CN103064343B - 一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法及其轨迹生成系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法及其轨迹生成系统，该方法是：选择所要加工的复杂曲面并生成STL文件；确定分层方向和分层厚度；对三角面片进行分组；通过增量法求取交点；找出每个切片交点集合中在垂直于分层方向上的坐标最小值点，搜索同一个三角面片的另外一个交点并连接，如此下去，直到得到每个切平面的轮廓，并最终得到加工路径轨迹。该系统包括工业PC机、运动控制器、伺服驱动器和工业机器人本体，工业PC机将三维待加工零件生成离散的控制点集后传递到运动控制器，运动控制器对其进行插补计算，输出脉冲串到伺服驱动器，以力矩控制模式驱动工业机器人本体进行协调运动。本发明具有运算量少、计算时间短、计算效率高的优点。

Description

一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法及其轨迹生成系统

技术领域

本发明涉及曲面轨迹生成以及工业机器人运动控制系统研究领域，尤其涉及一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法及其轨迹生成系统。

背景技术

通常，一台工业机器人的运动控制系统由数据处理和轨迹插补两大功能模块构成。由于轨迹插补模块的数据来源于数据处理模块，所以数据处理的结果关系到复杂曲面加工的好坏。传统的机器人运动控制系统利用基于STL（StereoLithography）模型的分层切片算法进行数据处理。传统的分层切片算法有基于几何拓扑信息提取的分层切片算法、基于几何特征分类的分层切片算法、基于STL模型集合连续性的分层切片算法等。传统方法存在以下问题：在计算每一层轮廓时，都要提取STL模型的整体拓扑信息，遍历所有的面片，由于其中绝大多数的三角面片均与切平面不相交，因此此类方法不但运算量大，而且查找效率非常低。除此以外，传统的分层切片算法得到的轮廓线都是封闭的曲线，并没有考虑到实体模型中存在空洞等情况，当得到复杂曲面的加工路径轨迹后，必定造成加工空行程从而减低加工效率。

目前的工业机器人一般采用工业级计算机IPC+DSP的串行计算架构，其中PC完成人机交互的功能，DSP用来处理运动控制器的计算量和一些高速I/O信号，如发生PWM信号和反馈控制。数据处理中的分层切片算法需要处理许多的三角面片使得计算量很大，在通常的PC+DSP的架构中，当所要加工的复杂曲面要求高时，数据处理所需的时间会变长，以至于在较短的采样时间内，很难完成插补和伺服控制的计算。目前实际的解决办法大多是采取多片DSP的系统架构，这无疑增加系统成本，该种硬件架构设计难度也大。

为此，研究一种运算量少、计算时间短、计算效率高并且能在所加工零件存在空洞的情况下快速生成复杂曲面的加工路径轨迹的方法和装置具有极高的研究价值。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，该方法具有运算量少、计算时间短、计算效率高的优点，且能够在生成复杂曲面的加工路径轨迹时，克服存在的空洞问题，减少加工的空行程，进一步提高加工效率。

本发明的另一个目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种采用上述面向复杂曲面加工的轨迹生成方法的轨迹生成系统。该系统基于PC-BASE系统架构，具有计算效率高、成本低、硬件架构设计难度较低的优点。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，包括以下步骤：

（1）根据待加工零件CAD/CAM图形特征，选择所要加工的复杂曲面并生成STL文件；

（2）确定分层方向和分层厚度；

（3）根据STL模型里的三角面片在分层方向上的跨度进行分组；

（4）根据三角面片每条边与多个切平面相切，推导出三角面片的每一条边上与切平面的交点之间的增量公式，通过增量法求取交点；

（5）利用三角面片的连续性，找出每个切片交点集合中在垂直于分层方向上的坐标最小值点，然后进行搜索，如果找到同一个三角面片的另外一个交点则连接，如此下去，直到得到每个切平面的轮廓；最终得到复杂曲面的加工路径轨迹。

