CN112959337B - 基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法 - Google Patents

基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法 Download PDF

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Abstract

本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法涉及一种切割方法。其目的是为了提供一种加工精度高、成本低的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法。本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法包括以下步骤:S10,安装切割工具以及作为工件的牙齿矫治器;S20,完成步骤S10中切割工具和牙齿矫治器的标定;S30,获取导入牙膜CAD文件,并选取切割路径点;S40,计算每个切割路径点处的切割工具和牙齿矫治器的相对坐标系;S50,路径信息导入到机器人控制器中;S60,试运行机器人完成切割,并根据切割效果进行误差补偿;S70,正式投入生产。

Description

基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法
技术领域
本发明涉及自动化加工技术领域,特别是涉及一种基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法。
背景技术
隐形矫治器由安全的弹性透明高分子材料制成,使矫治过程几乎在旁人无察觉中完成,不影响使用者日常的生活和社交。同时,隐形矫治器没有了粘结托槽、调整弓丝的繁琐,临床操作大大简化,整个矫治过程省时又省力。隐形正畸是当前口腔正畸学领域中的一项高新科技技术。其效果好,优点突出,已经大量应用于市场中。
在以往隐形矫治器的生产中,将透明矫治器从模具上切割下来这一工艺是通过五轴机床实现的。五轴机床虽然能够完成这个工艺,但是价格昂贵,而且由于五轴机器人自身的结构所限,其功能有一定局限性,不少隐形矫治器生产厂商开始寻找五轴机床的替代品。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种加工精度高、成本低的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,包括以下步骤:
S10,安装切割工具以及作为工件的牙齿矫治器;
S20,完成步骤S10中切割工具和牙齿矫治器的标定;
S30,获取导入牙膜CAD文件,并选取切割路径点;
S40,计算每个切割路径点处的切割工具和牙齿矫治器的相对坐标系;
S50,路径信息导入到机器人控制器中;
S60,试运行机器人完成切割,并根据切割效果进行误差补偿;
S70,正式投入生产。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述步骤S10、S20、S30、S40、S50和S60在设备初次运行或者调整设备后进行。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中在步骤S10中,牙齿矫治器安装在机器人末端,切割工具安装在机器人外部,此时切割工具的切割尖端与安装平面之间具有倾角,或者牙齿矫治器安装在机器人外部,切割工具安装在机器人末端,此时切割工具的切割尖端与法兰平面具有倾角。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中在步骤S20中,标定包括坐标的标定和坐标系的标定,坐标系包括工具坐标系和工件坐标系。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述工具坐标系中,切割工具尖端的指向方向为坐标系中其中一轴,坐标系原点为切割工具的尖端点,三轴满足正交关系。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中计算步骤S40中所述的相对坐标系包括以下步骤:
S41,确定每个切割点处的坐标系;
S42,坐标转换,当工件坐标系和实际标定的工件坐标系不同时,需要通过二者之间的对齐变化矩阵将每个路径点坐标系转换到实际标定的工件坐标系中;
S43,确定工具坐标系与每个切割点坐标系的关系;
S44,优化路径信息。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述步骤S43中的关系通过手动指定或者示教的方式确定。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述步骤S44中优化的内容包括:避免设备之间的干涉、避免机器人奇异点和减小机器人关节角的突变。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述步骤S50中,计算好路径信息后采取离线或者在线的方式将路径信息导入机器人控制器中。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其中所述步骤S60中的误差补偿通过固定的参数进行补偿,补偿关系通过示教的方式确定。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法与现有技术不同之处在于,本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法采用六轴工业机器人代替传统的五轴机器人进行加工,六轴工业机器人价格较五轴工业机器人的低,因此加工过程中的投入的成本也随之降低。本发明的切割方法通过修改CAD文件的工件坐标系定义,将工件坐标系设置在工件上方便进行标定的地方,或者在工件上方便标定的位置进行坐标系标定,然后根据CAD文件中的工件坐标系和实际标定坐标系之间的差异获得二者之间的转换矩阵T的方式,解决了按照CAD文件中的坐标系进行标定会导致标定误差较大的问题,提高了加工的精度。本发明的切割方法在正式投入生产之前,进行试运行,当系统存在标定误差等误差时,可以通过补偿消除误差,进一步提高加工精度。
