CN116275591A - 一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统 - Google Patents

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李文威
梁佳楠
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Abstract

本发明公开了一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统，其中，所述方法包括：工控机生成NC控制指令，并基于通信连接将NC控制指令下发至所述微控制器；微控制器基于NC控制指令生成用于对五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令；微控制器将所述电机控制指令下发至驱动器中，驱动器基于电机控制指令生成电机控制信号；驱动器将电机控制信号下发至五轴切割机器人对应的伺服电机中；伺服电机基于电机控制信号控制五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业。在本发明实施例中，实现了控制五轴切割机器人对曲面工件的切割控制，同时提高了切割精度和稳定性，保证了切割作业的效率。

Description

一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统
技术领域
本发明涉及机器人控制技术领域，尤其涉及一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统。
背景技术
在对于工件曲面的切割上，一般都是通过机械臂或者人工的方式进行精确切割，由于人工的方式进行切割时，需要投入较大的人工成本，并且效率不高；而采用机械臂实现工业化控制切割时，由于需要对机械臂的各个轴进行精确控制，以确保位置准确，避免位置误差对切割质量产生影响；然而，现有的对机械臂的控制，都是直接对机械臂的伺服电机直接控制的，动态响应能力不足，无法满足高速切割操作的要求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统，实现了控制五轴切割机器人对曲面工件的切割控制，同时提高了切割精度和稳定性，保证了切割作业的效率。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法，其特征在于，包括工控机、微控制器及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人；其中所述工控机基于信号接口与所述微控制器建立通信连接，所述微控制器与所述五轴切割机器人的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人运动作业；所述方法包括：
所述工控机生成NC控制指令，并基于所述通信连接将所述NC控制指令下发至所述微控制器；
所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令；
所述微控制器将所述电机控制指令下发至所述驱动器中，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号；
所述驱动器将所述电机控制信号下发至所述五轴切割机器人对应的所述伺服电机中；
所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业。
可选的，所述工控机生成NC控制指令，包括：
所述工控机在与所述微控制器建立通信连接时，所述工控机实时的接收所述微控制器反馈的控制反馈信号；
基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，所述NC代码包括NC程序、G代码和M代码。
可选的，所述基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，包括：
所述工控机基于所述控制反馈信号获得控制所述五轴切割机器人的切割速度；
所述工控机基于所述切割速度及预设切割路径在所述NC代码中设置生成所述NC控制指令。
可选的，所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令，包括：
所述微控制器对所述NC控制指令进行解析处理，获得解析后的NC控制指令；
所述微控制器基于解析后的NC控制指令和所述驱动器实时反馈的驱动反馈信号生成用于对所述五轴切割机器人中的各个伺服电机进行控制的对应的电机控制指令。
可选的，所述微控制器接收所述驱动器实时反馈的所述驱动反馈信号。
可选的，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号，包括：
所述驱动器解析所述电机控制指令，并基于解析的电机控制指令及各个伺服电机的电机反馈信息生成各个伺服电机对应的电机控制信号。
可选的，所述各个伺服电机的电机反馈信息包括各个伺服电机的电流数据、速度数据及位置数据；
其中各个伺服电机的位置数据、速度数据由设置在对应的伺服电机上的编码器获得；各个伺服电机的电流数据由设置在对应的伺服电机上的霍尔单元检测获得。
可选的，所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：
所述五轴切割机器人中的各个伺服电机在接收到对应的所述电机控制信号之后，基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节来控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业；所述三个闭环负反馈PID调节包括电流环负反馈PID调节、速度环负反馈PID调节及位置环负反馈PID调节。
可选的，所述基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节系统控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：