具体的，所述步骤（3）中，对三角面片进行分组的具体步骤是：

设STL模型三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_max和Z_min，

分层厚度为ΔZ，把模型中所有三角面片分层n组并标上序号，其中，

$n=\frac{Z_{\max }-Z_{\min }}{\mathrm{\ΔZ}};$

假设第一个切片的高度为Z[1]；某个三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_ax和Z_in；则与这个三角面片的切平面序号介于i和j之间，如下所示：

i=(Z_in-Z[1])/ΔZ；

j=(Z_ax-Z[1])/ΔZ；

而对于Z_in＝Z_ax的三角面片，即与切平面平行的三角面片，则舍弃，从而根据三角面片所属的切平面确定每一个每一组三角面片的个数。

具体的，所述步骤（4）中，通过增量法求取交点的具体步骤是：

设STL模型的一个三角面片为ΔABC，其中三个顶点的坐标分别为A(x₁,y₁,z₁)，B(x₂,y₂,z₂)，C(x₃,y₃,z₃)；相邻切平面的坐标值分别为z[i]和z[i+1]；分层厚度为ΔZ；则：

z[i+1]-z[i]＝ΔZ；

由斜率公式：

$k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1};$

而同一直线上任取两点所得的斜率相等，在把三角面片投影到XOZ平面上可得：

$\frac{x\left[i\right]-x_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1};$

$\frac{x[i+1]-x_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1}$

同理，把三角面片投影到YOZ平面上可得：

$\frac{y\left[i\right]-y_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

$\frac{y[i+1]-y_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

推出：

x[i+1]=x[i]+Δx；

y[i+1]=y[i]+Δy；

其中：

$\mathrm{\Δx}=\frac{(x_1-x_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2};$

$\mathrm{\Δy}=\frac{(y_1-y_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2}.$

具体的，所述步骤（5）对每层切片的交点组集合进行处理得到轮廓线的具体步骤是：

把每个三角面片与对应的切平面相交的两个交点放在一组，即每组含有两个交点；

在垂直于分层方向对交点集合中的交点进行排序，得到每个切平面交点集合中坐标值最小的交点，找出此交点所在同一个三角面片的另一个交点，并连接成线段；

再根据三角面片的连续性，对新找到的此交点进行搜索找到它所在的另一个三角面片，找出此交点所在同一个三角面片的另一个交点，并连接成线段；

如此下去，凡是已经连成线段的两个交点则从交点集合剔除；

如果此交点所在的边不存在相邻三角形则跳过，并对剩余的交点组集合进行一轮冒泡排序找出在垂直于分层方向的坐标值最小的交点，如此下去，得到每一层切片的轮廓线；

最终得到复杂曲面的加工路径轨迹。

一种采用上述面向复杂曲面加工的轨迹生成方法的轨迹生成系统，包括工业PC机、运动控制器、伺服驱动器和工业机器人本体，所述工业PC机利用基于STL模型的分层切片算法将三维待加工零件生成离散的控制点集后通过以太网通讯模块传递到运动控制器，运动控制器对上述离散的控制点集进行插补计算，然后输出脉冲串到伺服驱动器，以力矩控制模式驱动工业机器人本体进行协调运动。

具体的，所述运动控制器包括FIFO缓冲模块、IIR数字滤波器、插补器和编码器模块，所述运动控制器通过以太网接口从工业PC机上下载离散数据点到FIFO缓冲模块进行缓冲存储；插补器用于对FIFO缓冲模块中离散控制点进行插补计算，然后把计算所得以脉冲量形式经IIR数字滤波器滤波后输出；编码器模块用于对工业机器人的各个轴运动位置反馈信号进行解码，同时编码器模块结合IIR数字滤波器利用PID控制原理，对工业机器人末端进行位置跟踪。

具体的，所述伺服驱动器接收到来自运动控制器的脉冲串后采用三环控制方式，从里到外分别为电流环、速度环、位置环，以力矩模式控制工业机器人机械本体进行协调运动。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明中的面向复杂曲面加工的轨迹生成方法每一个三角面片的每一条边的交点可以通过增量公式求得，减少求交点的次数，减低运算量。同时不用提取STL模型的整体拓扑信息和遍历所有的面片，从而进一步提高查找速度，减少运算量。还能够克服传统切片算法没法解决模型空洞的情况，即可以得到不封闭的轮廓线，减少空行程，提高加工效率。

2、本发明中的面向复杂曲面加工的轨迹生成系统基于PC-BASE系统架构，具有计算效率高、成本低、硬件架构设计难度较低的优点。

附图说明

图1是本实施例所述轨迹生成系统的结构图。

图2是图1所示系统的信号原理图。

图3是本实施例所述轨迹生成方法的流程示意图。

图4是本实施例所述方法中三角面片分组示意图。

图5是本实施例所述增量法求交点示意图。

图6是本实施例所述三角面片连续性的示意图。

图7是本实施例中切平面交点组集合处理的示意图。

图8是复杂曲面出现空洞的示意图。

图9是对图8采用本实施例所述方法进行求取的加工轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

如图1所示，一种面向复杂曲面加工的轨迹生成系统，包括工业PC机、运动控制器、伺服驱动器和工业机器人本体。同时，如图2所示，所述工业PC机利用基于STL模型的分层切片算法将三维待加工零件生成离散的控制点集后通过以太网通讯模块传递到运动控制器，运动控制器对上述离散的控制点集进行插补计算，然后输出脉冲串到伺服驱动器，以力矩控制模式驱动工业机器人本体进行协调运动。

