采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法

采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法
【专利摘要】本发明涉及一种采用六轴工业机器人切割的加工设备及加工方法，具体涉及一种采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法，包括工业机器人系统，工业机器人系统包括工业机器人本体和机器人控制柜，工业机器人本体连接机器人控制柜，机器人控制柜的信号输出端连接切割执行工具控制器的信号输入端，切割执行工具控制器的控制输出端连接切割执行工具，切割执行工具与工业机器人本体刚性连接。本发明高精度、高可靠性，稳定性好，扩展性好，能够控制工业机器人实现相贯线带坡口的一次性连续切割，具有较强的实用性。
【专利说明】
采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法
技术领域
[0001]本发明涉及一种采用六轴工业机器人切割的加工设备及加工方法，具体涉及一种采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法。
【背景技术】
[0002]目前，随着工业机器人技术的不断成熟、完善以及各方面的产业需求提高，工业机器人被广泛应用到各个领域，工业机器人的诸多优点也显露出来并得到了肯定。然而，工业机器人在处理特殊曲线、曲面的作业中，例如相贯线切割，通过传统的示教方式几乎不可能达到理想的作业要求，原因在于工件具有表面复杂、多变、类似产品型号种类多等特点，为达到良好的加工处理效果，需要对工件尽可能多的位置实现精准编程，往往一种类型工件的精准位置编程、调试可能需要数天之久，费时费力且作业效果也不近人意。即使目前市面上有诸多的离线编程软件可以自动规划路径，但前提要对复杂曲线、曲面，例如相贯线进行3D建模，建模本身就是一件费时费力的工作，且需要用户具备一定的专业性。市面上也有针对某一特定作业而制作的专机例如进行相贯线切割的专机，但扩展性差，稳定性、准确性不尚O

【发明内容】

[0003]根据以上现有技术中的不足，本发明要解决的问题是:提供一种高精度、高可靠性，稳定性好，扩展性好，能够控制工业机器人实现相贯线带坡口的一次性连续切割的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法。
[0004]本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
[0005]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，包括工业机器人系统，工业机器人系统包括工业机器人本体和机器人控制柜，工业机器人本体连接机器人控制柜，机器人控制柜的信号输出端连接切割执行工具控制器的信号输入端，切割执行工具控制器的控制输出端连接切割执行工具，切割执行工具与工业机器人本体刚性连接。
[0006]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置结构简单，使用方便，将可执行文件输入到机器人控制柜，通过机器人控制柜控制工业机器人本体携带切割执行工具进行相贯线切割，准确度高，稳定性好。刚性连接，目的是工业机器人本体可携带切割执行工具按机器人控制柜的运动控制指令进行动作。
[0007]进一步地优选，切割执行工具采用火焰切割器、等离子切割器、激光切割器、水刀切割器中的一种。可以根据所切割工件的类型和要求进行选择，使用灵活方便。
[0008]进一步地优选，机器人控制柜与切割执行工具控制器通过I/O或总线通信方式连接。机器人控制柜向切割执行工具控制器输出作业指令的，如切割的通断指令等。
[0009]进一步地优选，切割执行工具与工业机器人本体之间通过与切割执行工具相配合的工装进行连接。
[0010]—种采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，包括以下步骤:
[0011 ]步骤I)获取路径规划所需要的相关信息；
[0012]步骤2)将所获取的信息提供给路径规划单元，进行路径规划；
[0013]步骤3)根据工业机器人本体的特性和步骤2)所规划的路径生成机器人可执行文件；
[0014]步骤4)将机器人可执行文件传送至工业机器人系统，工业机器人本体按照可执行文件进行切割作业，完成相贯线带坡口切割。
[0015]优选的:
