CN107471882A - 一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，包括外部输入系统、机器人离线雕刻加工控制系统和机器人执行机构系统，所述机器人离线雕刻加工控制系统包括运动轨迹运算模块、逻辑控制模块以及加工曲面预处理模块，所述机器人执行机构系统包括外部输出器件、工件加工及姿态调整机构和机器人本体，本发明在加工工件的过程中可以调整工件姿态，通过添加一个机器人控制系统里的机器人加工平面预处理模块与工装及工作台定位机构，从而保证调整后加工精度满足工业要求，而且加工时的振动小，机器寿命长，具有很高的实用性。

Description

一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统

技术领域

本发明涉及雕刻设备技术领域，尤其涉及一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统。

背景技术

随着全球工业4.0的持续推进和工业革命的深化，中国制造业转型升级进入一个新的阶段。无人化、自动化、智能化成为中国工业变革的重要组成部分。其中机器人代替人手的无人化正在成为工业生产的主体。在当前的社会形式下，机器人在很大形式上是由多自由度机器手来实现工业生产的。其中，串联型机器手正是其中被广泛使用的一种。串联型机器手因为其广阔的工作范围，灵活的方位变换以及相对较少的机体空间而被广泛使用在各种机器加工方面。

在行业内，六自由度机器手有着工作空间宽广，工作精度高，系统可靠等典型的特点，不失一般性，下面就用六自由度机器手进行一些阐述。尽管六自由度机器手的工作空间在理论上可以达到半球面任何一点的，但是受到加工工件体积影响以及机器人坐标点某些奇异解的影响，机器手实际上不能按照理想中的情况进行随意的加工与运动。

一般情况下，如果加工工件相对机器人本体的体积较小，那么机器人运动约束问题并不显著，但是在加工工件体积较大时，这种运动受限的问题显得非常突出。即使运动坐标姿态不考虑出现奇异解的问题，但是相邻加工点之间的运动变换可能需要很大的关节运动角度才能实现，这对于加工效率来说是极其低下的，同时对于机器人运动的平稳性也提出很大挑战(高加速度冲击和运行的振动)。因此，大体积工件加工的机器人运动约束很大，需要改进。

另外一方面，随着工业制造的深化，机器人产业也向着多样化加工方式发展。机器人从传统的打磨喷涂焊接等方式向其他加工方式渗透，其中雕刻也正是其中之一。雕刻加工相对其他加工方式的主要区别在于工件及加工刀具的不同。雕刻方面的工件初始状态比较规整方正，但是材质致密，重量大，体积大，切削量很大，相比焊接等加工方式，大重量和大体积造成一般传统上的工装不能直接使用在雕刻行业。加工刀具一般是金刚石雕刻刀具，能够旋转或者直线行走。加工刀具的硬度大，切削时需要的加减速度高，因此，雕刻时候产生的振动和动量冲击非常严重。但是在实际生产中，大量雕刻加工采用的还是其他如焊接等方式里的加工系统，专业的机器人雕刻系统还没成型，因此，雕刻机器人的加工方法非常值得探索研究。现有的机器人雕刻加工系统通常采用固定夹具机器人加工系统和可调工件姿态的机器人加工系统。固定夹具机器人加工系统中，机器人加工采用的是普通加工机器手配上固定夹具进行的简单加工，这种加工方式构造简单，而且加工的工件体积比较小而且操作简单，但是这种加工方式只能加工简单器件，对于大体积工件(工件体积与机器手可以比拟)，就存在加工过程中的碰撞问题。同时，正如工人在不能移动情况下不能加工物体的背面相似，机器手也很难实现背面及正面的加工；可调工件姿态的机器人加工系统是现有技术中比较先进的机器人加工方式，其通过机器人配上可以滚动和旋转的工作台进行立体加工，具体工作台上的加工装夹具一般为一维工装夹具，此加工方法一般都是通过翻滚及旋转一个固定的角度然后让机器人可以方便的加工工件，特点是可以适应加工某些狭窄隐藏位置的加工，该加工系统对于雕刻加工来说，由于雕刻的工件(比如石雕)，重量大，体积大，因此上述的上下翻滚机构将承受很大压力，造成磨损。另外，加工时，雕刻的切削加速度很大，造成整体机构冲击很强，加工振动很大。还有一个缺陷，这种编程控制系统的加工通常都是采用一次性离线编程完成的，不能适应多面加工的方式。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统。