所述运动控制器包括集成软核、以太网接口、插补器、编码器模块、IIR数字滤波器、FIFO缓冲模块、系统中断等硬件电路，所述运动控制器通过以太网接口从工业PC机上下载离散数据点到FIFO缓冲模块进行缓冲存储；插补器用于对FIFO缓冲模块中离散控制点进行直线插补计算，然后把计算所得以脉冲量形式经IIR数字滤波器滤波后输出；编码器模块用于对工业机器人的各个轴运动位置反馈信号进行解码，同时编码器模块结合IIR数字滤波器利用PID控制原理，对工业机器人末端进行位置跟踪。

所述伺服驱动器接收到来自运动控制器的脉冲串后采用三环控制方式，从里到外分别为电流环、速度环、位置环，以力矩模式控制工业机器人机械本体进行协调运动。

为了减少运算量，缩短计算时间，提高计算效率并且能在所加工零件存在空洞的情况下快速得到复杂曲面的加工路径轨迹，从而提高工业机器人加工效率，在数据处理中采用一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，该方法实质上是一种基于STL模型的快速分层切片算法。流程如图3所示，分层处理的过程实际上是用一系列以分层方向为法矢量的平面与零件的三维模型求交点的过程。因此STL模型分层处理的第一步就是确定分层方向，然后设定分层厚度值ΔZ，再沿分层方向用一系列间隔为ΔZ的平行平面（也称为切平面）与模型求交点，这样在每一切平面上形成了一系列交点组的集合，再将交点组的集合进行处理得到切片轮廓。

本实施例所述方法的具体步骤如下：

（1）根据待加工零件CAD/CAM图形特征，选择所要加工的复杂曲面并生成STL文件。

（2）确定分层方向和分层厚度。

（3）根据STL模型里的三角面片在分层方向上的跨度进行分组。

根据每个三角面片在分层方向上的跨度以及分层的厚度可以确定每个三角面片与切平面相交的个数。假设STL模型三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_max和Z_min，分层厚度为ΔZ，则可以把模型中所有三角面片分层n组并标上序号，其中，

$n=\frac{Z_{\max }-Z_{\min }}{\mathrm{\ΔZ}};$

假设第一个切片的高度为Z[1]；某个三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_ax和Z_in；则与这个三角面片的切平面序号介于i和j之间，如下所示:

i＝(Z_in-Z[1])/ΔZ；

j=(Z_ax-Z[1])/ΔZ；

而对于Z_in=Z_ax的三角面片，即与切平面平行的三角面片，则舍弃。这样就可以根据三角面片所属的切平面确定每一个每一组三角面片的个数。如图4所示。

其中V_nm代表第n个切片的第m个三角面片。

（4）根据三角面片每条边与多个切平面相切，推导出三角面片的每一条边上与切平面的交点之间的增量公式，通过增量法求取交点。

STL模型里每个三角面片的每一条边都与多个切平面相交；为了减少运算量，提高计算效率，本实施例通过增量法求取交点，即只要求出边上的一个点就可以通过增量公式得到边上的其他交点。如图5所示，假设STL模型的一个三角面片为ΔABC，其中三个顶点的坐标分别为A(x₁,y₁,z₁)，B(x₂,y₂,z₂)，C(x₃,y₃,z₃)；相邻切平面的坐标值分别为z[i]和z[i+1]；分层厚度为ΔZ；则：

z[i+1]-z[i]＝ΔZ；

由斜率公式

$k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1};$

而同一直线上任取两点所得的斜率相等，在把三角面片投影到XOZ平面上可得：

$\frac{x\left[i\right]-x_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1};$

$\frac{x[i+1]-x_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1};$

同理，把三角面片投影到YOZ平面上可得：

$\frac{y\left[i\right]-y_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

$\frac{y[i+1]-y_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

可推出：

x[i+1]=x[i]+Δx；

y[i+1]=y[i]+Δy；

其中：

$\mathrm{\Δx}=\frac{(x_1-x_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2};$

$\mathrm{\Δy}=\frac{(y_1-y_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2}.$

