CN114872207A - 基于dxf文件的激光钻掘轨迹规划方法及系统 - Google Patents

基于dxf文件的激光钻掘轨迹规划方法及系统 Download PDF

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王玉丹
文国军
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Abstract

本发明提供基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，涉及激光钻掘领域；基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法包括如下步骤：获取激光头的作业轨迹，并将所述作业轨迹保存为DXF文件；解析所述DXF文件，得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，得到所述激光头的工作轨迹；本发明还提出基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划系统，能够实现入射激光对岩石的斜切。

Description

基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法及系统
技术领域
本发明涉及激光钻掘领域，尤其涉及基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法及系统。
背景技术
激光钻掘技术是利用高能激光聚焦到岩石表面，使岩石在局部高温作用下发生熔融和热破碎，然后使用高压惰性气体将其清除的一种非接触式岩石钻掘方法。钻掘过程中运用六轴工业机械臂与岩石相结合，配合激光头进行钻掘，对岩石进行破碎。
在激光钻掘路径规划作业过程中，工业机械臂可以实现在线或离线编程。在线编程一般指的是利用示教法进行编程，机械臂末端执行器在机械臂示教器的作用下，其会逐渐地运动到作业路径点上，在这个过程中还会记录相应的位姿信息，向程序中完成众多信息的编辑，这种处理后以往示教的动作就可以重现。应用示教器是非常容易操作的，同时实现起来的难度也不高，适用于动作简单的大批量生产。
但是，随着钻掘路径的复杂化(例如扩大钻掘面使用螺旋轨迹，扩大割缝使用正弦轨迹)，传统的手动示教法不能较好地满足需求。另一方面，手动示教的过程往往伴随着危险，且作业周期较长，故在钻掘控制系统中添加离线编程模块能够较好地解决以上问题。
机械臂离线编程通常分在图形基础之上，目前广泛利用CAD等技术建立机械臂以及工作环境，在操控图形的过程中应用轨迹规划算法，此时路径规划就可以在离线的状态下实现，这就是基于图形的离线编程。但是目前大部分使用的基于DFX文件的机械臂路径规划，只实现了对机械臂的位置控制，对于需要调节工作角度的场景，就不适用，而钻掘过程中例如对岩样斜切操作时，激光头需要与岩石表面形成一定夹角，使用目前的编程方法激光只能垂直岩石表面入射，不能实现斜切，极大的影响工作效率。
发明内容
本发明旨在解决现有激光钻掘方法中的激光只能垂直岩石表面入射，不能实现斜切的技术问题。
本发明提供基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，包括如下步骤：
获取激光头的作业轨迹，并将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析所述DXF文件，得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，得到所述激光头的工作轨迹。
进一步地，调整所述激光头姿态的方法包括如下步骤：
计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
将所述各坐标点的方向向量转化为欧拉角，并根据所述欧拉角调整所述激光头的姿态。
进一步地，当所述轨迹类型为圆弧时，根据公式(1)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure BDA0003658985000000021
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
进一步地，当所述轨迹类型为直线时，根据公式(2)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure BDA0003658985000000031
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
本发明还提出一种基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划系统，包括：
作业轨迹获取单元，用于获取激光头的作业轨迹，并用于将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析单元，用于解析所述DXF文件，以得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
姿态调整单元，用于根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
坐标转化单元，用于将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，以得到所述激光头的工作轨迹。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明实施例中基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法通过对所述DXF文件进行解析以获取所述作业轨迹中各点的坐标数据和所述作业轨迹的轨迹类型，当所述轨迹类型为直线或者圆弧时，调整所述激光头的姿态，使得所述入射激光由垂直入射调整为倾斜入射，并将所述坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，能够实现入射激光对岩石的斜切，扩宽了激光钻掘的适用范围。
附图说明
图1为本发明某一实施例中基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法的结构示意图；
图2为本发明实施例中激光钻掘斜切示意图；
图3为当作业轨迹为圆弧时的激光头姿态计算示意图；
图4为当作业轨迹为圆弧时的坐标平移示意图；
图5为当作业轨迹为直线时的坐标变换示意图；
图6为当作业轨迹为直线时的激光入射角度示意图。
具体实施方式
下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。
请参考图1，本发明的实施例提供了基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，包括如下步骤：
获取激光头的作业轨迹，并将所述作业轨迹保存为DXF文件；
示例性地，在上述步骤中，通过CAD软件画出激光头的作业轨迹以获取所述作业轨迹，并将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析所述DXF文件，得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