本发明所采用的技术方案主要是：一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，包括外部输入系统，所述外部输入系统用于输入工件、工作台及工装的三维模型文件；

机器人离线雕刻加工控制系统，所述机器人离线雕刻加工控制系统包括运动轨迹运算模块、逻辑控制模块以及加工曲面预处理模块，所述运动轨迹运算模块将外部输入系统输入的三维模型文件进行解析以及对不同关节坐标系的坐标系进行转换运算，所述逻辑控制模块将坐标信息转换成控制信号对机器人执行机构系统的驱动器进行通讯，所述加工曲面预处理模块用于在生成轨迹前进行曲面分割预处理；

机器人执行机构系统，所述机器人执行机构系统包括外部输出器件、工件加工及姿态调整机构和机器人本体，所述外部输出器件包括报警警示等外部设备IO输出，所述工件加工及姿态调整机构包括末端加工机构及工作台姿态调整装置，所述机器人本体包括机器人本体关节驱动装置和机器人关节连接机构。

作为上述技术方案的改进，所述加工曲面预处理模块的运行方式如下：由外部输入系统导入三维加工曲面参数，然后进行曲面加工筛选，当不需要转换姿态加工的曲面参数直接给运动轨迹运算模块执行加工，当需要转换姿态加工的曲面参数则需要进行坐标系转换，此时需要设定工作台姿态变换运动参数，加工曲面预处理模块执行工作台位置变换指令从而给运动轨迹运算模块执行特殊曲面的加工。

作为上述技术方案的进一步改进，所述工作台姿态调整装置包括有分度盘和工装夹持机构，工件被工装夹持机构夹持定位后工件坐标系的两个平面XY轴坐标轴与分度盘的两条垂直直径重合或者平行。

进一步，所述外部输入系统还设置有视觉检测模块，用于在加工的同时输入视觉检测数据来不断反馈工件信息从而实现闭环高精度加工。

进一步，所述机器人离线雕刻加工控制系统还包括有人机交互界面显示模块，所述人机交互界面显示模块用于人工操作调试以及设置参数。

本发明的有益效果是：

本发明的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，对普通的机器人离线控制系统添加加工路径预处理模块，并且在加工不同曲面路径时采用不同坐标系的预处理路径，在加工时实时调整工作台姿态，来解决大体积工件无法使用机器人加工的问题；工件坐标系基线与分度盘两条相互垂直的直径重合或平行，这种方式能够为机器人系统的姿态调整提供简单的坐标转换，同时，保证转换后的加工精度要求；整体加工方法通过实时调整姿态，能够优化机器人末端姿态变换时各个轴的旋转量，提高加工效率；工装重心较低，承重能力强，能够承受加工时的强烈冲击，简单的旋转机构对整体的机械磨损也降到最低，提高机器寿命；器件简单，成本低廉，本发明采用严谨的工装设计，统一了工件与工装坐标系，同时添加加工曲面预处理控制模块从而实现大体积工件加工问题，从而解决大体积机器人雕刻加工的工艺难点。

附图说明

图1是本发明的系统框图；

图2是加工曲面预处理模块的运行流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供了一种在加工工件的过程中可以调整工件姿态，通过添加一个机器人控制系统里的机器人加工平面预处理模块与工装及工作台定位机构，从而保证调整后加工精度满足工业要求的机器人雕刻加工系统，同时这种系统还要兼顾加工时的振动小，机器寿命长等问题。