[0016]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法的步骤I)中所述的路径规划所需要的相关信息包括两圆管相贯信息、切割执行工具和工业机器人本体的相对位置信息、以及待切割工件和工业机器人本体的相对位置信息。两圆管相贯，可以获得两管相贯的信息，比如主管管径，支管管径，倾角，偏移值。切割前需要确定并固定切割执行工具同时需要固定待切割的工件，进而有切割执行工具和工件相对于工业机器人本体的位置信息，将这两部分数据作为路径规划所需要的相关信息。
[0017]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法的步骤2)中所述的路径规划包括以下步骤:
[0018]步骤I)根据路径规划所获取的信息求相贯线方程；
[0019]步骤2)将求得的相贯线方程离散化处理取得作业点的坐标，并在每个作业点处取得相对应的坡口向量；
[0020]步骤3)根据坐标和坡口向量求机器人的笛卡尔空间的值，进而获得所有离散作业点的笛卡尔坐标值；
[0021]步骤4)对工业机器人本体进行建模，根据离散作业点的笛卡尔坐标值求对应工业机器人本体的运动学逆解，获得关节空间解；
[0022]步骤5)选取每个离散作业点的最优逆解，根据逆解驱动3D模型运动；
[0023]步骤6)判断是否需要调节冗余角；若出现干涉、关节角度超限或不利于作业的角度出现时，需要调节冗余角，则根据出现的位置，对附近离散点的冗余自由度进行干预调节并更新离散作业点的笛卡尔坐标值，然后重复步骤4)_步骤6)直至问题消失;若不需要调节冗余角或经过调节后不存在干涉、关节角度超限或不利于作业的角度的问题，则进行步骤7)；
[0024]步骤7)根据工业机器人本体的特性和切割要求，指定运动速度，生成工业机器人系统的可执行文件。
[0025]所述的冗余角是指六轴工业机器人执行切割这种只需要完成五个自由度的作业时而存在的一个冗余自由度，该冗余自由度所反应在笛卡尔坐标值中的角度值。所述的冗余角，要根据所作的工具坐标系的方向确定冗余角，即笛卡尔坐标值中的角度值中的某一个，然后通过冗余角出现的位置选取需要调节冗余角的离散作业点，更新离散作业点的笛卡尔坐标值。
[0026]所述的每个作业点所对应的坡口向量均存在对应的坡口角度，坡口角度的确定采取方法为，每个作业点处存在两管的切平面，两切平面形成的二面角若小90度则取坡口角为二面角的一半，若大于90度则取坡口角为45度，根据坡口角度的不同，在每个作业点存在相对应的坡口向量。
[0027]所述的相贯线带坡口切割采用火焰切割、等离子切割、激光切割、水刀切割中的一种。
[0028]本发明所具有的有益效果是:
[0029]1、本发明所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法采用工业机器人为主体作相贯线切割，仅提供相应的笛卡尔坐标值，仍采用机器人自身的轨迹规划算法，具有尚精度、尚可靠性的优点。
[0030]2、本发明所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法通过离线生成机器人所属的编程语言，便与调试;能够快速求解相贯线方程以及坡口向量并求解对应的笛卡尔坐标，对机器人进行数学建模，能够求解逆解、选取逆解中的最优解，能够根据笛卡尔坐标可靠地模拟机器人的运动过程;冗余角调节能够对作业过程中出现的干涉、关节角度限位等问题予以消除。
[0031]3、本发明所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置及方法通过实际应用试验，可以应用到工件相贯线带坡口的切割作业中，且效果良好，一次性连续地完成切割，有效地解决了相贯线这种复杂曲线切割遇到的问题。
【附图说明】
[0032]图1为本发明的装置结构示意图；
[0033]图2为本发明的作业方法流程图；
[0034]图3为本发明的路径规划与生成可执行文件过程示意图；
[0035]其中，1、工业机器人系统；2、工业机器人本体;3、机器人控制柜;4、切割执行工具控制器;5、切割执行工具；
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图对本发明的实施例做进一步描述:
[0037]如图1所示，本发明所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，包括工业机器人系统I，工业机器人系统I包括工业机器人本体2和机器人控制柜3，工业机器人本体2连接机器人控制柜3，机器人控制柜3的信号输出端连接切割执行工具控制器4的信号输入端，切割执行工具控制器4的控制输出端连接切割执行工具5，切割执行工具5与工业机器人本体2刚性连接。
