CN115032943A - 一种加工姿态的控制方法、装置、设备及存储介质 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了一种加工姿态的控制方法、装置、设备及存储介质，首先获取加工用末端执行器的工具坐标系O1，随后建立待加工点的目标坐标系O2；并通过工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系将上述两坐标系相互联系，最后通过坐标转换使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合；本申请通过目标坐标系O2在待加工点位标定出唯一符合要求的钻孔姿态，当通过转换关系使所述工具坐标系O1与目标坐标系O2重合时，末端执行器的姿态即符合制孔加工的要求；进而通过转换关系明确姿态调整方法，与现有技术相比，本申请通过简单的坐标变换即可实现上述目的，其大大简化了姿态调节的过程，降低了姿态调节的难度。
Description
技术领域
本申请涉及数控加工技术领域，具体涉及一种加工姿态的控制方法、装置、设备及存储介质。
背景技术
为了提高制孔加工的精度，机器人制孔时需要保证末端执行器的主轴进给方向与制孔处的法向方向一致，但是由于机器人制孔系统的末端执行器都是安装在法兰盘上，能够进行360度的旋转，因此，能够满足同一位置处的制孔要求的末端的姿态有无数种，具体选用那种姿态进行制孔作业需要根据经验进行判定，无法准确确定具体使用哪种姿态，由此导致在制孔过程中末端执行器的姿态控制难度增大。
发明内容
本申请的主要目的在于提供一种加工姿态的控制方法、装置、设备及存储介质，旨在解决现有技术中姿态控制难度大的缺陷。
为实现上述目的，本申请提供一种加工姿态的控制方法，包括以下步骤：
获取机器人的末端执行器的工具坐标系O1；
建立待加工点的目标坐标系O2；
建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
根据转换关系，调节所述末端执行器，使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合；
可选的，建立待加工点位的目标坐标系O2，包括以下步骤：
建立基准坐标系O0，并获取待加工点P在所述基准坐标系O0内的坐标；
构建待加工点P的法相矢量I，并以所述法相矢量I作为X轴，以靠近待加工点P的方向为正方向；
取过待加工点P并与所述X轴垂直的直线为Z轴；
确定Z轴正方向；
根据右手定则确定Y轴。
可选的，取过待加工点P并与所述X轴垂直的直线为Z轴，包括以下步骤：
过待加工点P构建第一平面S1，所述第一平面S1与所述X轴垂直；
连接待加工点P和基准坐标系O0的原点构建直线L0；
过待加工点P构建第二平面S2，所述第二平面S2与第一平面S1垂直，且与所述直线L0平行；
取所述第一平面S1与第二平面S2的交线L1为Z轴。
可选的，确定Z轴正方向，包括以下步骤：
将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上，并建立关于所述基准坐标系O0的二维坐标系O3；
计算所述直线L1在所述二维坐标系O3中的表达式；
若所述表达式中k≥0，则Z轴的正向为朝着二维坐标系O3的第三象限的一侧，若K＜0，则Z轴的正向为朝向所述二维坐标系O3的第四象限的一侧。
可选的，将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上，并建立关于所述基准坐标系O0的二维坐标系O3，包括以下步骤：
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面垂直，则以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；再根据所述基准坐标系O0的X轴在所述第二平面S2的投影O′X′确定所述二维坐标系O3的X轴O3X3；
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面不垂直，则以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；再根据所述基准坐标系O0的Y轴在所述第二平面S2的投影O′Y′确定所述二维坐标系O3的X轴O3Y3。
可选的，根据所述基准坐标系O0的X轴在所述第二平面S2的投影O′X′确定所述二维坐标系O3的X轴O3X3，包括：
