CN112405527A - 工件表面圆弧轨迹加工方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种工件表面圆弧轨迹加工方法及相关装置，所述加工方法包括：根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于所述起点和所述终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系；获得加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的姿态信息；根据所述姿态信息以及所述起点、所述终点和所述中间点在所述工件坐标系下的位置信息进行加工运动规划。通过上述方式，本申请能够在不依赖于离线仿真软件的同时，提高对圆弧轨迹进行指定角度加工时的示教精度，降低加工圆弧轨迹时的人力成本和时间成本。

Description

工件表面圆弧轨迹加工方法及相关装置

技术领域

本申请属于机器人技术领域，具体涉及一种工件表面圆弧轨迹加工方法及相关装置。

背景技术

在工业机器人的法兰末端安装加工工具，然后对工件表面圆弧状的轨迹进行加工(如焊接、切割、打磨等)是工业机器人应用中经常遇到的情况。然而，在很多工况下不仅要求加工工具的TCP(Tool Center Point，工具中心点)要准确地沿着圆弧轨迹运行，更要求加工工具的姿态随着圆弧轨迹上加工点的不同而逐渐变化，以达到圆弧轨迹上的每个点都被加工工具进行一致性的加工。

为达到这一要求，一般有两种方案：一是通过离线仿真的手段，将工件的三维模型导入机器人离线仿真软件，在拾取好轨迹的基础上对轨迹上各点的欧拉角进行编辑，达到所需的效果后再生成机器人真机加工时所需要的程序；二是通过现场示教的方式，采用加工工具的TCP在工件表面圆弧轨迹上进行示教，一般最少需要示教三个点，且每个示教点的工具姿态都需要调整到合适的位置，然后生成加工时所需要的程序。

采用离线仿真软件的方式操作步骤繁琐，对机器人使用者的要求较高，且在缺少工件三维模型时无法实现；采用现场示教的方式得到的程序一般精度不高，难以达到工件表面圆弧轨迹上的每个点都被工具一致性加工的要求，且容易造成工具与工件意外碰撞，造成不必要的损失。

发明内容

本申请提供一种工件表面圆弧轨迹加工方法及相关装置，可以不依赖于离线仿真软件的同时，提高工件表面圆弧轨迹加工精度，降低加工圆弧轨迹时的人力成本和时间成本。

为解决上述技术问题，本申请采用的一个技术方案是：提供一种工件表面圆弧轨迹加工方法，包括：根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于所述起点和所述终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系；获得加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的姿态信息；根据所述姿态信息以及所述起点、所述终点和所述中间点在所述工件坐标系下的位置信息进行加工运动规划。

其中，所述根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于所述起点和所述终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系的步骤包括：根据所述圆弧轨迹的所述起点、所述终点和所述中间点在基坐标系下的坐标获得基坐标系下经过所述起点、所述终点和所述中间点的圆；将所述圆的圆心确定为所述工件坐标系的原点；将所述圆所在的圆平面上的两个相互垂直且经过所述圆心的轴线分别确定为所述工件坐标系的X轴和Y轴；将垂直所述圆平面且经过所述圆心的直线确定为所述工件坐标系的Z轴。

其中，所述将所述圆所在的圆平面上的两个相互垂直且经过所述圆心的轴线分别确定为所述工件坐标系的X轴和Y轴的步骤包括：将经过所述圆心和所述起点的轴线确定为所述工件坐标系的X轴，且将所述圆心至所述起点方向确定为所述工件坐标系的X轴正方向，将所述圆弧起点处的朝向所述中间点一侧的切线方向确定为所述工件坐标系的Y轴正方向；和/或，所述将垂直于所述圆所在的平面且经过所述圆心的直线确定为所述工件坐标系的Z轴，包括：根据所述起点至所述终点的方向以及右手定则确定所述工件坐标系的Z轴正方向。

其中，所述获得所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的姿态信息的步骤，包括：获得所述加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的欧拉角。

其中，所述获得所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的欧拉角的步骤，包括：根据用户设定的加工角度获得所述加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点其中之一相对于所述工件坐标系的欧拉角；根据所述起点、所述终点和所述中间点其中之一相对于所述工件坐标系的欧拉角、以及所述起点、所述终点和所述中间点在所述工件坐标系中的位置信息，获得其他两个点分别对应的欧拉角。

