技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本
發(fā)明涉及一種采用六軸
工業(yè)機(jī)器人切割的加工設(shè)備及加工方法，具體涉及一種采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置及方法。
背景技術(shù)
[0002] 目前,隨著工業(yè)
機(jī)器人技術(shù)的不斷成熟、完善以及各方面的產(chǎn)業(yè)需求提高，工業(yè)機(jī)器人被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人的諸多優(yōu)點也顯露出來并得到了肯定。然而，工業(yè)機(jī)器人在處理特殊曲線、曲面的作業(yè)中，例如相貫線切割，通過傳統(tǒng)的示教方式幾乎不可能達(dá)到理想的作業(yè)要求，原因在于
工件具有表面復(fù)雜、多變、類似產(chǎn)品型號種類多等特點，為達(dá)到良好的加工處理效果，需要對工件盡可能多的
位置實現(xiàn)精準(zhǔn)編程，往往一種類型工件的精準(zhǔn)位置編程、調(diào)試可能需要數(shù)天之久，費時費
力且作業(yè)效果也不近人意。即使目前市面上有諸多的離線編程
軟件可以自動規(guī)劃路徑，但前提要對復(fù)雜曲線、曲面，例如相貫線進(jìn)行3D建模，建模本身就是一件費時費力的工作，且需要用戶具備一定的專業(yè)性。市面上也有針對某一特定作業(yè)而制作的專機(jī)例如進(jìn)行相貫線切割的專機(jī)，但擴(kuò)展性差，
穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性不高。
發(fā)明內(nèi)容
[0003] 根據(jù)以上
現(xiàn)有技術(shù)中的不足，本發(fā)明要解決的問題是：提供一種高
精度、高可靠性，穩(wěn)定性好，擴(kuò)展性好，能夠控制工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)相貫線帶坡口的一次性連續(xù)切割的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置及方法。
[0004] 本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是：
[0005] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置，包括工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)包括工業(yè)
機(jī)器人本體和機(jī)器人控制柜，工業(yè)機(jī)器人本體連接機(jī)器人控制柜，機(jī)器人控制柜的
信號輸出端連接切割執(zhí)行工具
控制器的信號輸入端，切割執(zhí)行工具控制器的控制輸出端連接切割執(zhí)行工具，切割執(zhí)行工具與工業(yè)機(jī)器人本體剛性連接。
[0006] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，將可執(zhí)行文件輸入到機(jī)器人控制柜，通過機(jī)器人控制柜控制工業(yè)機(jī)器人本體攜帶切割執(zhí)行工具進(jìn)行相貫線切割，準(zhǔn)確度高，穩(wěn)定性好。剛性連接，目的是工業(yè)機(jī)器人本體可攜帶切割執(zhí)行工具按機(jī)器人控制柜的運動控制指令進(jìn)行動作。
[0007] 進(jìn)一步地優(yōu)選，切割執(zhí)行工具采用火焰
切割器、等離子切割器、
激光切割器、
水刀切割器中的一種?？梢愿鶕?jù)所切割工件的類型和要求進(jìn)行選擇，使用靈活方便。
[0008] 進(jìn)一步地優(yōu)選，機(jī)器人控制柜與切割執(zhí)行工具控制器通過I/O或總線通信方式連接。機(jī)器人控制柜向切割執(zhí)行工具控制器輸出作業(yè)指令的，如切割的通斷指令等。
[0009] 進(jìn)一步地優(yōu)選，切割執(zhí)行工具與工業(yè)機(jī)器人本體之間通過與切割執(zhí)行工具相配合的工裝進(jìn)行連接。
[0010] 一種采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法，包括以下步驟：
[0011] 步驟1)獲取路徑規(guī)劃所需要的相關(guān)信息；
[0012] 步驟2)將所獲取的信息提供給路徑規(guī)劃單元，進(jìn)行路徑規(guī)劃；
[0013] 步驟3)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人本體的特性和步驟2)所規(guī)劃的路徑生成機(jī)器人可執(zhí)行文件；
[0014] 步驟4)將機(jī)器人可執(zhí)行文件傳送至工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)，工業(yè)機(jī)器人本體按照可執(zhí)行文件進(jìn)行切割作業(yè)，完成相貫線帶坡口切割。