以过所述投影O′Z′的O′并垂直于所述投影O′Z′的直线作为X轴；
将所述X轴与所述投影O′X′形成最小夹角的一端作为正向。
可选的，根据所述基准坐标系O0的Y轴在所述第二平面S2的投影O′Y′确定所述二维坐标系O3的X轴O3Y3，包括：
以过所述投影O′Z′的O′并垂直于所述投影O′Z′的直线作为X轴；
将所述X轴与所述投影O′Y′形成最小夹角的一端作为正向。
相应的，本申请还公开了一种制孔加工目标位置姿态控制装置，包括：
第一数据采集模块，用于获取末端执行器的工具坐标系O1；
第二数据采集模块，用于建立待加工点的目标坐标系O2；
转换模块，用于建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
控制模块，用于根据转换关系调节末端执行器，使所述工具坐标系O1与目标坐标系O2重合。
相应的，本申请还公开了一种电子设备，该电子设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现如上述任一项所述的方法。
相应的，本申请还公开了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现如上述任一项所述的方法。
与现有技术相比，本申请具有以下有益效果：
本申请首先获取加工用末端执行器的工具坐标系O1，随后建立待加工点的目标坐标系O2；并通过工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系将上述两坐标系相互联系，最后通过坐标转换使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合；
本申请所述技术方案将末端执行器的所述工具坐标系O1作为待调整对象，通过目标坐标系O2在待加工点位处标定出唯一符合要求的钻孔姿态，当末通过转换关系使所述工具坐标系O1与目标坐标系O2重合时，末端执行器的姿态即符合制孔加工的要求；
与现有技术相比，本申请通过简单的坐标变换即可实现上述目的，其大大简化了姿态调节的过程，降低了姿态调节的难度；同时由于本申请通过简单的坐标转换即可得到相应的控制指令，因此其能够实现末端执行器姿态的快速调节，其还具有响应速度快的优点，从而有利于提高加工效率。
同时与现有技术相比，本申请通过坐标系的相互重合实现了末端执行器的姿态控制，即在钻孔作业之前就已经完成了姿态调整，因此末端执行器在钻孔作业区域附近的姿态变化较小，其能够有效降低加工过程中各个末端执行器之间发生干涉，提高了在狭小空间内的作业安全；
同时在不同加工点位之间也可以通过上述方法进行转换，不需要将末端执行器重置后再进行调节，因此不同加工位置之间，机器人的各轴角度变化量得到有效缩减，进而减少设备各轴空行程的运动量，提高转换调节的效率，同时节省设备资源。
附图说明
图1为本发明涉及的硬件运行环境的电子设备结构示意图；
图2为本申请实施例提供的一种加工姿态的控制方法的流程图；
图3为本申请实施例的场景图；
图4为本申请实施例的原理图；
图5为本申请所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面垂直时的平面投影图；
图6为本申请所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面不垂直时的平面投影图；
图7为本发明涉及的加工姿态的控制装置的功能模块示意图；
附图标记：1001-处理器，1002-通信总线，1003-用户接口，1004-网络接口，1005-存储器。
本申请目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
实施方式1
参照图1，图1为本申请实施例方案涉及的硬件运行环境的电子设备结构示意图。
如图1所示，该电子设备可以包括：处理器1001，例如中央处理器(CentralProcessing Unit，CPU)，通信总线1002、用户接口1003，网络接口1004，存储器1005。其中，通信总线1002用于实现这些组件之间的连接通信。用户接口1003可以包括显示屏(Display)、输入单元比如键盘(Keyboard)，可选用户接口1003还可以包括标准的有线接口、无线接口。网络接口1004可选的可以包括标准的有线接口、无线接口(如无线保真(WIreless-FIdelity，WI-FI)接口)。存储器1005可以是高速的随机存取存储器(RandomAccess Memory，RAM)存储器，也可以是稳定的非易失性存储器(Non-Volatile Memory，NVM)，例如磁盘存储器。存储器1005可选的还可以是独立于前述处理器1001的存储装置。