在利用所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业时，基于霍尔单元检测各个伺服电机的输入电流数据，获得负反馈电流数据，将负反馈电流数据输入所述电流环负反馈PID调节进行输入电流数据的调节控制；
基于编码器检测各个伺服电机的当前速度数据，获得负反馈速度数据，将所述负反馈速度数据输入所述速度环负反馈PID调节进行所述伺服电机的速度数据的调节控制；
基于所述编码器检测各个伺服电机的当前位置数据，获得负反馈位置数据，将所述负反馈位置数据输入所述位置环负反馈PID调节进行所述伺服电机的位置数据的调节控制。
另外，本发明实施例还提供了一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制系统，所述系统包括工控机、微控制器及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人；其中所述工控机基于信号接口与所述微控制器建立通信连接，所述微控制器与所述五轴切割机器人的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人运动作业；其中，所述系统被配置为用于执行上述任意一项所述的曲面激光切割控制方法。
在本发明实施例中，实现了控制五轴切割机器人对曲面工件的切割控制，同时提高了切割精度和稳定性，保证了切割作业的效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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。
图1是本发明实施例中的基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制系统的结构组成示意图。
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它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，请参阅图1，图1是本发明实施例中的基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法的流程示意图。
如图1所示，一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法，包括工控机、微控制器及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人；其中所述工控机基于信号接口与所述微控制器建立通信连接，所述微控制器与所述五轴切割机器人的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人运动作业；
在本发明具体实施过程中，主要包括工控机、微控制器和五轴切割机器人其中，五轴切割机器人可以为五轴工业机器人等，其中工控机为上位机、微控制器为下位机，通过上位机结合下位机的方式对五轴切割机器人进行精确控制；其中五轴切割机器人由驱动器和伺服电机组成，具体包括三个平移自由度的伺服电机和两个旋转自由度的伺服电机组成的多个伺服电机；微控制器可以为STM32单片机；工控机与微控制器之间可以通过串口、USB、UDP/TCP等方式通讯；控制流程有工控机向微控制器下发控制命令，微控制器接收到控制命令后控制五轴切割机器人完成相应的作业动作；同时将五轴切割机器人执行过程中的参数反馈至工控机中。
所述方法包括：
S11：所述工控机生成NC控制指令，并基于所述通信连接将所述NC控制指令下发至所述微控制器；
在本发明具体实施过程中，所述工控机生成NC控制指令，包括：所述工控机在与所述微控制器建立通信连接时，所述工控机实时的接收所述微控制器反馈的控制反馈信号；基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，所述NC代码包括NC程序、G代码和M代码。
进一步的，所述基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，包括：所述工控机基于所述控制反馈信号获得控制所述五轴切割机器人的切割速度；所述工控机基于所述切割速度及预设切割路径在所述NC代码中设置生成所述NC控制指令。
具体的，在工控机与微控制器建立通信连接时，微控制器将实时的向工控机反馈控制反馈信号，同时该工控机实时的接收该微控制器反馈的控制反馈信号；然后根据该控制反馈信号利用NC代码生成NC控制指令，该NC代码包括NC程序、G代码和M代码。
该工控机通过该控制反馈信号来接收用户输入的控制五轴切割机器人的切割速度、基准点、预设切割路径、激光束补偿半径等，同时接收用户设置的激光切割的喷嘴高度等设置参数；利用切割速度、基准点、预设切割路径、激光束补偿半径以及激光切割的喷嘴高度等设置参数在NC代码中设置生成NC控制指令。
S12：所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令；
在本发明具体实施过程中，所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令，包括：所述微控制器对所述NC控制指令进行解析处理，获得解析后的NC控制指令；所述微控制器基于解析后的NC控制指令和所述驱动器实时反馈的驱动反馈信号生成用于对所述五轴切割机器人中的各个伺服电机进行控制的对应的电机控制指令。
进一步的，所述微控制器接收所述驱动器实时反馈的所述驱动反馈信号。
具体的，该微控制器对NC控制指令进行解析处理，即可获得解析后的NC控制指令；然后微控制器根据解析后的NC控制指令和驱动器实时反馈的驱动反馈信号生成用于对五轴切割机器人中的各个伺服电机进行控制的对应的电机控制指令；其中，微控制器接收驱动器实时反馈的所述驱动反馈信号；其中驱动反馈信号为驱动器驱动伺服电机执行的执行结果信号。
S13：所述微控制器将所述电机控制指令下发至所述驱动器中，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号；
在本发明具体实施过程中，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号，包括：所述驱动器解析所述电机控制指令，并基于解析的电机控制指令及各个伺服电机的电机反馈信息生成各个伺服电机对应的电机控制信号。