为解决上述技术问题，本申请采用的另一个技术方案是：提供一种工件表面圆弧轨迹加工装置，包括相互耦合的存储器和处理器，所述存储器和所述处理器相互配合以实现上述任一实施例中所述加工方法中的步骤。

为解决上述技术问题，本申请采用的又一个技术方案是：提供一种具有存储功能的装置，存储有程序指令，所述程序指令能够被执行以实现上述任一实施例中所述加工方法中的步骤。

区别于现有技术情况，本申请的有益效果是：本申请在根据待加工工件表面的圆弧轨迹的起点、终点以及位于起点和终点之间的任意一个中间点建立了一个工件坐标系，根据起点、终点和中间点相对于工件坐标系的姿态信息以及位置信息可以进行加工运动规划。该方式在不依赖离线仿真软件的同时，提高对圆弧轨迹进行指定角度加工时的示教精度，降低加工圆弧轨迹时的人力成本和时间成本。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：

图1为本申请工件表面圆弧轨迹加工方法一实施方式的流程示意图；

图2为待加工工件一示例的结构示意图；

图3为图1中步骤S101对应的一实施方式的流程示意图；

图4为建立工件坐标系一实施方式的示意图；

图5为图4中建立工件坐标系的侧视图；

图6为本申请工件表面圆弧轨迹加工装置一实施方式的结构示意图；

图7是本申请具有存储功能的装置一实施方式的框架示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本申请保护的范围。

请参阅图1，图1为本申请工件表面圆弧轨迹加工方法一实施方式的流程示意图，该加工方法具体包括：

S101：根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于起点和终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系。

具体地，如图2所示，图2为待加工工件一示例的结构示意图。该待加工工件可以为圆柱体、球体、圆锥体等具有圆弧表面的工件，圆弧轨迹可以是待加工工件上需要焊接的地方。所谓圆弧，是指圆上任意两点之间的部分，即待进行加工运动规划的圆弧轨迹位于同一个圆上。而为了提高后续圆弧轨迹运动规划的精确度，上述起点P1和终点P2之间的任意一个中间点P3可以尽可能位于P1和P2之间的中间位置，例如，中间点P3与起点P1之间的圆弧的长度与中间点P3与终点P2之间的圆弧的长度相同。

在一个实施方式中，请一并参阅图2和图3，图3为图1中步骤101对应的一实施方式的流程示意图。上述步骤S101具体包括：

S201：根据圆弧轨迹的起点P1、终点P2和中间点P3在基坐标系下的坐标获得基坐标系下经过起点P1、终点P2和中间点P3的圆。

其中，基座标系是以机器人安装基座为基准，用来描述机器人本体运动的直角坐标系，该机器人可以为六轴工业机器人等。上述获得基座标系下的坐标的过程可以为：在示教过程中，示教器使加工工具分别运动至起点P1、终点P2和中间点P3，进而获得其在基座标系下的坐标。

S202：将圆的圆心确定为工件坐标系的原点。

具体地，工件坐标系是固定于待加工工件的笛卡尔坐标系，一般情况下需要针对不同的工件建立不同的工件坐标系，以方便对其进行加工。请参阅图4，图4为建立工件坐标系一实施方式的示意图。利用不在同一直线上的三个点P1、P2和P3可以唯一确定一个圆；当确定出该圆后，即可获得该圆的圆心位置，将该圆心位置定义为工件坐标系的原点O，原点O在工件坐标系下的坐标为(0,0,0)。

S203：将圆所在的圆平面上的两个相互垂直且经过圆心的轴线分别确定为工件坐标系的X轴和Y轴。

具体地，上述定义方式可以降低后续轨迹规划的计算量。如图4所示，上述步骤S203具体可以包括：将经过圆心O和起点P1的轴线确定为工件坐标系的X轴，且将圆心O至起点P1方向确定为工件坐标系的X轴正方向，将圆平面上与经过圆心O和起点P1的轴线垂直的轴线确定为工件坐标系的Y轴，将起点P1处的朝向中间点P3一侧的切线方向确定为工件坐标系的Y轴正方向；其中，起点P1处的切线方向与后续加工工具在起点P1处的切线速度方向一致。上述定义方式简单明确，可以进一步降低后续轨迹规划时的计算量。