[0015] 優(yōu)選的：
[0016] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法的步驟1)中所述的路徑規(guī)劃所需要的相關(guān)信息包括兩圓管相貫信息、切割執(zhí)行工具和工業(yè)機(jī)器人本體的相對位置信息、以及待切割工件和工業(yè)機(jī)器人本體的相對位置信息。兩圓管相貫，可以獲得兩管相貫的信息，比如主管管徑，支管管徑，傾
角，偏移值。切割前需要確定并固定切割執(zhí)行工具同時需要固定待切割的工件，進(jìn)而有切割執(zhí)行工具和工件相對于工業(yè)機(jī)器人本體的位置信息，將這兩部分?jǐn)?shù)據(jù)作為路徑規(guī)劃所需要的相關(guān)信息。
[0017] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法的步驟2)中所述的路徑規(guī)劃包括以下步驟：
[0018] 步驟a)根據(jù)路徑規(guī)劃所獲取的信息求相貫線方程；
[0019] 步驟b)將求得的相貫線方程離散化處理取得作業(yè)點的坐標(biāo)，并在每個作業(yè)點處取得相對應(yīng)的坡口向量；
[0020] 步驟c)根據(jù)坐標(biāo)和坡口向量求機(jī)器人的笛卡爾空間的值，進(jìn)而獲得所有離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值；
[0021] 步驟d)對工業(yè)機(jī)器人本體進(jìn)行建模，根據(jù)離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值求對應(yīng)工業(yè)機(jī)器人本體的運動學(xué)逆解，獲得關(guān)節(jié)空間解；
[0022] 步驟e)選取每個離散作業(yè)點的最優(yōu)逆解，根據(jù)逆解驅(qū)動3D模型運動；
[0023] 步驟f)判斷是否需要調(diào)節(jié)冗余角；若出現(xiàn)干涉、
關(guān)節(jié)角度超限或不利于作業(yè)的角度出現(xiàn)時，需要調(diào)節(jié)冗余角，則根據(jù)出現(xiàn)的位置，對附近離散點的冗余
自由度進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)并更新離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值，然后重復(fù)步驟d)-步驟f)直至問題消失；若不需要調(diào)節(jié)冗余角或經(jīng)過調(diào)節(jié)后不存在干涉、關(guān)節(jié)角度超限或不利于作業(yè)的角度的問題，則進(jìn)行步驟g)；
[0024] 步驟g)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人本體的特性和切割要求，
指定運動速度，生成工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)的可執(zhí)行文件。
[0025] 所述的冗余角是指六軸工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行切割這種只需要完成五個自由度的作業(yè)時而存在的一個冗余自由度，該冗余自由度所反應(yīng)在笛卡爾坐標(biāo)值中的角度值。所述的冗余角，要根據(jù)所作的工具
坐標(biāo)系的方向確定冗余角，即笛卡爾坐標(biāo)值中的角度值中的某一個,然后通過冗余角出現(xiàn)的位置選取需要調(diào)節(jié)冗余角的離散作業(yè)點，更新離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值。
[0026] 所述的每個作業(yè)點所對應(yīng)的坡口向量均存在對應(yīng)的坡口角度，坡口角度的確定采取方法為,每個作業(yè)點處存在兩管的切平面，兩切平面形成的二面角若小90度則取坡口角為二面角的一半，若大于90度則取坡口角為45度，根據(jù)坡口角度的不同，在每個作業(yè)點存在相對應(yīng)的坡口向量。
[0027] 所述的相貫線帶坡口切割采用火焰切割、等離子切割、激光切割、水刀切割中的一種。
[0028] 本發(fā)明所具有的有益效果是：
[0029] 1、本發(fā)明所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置及方法采用工業(yè)機(jī)器人為主體作相貫線切割，僅提供相應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)值，仍采用機(jī)器人自身的軌跡規(guī)劃
算法，具有高精度、高可靠性的優(yōu)點。