（5）利用三角面片的连续性，找出每个切片交点集合中在垂直于分层方向上的坐标最小值点，然后进行搜索，如果找到同一个三角面片的另外一个交点则连接，如此下去，直到得到每个切平面的轮廓；最终得到复杂曲面的加工路径轨迹。

对STL模型进行研究分析可知，所生成的数据遵循以下三个规则：①一致性规则，即任意一个三角形的顶点不允许在任意一个相邻的三角形面片的边上或者内部出现，也就是说，每条边必须是两个三角形共用；②取向规则，即每一个三角形三个顶点和法向矢量的排列顺序要符合右手定则；③充满规则，STL模型的所有表面必须充满三角形面片。

如图6所示，三角面片的边具有连续性。ΔA₁BC、ΔA₂CD和ΔA₃DE有一个公共的顶点A，而ΔA₁BC和ΔA₂CD有一条公共的边AC；ΔA₂CD和ΔA₃DE有一条公共的AD。

每个切平面与三角面片相交求得交点的集合，而同一个三角面片的两个交点放在一组，即{P_m,P_n}，其中点P_m和P_n代表同一个三角面片中的两个交点；即每个切平面与三角面片相交求得交点组的集合，每个交点组含有同一个三角面片的两个交点，即{{P₁₁,P₁₂},{P₂₁,P₂₂},…{P_n1,P_n2}}，{P_n1,P_n2}代表第n个三角面片的两个交点。然后对每个交点组集合在垂直于分层方向的坐标值（分层方向是Z轴方向的情况下取X轴方向）进行一轮冒泡排序（依次比较相邻两个数并把大数放前面，小数放后面）；得到每个交点组集合在垂直于分层方向的坐标值最小（X坐标）的交点；然后找出此交点所在交点组的另一个交点并连接成线段P_n1P_n2；把已经连成线段的交点从交点组集合中剔除；由上述可知三角面片具有连续性，三角形的交点很大可能同时是相邻两个三角面片的公共边的交点，所以可以通过同组的另一个交点P_n2进行搜索，找出此点所在的另一个交点组并与同组的另一个交点连成线段，如此类推；如果找不到所属另外的一个交点组则重新进行一轮冒泡排序；得到交点组集合在垂直于分层方向的最小坐标值的交点并根据上述方法进行搜索连成线段，最终可以得到每个切平面的轮廓线，如图7所示。

如图7所示，其中Z轴方向是分层方向，X轴方向就是上述垂直于分层的方向。图7（a）中，分层方向坐标值为z[i]的切平面的交点组的集合为{{A,B},{B,C},{C,D},{E,F}{F,G}}；通过一轮冒泡排序得到A交点为交点组集合在垂直于分层方向的最小坐标值的交点，搜索其在同一交点组{A,B}的另外一个交点B并连成线段，然后把这个交点组从交点组集合中剔除得{{B,C},{C,D},{E,F}{F,G}}；由交点B搜索其所在的另外一个交点组{B,C}的另外一个交点C并连成线段，然后把这个交点组从集合中剔除得{{C,D},{E,F}{F,G}}；由交点C搜索其所在的另外一个交点组{C,D}的另外一个交点D并连成线段，然后把这个交点组从集合中剔除得{{E,F}{F,G}}；由交点D搜索发现没有另外的交点组含有D，则对剩余的交点组集合{{E，F}{F,G}}进行新一轮冒泡排序得到最小坐标值的交点为E点，通过上述方法如此搜索并连成线段，最终得到如图7（b）虚线所示切平面的轮廓线。

由于所加工的复杂曲面有可能出现空洞的情况，如图8所示，通过上面的搜索方法，对于所加工复杂曲面上出现空洞的情况下，可得轮廓曲线如图9所示。由此可见，本发明以得到不封闭的轮廓线，减少空行程，提高加工效率。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据待加工零件CAD/CAM图形特征，选择所要加工的复杂曲面并生成STL文件；

(2)确定分层方向和分层厚度；

(3)根据STL模型里的三角面片在分层方向上的跨度进行分组；

(4)根据三角面片每条边与多个切平面相切，推导出三角面片的每一条边上与切平面的交点之间的增量公式，通过增量法求取交点；

(5)利用三角面片的连续性，找出每个切片交点集合中在垂直于分层方向上的坐标最小值点，然后进行搜索，如果找到同一个三角面片的另外一个交点则连接，如此下去，直到得到每层切片的轮廓线；最终得到复杂曲面的加工路径轨迹；

