一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法及系统与流程
本发明涉及船舶外板自动化加工和信息处理领域，特别涉及一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法及系统。
背景技术：
3维到5维的转换，等同于不定方程的求解，可得到无穷多个解。弯板机器人加工过程中需要保证加工轨迹各点的加热量相同，外板才能达到较好的成形加工效果。对于弯板机器人，除了负责控制火枪在空间坐标轴(X，Y，Z)上移动，还要控制火枪分别绕X轴和Z轴的转动，控制量是5维的坐标(X，Y，Z，RX，RZ)。这时就需要将3维的加工轨迹数据转换为5轴运动控制数据，运动控制平台才能实现检测板的火工弯板加工。因此，如何在无穷多个解中找到一个能保证加工效果的解是目前存在的技术难点。
在数据转换的过程中，需要根据火枪和外板的位置以及加工轨迹数据进行计量操作，以确定加工加热过程中的各项运动指标。现有技术中的计量操作大都是人工完成。对于大量的加工轨迹数据，技术人员计量完一条加工的控制量，然后再根据火枪新的位置进行重复计量。对于3维到5维的转换，在不定方程的无穷多个解中找到一个适合的解这类计量操作是非常复杂的，这就需要技术人员的耐心和注意力，操作稍有不当就会造成结果一致性差，效率降低。因此，如何在计算机上实现计量操作的数据转换策略是非常必要的。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法及系统，利用计算机实现自动计量操作的数据转换策略取代人工的数据转换计量操作，避免了人工操作不当造成的计量结果一致性差的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法，包括：
对加工曲面进行曲面参数方程拟合；
获取输入的加工轨迹数据，并通过坐标变换得到在拟合后的曲面方程上的三维坐标；
根据所述三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量；
根据所述三维坐标以及所述法向量计算得到5轴位移量；
根据两量控制点的运行时间以及所述5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度。
可选的，对加工曲面进行曲面参数方程拟合，包括：
将扫描系统处理后得到的目标曲面点云数据，通过坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据；
利用所述空间坐标数据建立线性方程组来确定曲面方程；
利用矩阵运算求解所述线性方程组，得到所述曲面方程的各个参数。
可选的，根据所述三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量，包括：
对所述三维坐标进行曲面拟合得到加工轨迹中各轨迹点的法向量，并将所述法向量进行归一化处理得到加工轨迹中各轨迹点的单位法向量。
可选的，根据所述三维坐标以及所述法向量计算得到5轴位移量，包括：
根据所述单位法向量逆推出RX轴和RZ轴的位移量(Prx,Prz)；
根据所述三维坐标逆推出X轴、Y轴、Z轴的位移量(Px,Py,Pz)；
利用RX轴和RZ轴的位移量以及X轴、Y轴、Z轴的位移量，得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)。
可选的，根据两量控制点的运行时间以及所述5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度，包括：
将加工轨迹(ΔPxi,ΔPyi,ΔPzi,ΔPrxi,ΔPryi)分割成N条曲线段Δdi，并确定每条曲线段的运行时间Δti；
利用所述Δdi以及所述Δti，计算5个轴在每条曲线段内的移动速度(vxi,vyi,vzi,vrxi,vrzi)以及加速度(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
本发明还提供一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统，包括：
拟合模块，用于对加工曲面进行曲面参数方程拟合；
三维坐标获取模块，用于获取输入的加工轨迹数据，并通过坐标变换得到在拟合后的曲面方程上的三维坐标；
法向量计算模块，用于根据所述三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量；
5轴位移量计算模块，用于根据所述三维坐标以及所述法向量计算得到5轴位移量；
5轴运动控制数据计算模块，用于根据两量控制点的运行时间以及所述5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度。
可选的，所述拟合模块，包括：
坐标筛选单元，用于将扫描系统处理后得到的目标曲面点云数据，通过坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据；
曲面方程确定单元，用于利用所述空间坐标数据建立线性方程组来确定曲面方程；
曲面方程参数求解单元，用于利用矩阵运算求解所述线性方程组，得到所述曲面方程的各个参数。
