CN115729168A - 一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法及系统，该方法包括：基于同一数控系统，在桁架机械手与数控机床之间建立通讯；对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点；设置桁架轴的保护区和自由活动区；通过示教桁架料盘，规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹；通过示教数控机床内部取、放料点，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系；在自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径。本发明具有成本低，操作方便的特点。

Description

一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法及系统

技术领域

本发明涉及数控编程技术领域，特别地，涉及一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法。

背景技术

目前，自动加工生产线主要分为两种形式：由桁架机械手进行上下料组成的全自动生产系统和由工业机器人搬运系统进行上下料组成的自动生产线，在欧美日等发达工业体系，由机床和桁架机械手组成的敏捷柔性生产系统已经是主流产品。

用于汽摩配零件和缝纫机零件生产的车床与桁架机械手配套使用，能够减轻工人劳动强度，同时是实现工业自动化的一个重要手段，目前市场上用于汽摩配零件或缝纫机零件生产的车床与桁架机器人配套方式有以下两种：一是机床与桁架共用一个控制系统，系统控制桁架驱动、电机和夹爪动作，完成机床上下料；二是机床与桁架分别使用不同的控制器单独控制，通过PLC信号交互完成机床自动上下料。

上述采用的桁架机械手采用的是手动编程方式，对桁架操作者有一定的技术要求，并且流程繁琐等缺点；同时采用两个单独的控制系统分别控制机床与桁架，存在外部信号交互灵敏度不高、现场控制逻辑复杂、成本等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明第一目的是提供一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法,具有成本低，操作方便的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，包括：

基于同一数控系统，在桁架机械手与数控机床之间建立通讯；

对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点；

设置桁架轴的保护区和自由活动区；

通过示教桁架料盘，规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹；

通过示教数控机床内部取、放料点，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系；

在所述自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，所述最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径；

对所述最优轨迹路线进行插补处理，并计算各个插补点的速度和加速度数值。

优选地，使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值，包括：

设桁架位移方程：

；

设桁架速度方程：

；

设桁架加速度方程：

；其中，

通过始末位置的边界条件确定，即

；

利用上述三个方程获得五次多项式的简化表达式：

；

；

。

优选地，采用双通道对机床轴和桁架轴实时或分时控制。

优选地，桁架机械手与数控机床采用NCUC/M3/Ethercat协议通讯。

本发明第二目的是提供一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法,具有成本低，操作方便的特点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种基于双通道数控系统的桁架自动编程系统，包括：

通讯模块，用于在桁架机械手与数控机床之间建立通讯；

第一设置模块，帮于对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点；

第二设置模块，用于供用户设置桁架轴的保护区和自由活动区；

第三设置模块，用于供用户对桁架料盘进行示教，以规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹，以及供用户对数控机床内部取、放料点进行示教，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系；

路径生成模块，所述路径生成模块用于在所述自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，所述最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径；

以及插补模块，所述插补模块用于对所述最优轨迹路线进行插补处理，并计算各个插补点的速度和加速度数值。

优选地，所述插补模块使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值。

本发明技术效果主要体现在以下方面：

通过搜索算法可以获取桁架机械手末端执行器最优路径，并用五次多项式进行速度和加速度规划，且机床与桁架共用一个控制系统及控制器，节省硬件成本与控制成本。

附图说明

图1为实施例中自动编程方法的流程图；

图2为实施例中自动编程系统的模块图。

附图标记：10、通讯模块；20、第一设置模块；30、第二设置模块；40、第三设置模块；50、路径生成模块；60、插补模块。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详述，以使本发明技术方案更易于理解和掌握。

实施例一、

参照图1，本实施例提供了一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，包括：

S01、基于同一数控系统，在桁架机械手与数控机床之间建立通讯。

其中，桁架机械手与数控机床采用NCUC/M3/Ethercat协议通讯，该数控系统采用双通道对机床轴和桁架轴实时或分时控制。

S02、对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点。

具体地，首先，针对机床通道直线轴，在机床内部，定义机床轴零点，其次，针对桁架通道桁架轴，在料盘上方，定义桁架轴零点。数控系统基于机床轴零点和桁架轴零点同时或分时下发位置，控制机床轴、桁架轴运动。

S03、设置桁架轴的保护区和自由活动区。

其中，通过设置桁架轴限位、静态干涉区域、动态干涉区域以形成上述的保护区，保护区分为机床防护门开启状态和关闭状态，当机床防护门处于关闭状态时，不允许桁架机构手进入到机床内。

S04、通过示教桁架料盘，规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹。

上述的末端执行器一般指的是夹具，用于夹取工件，用户通过单独的示教器或内置于控制系统的示教模块控制末端执行器位移至夹料/放料位置，并在夹料位置控制末端执行器夹料/放料操作，系统记录当前坐标参数及操作参数。