本领域技术人员可以理解，图1中示出的结构并不构成对电子设备的限定，可以包括比图示更多或更少的部件，或者组合某些部件，或者不同的部件布置。
参照图1，作为一种存储介质的存储器中可以包括操作系统、数据存储模块、网络通信模块、用户接口模块以及电子程序。
在图1所示的电子设备中，网络接口1004主要用于与网络服务器进行数据通信；用户接口1003主要用于与用户进行数据交互；本发明电子设备中的处理器1001、存储器1005可以设置在电子设备中，所述电子设备通过处理器1001调用存储器1005中存储的加工姿态的控制装置，并执行本申请实施方式提供的加工姿态的控制方法。
参照图2到图4，本申请公开了一种加工姿态的控制方法，包括以下步骤：
S1、获取机器人的末端执行器的工具坐标系O1；
根据实际工况构建基准坐标系O0，再通过基准坐标系O0建立末端执行器的工具坐标系O1；
S2、建立待加工点的目标坐标系O2；
S21、建立基准坐标系O0，并获取待加工点P在所述基准坐标系O0内的坐标；
确定待加工点位P，通过激光测定等技术手段获取所述待加工点位P在基准坐标系O0的坐标(X0、Y0、Z0)；
S22、构建待加工点P的法相矢量I，并以所述法相矢量I作为X轴，以靠近待加工点P的方向为正方向；
获取待加工零件的数模，并根据基准坐标系O0，工具坐标系O1以及步骤S21测量得到的坐标(X0、Y0、Z0)构建整套加工系统的模型；
在所述模型中生成关于待加工点P的法相矢量I，并以所述法相矢量I作为X轴，其中所述法相矢量I靠近所述待加工点P的方向作为所述X轴的正方向；
S23、取过待加工点P并与所述X轴垂直的直线为Z轴；
S231、过待加工点P构建第一平面S1，所述第一平面S1与所述X轴垂直；
在所述模型中构建第一平面S1，所述第一平面S1与所述法相矢量I垂直，同时所述第一平面S1过待加工点P；
S232、连接待加工点P和基准坐标系O0的原点构建直线L0；
在所述模型中通过直线连接待加工点P和基准坐标系O0的原点，该直线即为直线L0；
S233、过待加工点P构建第二平面S2，所述第二平面S2与第一平面S1垂直，且与所述直线L0平行；
在所述模型中构建第二平面S2，其中所述第二平面S2与第一平面S1垂直，同时所述第二平面S2与步骤S232中的直线L0平行；
延展所述第一平面S1和第二平面S2，取所述第一平面S1与第二平面S2的交线L1为Z轴；
根据法相矢量I的定义可知，法相矢量I即为钻孔作业的进给方向；由于第一平面S1垂直于所述法相矢量I，因此法相矢量I垂直于第一平面内的任意直线(包括交线L1)；因此通过上述立体几何的关系确保了目标坐标系O2中X轴和Z轴的垂直关系；其原理简单、选取方便，有利于提高目标坐标系O2的构建效率和准确性；
其次，由于第二平面S2过待加工点P，同时其不但与第一平面S1垂直，其还与直线L0平行，结合直线L0做法可知，法相矢量I和直线L0必然位于第二平面S2内，从而以目标点与机器人世界坐标系(基准坐标系)原点的连线关联机器人末端执行器的姿态，有效利用了机器人各轴的行程，提高了机器人在各轴行程内的作业空间；
S24、确定Z轴正方向；
S241、将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上，并建立关于所述基准坐标系O0的二维坐标系O3；
在上述模型中，将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上；
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面垂直，则结合图3可知，Y轴在所述第二平面S2上的投影为一点，因此以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；
将所述基准坐标系O0的X轴投影到所述第二平面S2上，得到投影O′X′；
做所述二维坐标系O3的X轴，所述X轴过所述投影O′Z′的O′点，同时与所述投影O′Z′垂直；取上述X轴与所述投影O′X′形成最小夹角(即如图5所示的角α)的一端作为二维坐标系O3的X轴的正向，从而得到X轴OX；
