CN110434852A - 一种穿孔加工方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明的技术方案包括一种穿孔加工系统及方法，用于实现：根据工件设计图纸内容；根据图纸内容，对加工工具进行初始设置；根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换；根据坐标转换得到加工数据；根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。本发明的有益效果为：机器人执行工具的位置坐标及姿态由设计图纸尺寸自动计算，不受操作者主观肉眼判断的影响，输入不同规格工件图纸尺寸，即可自动生成该规格的机器人程序，节约大量时间，同时对不适用于减料加工的人工示教钻头加工深度，也同样适用。

Description

一种穿孔加工方法及系统

技术领域

本发明涉及一种穿孔加工系统及方法，属于机器人控制领域。

背景技术

机器人应用于三维曲面的穿孔加工非常广泛，通过示教器进行机器人的手动操纵、程序编写、参数配置以及监控用的手持装置，如钻孔、等离子割孔、激光切割穿孔等。

目前机器人的示教方式有三种：1)人工示教编程；2)拖拽示教编程；3)离线编程。

人工示教编程，是通过人工操作示教器来操控机器人移动，由操作者主观确定机器人的位置和姿态是否合适，然后逐个点把机器人的行走轨迹分别在程序行上记录一遍。

拖拽示教编程，与人工示教编程大同小异，区别在于可以直接拖拽机器人执行工具(焊枪、刀具等)移动，相同之处是，仍然由操作者主观确定机器人的位置和姿态是否合适，仍需逐个点把机器人的行走轨迹分别在程序行上记录一遍。

离线编程，是把机器人、执行工具、工装夹具、工件等相关的三维模型导入到计算机的机器人传真软件中，预先在软件中编好机器人轨迹程序，然后把程序再导入到实际的机器人系统中。与以上两种示教方法相同，仍然由操作者在仿真系统中主观确定机器人的位置和姿态是否合适，仍需逐个点把机器人的行走轨迹分别在仿真系统的程序行上记录一遍。

这三种示教编程方法，均受到操作者主观因素影响，穿孔法向角度误差大，且示教编程效率低下，普遍存在这样的情况：1)要求穿孔的中心线与曲面切向垂直；2)钻孔属于减料加工，在钻孔前并不具备人工示教钻头加工深度的条件；3)尤其在多规格少批量的生产模式下，示教编程的工作量非常大。

发明内容

为至少解决现有技术中存在的技术问题之一，本发明的目的在于提供一种穿孔加工方法，

根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；根据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换；根据坐标转换得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态数据；根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

本发明解决其问题所采用的技术方案第一方面是：一种穿孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：S100、根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；S200、根据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；S300、根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换；S400、根据坐标转换得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态数据；S500、根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

根据本发明第一方面所述的，机器人坐标系包括但不限于世界坐标系、基坐标系、用户坐标系以及工件坐标系。

根据本发明第一方面所述的，S200还包括；S201、根据图纸内容，选择对应的加工工具；S202、设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

根据本发明第一方面所述的，S400包括：S401、选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；S402、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具的初始位置在参考坐标系中进行赋值；S403、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。

根据本发明第一方面所述的，姿态数据由转角四元素确定。

本发明解决其问题所采用的技术方案第二方面是：一种穿孔加工系统，其特征在于，包括：图纸生成模块，用于根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；加工工具设置模块，用于据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；坐标转换模块，用于根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换，得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态变化；命令生成及发送模块，用于根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

根据本发明第二方面所述的，加工工具设置模块还包括：工具选择单元，用于根据图纸内容，选择对应的加工工具以进行加工操作；初始参数设置单元，用户设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

根据本发明第二方面所述的，坐标转换模块还包括：参考系设置单元，用于选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；坐标信息赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具位置的设置，对加工工具在参考坐标系中的坐标数值进行赋值；姿态数据赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具加工行程的设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。