[0038]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置切割执行工具5接收切割执行工具控制器4的控制信号实现各种控制功能。机器人控制柜3与切割执行工具控制器4通过I/O或总线通信方式连接，主要向控制切割执行工具控制器4输出作业指令的，如切割的通断指令等。工件在机器人作业范围内固定(一般采用这种放置方式:待切割工件(主管)位于机器人前方横向放置)。为后续求解方便，需按要求标定坐标系(一般采用这种建立方式:一般要求工件坐标系的X轴与母管的轴线垂直、水平向外，Z轴竖直向上;工具坐标系的其中一个轴沿切割执行工具的切割方向建立;机器人的世界坐标系遵循机器人品牌固有的坐标系)。
[0039]其中，切割执行工具5采用火焰切割器、等离子切割器、激光切割器、水刀切割器中的一种，切割执行工具5与工业机器人本体2之间通过与切割执行工具5相配合的工装进行连接。机器人控制柜3与切割执行工具控制器4通过I/O或总线通信方式连接。
[0040]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，包括以下步骤:
[0041]步骤I)获取路径规划所需要的相关信息;其中，两圆管相贯，必然有两管相贯的信息，比如主管管径，支管管径，倾角，偏移值;切割前需要确定并固定切割执行工具及待切割的工件(主管)，进而有切割执行工具和工件(主管)相对于机器人的位置信息，(根据切割执行工具坐标系和工件(主管)坐标系相对于工业机器人本体世界坐标系的位置关系确定，以坐标变换矩阵的形式表示)。
[0042]步骤2)将所获取的信息提供给路径规划单元，离线进行路径规划，路径离散点以笛卡尔坐标值的形式表示(以工业机器人本体世界坐标系为基准，依次为X值、Y值、Z值及绕三个坐标系的旋转角度值，旋转角度的顺序遵循各品牌机器人的顺序)；
[0043]步骤3)根据工业机器人本体2(包括品牌、型号)的特性和步骤2)所规划的路径生成机器人可执行文件(离线生成文件);
[0044]步骤4)将机器人可执行文件传送至工业机器人系统I，工业机器人本体2按照可执行文件执行切割作业，完成相贯线带坡口切割。其中，所述的相贯线带坡口切割采用火焰切割、等离子切割、激光切割、水刀切割中的一种。
[0045]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，步骤I)中所述的路径规划所需要的相关信息包括两圆管相贯信息、切割执行工具5和工业机器人本体2的相对位置信息、以及待切割工件和工业机器人本体2的相对位置信息。
[0046]所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，步骤2)中所述的路径规划包括以下步骤:
[0047]步骤I)根据路径规划所获取的信息求相贯线方程;根据相贯两管的管径、倾角、偏移量以及切割执行工具位置、工件(主管)位置等这些数据，以工件(主管)坐标系为基准，计算相贯线方程；
[0048]步骤2)将求得的相贯线方程按精度要求进行离散化处理得到若干作业点及其坐标，同时在每一个作业点处存在两管的切平面，两切平面形成的二面角若小90度则取坡口角为二面角的一半，若大于90度则取坡口角为45度，根据坡口角度的不同，在每一点存在相对应的坡口向量，可在工件坐标系中将其表示出来。
[0049]步骤3)根据坐标和坡口向量求机器人的笛卡尔空间的值，建立所有离散作业点的笛卡尔坐标值；
[0050]根据作业点坐标求基于工件坐标系的坐标值，将求得的作业点坐标转换到机器人世界坐标系中即为笛卡尔坐标值的X、Y、Z值;定义初始向量状态为工件坐标系Z轴方向，坡口向量作为终止状态，利用二者的变换关系确定笛卡尔坐标值的三个角度值，需要指出的是其中一个角度值可为任意角度，此时将所有作业点的该值定为O度，该值即为前文提出的冗余角。
[0051]步骤4)对工业机器人本体2建立运动学方程，根据离散作业点的笛卡尔坐标值求对应工业机器人本体2的运动学逆解，获得关节空间解；
[0052]步骤5)选取每个离散作业点的最优逆解，根据逆解驱动3D模型运动;采取与机器人一致的原则，选取每个作业点的最优逆解；
[0053]步骤6)判断是否需要调节冗余角；若出现干涉、关节角度超限或不利于作业的角度出现时，需要调节冗余角，则根据出现的位置，对附近离散点的冗余自由度进行干预调节并更新离散作业点的笛卡尔坐标值，然后重复步骤4)_步骤6)直至问题消失;若不需要调节冗余角或经过调节后不存在干涉、关节角度超限或不利于作业的角度的问题，则进行步骤7)；
[0054]步骤7)根据工业机器人本体2的特性和切割要求，指定运动速度，生成工业机器人系统I的可执行文件。
[0055]所述的冗余角是指六轴工业机器人执行切割五个自由度作业时而存在的一个冗余自由度，该冗余自由度所反应在笛卡尔坐标值中的角度值。
[0056]本发明通过采用上述技术，得到了采用六轴工业机器人实现相贯线带坡口切割的加工设备和加工方法，本发明可以通过调节冗余角使机器人一次性连续地完成切割，有效地解决了相贯线这种复杂曲线切割遇到的问题，尤其还带有坡口加工功能，采用机器人自身的路径规划算法使作业过程更准确可靠，提高了作业品质和效率，适用于工业加工应用。