可选的，所述法向量计算模块具体为对所述三维坐标进行曲面拟合得到加工轨迹中各轨迹点的法向量，并将所述法向量进行归一化处理得到加工轨迹中各轨迹点的单位法向量的模块。
可选的，所述5轴位移量计算模块，包括：
第一计算单元，用于根据所述单位法向量逆推出RX轴和RZ轴的位移量(Prx,Prz)；
第二计算单元，用于根据所述三维坐标逆推出X轴、Y轴、Z轴的位移量(Px,Py,Pz)；
5轴位移量单元，用于利用RX轴和RZ轴的位移量以及X轴、Y轴、Z轴的位移量，得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)。
可选的，所述5轴运动控制数据计算模块，包括：
分割单元，用于将加工轨迹(ΔPxi,ΔPyi,ΔPzi,ΔPrxi,ΔPryi)分割成N条曲线段Δdi，并确定每条曲线段的运行时间Δti；
5轴运动控制数据计算单元，用于利用所述Δdi以及所述Δti，计算5个轴在每条曲线段内的移动速度(vxi,vyi,vzi,vrxi,vrzi)以及加速度(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
本发明所提供的一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法，包括：对加工曲面进行曲面参数方程拟合；获取输入的加工轨迹数据，并通过坐标变换得到在拟合后的曲面方程上的三维坐标；根据三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量；根据三维坐标以及法向量计算得到5轴位移量；根据两量控制点的运行时间以及5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度；
可见，该方法利用计算机实现自动计量操作的数据转换策略取代人工的数据转换计量操作，不仅提高了计算效率，同时也避免了人工操作不当造成的计量结果一致性差的问题。本发明还提供了一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统，具有上述有益效果，在此不再赘述。
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，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法的流程图；
图2为本发明实施例所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换策略流程图示意图；
图3为本发明实施例所提供的龙门式5轴联动水火弯板机器人作为研究对象的示意图；
图4为本发明实施例所提供的曲面拟合以及加工轨迹示意图；
图5为本发明实施例所提供的X、Y、Z轴的位移量曲线示意图；
图6为本发明实施例所提供的RX、RZ轴的位移量曲线示意图；
图7为本发明实施例所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统的结构框图。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法及系统，利用计算机实现自动计量操作的数据转换策略取代人工的数据转换计量操作，避免了人工操作不当造成的计量结果一致性差的问题。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做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。
为了解决将3维加工轨迹数据转换成5轴运动控制数据这个问题，本实施例提出一种3维加工轨迹到5轴运动控制数据的转换策略。即通过分析加工轨迹数据和运动控制数据之间的关系以及它们各自的特点，根据实际情况找到运动控制数据关于加工轨迹数据的映射关系，从而实现3维加工轨迹到5轴运动控制数据的转换。具体请参考图1，图1为本发明实施例所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法的流程图；该方法可以包括：
S100、对加工曲面进行曲面参数方程拟合；
具体的，读取曲面数据，通过单位换算、坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据。利用空间坐标数据通过建立线性方程组来确定曲面方程的表达式；然后利用矩阵运算求解线性方程组得到曲面方程的各个参数。
优选的，对加工曲面进行曲面参数方程拟合可以包括：
将扫描系统处理后得到的目标曲面点云数据，通过坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据；
利用空间坐标数据建立线性方程组来确定曲面方程；
利用矩阵运算求解线性方程组，得到曲面方程的各个参数。
具体的，利用曲面数据通过参数转换求解获得与实际空间坐标系相符的曲面方程。即扫描系统处理后得到的目标曲面点云数据，通过坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据。曲面参数方程拟合的主要操作就是对这些数据建立线性方程组；确定曲面方程的表达式；最后通过线性方程组求解得到曲面方程的各个参数。
S110、获取输入的加工轨迹数据，并通过坐标变换得到在拟合后的曲面方程上的三维坐标；