本发明的有益效果是：机器人执行工具的位置坐标及姿态由设计图纸尺寸自动计算，不受操作者主观肉眼判断的影响，输入不同规格工件图纸尺寸，即可自动生成该规格的机器人程序，节约大量时间，同时对不适用于减料加工的人工示教钻头加工深度，也同样适用。

附图说明

图1是根据本发明优选实施例的方法流程示意图；

图2是根据本发明优选实施例的系统结构示意图；

图3是根据本发明优选实施例的加工工具旋转示意图；

图4是根据本发明优选实施例的加工图纸。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整的描述，以充分地理解本发明的目的、方案和效果。

需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本文所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。

参照图1,为根据本发明优选实施例的方法流程示意图，

S100、根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；

S200、根据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；

S300、根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换；

S400、根据坐标转换得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态数据；

S500、根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

S200还包括；S201、根据图纸内容，选择对应的加工工具；S202、设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

S400包括：S401、选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；S402、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具的初始位置在参考坐标系中进行赋值；S403、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。

姿态数据由转角四元素确定。

参照图2，是根据本发明优选实施例的系统结构示意图，

包括：

图纸生成模块，用于根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；

加工工具设置模块，用于据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；

坐标转换模块，用于根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换，得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态变化；

命令生成及发送模块，用于根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

加工工具设置模块还包括：

工具选择单元，用于根据图纸内容，选择对应的加工工具以进行加工操作；

初始参数设置单元，用户设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

坐标转换模块还包括：

参考系设置单元，用于选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；

坐标信息赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具位置的设置，对加工工具在参考坐标系中的坐标数值进行赋值；

姿态数据赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具加工行程的设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。

工具坐标系用于定义机器人执行工具(焊枪、刀具等)的工具中心点TCP相对于机器人第六轴法兰端面中心的位置和姿态。

机器人坐标系有世界坐标系、基坐标系、用户坐标系、工件坐标系等，用户可任意选用作为参考坐标系，以确定机器人执行工具(焊枪、刀具等)的空间位置。一般用工件坐标系作为参考。

工具中心点在参考坐标系中的空间位置即是位置坐标。

工件坐标系的姿态由转角四元素确定。

工件坐标系位置与姿态由三个坐标值及转角四元素确定，格式是：

(X，Y，Z)，(q1，q2，q3，q4)

坐标系旋转前，三根坐标轴上的点坐标分别为：

X轴上的点坐标：(x,0,0)

Y轴上的点坐标：(0,y,0)

Z轴上的点坐标：(0,0,z)

坐标系旋转后，三根坐标轴上的点坐标在旋转前坐标系中的坐标分别为：

X轴上的点坐标：(x1,x2,x3)

Y轴上的点坐标：(y1,y2,y3)

Z轴上的点坐标：(z1,z2,z3)

这些坐标值与坐标系的旋转角度有关，通过转角的三角函数计算得出。

转角四元素数值及其正负计算如下：

对应的

sign q2＝sign(y₃-z₃)

sign q3＝sign(z₁-x₃)

sign q4＝sign(x₂-y₁)

如图3，是根据本发明优选实施例的加工工具旋转示意图，

坐标系绕Y轴旋转正30°，坐标系旋转后，三根坐标轴上的点坐标在旋转前坐标系中的坐标分别为：

X轴上的点坐标：(cos30°,0,-sin30°)

Y轴上的点坐标：(0,1,0)

Z轴上的点坐标：(sin30°,0,cos30°)

转角四元素数值及其正负计算如下：

对应的

sign q3＝sign(sign30°+sign30°)

参照图4，是根据本发明优选实施例的加工图纸，

数据寄存器赋值：

R1＝-204.92

R2＝132.56

R3＝7.03

R4＝8.72

坐标系变换算法：

为保证钻孔与曲面法向一致，钻嘴的姿态(等同于工件坐标的姿态)需要绕X轴旋转正8.72°，旋转后三根坐标轴上的点坐标在旋转前坐标系中的坐标分别为：

X轴上的点坐标：(1,0,0)

Y轴上的点坐标：(0,cos8.72°,sin8.72°)