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面不垂直，则结合图4，以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；
将所述基准坐标系O0的Y轴投影到所述第二平面S2上，得到投影O′Y′；
做所述二维坐标系O3的X轴，所述X轴过所述投影O′Z′的O′点，同时与所述投影O′Z′垂直；取上述X轴与所述投影O′Y′形成最小夹角(即如图6所示的角β)的一端作为二维坐标系O3的X轴的正向，从而得到X轴OX；
S242、计算所述直线L1在所述二维坐标系O3中的表达式；
选取直线L1上的任意两点，并结合所述二维坐标系O3计算所述直线L1的表达式；
S243、若所述表达式中k≥0，则Z轴的正向为朝着二维坐标系O3的第三象限的一侧，若K＜0，则Z轴的正向为朝向所述二维坐标系O3的第四象限的一侧。
由于直线在二维坐标系中的表达通式为y＝kx+b，其中k表示斜率，因此提取步骤S242中所述表达式的k，若k≥0，则Z轴的正向为朝着二维坐标系O3的第三象限的一侧，若K＜0，则Z轴的正向为朝向所述二维坐标系O3的第四象限的一侧；
由图3可知，当待加工零件为弧形面时，以弧形面的顶点为分级点，其上下两侧的Z轴正方向将因曲面的变化而变化，通过上述直线斜率的计算能够清晰的标识出Z轴的方向，且即计算方法简单、有效，能够有效简化计算过程；
S25、根据右手定则确定Y轴。
S3、建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
基于基准坐标系O0，采用平移以及Z-Y-X欧拉角旋转法将工具坐标系坐O1与目标坐标系O2的标转换的转换关系表示为：
同样，将目标坐标系O2与基准坐标系O0的转换关系表示为：
因此，采用
表示工具坐标系与目标坐标系之间的关系，其中，
表示工具坐标系O1与基准坐标系O0的转换Z-Y-X欧拉角转换矩阵，
表示目标坐标系O2与基准坐标系O0的转换Z-Y-X欧拉角转换矩阵；
表示工具坐标系O1与基准坐标系O0的经欧拉角变换后的平移变换矩阵，
表示目标坐标系O2与基准坐标系O0的经欧拉角变换后的平移变换矩阵；
S4、根据转换关系，调节所述末端执行器，使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合。
根据所述步骤S3中的转换关系调整末端执行器的姿态，当所述工具坐标系O1与目标坐标系O2重合时即可认定末端执行器处于正确的工作姿态；即首先通过调整末端执行器使所述重合是指所述工具坐标系O1的各轴分别与目标坐标系O2的对应轴重合；再通过平移的方式使所述重合是指所述工具坐标系O1的原点与目标坐标系O2的原点重合，从而完成末端执行器的姿态调节。
参照图7，基于相同的发明思路，本申请的实施方式还提供一种加工姿态的控制装置，包括：
第一数据采集模块，用于获取机器人的末端执行器的工具坐标系O1；
第二数据采集模块，用于建立待加工点的目标坐标系O2；
转换模块，用于建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
控制模块，用于根据转换关系，调节所述末端执行器，使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合。
本领域技术人员应当理解，实施例中的各个模块的划分仅仅是一种逻辑功能的划分，实际应用时可以全部或部分集成到一个或多个实际载体上，且这些模块可以全部以软件通过处理单元调用的形式实现，也可以全部以硬件的形式实现，或是以软件、硬件结合的形式实现，需要说明的是，本实施例中加工姿态的控制装置中，各模块是与前述实施例中的加工姿态的控制方法中的各步骤一一对应，因此，本实施例的具体实施方式可参照前述加工姿态的控制方法的实施方式，这里不再赘述。
与现有技术相比，本申请通过简单的坐标变换即可实现上述目的，其大大简化了姿态调节的过程，降低了姿态调节的难度；同时由于本申请通过简单的坐标转换即可得到相应的控制指令，因此其能够实现末端执行器姿态的快速调节，其还具有响应速度快的优点，从而有利于提高加工效率。
以上仅为本申请的优选实施例，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做的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本申请的专利保护范围内。
Claims (10)
1.一种加工姿态的控制方法，包括以下步骤：
获取机器人的末端执行器的工具坐标系O1；