当然，在其他实施例中，也可采用其他方式确定X轴和Y轴；例如，将经过圆心O和终点P2的轴线确定为工件坐标系的X轴，且将圆心O至终点P2方向确定为工件坐标系的X轴正方向，将终点P2处的朝向中间点P3一侧的切线方向确定为工件坐标系的Y轴正方向。又例如，将经过圆心O和中间点P3的轴线确定为工件坐标系的X轴，且将圆心O至中间点P3方向确定为工件坐标系的X轴正方向，将中间点P3处朝向终点P2一侧的切线方向确定为工件坐标系的Y轴正方向。

S204：将垂直于圆平面且经过圆心的直线确定为工件坐标系的Z轴。

具体地，在一个实施例中，可以根据起点P1至终点P2的方向以及右手定则确定出工件坐标系的Z轴正方向。例如，图4中Z轴垂直于纸面，且经过圆心O；Z轴的正方向远离纸面。将其更换一个视角，如图5所示，图5为图4中建立工件坐标系的侧视图。

上述图2中所对应的建立工件坐标系的方式简单，且后续轨迹规划处理过程的计算量小。

S102：获得TCP在起点、终点和中间点相对于工件坐标系的姿态信息。

具体地，在本实施例中，上述步骤S102的具体实现过程可以为：获得加工工具TCP在起点、终点和中间点位置处相对于工件坐标系的欧拉角。上述利用欧拉角来代表加工工具的姿态信息的方式有利于控制姿态误差，提高后续轨迹规划的精度。当然，在其他实施例中，也可用四元数来表示加工工具的姿态信息，四元数和欧拉角之间可以通过旋转矩阵进行相互转换。用四元数表示姿态有一定的优越性，但四元数所表示的姿态并不直观，姿态误差相比欧拉角而言可能不易控制。

另外，在上述步骤S102之前还可以包括：利用步骤S101中所获得的起点、终点和中间点在基坐标系下的坐标分别获得起点、终点和中间点在工件坐标系下的坐标，进而获得起点、终点和中间点在工件坐标系下的位置信息。具体实现过程可以为：先获得基坐标系和工件坐标系之间的转换关系，然后利用该转换关系和基座标系下的坐标获得工件坐标系下的坐标。当然，在其他实施例中，也可采用其他实现方式，在此不再赘述。

进一步，上述步骤S102具体包括：根据用户设定的加工角度获得TCP在起点、终点和中间点其中之一相对于工件坐标系的欧拉角；根据TCP在起点、终点和中间点其中之一相对于工件坐标系的欧拉角、以及起点、终点和中间点在工件坐标系中的位置信息，获得其他两个点分别对应的欧拉角，例如，根据TCP在起点相对于工件坐标系的欧拉角、以及起点、终点和中间点在工件坐标系中的位置信息，获得TCP在终点和中间点分别对应的欧拉角，依次类推。上述获得欧拉角的过程较为简单，且易于实现。上述利用一个位置处的欧拉角获得其他位置处的欧拉角的过程可以参见现有技术，在此不再赘述。例如，可以先获得起点、终点和中间点中任意两个点之间的旋转矩阵，利用该旋转矩阵以及已知的任意两个点中其中一个点的欧拉角，获得另一个点的欧拉角。

一般而言，欧拉角按照旋转所绕轴的次序不同，共有12种不同的欧拉角表达方式，例如，在本实施例中，可以采用ZYX型欧拉角。当然，也可采用XYZ或YZX类型的欧拉角。

较佳地，在本实施例中，可以先获得加工工具TCP在起点时相对于工件坐标系的欧拉角，然后根据起点位置处的欧拉角获得终点以及中间点位置处的欧拉角。该设计方式可以降低数据处理复杂程度。其中，上述轨迹起点的欧拉角可以由用户根据加工工具加工工件表面圆弧轨迹时所需要指定的角度获得。上述指定的角度是指加工工具沿着工件表面圆弧轨迹进行加工时，加工工具相对每个正在被加工的轨迹点具有指定好的相同的角度，该角度可以为30°、40°等。

S103：根据姿态信息以及起点、终点和中间点在工件坐标系下的位置信息进行加工运动规划。

具体地，通过上述步骤S103可以获得与加工运动规划相关的机器人可执行的指令程序，程序中的圆弧运动指令将参考新建立的工件坐标系，机器人运行该程序即可对工件表面圆弧轨迹进行指定角度的加工。

一般而言，加工工具可以匀速运动，上述步骤S103之前还可以包括接收用户设定的加工工具TCP的运行速度。上述步骤S103包括：根据TCP的姿态信息，在起点、终点和中间点在工件坐标系下的位置信息、以及TCP的运行速度进行加工运动规划，以形成加工指令。加工运动规划过程可以为现有技术中任意一种，例如，插补等，在此不再赘述。