下面结合附图对本发明的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法作进一步说明。
附图说明
图1为本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法中牙齿矫治器安装在机器人末端时的结构示意图;
图2为本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法中牙齿矫治器安装在机器人外部时的结构示意图;
图3为本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法中表示CAD中设置的工件坐标系与实际标定坐标系之间关系的示意图;
图4为本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法中工具坐标系的示意图;
图中标记示意为:A-CAD中设置的工件坐标系;B-实际标定的坐标系。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明,但不用来限制本发明的范围。
如图1所示,本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法包括主要包括以下步骤:
S10,安装切割工具以及作为工件的牙齿矫治器;
S20,完成步骤S10中切割工具和牙齿矫治器的标定;
S30,获取导入牙膜CAD文件,并选取切割路径点;
S40,计算每个切割路径点处的切割工具和牙齿矫治器的相对坐标系;
S50,路径信息导入;
S60,试运行机器人完成切割,并根据切割效果进行误差补偿;
S70,正式投入生产;
其中步骤S10、S20、S30、S40、S50和S60只需要在设备初次运行或者调整设备后进行。
具体地,在步骤S10中,牙齿矫治器可以安装在机器人末端也可以安装在机器人外部。
当牙齿矫治器安装在机器人末端时,切割工具安装在机器人外部,二者安装方式如图1所示,此时切割工具的切割尖端与安装平面具有倾角α。
当牙齿矫治器安装在机器人外部时,如本实施例中,切割工具安装在机器人末端,二者安装方式如图2所示,此时切割工具的切割尖端与法兰平面具有倾角α。
在步骤S20中,对于安装完成后的切割工具和牙齿矫治器,需要对齐进行标定和坐标系的确定。切割工具和牙齿矫治器的标定属于机器人的通用功能,具体标定方法遵循各机器人品牌即可。切割工具和牙齿矫治器的标定精度直接决定切割的精度,若误差较大甚至会造成设备干涉和损坏。
一般情况下,工件坐标系与CAD文件中标注的坐标系一致即可。但是,有时候CAD文件中工件坐标系不方便机器人进行标定,如果强行按照CAD文件中的坐标系进行标定会导致标定误差较大。对于此种情况,本申请选择修改CAD文件的工件坐标系定义,将工件坐标系设置在工件上方便进行标定的地方;或者在工件上方便标定的位置进行坐标系标定,然后根据CAD文件中的工件坐标系和实际标定坐标系之间的差异获得二者之间的转换矩阵T。如图3所示,A为CAD中设置的工件坐标系,B为实际标定的坐标系。
工具坐标系需要保证切割工具尖端的指向方向为坐标系中某一轴(不失一般性作为z轴),坐标系原点为切割工具的尖端点,其余两轴可以绕z轴任意转,三者满足正交关系即可。
在步骤S30中,牙膜CAD文件一般已在牙齿矫治器生产之前设计完成,将牙膜CAD文件导入相关软件中,通过鼠标依次点选或其他方式选择牙膜上点为路径点,得到的所有路径点组成切割路径。路径点之间的先后顺序由点选顺序确定,或者与生成路径点方式有关。
在步骤S40中,本实施例将切割工具作为机器人工具,牙齿矫治器作为工件。机器人完成切割动作实际上是切割工具由工件上的一个点移动到下一个点的过程。在步骤S20中确定了路径切割点在工件坐标系中的坐标,而在步骤S40中需要确定切割工具移动到每个切割点时切割工具与工件接触的姿态,具体包括以下几个步骤。
S41,确定每个切割点处的坐标系:
每个切割点处的坐标系原点即为该切割点,坐标系其中一轴为每个点处切平面的法向量(不失一般性作为z轴),另一轴为每个点处的切向量(不失一般性作为x轴),副法向量(不失一般性作为y轴)可以由法向量和切向量求得,这些信息可以由CAD文件计算得出。
S42,坐标转换:
当CAD中的工件坐标系和实际标定的工件坐标系不同时,需要通过二者之间的变化矩阵T将每个路径点坐标系转换到实际标定的工件坐标系中。
S43,确定工具坐标系与每个切割点坐标系的关系:
该关系可以通过手动指定或者示教的方式确定,手动指定即指定一种二者之间的接触方式并手动输入二者之间的关系,例如:可以指定工具坐标系的原点与切割点坐标系的原点重合,姿态也可以是的或者绕某轴偏移某个角度;当不知如何手动指定时,也可以通过示教的方式来反推二者之间的关系,例如:将工具以期望姿态移动到工件上某个路径点处,从示教器中读出工具当前的姿态,再结合该路径点处的坐标系计算出工具坐标系相对该路径点坐标系的表示,确定好后,再结合工件坐标系得到每个切割点处工具坐标系在工件坐标系中的表示;
S44,优化路径信息:
一般情况下,此工艺并不需要机器人工具坐标系和路径点坐标系之间的关系完全符合某一固定关系,二者接触的姿态在一定范围内都可以完成切割,主要有以下两个原因:切割工具的z轴并不需要严格垂直于切割点处的切平面,只需要在一个锥形范围内即可;切割工具的尖端是一直在高速旋转的,所以切割工具的x轴和y轴是可以任意的,即该工艺只有五个自由度工艺,故可以由五轴机床加工。当由机器人完成该工艺时,系统冗余一个自由度。