S05、通过示教数控机床内部取、放料点，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系。

与在桁架料盘上的示教过程类似，在自由活动区范围内，控制末端执行器从料盘处位移至数控机床内部的放料点，一般为三轴卡盘的默认夹取位置，并在该夹取位置控制末端执行器夹料/放料操作，系统记录当前坐标参数及操作参数。

S06、在自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径。

在定义末端执行器的初始位置及目标位置后，使用搜索算法，能够较快地寻找到最优轨迹路线，以提高机械机械手移动效率。

S07、对最优轨迹路线进行插补处理，并计算各个插补点的速度和加速度数值，进一步地，本实施例使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值，包括：

设桁架位移方程：

；

设桁架速度方程：

；

设桁架加速度方程：

；其中，

通过始末位置的边界条件确定，即

；

利用上述三个方程获得五次多项式的简化表达式：

；

；

。

实施例二、

参照图2，在实施例一的基础上，本实施例还提供了一种基于双通道数控系统的桁架自动编程系统，包括通讯模块10、第一设置模块20、第二设置模块30、第三设置模块40、路径生成模块50以及插补模。下面对各个模块的功能进行详细说明。

通讯模块10用于在桁架机械手与数控机床之间建立通讯，通讯协议为NCUC/M3/Ethercat协议，使用此类协议，可以仅通过一个控制器和控制系统即可实现同时对桁架机械手和数控机床进行控制，节省了成本。在配置时，该数控系统采用双通道对机床轴和桁架轴实时或分时控制，如此配置可提升通讯效率，提升响应速度。

第一设置模块20用于对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点，由于机床轴与桁架轴的活动轨迹存在较大区别，通过使用不同的机械坐标系，可简化坐标参数的设定难度。

第二设置模块30用于供用户设置桁架轴的保护区和自由活动区。其中，保护区是指通过设置桁架轴限位、静态干涉区域、动态干涉区域以形成的区域，避免桁架轴与机床本体或机床轴发生干涉，出现桁架轴发生碰撞的情况。保护区分为机床防护门开启状态和关闭状态，当机床防护门处于关闭状态时，不允许桁架机构手进入到机床内。自由活动区即为允许桁架轴从起到到终点自由设定轨迹路线的区域。

第三设置模块40用于供用户对桁架料盘进行示教，以规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹，以及供用户对数控机床内部取、放料点进行示教，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系。示教操作属于数控机床和机械手领域的常规手段，本实施例不再赘述。

路径生成模块50用于在自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径。

插补模块60用于对最优轨迹路线进行插补处理，并使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值。

通过路径生成模块50与插补模块60的功能结合，能够为末端执行器生成最优的轨迹路线，以及在对应路线上各个线段之间的位移速度，从而在保证安全的前提下达到最快的位移速度，提升加工效率。

当然，以上只是本发明的典型实例，除此之外，本发明还可以有其它多种具体实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

Claims (6)

1.一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，其特征是，包括：

基于同一数控系统，在桁架机械手与数控机床之间建立通讯；

对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点；

设置桁架轴的保护区和自由活动区；

通过示教桁架料盘，规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹；

通过示教数控机床内部取、放料点，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系；

在所述自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，所述最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径；

对所述最优轨迹路线进行插补处理，并计算各个插补点的速度和加速度数值。

2.如权利要求1所述的一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，其特征是，使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值，包括：

设桁架位移方程：

；

设桁架速度方程：

；

设桁架加速度方程：

；其中，

通过始末位置的边界条件确定，即

；

利用上述三个方程获得五次多项式的简化表达式：

；

；

。

3.如权利要求1所述的一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，其特征是，采用双通道对机床轴和桁架轴实时或分时控制。

4.如权利要求1所述的一种基于双通道数控系统的桁架自动编程方法，其特征是，桁架机械手与数控机床采用NCUC/M3/Ethercat协议通讯。

5.一种基于双通道数控系统的桁架自动编程系统，其特征是，包括：

通讯模块(10)，用于在桁架机械手与数控机床之间建立通讯；

第一设置模块(20)，用于对机床轴与桁架轴分别使用不同的机械坐标系并定义机械零点；

第二设置模块(30)，用于供用户设置桁架轴的保护区和自由活动区；

第三设置模块(40)，用于供用户对桁架料盘进行示教，以规划桁架机械手末端执行器在桁架料盘上方的取、放料轨迹，以及供用户对数控机床内部取、放料点进行示教，使机床轴与桁架轴共用同一个工件坐标系；

路径生成模块(50)，所述路径生成模块(50)用于在所述自由活动区内，使用搜索算法为桁架机械手末端执行器自动生成最优轨迹路线，其中，所述最优轨迹路线包括在数控机床内部形成的X、Z轴联动运动路径，以及在数控机床上部形成的X轴移动路径；

以及插补模块(60)，所述插补模块(60)用于对所述最优轨迹路线进行插补处理，并计算各个插补点的速度和加速度数值。

6.如权利要求5所述的一种基于双通道数控系统的桁架自动编程系统，其特征是，所述插补模块(60)使用五次多项式计算各个插补点的速度和加速度数值。

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