[0030] 2、本發(fā)明所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置及方法通過離線生成機(jī)器人所屬的編程語言，便與調(diào)試；能夠快速求解相貫線方程以及坡口向量并求解對應(yīng)的笛卡爾坐標(biāo)，對機(jī)器人進(jìn)行數(shù)學(xué)建模，能夠求解逆解、選取逆解中的最優(yōu)解，能夠根據(jù)笛卡爾坐標(biāo)可靠地模擬機(jī)器人的運動過程；冗余角調(diào)節(jié)能夠?qū)ψ鳂I(yè)過程中出現(xiàn)的干涉、關(guān)節(jié)角度限位等問題予以消除。
[0031] 3、本發(fā)明所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置及方法通過實際應(yīng)用試驗，可以應(yīng)用到工件相貫線帶坡口的切割作業(yè)中，且效果良好，一次性連續(xù)地完成切割，有效地解決了相貫線這種復(fù)雜曲線切割遇到的問題。
附圖說明
[0032] 圖1為本發(fā)明的裝置結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033] 圖2為本發(fā)明的作業(yè)方法
流程圖；
[0034] 圖3為本發(fā)明的路徑規(guī)劃與生成可執(zhí)行文件過程示意圖；
[0035] 其中，1、工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)；2、工業(yè)機(jī)器人本體；3、機(jī)器人控制柜；4、切割執(zhí)行工具控制器；5、切割執(zhí)行工具；
具體實施方式
[0036] 下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的
實施例做進(jìn)一步描述：
[0037] 如圖1所示，本發(fā)明所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置，包括工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)1，工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)1包括工業(yè)機(jī)器人本體2和機(jī)器人控制柜3，工業(yè)機(jī)器人本體2連接機(jī)器人控制柜3，機(jī)器人控制柜3的信號輸出端連接切割執(zhí)行工具控制器4的信號輸入端，切割執(zhí)行工具控制器4的控制輸出端連接切割執(zhí)行工具5，切割執(zhí)行工具5與工業(yè)機(jī)器人本體2剛性連接。
[0038] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置切割執(zhí)行工具5接收切割執(zhí)行工具控制器4的
控制信號實現(xiàn)各種控制功能。機(jī)器人控制柜3與切割執(zhí)行工具控制器4通過I/O或總線通信方式連接，主要向控制切割執(zhí)行工具控制器4輸出作業(yè)指令的，如切割的通斷指令等。工件在機(jī)器人作業(yè)范圍內(nèi)固定(一般采用這種放置方式：待切割工件(主管)位于機(jī)器人前方橫向放置)。為后續(xù)求解方便，需按要求標(biāo)定坐標(biāo)系(一般采用這種建立方式：一般要求工件坐標(biāo)系的X軸與母管的軸線垂直、水平向外，Z軸豎直向上；工具坐標(biāo)系的其中一個軸沿切割執(zhí)行工具的切割方向建立；機(jī)器人的世界坐標(biāo)系遵循機(jī)器人品牌固有的坐標(biāo)系)。
[0039] 其中，切割執(zhí)行工具5采用火焰切割器、等離子切割器、激光切割器、水刀切割器中的一種，切割執(zhí)行工具5與工業(yè)機(jī)器人本體2之間通過與切割執(zhí)行工具5相配合的工裝進(jìn)行連接。機(jī)器人控制柜3與切割執(zhí)行工具控制器4通過I/O或總線通信方式連接。
[0040] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法，包括以下步驟：
[0041] 步驟1)獲取路徑規(guī)劃所需要的相關(guān)信息；其中，兩圓管相貫，必然有兩管相貫的信息，比如主管管徑，支管管徑，傾角，偏移值；切割前需要確定并固定切割執(zhí)行工具及待切割的工件(主管)，進(jìn)而有切割執(zhí)行工具和工件(主管)相對于機(jī)器人的位置信息，(根據(jù)切割執(zhí)行工具坐標(biāo)系和工件(主管)坐標(biāo)系相對于工業(yè)機(jī)器人本體世界坐標(biāo)系的位置關(guān)系確定，以坐標(biāo)變換矩陣的形式表示)。
[0042] 步驟2)將所獲取的信息提供給路徑規(guī)劃單元，離線進(jìn)行路徑規(guī)劃，路徑離散點以笛卡爾坐標(biāo)值的形式表示(以工業(yè)機(jī)器人本體世界坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，依次為X值、Y值、Z值及繞三個坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)角度值，旋轉(zhuǎn)角度的順序遵循各品牌機(jī)器人的順序)；
[0043] 步驟3)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人本體2(包括品牌、型號)的特性和步驟2)所規(guī)劃的路徑生成機(jī)器人可執(zhí)行文件(離線生成文件)；