当然，在其他实施例中，加工工具也可非匀速运动，上述步骤S103之前还可以包括接收用户设定的加工工具中心点的运动初速度、运动加速度等参数。上述步骤S103包括：利用TCP的姿态信息，在起点、终点和中间点在工件坐标系下的位置信息、以及加工工具TCP的的运行初速度、运行加速度进行加工运动规划，以形成加工指令。

通过上述方式，本申请能够在不依赖离线仿真软件的同时，提高对圆弧轨迹进行指定角度加工时的示教精度，降低加工圆弧轨迹时的人力成本和时间成本。

请参阅图6，图6为本申请工件表面圆弧轨迹加工装置一实施方式的结构示意图。该加工装置10包括相互耦接的存储器100和处理器102，存储器100和处理器102相互配合以实现上述任一实施例中所述的加工方法中的步骤。

具体而言，处理器102还可以称为CPU(Central Processing Unit，中央处理单元)。处理器102可能是一种集成电路芯片，具有信号的处理能力。处理器102还可以是通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor,DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit,ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable GateArray,FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。另外，处理器102可以由多个集成电路芯片共同实现。

请参阅图7，图7是本申请具有存储功能的装置一实施方式的框架示意图。该具有存储功能的装置20上存储有能够实现上述所有加工方法的程序指令200。其中，该程序指令200可以以软件产品的形式存储在上述存储装置中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)或处理器(processor)执行本申请各个实施方式所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储装置包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质，或者是计算机、服务器、手机、平板等终端设备。

以上所述仅为本申请的实施例，并非因此限制本申请的专利范围，凡是利用本申请说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。

Claims (7)

1.一种工件表面圆弧轨迹加工方法，其特征在于，包括：

根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于所述起点和所述终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系；

获得加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的姿态信息；

根据所述姿态信息以及所述起点、所述终点和所述中间点在所述工件坐标系下的位置信息进行加工运动规划。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述根据待加工工件表面的圆弧轨迹上的起点、终点和位于所述起点和所述终点之间的任意一个中间点建立工件坐标系的步骤包括：

根据所述圆弧轨迹的所述起点、所述终点和所述中间点在基坐标系下的坐标获得基坐标系下经过所述起点、所述终点和所述中间点的圆；

将所述圆的圆心确定为所述工件坐标系的原点；

将所述圆所在的圆平面上的两个相互垂直且经过所述圆心的轴线分别确定为所述工件坐标系的X轴和Y轴；

将垂直所述圆平面且经过所述圆心的直线确定为所述工件坐标系的Z轴。

3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，

所述将所述圆所在的圆平面上的两个相互垂直且经过所述圆心的轴线分别确定为所述工件坐标系的X轴和Y轴的步骤包括：将经过所述圆心和所述起点的轴线确定为所述工件坐标系的X轴，且将所述圆心至所述起点方向确定为所述工件坐标系的X轴正方向，将所述起点处的朝向所述中间点一侧的切线方向确定为所述工件坐标系的Y轴正方向；和/或，

所述将垂直于所述圆所在的平面且经过所述圆心的直线确定为所述工件坐标系的Z轴，包括：根据所述起点至所述终点的方向以及右手定则确定所述工件坐标系的Z轴正方向。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述获得所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的姿态信息的步骤，包括：

获得所述加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的欧拉角。

5.根据权利要求4所述的加工方法，其特征在于，所述获得所述起点、所述终点和所述中间点相对于所述工件坐标系的欧拉角的步骤，包括：

根据用户设定的加工角度获得所述加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点其中之一相对于所述工件坐标系的欧拉角；

根据所述加工工具在所述起点、所述终点和所述中间点其中之一相对于所述工件坐标系的欧拉角、以及所述起点、所述终点和所述中间点在所述工件坐标系中的位置信息，获得其他两个点分别对应的欧拉角。

6.一种工件表面圆弧轨迹加工装置，其特征在于，包括相互耦合的存储器和处理器，所述存储器和所述处理器相互配合以实现如权利要求1-5任一项所述加工方法中的步骤。

7.一种具有存储功能的装置，其特征在于，存储有程序指令，所述程序指令能够被执行以实现如权利要求1-5任一项所述加工方法中的步骤。

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