建立待加工点的目标坐标系O2；
建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
根据转换关系，调节所述末端执行器，使所述工具坐标系O1与所述目标坐标系O2重合。
2.根据权利要求1所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，所述建立待加工点位的目标坐标系O2，包括以下步骤：
建立基准坐标系O0，并获取待加工点P在所述基准坐标系O0内的坐标；
构建待加工点P的法相矢量I，并以所述法相矢量I作为X轴，以靠近待加工点P的方向为正方向；
取过待加工点P并与所述X轴垂直的直线为Z轴；
确定Z轴正方向；
根据右手定则确定Y轴。
3.根据权利要求2所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，所述取过待加工点P并与所述X轴垂直的直线为Z轴，包括以下步骤：
过待加工点P构建第一平面S1，所述第一平面S1与所述X轴垂直；
连接待加工点P和基准坐标系O0的原点构建直线L0；
过待加工点P构建第二平面S2，所述第二平面S2与第一平面S1垂直，且与所述直线L0平行；
取所述第一平面S1与第二平面S2的交线L1为Z轴。
4.根据权利要求2所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，所述确定Z轴正方向，包括以下步骤：
将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上，并建立关于所述基准坐标系O0的二维坐标系O3；
计算所述直线L1在所述二维坐标系O3中的表达式；
若所述表达式中k≥0，则Z轴的正向为朝着二维坐标系O3的第三象限的一侧，若K＜0，则Z轴的正向为朝向所述二维坐标系O3的第四象限的一侧。
5.根据权利要求4所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，所述将所述基准坐标系O0投影到第二平面S2上，并建立关于所述基准坐标系O0的二维坐标系O3，包括以下步骤：
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面垂直，则以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；再根据所述基准坐标系O0的X轴在所述第二平面S2的投影O′X′确定所述二维坐标系O3的X轴O3X3；
若所述第二平面S2与所述基准坐标系O0的O0XY平面不垂直，则以所述基准坐标系O0的Z轴在所述第二平面S2的投影O′Z′作为二维坐标系O3的Z轴O3Z3；再根据所述基准坐标系O0的Y轴在所述第二平面S2的投影O′Y′确定所述二维坐标系O3的X轴O3Y3。
6.根据权利要求5所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，所述根据所述基准坐标系O0的X轴在所述第二平面S2的投影O′X′确定所述二维坐标系O3的X轴O3X3，包括：
以过所述投影O′Z′的O′并垂直于所述投影O′Z′的直线作为X轴；
将所述X轴与所述投影O′X′形成最小夹角的一端作为正向。
7.根据权利要求5所述的一种加工姿态的控制方法，其特征在于，根据所述基准坐标系O0的Y轴在所述第二平面S2的投影O′Y′确定所述二维坐标系O3的X轴O3Y3，包括：
以过所述投影O′Z′的O′并垂直于所述投影O′Z′的直线作为X轴；
将所述X轴与所述投影O′Y′形成最小夹角的一端作为正向。
8.一种加工姿态的控制装置，其特征在于，包括：
第一数据采集模块，用于获取末端执行器的工具坐标系O1；
第二数据采集模块，用于建立待加工点的目标坐标系O2；
转换模块，用于建立工具坐标系O1与目标坐标系O2之间的转换关系；
控制模块，用于根据转换关系调节末端执行器，使所述工具坐标系O1与目标坐标系O2重合。
9.一种电子设备，其特征在于，该电子设备包括存储器和处理器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，处理器执行所述计算机程序，实现如权利要求1-7中任一项所述的方法。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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