示例性地，在上述步骤中，对所述DXF文件中所存在的组码以及组值进行一行一行的读取，不断的重复这一过程，在组值“ENTITIES”读取后，这一过程也就完成了，这意味着后续将会进入到实体段中；持续进行读取，对所述作业轨迹的轨迹类型进行判断；
根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，得到所述激光头的工作轨迹。
图2是本实施例中激光钻掘斜切示意图；由图2可知，激光钻掘斜切时，入射激光与岩羊处于非垂直状态，而具有一定倾角。
具体地，调整所述激光头姿态的方法包括如下步骤：
计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
将所述各坐标点的方向向量转化为欧拉角，并根据所述欧拉角调整所述激光头的姿态。
需要说明的是，将所述方向向量转化为欧拉角的方法为现有技术，故不在此赘述其具体结构。
具体地，当所述轨迹类型为圆弧时，根据公式(1)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure BDA0003658985000000051
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
参考图3和图4，假如激光以α的角度入射到所述参考点P，那么激光从所述参考点P到所述作业轨迹上任意一点P1等价于向量O1P绕着Z1轴旋转β角度得来，设O1A是单位向量，所以O1P在O1A上的投影可以简化为：projAP＝(A·P)A，则P垂直于A的分量为：perpAP＝P-(A·P)A，与旋转轴平行的分量projAP不受旋转的影响，最后计算出旋转后的perpAP加上与旋转轴平行的分量，得到最终的旋转后的向量。
perpAP绕Z1轴旋转β后的向量可以表示为：[P-(A P)A]cosβ+(A×P)sinβ，再加上不受旋转影响的分量projAP，就得到了向量P绕旋转轴A旋转β角度后的向量P'，则
P'＝[P-(A P)A]cosβ+(A×P)sinβ+(A·P)A
＝Pcosβ+(A×P)sinβ+A(A·P)(1-cosβ)
把A×P和A(A·P)换成对应的矩阵形式，可以得到：
Figure BDA0003658985000000061
A为单位向量(0，0，1)则P'化简为：
Figure BDA0003658985000000062
P点的坐标在O1X1Y1坐标系下的坐标为(r，0，0)，方向向量为(r，0，r/tanα)P'在O1X1Y1坐标系下的坐标根据可根据旋转角度β可求得为(rcosβ，rsinβ，0)，方向向量M根据上述推导为
Figure BDA0003658985000000063
(r，0，r/tanα)，那么可以根据这种方法求圆弧上任意一点的方向向量。
示例性地，由图4可知，所述作业轨迹可以通过平移的方式，转化到激光头的工作坐标系中，得到所述激光头的工作轨迹；需要激光钻掘时，可以将所述激光头的工作轨迹以XML格式导入驱动所述激光头运动的机械臂的控制器中，所述控制器根据所述激光头的工作轨迹控制所述机械臂运动，使得所述激光头按照所述工作轨迹移动。
具体地，当所述轨迹类型为直线时，根据公式(2)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure BDA0003658985000000071
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
参考图5和图6，假设激光初始路径为OP，那么激光入射的倾斜角度为α，那么激光头工作的方向向量为(tanα，0，1)，直线OP经过平移和旋转变为O'P'，经过上面推导旋转β角度后的方向向量M为
Figure BDA0003658985000000072
(tanα，0，1)，那么在工作范围内的任意一条直线可由OP经过旋转和平移的方式得到。
本发明还提出一种基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划系统，包括：
作业轨迹获取单元，用于获取激光头的作业轨迹，并用于将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析单元，用于解析所述DXF文件，以得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
姿态调整单元，用于根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
坐标转化单元，用于将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，以得到所述激光头的工作轨迹。
以上未涉及之处，适用于现有技术。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，其特征在于，包括如下步骤：
获取激光头的作业轨迹，并将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析所述DXF文件，得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，得到所述激光头的工作轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，其特征在于，调整所述激光头姿态的方法包括如下步骤：
计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
将所述各坐标点的方向向量转化为欧拉角，并根据所述欧拉角调整所述激光头的姿态。
3.根据权利要求2所述的基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，其特征在于，当所述轨迹类型为圆弧时，根据公式(1)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure FDA0003658984990000011
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
4.根据权利要求2所述的基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划方法，其特征在于，当所述轨迹类型为直线时，根据公式(2)计算所述作业轨迹中各坐标点的方向向量；
Figure FDA0003658984990000021
其中，α为作业轨迹上参考点P与Z轴之间的夹角；β为所述作业轨迹上任意一点P1与所述参考点P之间的圆弧对应的夹角；r所述作业轨迹对应的圆弧的半径。
5.一种基于DXF文件的激光钻掘轨迹规划系统，其特征在于，包括：
作业轨迹获取单元，用于获取激光头的作业轨迹，并用于将所述作业轨迹保存为DXF文件；
解析单元，用于解析所述DXF文件，以得到所述作业轨迹的坐标数据和轨迹类型；其中，所述轨迹类型包括点、直线、圆弧或者样条曲线；
姿态调整单元，用于根据所述轨迹类型判断是否需要调整激光头的姿态；若所述轨迹类型为直线或者圆弧，则调整所述激光头的姿态，使得激光由垂直入射调整为倾斜入射；
坐标转化单元，用于将所述作业轨迹的坐标数据转化至所述激光头的工作坐标系中，以得到所述激光头的工作轨迹。
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