具体的，参照图1和图2，本发明的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，包括外部输入系统、机器人离线雕刻加工控制系统和机器人执行机构系统，所述外部输入系统用于输入工件、工作台及工装的三维模型文件，外部输入系统是本发明的一个辅助系统，由于离线编程及控制方式的要求，因此外部前瞻预处理是离线控制的基础，这种方式与数控机床的设计方式非常类似，必须先建立加工工件以及机器人工装的三维模型，然后通过一定方式输入到机器人运动坐标轨迹运算模块中去，另外，如果需要更高精度的加工要求，可以附加视觉检测模块，在加工的同时不断反馈工件信息来实现闭环高精度加工。

所述机器人离线雕刻加工控制系统包括运动轨迹运算模块、逻辑控制模块以及加工曲面预处理模块，所述运动轨迹运算模块将外部输入系统输入的三维模型文件进行解析以及对不同关节坐标系的坐标系进行转换运算，具体的，运动轨迹运算模块是一个很重要的模块，一般机器人离线系统的运动轨迹运算模块比较复杂，但是其应该包括如下功能：外部输入三维模型信息文件的解析，不同关节坐标系(直角坐标系，轴关节坐标系，工件坐标系，世界坐标系等)的坐标系转换运算，示教功能，机器人零点校准标定等；所述逻辑控制模块将坐标信息转换成控制信号对机器人执行机构系统的驱动器进行通讯，所述加工曲面预处理模块用于在生成轨迹前进行曲面分割预处理，具体的，由于加工工件体积巨大，可能带来重量也较大，这个时候，为了能够在加工时实现调整姿态但是不会引起太大加工误差，必须在生成轨迹前进行曲面分割预处理。调整姿态时，整个加工曲面会发生坐标系变换。为了简单处理，本发明的工作台必须使得翻滚和旋转是基于原坐标系的轴线旋转一个固定角度的。在这个情况下，旋转翻滚后的坐标系只需要对原坐标的工件坐标左乘一个矩阵，这个矩阵的元素只有三轴旋转角度的变量，其他变量均为0。实际上由于机械加工的误差以及工件夹具的误差，在左乘的矩阵里，除了三轴的旋转角度量，XYZ三轴坐标也应该有一个可设置的调整量来补偿工件的位置，并且在加工雕刻时，加工特殊曲面前必须对进行工作台的姿态变换，所述加工曲面预处理模块的运行方式如下：由外部输入系统导入三维加工曲面参数，然后进行曲面加工筛选，当不需要转换姿态加工的曲面参数直接给运动轨迹运算模块执行加工，当需要转换姿态加工的曲面参数则需要进行坐标系转换，此时需要设定工作台姿态变换运动参数，加工曲面预处理模块执行工作台位置变换指令从而给运动轨迹运算模块执行特殊曲面的加工。

所述机器人执行机构系统包括外部输出器件、工件加工及姿态调整机构和机器人本体，所述外部输出器件包括报警警示等外部设备IO输出，对于流水线系统来说，外部输出输入是非常多的，不同装置的协调动作很常见，所述工件加工及姿态调整机构包括末端加工机构及工作台姿态调整装置，末端加工机构一般可以是旋转刀具，焊接设备及焊头，水切割装置等末端加工装置。由于不同加工工件及工艺的特殊要求，末端加工参数实际上也需要进行实时的控制。一个成熟的系统，末端参数的控制装置也会有其独到的地方，这里由于是雕刻加工，因此末端刀具一般是金刚石旋转刀具，根据雕刻材质和精细度进行旋转转速的调节。为了保证翻滚旋转后的坐标能够在机器人坐标系里得到精确的映射，本发明的工作台姿态调整装置有其独到的特点，工作台姿态调整装置包括有分度盘和工装夹持机构，工件被工装夹持机构夹持定位后，整个工件坐标系的两个平面XY轴坐标轴与分度盘某两条垂直直径重合或者平行。这样，当分度盘进行角度旋转时，新坐标系与旧坐标系就可以采用简单的矩阵转换进行坐标系间的左乘变换，从而把旧坐标系的运动坐标转换成新坐标系的坐标。为了进一步简化坐标转换的过程，这里的分度盘旋转次数只进行水平反转一次(将背面反转成正面)，即水平旋转角度180度，这样原坐标系的所有坐标系坐标的转换更简单。假设旋转后某点关于X轴对称，那么除了X轴坐标需要变号，其他所有坐标系都保持不变。这种设计进一步简化控制系统的负担，提高执行效率。

