāo)，通過機(jī)器人技術(shù)結(jié)合3d相機(jī)掃描，實(shí)現(xiàn)了輪胎表面標(biāo)識(shí)的高效、精準(zhǔn)、美觀的蝕刻。這不僅大大提高了輪胎生產(chǎn)的自動(dòng)化水平，還降低了生產(chǎn)成本和模具損耗，使得生產(chǎn)效率和標(biāo)識(shí)精度大幅提高。