进一步的，所述各个伺服电机的电机反馈信息包括各个伺服电机的电流数据、速度数据及位置数据；其中各个伺服电机的位置数据、速度数据由设置在对应的伺服电机上的编码器获得；各个伺服电机的电流数据由设置在对应的伺服电机上的霍尔单元检测获得。
具体的，驱动器在接收到微控制器下发的电机控制指令之后，需要对该电机控制指令进行解析处理，最后再根据解析的电机控制指令及各个伺服电机的电机反馈信息生成各个伺服电机对应的电机控制信号；其中各个伺服电机的电机反馈信息包括各个伺服电机的电流数据、速度数据及位置数据；各个伺服电机的位置数据、速度数据由设置在对应的伺服电机上的编码器获得；各个伺服电机的电流数据由设置在对应的伺服电机上的霍尔单元检测获得。
S14：所述驱动器将所述电机控制信号下发至所述五轴切割机器人对应的所述伺服电机中；
在本发明具体实施过程中，该驱动器将电机控制信号下发到五轴切割机器人对应的伺服电机中，并利用电机控制信号对对应的伺服电机进行控制处理。
S15：所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业。
在本发明具体实施过程中，所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：所述五轴切割机器人中的各个伺服电机在接收到对应的所述电机控制信号之后，基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节来控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业；所述三个闭环负反馈PID调节包括电流环负反馈PID调节、速度环负反馈PID调节及位置环负反馈PID调节。
进一步的，所述基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节系统控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：在利用所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业时，基于霍尔单元检测各个伺服电机的输入电流数据，获得负反馈电流数据，将负反馈电流数据输入所述电流环负反馈PID调节进行输入电流数据的调节控制；基于编码器检测各个伺服电机的当前速度数据，获得负反馈速度数据，将所述负反馈速度数据输入所述速度环负反馈PID调节进行所述伺服电机的速度数据的调节控制；基于所述编码器检测各个伺服电机的当前位置数据，获得负反馈位置数据，将所述负反馈位置数据输入所述位置环负反馈PID调节进行所述伺服电机的位置数据的调节控制。
具体的，该五轴切割机器人中的各个伺服电机在接收到对应的电机控制信号之后，需要根据该电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节来控制五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业；其中，三个闭环负反馈PID调节包括电流环负反馈PID调节、速度环负反馈PID调节及位置环负反馈PID调节。
即，在利用电机控制信号控制五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业时，通过霍尔单元检测各个伺服电机的输入电流数据，获得负反馈电流数据，将负反馈电流数据输入电流环负反馈PID调节进行输入电流数据的调节控制；通过编码器检测各个伺服电机的当前速度数据，获得负反馈速度数据，将负反馈速度数据输入速度环负反馈PID调节进行伺服电机的速度数据的调节控制；通过编码器检测各个伺服电机的当前位置数据，获得负反馈位置数据，将负反馈位置数据输入位置环负反馈PID调节进行伺服电机的位置数据的调节控制。
三个环控制即为三个闭环负反馈PID调节，其中，包括最内环的电流环、中间环的速度环和最外边的位置环；其中，速度环完全在伺服驱动器内部进行，通过霍尔单元检测驱动器给电机的各相的输出电流(或者霍尔单元检测各个伺服电机的输入电流数据)，负反馈给电流的设定进行PID调节，从而达到输出电流尽量接近等于设定电流，电流环就是控制电机转矩的，所以在转矩模式下驱动器的运算最小，动态响应最快；速度环的控制是通过检测的伺服电机编码器的信号来进行负反馈PID调节，它的环内PID输出直接就是电流环的设定，所以速度环控制时就包含了速度环和电流环，换句话说任何模式都必须使用电流环，电流环是控制的根本，在速度和位置控制的同时系统实际也在进行电流(转矩)的控制以达到对速度和位置的相应控制；位置环的空是位置给定与调解环节，环内PID输出直接就是速度环的设定；其反馈信号既可取自电机编码器，也可取自最终负载，需根据实际情况确定；由于位置控制环内部输出就是速度环的设定，位置控制模式下三个闭环负反馈PID调节进行了所有三个环的运算，此时的三个闭环负反馈PID调节的运算量最大，动态响应速度也最慢。
在本发明实施例中，实现了控制五轴切割机器人对曲面工件的切割控制，同时提高了切割精度和稳定性，保证了切割作业的效率。
实施例二，请参阅图2，图2是本发明实施例中的基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制系统的结构组成示意图。
如图2所示，一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制系统，所述系统包括工控机21、微控制器22及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人23；其中所述工控机21基于信号接口与所述微控制器22建立通信连接，所述微控制器22与所述五轴切割机器人23的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人23运动作业；其中，所述系统被配置为用于执行上述任意一项所述的曲面激光切割控制方法。
在本发明实施例中，系统项的具体实施方式可参详上述方法项的实施方式，在此不再赘述。