所述机器人本体包括机器人本体关节驱动装置和机器人关节连接机构，这是标准的机器人执行模块，根据不同的动力学模型将有不同的控制方式和算法。

本发明的核心思想就是严格校准工件位置，使得工件坐标系与分度盘坐标系的两条直径重合，并且使得这种规定能够在接下来的离线机器人控制系统里方便的进行坐标转换，保证加工精度。而具体实施思路也就是添加加工平面预处理模块来将多次姿态变换后的坐标系统一起来，同时在实时加工时需要转换的地方添加姿态变换的外部控制指令即可。

为了简化这种坐标转换，在满足工艺要求的基础上，本发明下面将采用水平旋转一次，并且水平平面旋转角度180度来阐述。这个角度的坐标转换经过验证是比较简单而且能够满足大部分生产要求的(只需要一个轴坐标变号，其他完全不变，因此很容易实现而且容易验证准确性)。

并且从机构设计可以看出来，这种方式下，整个设备的重心很低，抗冲击的能力大大增强，很适合雕刻切削的加工。

下面以机器人雕刻作具体实施示例，雕刻原工件是一个标准球体。

1、对球体工件，工装，工作台等进行三维模型建模，具体可以通过UG等计算机辅助软件，然后直接生成刀路。也可以导入到专业的刀路软件mascam里面进行专业刀路编辑。这里应该注意设计三维模型时候的坐标系原点原则，尽量采用左手坐标系，工装坐标系如图四右图固定在中间圆孔中心处，工作台原点就是它的旋转中心，工件坐标原点应该设置在与其相切的三个平面交点处。

2、对工件坐标系不同加工曲面的刀路轨迹进行分离处理。特别难处理的部分应该分离出来(背面)，然后保存成两个(或更多)不同文件。这是加工平面预处理模块的重要部分。当刀路导入机器人运动轨迹运算模块时，应该先识别不同的加工基准曲面然后统一进行坐标转换。在这里本发明将正侧曲面加工文件称A，背部曲面加工文件称B。

3、工装，工作台三维参数提前输入到机器人离线控制系统里面，先对机器人进行零点校准，保证世界坐标系，机器人坐标系，工装坐标系，工作台坐标系的统一。下面采用工装坐标系作为整个机器人工件加工系统的基准坐标系。导入工件参数然后进行坐标解析，转换成机器人自身能够识别的几何实体坐标参数。当遇到A文件时，按照正常流程处理，直接转换成工件坐标系坐标值，然后根据机器人关节坐标逆运算计算出各关节运动参数；当运到B文件，先对其进行坐标姿态转换，这里是直接对某一轴坐标变号即可(水平旋转180)，其他部分与文件A处理类同。

4、机器人离线编程系统还应该配置一个人机交互的界面系统来方便工人操作。人机交互系统是一个操作调试以及设置参数的模块。可用当前的PC机系统与机器人通过以太网进行通讯操作。

5、当机器人运动轨迹模块生成参数后就可以给逻辑控制系统发送关节运动指令，逻辑模块将运动指令转换成脉冲信息传输给具体机体及各伺服电机驱动模块。

6、加工前以及加工过程中出现的报警提示等可以通过外部设备IO输出模块给具体器件如：三色灯、蜂鸣器等输出提示信号。

7、视觉检测。添加一个视觉检测模块对工件的轮廓进行识别就能通过比较得到新工件与基准工件间的偏差数据，从而计算出误差值进行补偿。视觉系统的补偿可以在加工过程中实时进行，通过以太网或者串口等方式将数据通过一套数据协议发送给机器人运动轨迹生成模块里面进行前瞻预处理。因此这里又回到步骤3部分进行坐标重新校正。