基于上述两个原因,可以对前几步计算得出的机器人路径进行优化,优化指标主要有如下:
(1)避免设备之间的干涉;
(2)避免机器人奇异点;
(3)减小机器人关节角的突变。
由于路径生成是离线的方式生成的,所以可以使用数值优化的方式,即遍历所有可能的姿态,然后寻找令给定指标最优的姿态。
在步骤S50中,计算好路径信息后可以采取离线或者在线的方式将路径信息导入机器人控制器中。
离线方式可根据机器人品牌生成该品牌机器人可以识别的文件,或者手动在机器人示教器或者其他交互设备中输入机器人路径点。
在线方式可基于TCP/IP协议、串口等通信方式进行传输,机器人端收到数据后再转换为机器人可以直接运行的信息。
在步骤S60中,机器人试运行时将会沿导入的路径点进行移动,由于存在标定误差等误差,造成机器人路径的固定偏移,由于该偏移是固定的,所以可以通过固定的参数进行补偿,补偿关系可以通过示教的方式来确定。首先让机器人根据计算得到的位姿运动到某路径点处,记录为pose1,然后手动示教机器人到期望的位姿,记录为pose2,计算pose1和pose2之间的关系矩阵即可。
在进行步骤S70时,若生产一段时间后发现精度由所下降,可以通过重新标定,或者重新设置补偿系数对精度进行调整。
本发明基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法采用六轴工业机器人代替传统的五轴机器人进行加工,六轴工业机器人价格较五轴工业机器人的低,因此加工过程中的投入的成本也随之降低。本发明的切割方法通过修改CAD文件的工件坐标系定义,将工件坐标系设置在工件上方便进行标定的地方,或者在工件上方便标定的位置进行坐标系标定,然后根据CAD文件中的工件坐标系和实际标定坐标系之间的差异获得二者之间的转换矩阵T的方式,解决了按照CAD文件中的坐标系进行标定会导致标定误差较大的问题,提高了加工的精度。本发明的切割方法在正式投入生产之前,进行试运行,当系统存在标定误差等误差时,可以通过补偿消除误差,进一步提高加工精度。
虽然,上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述,但在本发明基础上,可以对之作一些修改或改进,这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此,在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进,均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:包括以下步骤:
S10,安装切割工具以及作为工件的牙齿矫治器;
S20,完成步骤S10中切割工具和牙齿矫治器的标定,标定时,修改CAD文件的工件坐标系定义,将工件坐标系设置在工件上方便进行标定的地方;或者在工件上方便标定的位置进行坐标系标定,然后根据CAD文件中的工件坐标系和实际标定坐标系之间的差异获得二者之间的转换矩阵;
S30,获取导入牙膜CAD文件,并选取切割路径点;
S40,计算每个切割路径点处的切割工具和牙齿矫治器的相对坐标系;
S50,路径信息导入到机器人控制器中;
S60,试运行机器人完成切割,并根据切割效果进行误差补偿;
S70,正式投入生产。
2.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述步骤S10、S20、S30、S40、S50和S60在设备初次运行或者调整设备后进行。
3.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:在步骤S10中,牙齿矫治器安装在机器人末端,切割工具安装在机器人外部,此时切割工具的切割尖端与安装平面之间具有倾角,或者牙齿矫治器安装在机器人外部,切割工具安装在机器人末端,此时切割工具的切割尖端与法兰平面具有倾角。
4.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:在步骤S20中,标定包括坐标的标定和坐标系的标定,坐标系包括工具坐标系和工件坐标系。
5.根据权利要求4所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述工具坐标系中,切割工具尖端的指向方向为坐标系中其中一轴,坐标系原点为切割工具的尖端点,三轴满足正交关系。
6.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:计算步骤S40中所述的相对坐标系包括以下步骤:
S41,确定每个切割点处的坐标系;
S42,坐标转换,当工件坐标系和实际标定的工件坐标系不同时,需要通过二者之间的对齐变化矩阵将每个路径点坐标系转换到实际标定的工件坐标系中;
S43,确定工具坐标系与每个切割点坐标系的关系;
S44,优化路径信息。
7.根据权利要求6所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述步骤S43中的关系通过手动指定或者示教的方式确定。
8.根据权利要求6所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述步骤S44中优化的内容包括:避免设备之间的干涉、避免机器人奇异点和减小机器人关节角的突变。
9.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述步骤S50中,计算好路径信息后采取离线或者在线的方式将路径信息导入机器人控制器中。
10.根据权利要求1所述的基于六轴工业机器人切割隐形牙齿矫治器的方法,其特征在于:所述步骤S60中的误差补偿通过固定的参数进行补偿,补偿关系通过示教的方式确定。
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