具体的，根据输入加工轨迹数据，通过坐标转换得到与曲面拟合的3维轨迹数据(xi,yi,zi)。
S120、根据三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量；
其中，为了便于后续计算，这里的法向量可以是单位法向量。即通过曲面拟合和归一化处理得到加工轨迹各点的法向量可选的，对三维坐标进行曲面拟合得到加工轨迹中各轨迹点的法向量，并将法向量进行归一化处理得到加工轨迹中各轨迹点的单位法向量。
具体的，以水火弯板自动化加工过程为例，根据弯板机器人数学模型以及输入的加工坐标(xi,yi,zi)通过计算得到加工轨迹各点的法向量其主要操作是对加工坐标参数进行曲面拟合得到法向量，然后归一化处理得到加工轨迹各点的单位法向量
S130、根据三维坐标以及法向量计算得到5轴位移量；
具体的，根据逆推RX和RZ，根据移动物体(如火枪头末端)的起始位置推算X、Y、Z轴的位移量，最后得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)。即根据单位法向量逆推出RX轴和RZ轴的位移量(Prx,Prz)；根据三维坐标逆推出X轴、Y轴、Z轴的位移量(Px,Py,Pz)；利用RX轴和RZ轴的位移量以及X轴、Y轴、Z轴的位移量，得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)。
具体的，5轴位移量计算目的是利用加工轨迹的三维坐标和法向量通过计算得到5轴位移量。以水火弯板自动化加工过程为例，要实现火枪头与钢板曲面垂直，则火枪在轨迹各点上的指向与轨迹点上的法向量相等，即5轴位移量计算的主要操作是根据给定的法向量逆推RX和RZ轴的位移量；根据火枪头末端的起始位置推算X、Y、Z轴的位移量。最后得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)，其中Px、Py、Pz、Prx和Prz分别为X、Y、Z、RX和RZ轴上的位移量。
S140、根据两量控制点的运行时间以及5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度。
其中，该步骤通过计算得到5个轴在每条曲线段内的移动速度，进一步加速度可以通过移动速度计算得到，最终得到5轴控制量(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
可选的，根据两量控制点的运行时间以及5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度可以包括：
将加工轨迹(ΔPxi,ΔPyi,ΔPzi,ΔPrxi,ΔPryi)分割成N条曲线段Δdi，并确定每条曲线段的运行时间Δti；
利用Δdi以及Δti，计算5个轴在每条曲线段内的移动速度(vxi,vyi,vzi,vrxi,vrzi)以及加速度(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
具体的，根据两控制点的运行时间和5轴位移量计算五轴各点速度及加速度。采用微积分思想，将加工轨迹(ΔPxi,ΔPyi,ΔPzi,ΔPrxi,ΔPryi)分割成N条非常短的曲线段Δdi，每条曲线段都可看作是一条直线。可以在每条曲线段的运动时间Δti进行近似化，从而获得5个轴在每条曲线段内的移动速度(vxi,vyi,vzi,vrxi,vrzi)，这里的加速度(axi,ayi,azi,arxi,arzi)可以通过移动速度和运动时间计算得到。5轴速度量计算主要操作是计算两控制点之间的距离、各轴在控制点处的速度以及各点之间的加速度。
即本实施例中3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法与传统的数据转换方法相比，本实施例在提高了数据处理效率，操作灵活，可以根据需要自行设置线速度，并且适用性更强。
进一步本实施例在得到5轴控制量(axi,ayi,azi,arxi,arzi)后，还可以进一步判断是否有输入数据(即下一条加工的数据读入)，若有则重复上述过程获取5轴控制量(即5轴运动控制数据)；否则，数据转换策略结束(即3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法结束)。
本实施例可以应用于水火弯板自动化加工过程中，是运动控制平台对收集到的加工轨迹数据的处理方法。
请参考图2至图6，具体以水火弯板自动化加工过程(具体以龙门式5轴联动水火弯板机器人作为研究对象)为例说明上述过程：其中，图2为主流程，图3所示的龙门式5轴联动水火弯板机器人作为研究对象，并且以实际的数据仿真进行图示和文字说明。运动控制平台得到的3维加工轨迹数据主要通过4个过程：曲面参数方程拟合、轨迹各点法向量计算、5轴位移量计算和5轴速度量计算。具体如下：
步骤一：读取曲面数据，通过单位换算、坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据。
步骤二：进行曲面参数方程拟合，首先通过建立线性方程组来确定曲面方程的表达式；然后利用矩阵运算求解线性方程组得到曲面方程的各个参数。
步骤三：输入加工轨迹数据，通过坐标转换得到与曲面拟合的3维轨迹数据(xi,yi,zi)。