8、末端加工执行机构在本实例中是一个金刚石旋转刀具。只是为了实现全自动处理，建议分度盘改成伺服电机驱动，如果需要上下翻滚，还应该把整个分度盘安装在垂直旋转工作架上。但是对于本实例中的大体积工件，一般重量比较大，比较适合水平放置的电动分度盘。旋转角度也适合旋转轴与Z轴平行的旋转。需要注意，由于制造误差和安装误差，工件和工装间还是存在一些差距的，因此在校准机器人工装原点时需要添加一个补偿坐标值(X，Y，Z)。

本发明的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，对普通的机器人离线控制系统添加加工路径预处理模块，并且在加工不同曲面路径时采用不同坐标系的预处理路径，在加工时实时调整工作台姿态，来解决大体积工件无法使用机器人加工的问题；工作台与工装坐标系基线与分度盘两条相互垂直的直径重合。这种方式能够为机器人系统的姿态调整提供简单的坐标转换，同时，保证转换后的加工精度要求；整体加工方法通过实时调整姿态，能够优化机器人末端姿态变换时各个轴的旋转量，提高加工效率；工装重心较低，承重能力强，能够承受加工时的强烈冲击，简单的旋转机构对整体的机械磨损也降到最低，提高机器寿命；器件简单，成本低廉，本发明采用严谨的工装设计，统一了工件与工装坐标系，同时添加加工曲面预处理控制模块从而实现大体积工件加工问题，从而解决大体积机器人雕刻加工的工艺难点。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，只要以基本相同手段实现本发明目的的技术方案都属于本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，其特征在于，包括：

外部输入系统，所述外部输入系统用于输入工件、工作台及工装的三维模型文件；

机器人离线雕刻加工控制系统，所述机器人离线雕刻加工控制系统包括运动轨迹运算模块、逻辑控制模块以及加工曲面预处理模块，所述运动轨迹运算模块将外部输入系统输入的三维模型文件进行解析以及对不同关节坐标系的坐标系进行转换运算，所述逻辑控制模块将坐标信息转换成控制信号对机器人执行机构系统的驱动器进行通讯，所述加工曲面预处理模块用于在运动轨迹运算模块生成轨迹前进行曲面分割预处理；

机器人执行机构系统，所述机器人执行机构系统包括外部输出器件、工件加工及姿态调整机构和机器人本体，所述外部输出器件包括外部设备IO输出，所述工件加工及姿态调整机构包括末端加工机构及工作台姿态调整装置，所述机器人本体包括机器人本体关节驱动装置和机器人关节连接机构。

2.根据权利要求1所述的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，其特征在于，所述加工曲面预处理模块的运行方式如下：由外部输入系统导入三维加工曲面参数，然后进行曲面加工筛选，当不需要转换姿态加工的曲面参数直接给运动轨迹运算模块执行加工，当需要转换姿态加工的曲面参数则需要进行坐标系转换，此时需要设定工作台姿态变换运动参数，加工曲面预处理模块执行工作台位置变换指令从而给运动轨迹运算模块执行特殊曲面的加工。

3.根据权利要求2所述的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，其特征在于：所述工作台姿态调整装置包括有分度盘和工装夹持机构，工件被工装夹持机构夹持定位后工件坐标系的两个平面XY轴坐标轴与分度盘的两条垂直直径重合或者平行。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，其特征在于：所述外部输入系统还设置有视觉检测模块，用于在加工的同时输入视觉检测数据来不断反馈工件信息从而实现闭环高精度加工。

5.根据权利要求4所述的一种大体积工件雕刻的机器人加工控制系统，其特征在于：所述机器人离线雕刻加工控制系统还包括有人机交互界面显示模块，所述人机交互界面显示模块用于人工操作调试以及设置参数。