所述步骤(5)得到每层切片的轮廓线的具体步骤是：

把每个三角面片与对应的切平面相交的两个交点放在一组，即每组含有两个交点；

在垂直于分层方向对交点集合中的交点进行排序，得到每个切平面交点集合中坐标值最小的交点，找出此交点所在同一个三角面片的另一个交点，并连接成线段；

再根据三角面片的连续性，对新找到的此交点进行搜索找到它所在的另一个三角面片，找出此交点所在同一个三角面片的另一个交点，并连接成线段；

如此下去，凡是已经连成线段的两个交点则从交点集合剔除；

如果此交点所在的边不存在相邻三角形则跳过，并对剩余的交点组集合进行一轮冒泡排序找出在垂直于分层方向的坐标值最小的交点，如此下去，得到每一层切片的轮廓线；

最终得到复杂曲面的加工路径轨迹。

2.根据权利要求1所述的面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤(3)中，对三角面片进行分组的具体步骤是：

设STL模型三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_max和Z_min，分层厚度为ΔZ，把模型中所有三角面片分层n组并标上序号，其中，

$n=\frac{Z_{\max }-Z_{\min }}{\mathrm{\ΔZ}};$

假设第一个切片的高度为Z[1]；某个三角面片在分层方向上的最大和最小坐标值分别为Z_ax和Z_in；则与这个三角面片的切平面序号介于i和j之间，如下所示：

i＝(Z_in-Z[1])/ΔZ；

j＝(Z_ax-Z[1])/ΔZ；

而对于Z_in＝Z_ax的三角面片，即与切平面平行的三角面片，则舍弃，从而根据三角面片所属的切平面确定每一个每一组三角面片的个数。

3.根据权利要求1所述的面向复杂曲面加工的轨迹生成方法，其特征在于，所述步骤(4)中，通过增量法求取交点的具体步骤是：

设STL模型的一个三角面片为ΔABC，其中三个顶点的坐标分别为A(x₁,y₁,z₁)，B(x₂,y₂,z₂)，C(x₃,y₃,z₃)；相邻切平面的坐标值分别为z[i]和z[i+1]；分层厚度为ΔZ；则：

z[i+1]-z[i]＝ΔZ；

由斜率公式：

$k=\frac{y_2-y_1}{x_2-x_1};$

而同一直线上任取两点所得的斜率相等，在把三角面片投影到XOZ平面上可得：

$\frac{x\left[i\right]-x_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1};$

$\frac{x[i+1]-x_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{x_2-x_1}{z_2-z_1}$

同理，把三角面片投影到YOZ平面上可得：

$\frac{y\left[i\right]-y_1}{z\left[i\right]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

$\frac{y[i+1]-y_1}{z[i+1]-z_1}=\frac{y_2-y_1}{z_2-z_1};$

推出：

x[i+1]＝x[i]+Δx；

y[i+1]＝y[i]+Δy；

其中：

$\mathrm{\Δx}=\frac{(x_1-x_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2};$

$\mathrm{\Δy}=\frac{(y_1-y_2)\mathrm{\Δz}}{z_1-z_2}.$

4.一种采用权利要求1-3任一项所述面向复杂曲面加工的轨迹生成方法的轨迹生成系统，其特征在于，包括工业PC机、运动控制器、伺服驱动器和工业机器人本体，所述工业PC机利用权利要求1-3任一项所述面向复杂曲面加工的轨迹生成方法将三维待加工零件生成离散的控制点集后通过以太网通讯模块传递到运动控制器，运动控制器对上述离散的控制点集进行插补计算，然后输出脉冲串到伺服驱动器，以力矩控制模式驱动工业机器人本体进行协调运动。

5.根据权利要求4所述的面向复杂曲面加工的轨迹生成系统，其特征在于，所述运动控制器包括FIFO缓冲模块、IIR数字滤波器、插补器和编码器模块，所述运动控制器通过以太网接口从工业PC机上下载离散数据点到FIFO缓冲模块进行缓冲存储；插补器用于对FIFO缓冲模块中离散控制点进行插补计算，然后把计算所得以脉冲量形式经IIR数字滤波器滤波后输出；编码器模块用于对工业机器人的各个轴运动位置反馈信号进行解码，同时编码器模块结合IIR数字滤波器利用PID控制原理，对工业机器人末端进行位置跟踪。

6.根据权利要求4所述的面向复杂曲面加工的轨迹生成系统，其特征在于，所述伺服驱动器接收到来自运动控制器的脉冲串后采用三环控制方式，从里到外分别为电流环、速度环、位置环，以力矩模式控制工业机器人机械本体进行协调运动。