在本发明实施例中，实现了控制五轴切割机器人对曲面工件的切割控制，同时提高了切割精度和稳定性，保证了切割作业的效率。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，RandomAccess Memory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法及系统进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制方法，其特征在于，包括工控机、微控制器及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人；其中所述工控机基于信号接口与所述微控制器建立通信连接，所述微控制器与所述五轴切割机器人的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人运动作业；所述方法包括：
所述工控机生成NC控制指令，并基于所述通信连接将所述NC控制指令下发至所述微控制器；
所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令；
所述微控制器将所述电机控制指令下发至所述驱动器中，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号；
所述驱动器将所述电机控制信号下发至所述五轴切割机器人对应的所述伺服电机中；
所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业。
2.根据权利要求1所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述工控机生成NC控制指令，包括：
所述工控机在与所述微控制器建立通信连接时，所述工控机实时的接收所述微控制器反馈的控制反馈信号；
基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，所述NC代码包括NC程序、G代码和M代码。
3.根据权利要求2所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述基于所述控制反馈信号利用所述NC代码生成所述NC控制指令，包括：
所述工控机基于所述控制反馈信号获得控制所述五轴切割机器人的切割速度；
所述工控机基于所述切割速度及预设切割路径在所述NC代码中设置生成所述NC控制指令。
4.根据权利要求1所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述微控制器基于所述NC控制指令生成用于对所述五轴切割机器人中的伺服电机进行控制的电机控制指令，包括：
所述微控制器对所述NC控制指令进行解析处理，获得解析后的NC控制指令；
所述微控制器基于解析后的NC控制指令和所述驱动器实时反馈的驱动反馈信号生成用于对所述五轴切割机器人中的各个伺服电机进行控制的对应的电机控制指令。
5.根据权利要求4所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述微控制器接收所述驱动器实时反馈的所述驱动反馈信号。
6.根据权利要求1所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述驱动器基于所述电机控制指令生成电机控制信号，包括：
所述驱动器解析所述电机控制指令，并基于解析的电机控制指令及各个伺服电机的电机反馈信息生成各个伺服电机对应的电机控制信号。
7.根据权利要求6所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述各个伺服电机的电机反馈信息包括各个伺服电机的电流数据、速度数据及位置数据；
其中各个伺服电机的位置数据、速度数据由设置在对应的伺服电机上的编码器获得；各个伺服电机的电流数据由设置在对应的伺服电机上的霍尔单元检测获得。
8.根据权利要求1所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述伺服电机基于所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：
所述五轴切割机器人中的各个伺服电机在接收到对应的所述电机控制信号之后，基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节来控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业；所述三个闭环负反馈PID调节包括电流环负反馈PID调节、速度环负反馈PID调节及位置环负反馈PID调节。
9.根据权利要求8所述的曲面激光切割控制方法，其特征在于，所述基于所述电机控制信号利用三个闭环负反馈PID调节系统控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业，包括：
在利用所述电机控制信号控制所述五轴切割机器人执行对曲面的激光切割作业时，基于霍尔单元检测各个伺服电机的输入电流数据，获得负反馈电流数据，将负反馈电流数据输入所述电流环负反馈PID调节进行输入电流数据的调节控制；
基于编码器检测各个伺服电机的当前速度数据，获得负反馈速度数据，将所述负反馈速度数据输入所述速度环负反馈PID调节进行所述伺服电机的速度数据的调节控制；
基于所述编码器检测各个伺服电机的当前位置数据，获得负反馈位置数据，将所述负反馈位置数据输入所述位置环负反馈PID调节进行所述伺服电机的位置数据的调节控制。
10.一种基于五轴切割机器人的曲面激光切割控制系统，其特征在于，所述系统包括工控机、微控制器及由驱动器和伺服电机组成的五轴切割机器人；其中所述工控机基于信号接口与所述微控制器建立通信连接，所述微控制器与所述五轴切割机器人的驱动器信号连接，所述驱动器用于控制所述伺服电机，所述伺服电机用于驱动所述五轴切割机器人运动作业；其中，所述系统被配置为用于执行权利要求1-9任意一项所述的曲面激光切割控制方法。
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN118305472A (zh) * 2024-06-06 2024-07-09 深圳市牧激科技有限公司 一种五轴激光加工机器人的切割控制方法及系统

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