步骤四：进行轨迹各点法向量计算，通过曲面拟合和归一化处理得到加工轨迹各点的法向量经过步骤三和四后得到一条加工轨迹如说明书附图中的图4所示。
步骤五：进行5轴位移量计算，根据逆推RX和RZ，根据火枪头末端的起始位置推算X、Y、Z轴的位移量，假设火枪头末端起始位置为(0,0,L)，最后得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)如图5和图6所示。
步骤六：进行5轴速度量计算，假设目标线速度为10mm/s，对火枪在每条曲线段的运动时间进行近似化，通过计算得到5个轴在每条曲线段内的移动速度，加速度可以通过移动速度计算得到，最终得到5轴控制量(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
步骤七：输出5轴控制量(axi,ayi,azi,arxi,arzi)，若还有输入数据(即下一条加工的数据读入)，重复步骤三到步骤七的操作；否则，数据转换策略结束。
基于上述技术方案，本发明实施例提的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法，可以解决3维到5维的转换具有无穷多个解的问题。具体通过对加工曲面进行参数方程拟合；然后对输入的加工轨迹数据计算曲面上的三维坐标，并计算轨迹各点的法向量；利用加工轨迹的三维坐标和法向量通过计算得到5轴位移量；最后根据两控制点的运行时间和5轴位移量计算五轴各点速度及加速度。可以在计算机上实现自动计量操作的数据转换策略取代人工的数据转换计量操作，避免了人工操作不当造成的计量结果一致性差，同时提高了转换效率。
下面对本发明实施例提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统进行介绍，下文描述的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统与上文描述的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法可相互对应参照。
请参考图7，图7为本发明实施例所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统的结构框图；该系统可以包括：
拟合模块100，用于对加工曲面进行曲面参数方程拟合；
三维坐标获取模块200，用于获取输入的加工轨迹数据，并通过坐标变换得到在拟合后的曲面方程上的三维坐标；
法向量计算模块300，用于根据三维坐标，利用曲面拟合计算加工轨迹中各轨迹点的法向量；
5轴位移量计算模块400，用于根据三维坐标以及法向量计算得到5轴位移量；
5轴运动控制数据计算模块500，用于根据两量控制点的运行时间以及5轴位移量，计算5轴各轨迹点的速度及加速度。
基于上述实施例，拟合模块100可以包括：
坐标筛选单元，用于将扫描系统处理后得到的目标曲面点云数据，通过坐标系统转换得到符合条件的空间坐标数据；
曲面方程确定单元，用于利用空间坐标数据建立线性方程组来确定曲面方程；
曲面方程参数求解单元，用于利用矩阵运算求解线性方程组，得到曲面方程的各个参数。
基于上述实施例，法向量计算模块300具体为对三维坐标进行曲面拟合得到加工轨迹中各轨迹点的法向量，并将法向量进行归一化处理得到加工轨迹中各轨迹点的单位法向量的模块。
基于上述实施例，5轴位移量计算模块400可以包括：
第一计算单元，用于根据单位法向量逆推出RX轴和RZ轴的位移量(Prx,Prz)；
第二计算单元，用于根据三维坐标逆推出X轴、Y轴、Z轴的位移量(Px,Py,Pz)；
5轴位移量单元，用于利用RX轴和RZ轴的位移量以及X轴、Y轴、Z轴的位移量，得到5轴位移量(Px,Py,Pz,Prx,Prz)。
基于上述实施例，5轴运动控制数据计算模块500可以包括：
分割单元，用于将加工轨迹(ΔPxi,ΔPyi,ΔPzi,ΔPrxi,ΔPryi)分割成N条曲线段Δdi，并确定每条曲线段的运行时间Δti；
5轴运动控制数据计算单元，用于利用Δdi以及Δti，计算5个轴在每条曲线段内的移动速度(vxi,vyi,vzi,vrxi,vrzi)以及加速度(axi,ayi,azi,arxi,arzi)。
下面对本发明实施例提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统进行介绍，下文描述的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换系统与上文描述的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法可相互对应参照。
说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的3维加工轨迹到5轴运动控制数据转换方法及系统进行了详细介绍。本文中应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。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
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