Z轴上的点坐标：(0,-sin8.72°,cos8.72°)

转角四元素数值及其正负计算如下：

q1＝sqrt(1+cos(R4)+cos(R4)+1)/2＝0.9971061

q2＝sqrt(1-cos(R4)-cos(R4)+1)/2＝0.0760229

q3＝sqrt(cos(R4)-1-cos(R4)+1)/2＝0

q4＝sqrt(cos(R4)-1-cos(R4)+1)/2＝0

sign q2＝sign(sin8.72°+sin8.72°)＝+

q2为正。

工件坐标系的赋值：

Wobj1.uframe.rot.q1＝q1

Wobj1.uframe.rot.q2＝q2

Wobj1.uframe.rot.q3＝q3

Wobj1.uframe.rot.q4＝q4

输入其它辅助参数：

R31＝50(钻孔高度)

R32＝80(钻孔行程)

位置寄存器赋值：

P10.trans.x＝R1

P10.trans.y＝R2

P10.trans.z＝R3+R31

P20.trans.x＝P10.trans.x

P20.trans.y＝P10.trans.y

P20.trans.z＝R3–R32

轨迹运动指令：

MoveL(P10，v300，fine，Tool1，Wobj1，load1)

MoveL(P20，v300，fine，Tool1，Wobj1，load1)

MoveL(P10，v300，fine，Tool1，Wobj1，load1)。

应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。

此外，可按任何合适的顺序来执行本文描述的过程的操作，除非本文另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本文描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。

进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、RAM、ROM等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本文所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。

计算机程序能够应用于输入数据以执行本文所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。

以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。

Claims (8)

1.一种穿孔加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

S100、根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；

S200、根据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；

S300、根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换；

S400、根据坐标转换得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态数据；

S500、根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

2.根据权利要求1所述的穿孔加工方法，其特征在于，所述机器人坐标系包括但不限于世界坐标系、基坐标系、用户坐标系以及工件坐标系。

3.根据权利要求1所述的穿孔加工方法，其特征在于，所述S200还包括；

S201、根据图纸内容，选择对应的加工工具；

S202、设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

4.根据权利要求1所述的穿孔加工方法，其特征在于，所述S400包括：

S401、选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；

S402、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具的初始位置在参考坐标系中进行赋值；

S403、根据步骤S200中对加工工具的初始设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。

5.根据权利要求1或4所述的穿孔加工方法，其特征在于，所述姿态数据由转角四元素确定。

6.一种穿孔加工系统，其特征在于，包括：

图纸生成模块，用于根据工件设计图纸内容，其中图纸内容包括机器人坐标系以及在对应机器人坐标系中穿孔的位置和深度；

加工工具设置模块，用于据图纸内容，对加工工具进行初始设置，包括加工工具的初始位置和加工行程；

坐标转换模块，用于根据穿孔在机器人坐标系中的位置深度和加工工具的初始设置，在基于图纸内容的机器人坐标系上进行坐标转换，得到加工数据，加工数据包括加工工具的行走轨迹点以及加工工具在加工过程中的姿态变化；

命令生成及发送模块，用于根据加工数据生成轨迹运动指令，发送给加工工件完成加工操作。

7.根据权利要求6所述的穿孔加工系统，其特征在于，所述加工工具设置模块还包括：

工具选择单元，用于根据图纸内容，选择对应的加工工具以进行加工操作；

初始参数设置单元，用户设置加工工具的初始高度、行进方向以及行程距离。

8.根据权利要求6所述的穿孔加工系统，其特征在于，所述坐标转换模块还包括：

参考系设置单元，用于选定一机器人坐标系为参考坐标系，并选定一参考点为坐标原点；

坐标信息赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具位置的设置，对加工工具在参考坐标系中的坐标数值进行赋值；

姿态数据赋值单元，用于根据加工工具设置模块中对加工工具加工行程的设置，对加工工具在初始位置和行进状态中的加工工具的姿态数据进行赋值。