[0044] 步驟4)將機(jī)器人可執(zhí)行文件傳送至工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)1，工業(yè)機(jī)器人本體2按照可執(zhí)行文件執(zhí)行切割作業(yè)，完成相貫線帶坡口切割。其中，所述的相貫線帶坡口切割采用火焰切割、等離子切割、激光切割、水刀切割中的一種。
[0045] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法，步驟1)中所述的路徑規(guī)劃所需要的相關(guān)信息包括兩圓管相貫信息、切割執(zhí)行工具5和工業(yè)機(jī)器人本體2的相對位置信息、以及待切割工件和工業(yè)機(jī)器人本體2的相對位置信息。
[0046] 所述的采用六軸工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行相貫線切割的加工裝置的加工方法，步驟2)中所述的路徑規(guī)劃包括以下步驟：
[0047] 步驟a)根據(jù)路徑規(guī)劃所獲取的信息求相貫線方程；根據(jù)相貫兩管的管徑、傾角、偏移量以及切割執(zhí)行工具位置、工件(主管)位置等這些數(shù)據(jù)，以工件(主管)坐標(biāo)系為基準(zhǔn)，計算相貫線方程；
[0048] 步驟b)將求得的相貫線方程按精度要求進(jìn)行離散化處理得到若干作業(yè)點及其坐標(biāo)，同時在每一個作業(yè)點處存在兩管的切平面，兩切平面形成的二面角若小90度則取坡口角為二面角的一半，若大于90度則取坡口角為45度，根據(jù)坡口角度的不同，在每一點存在相對應(yīng)的坡口向量，可在工件坐標(biāo)系中將其表示出來。
[0049] 步驟c)根據(jù)坐標(biāo)和坡口向量求機(jī)器人的笛卡爾空間的值，建立所有離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值；
[0050] 根據(jù)作業(yè)點坐標(biāo)求基于工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)值，將求得的作業(yè)點坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到機(jī)器人世界坐標(biāo)系中即為笛卡爾坐標(biāo)值的X、Y、Z值；定義初始向量狀態(tài)為工件坐標(biāo)系Z軸方向，坡口向量作為終止?fàn)顟B(tài)，利用二者的變換關(guān)系確定笛卡爾坐標(biāo)值的三個角度值，需要指出的是其中一個角度值可為任意角度，此時將所有作業(yè)點的該值定為0度，該值即為前文提出的冗余角。
[0051] 步驟d)對工業(yè)機(jī)器人本體2建立運動學(xué)方程，根據(jù)離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值求對應(yīng)工業(yè)機(jī)器人本體2的運動學(xué)逆解，獲得關(guān)節(jié)空間解；
[0052] 步驟e)選取每個離散作業(yè)點的最優(yōu)逆解，根據(jù)逆解驅(qū)動3D模型運動；采取與機(jī)器人一致的原則，選取每個作業(yè)點的最優(yōu)逆解；
[0053] 步驟f)判斷是否需要調(diào)節(jié)冗余角；若出現(xiàn)干涉、關(guān)節(jié)角度超限或不利于作業(yè)的角度出現(xiàn)時，需要調(diào)節(jié)冗余角，則根據(jù)出現(xiàn)的位置，對附近離散點的冗余自由度進(jìn)行干預(yù)調(diào)節(jié)并更新離散作業(yè)點的笛卡爾坐標(biāo)值，然后重復(fù)步驟d)-步驟f)直至問題消失；若不需要調(diào)節(jié)冗余角或經(jīng)過調(diào)節(jié)后不存在干涉、關(guān)節(jié)角度超限或不利于作業(yè)的角度的問題，則進(jìn)行步驟g)；
[0054] 步驟g)根據(jù)工業(yè)機(jī)器人本體2的特性和切割要求，指定運動速度，生成工業(yè)機(jī)器人系統(tǒng)1的可執(zhí)行文件。
[0055] 所述的冗余角是指六軸工業(yè)機(jī)器人執(zhí)行切割五個自由度作業(yè)時而存在的一個冗余自由度，該冗余自由度所反應(yīng)在笛卡爾坐標(biāo)值中的角度值。
[0056] 本發(fā)明通過采用上述技術(shù)，得到了采用六軸工業(yè)機(jī)器人實現(xiàn)相貫線帶坡口切割的加工設(shè)備和加工方法，本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)冗余角使機(jī)器人一次性連續(xù)地完成切割，有效地解決了相貫線這種復(fù)雜曲線切割遇到的問題，尤其還帶有坡口加工功能，采用機(jī)器人自身的路徑規(guī)劃算法使作業(yè)過程更準(zhǔn)確可靠，提高了作業(yè)品質(zhì)和效率，適用于工業(yè)加工應(yīng)用。