【主权项】
1.一种采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，包括工业机器人系统(I)，工业机器人系统(I)包括工业机器人本体(2)和机器人控制柜(3)，工业机器人本体(2)连接机器人控制柜(3)，其特征在于:机器人控制柜(3)的信号输出端连接切割执行工具控制器(4)的信号输入端，切割执行工具控制器(4)的控制输出端连接切割执行工具(5)，切割执行工具(5)与工业机器人本体(2)刚性连接。2.根据权利要求1所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，其特征在于:所述的切割执行工具(5)采用火焰切割器、等离子切割器、激光切割器、水刀切割器中的一种。3.根据权利要求1所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，其特征在于:所述的机器人控制柜(3)与切割执行工具控制器(4)通过I/O或总线通信方式连接。4.根据权利要求1所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置，其特征在于:所述的切割执行工具(5)与工业机器人本体(2)之间通过与切割执行工具(5)相配合的工装进行连接。5.—种如权利要求1所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:包括以下步骤: 步骤I)获取路径规划所需要的相关信息； 步骤2)将所获取的信息提供给路径规划单元，进行路径规划； 步骤3)根据工业机器人本体(2)的特性和步骤2)所规划的路径生成机器人可执行文件； 步骤4)将机器人可执行文件传送至工业机器人系统(I)，工业机器人本体(2)按照可执行文件进行切割作业，完成相贯线带坡口切割。6.根据权利要求5所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:步骤I)中所述的路径规划所需要的相关信息包括两圆管相贯信息、切割执行工具(5)和工业机器人本体(2)的相对位置信息、以及待切割工件和工业机器人本体(2)的相对位置信息。7.根据权利要求5所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:步骤2)中所述的路径规划包括以下步骤: 步骤I)根据路径规划所获取的信息求相贯线方程； 步骤2)将求得的相贯线方程离散化处理取得作业点的坐标，并在每个作业点处取得相对应的坡口向量； 步骤3)根据坐标和坡口向量求机器人的笛卡尔空间的值，进而获得所有离散作业点的笛卡尔坐标值； 步骤4)对工业机器人本体(2)进行建模，根据离散作业点的笛卡尔坐标值求对应工业机器人本体(2)的运动学逆解，获得关节空间解； 步骤5)选取每个离散作业点的最优逆解，根据逆解驱动3D模型运动； 步骤6)判断是否需要调节冗余角；若出现干涉、关节角度超限或不利于作业的角度出现时，需要调节冗余角，则根据出现的位置，对附近离散点的冗余自由度进行干预调节并更新离散作业点的笛卡尔坐标值，然后重复步骤4)_步骤6)直至问题消失;若不需要调节冗余角或经过调节后不存在干涉、关节角度超限或不利于作业的角度的问题，则进行步骤7); 步骤7)根据工业机器人本体(2)的特性和切割要求，指定运动速度，工业机器人系统(I)的可执行文件。8.根据权利要求7所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:所述的冗余角是指六轴工业机器人执行切割五个自由度作业时而存在的一个冗余自由度，该冗余自由度所反应在笛卡尔坐标值中的角度值。9.根据权利要求7所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:所述的每个作业点所对应的坡口向量均存在对应的坡口角度，坡口角度的确定采取方法为，每个作业点处存在两管的切平面，两切平面形成的二面角若小90度则取坡口角为二面角的一半，若大于90度则取坡口角为45度，根据坡口角度的不同，在每个作业点存在相对应的坡口向量。10.根据权利要求5所述的采用六轴工业机器人进行相贯线切割的加工装置的加工方法，其特征在于:所述的相贯线带坡口切割采用火焰切割、等离子切割、激光切割、水刀切割中的一种。
【文档编号】B25J9/02GK105881521SQ201610366878
【公开日】2016年8月24日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】李卫民, 高喜飞, 刘明, 胡令冲
【申请人】济宁中科先进技术研究院有限公司