一种切割圆的方法及装置与流程

1.本技术涉及切割领域，特别涉及一种切割圆的方法及装置。


背景技术：

2.切割技术作为先进加工技术广泛用于汽车、电子、电器、航空、冶金、机械制造等工业领域，对提高产品质量、提升劳动生产率、降低加工成本、减少材料消耗起到越来越重要的作用。
3.但是现有切割技术中切割质量却一直是一个难以攻破的难关，如切割圆孔尺寸不符合要求、存在切割缺陷等。当切割设备用同一个姿态切割一个整圆时，会存在切割缺陷，因为切割设备减速器存在齿轮间隙，切割设备的旋转轴从正转到反转，或者反转到正转时会导致切割设备本体轻微振动，从而导致实际切割轨迹偏离理论切割轨迹，产生切割质量缺陷。


技术实现要素：

4.本技术要解决的技术问题是如何避免切割设备运行时旋转轴正反转产生的轻微振动引起的切割缺陷。
5.为解决上述技术问题，第一方面，本技术实施例公开了一种切割圆的方法，包括：
6.以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；
7.获取切割圆的圆心位置和直径；
8.基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；
9.基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；
10.基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；
11.基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
12.进一步的，所述基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割，包括，
13.将所述切割设备的切割头焦点移动至所述切割圆的圆心位置；
14.基于移动后的所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
15.进一步的，所述方法还包括：
16.基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割轨迹的切割起点、切割辅助点和切割终点；
17.基于所述切割坐标系，确定所述切割起点、所述切割辅助点和所述切割终点各自对应的坐标。
18.进一步的，所述基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹，包括，
19.以所述切割圆直径的二分之一为直径，确定过渡圆；所述过渡圆的圆弧经过所述
切割圆的圆心位置；
20.基于所述切割起点、所述切割辅助点和所述切割终点各自对应的坐标，将所述过渡圆分解成预设数量个圆弧；
21.将所述切割圆的圆心位置作为所述切割起点；
22.根据所述切割起点以及所述预设数量个圆弧，构建所述切割轨迹。
23.进一步的，所述切割设备为机器人，所述基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度，包括，
24.基于所述切割圆的直径，确定所述机器人的目标轴的正转角度和反转角度；
25.基于所述正转角度和所述反转角度，确定所述机器人的目标轴的所述旋转角度。
26.进一步的，所述基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度，包括，
27.基于所述旋转角度，确定所述机器人的目标轴旋转过程中各旋转角度对应的各轨迹点的切割角度，所述切割角度为所述切割设备绕所述切割坐标系的z轴的旋转角度；
28.基于所述各轨迹点的切割角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标方向旋转补偿角度。
29.进一步的，所述基于所述旋转角度，确定所述机器人的目标轴旋转过程中各旋转角度对应的各轨迹点的切割角度，包括，
30.确定所述各轨迹点的目标数量；
31.计算所述旋转角度与所述目标数量的比值；
32.将所述比值作为每个轨迹点对应的切割角度。
33.进一步的，所述方法还包括，
34.基于所述各轨迹点的切割角度，确定所述补偿角度，所述补偿角度的大小与所述切割角度的大小相等，且所述补偿角度的方向与所述切割角度的方向相反。
35.第二方面，本技术实施例公开了一种切割圆的装置，包括：
36.坐标系建立模块，用于以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；
37.获取模块，用于获取切割圆的圆心位置和直径；
38.第一确定模块，用于基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；
39.第二确定模块，用于基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；
40.旋转补偿模块，用于基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；
41.切割模块，用于基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
42.进一步的，所述切割模块还包括：
43.调整模块，用于将所述切割设备的切割头焦点移动至所述切割圆的圆心位置；
44.执行模块，用于基于移动后的所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
45.采用上述技术方案，本技术实施例所述的切割圆的方法及装置具有如下有益效果：
46.本技术实施例以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；获取切割圆的圆心位置和直径；基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割；通过建立切割坐标系，将切割设备围绕切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度，使切割设备在切割过程中始终围绕同一个方向转动，避免了切割设备正反转导致切割设备的轻微振动，使切割圆的轨迹更加平顺，避免了切割质量缺陷，提高了切割质量。
附图说明
47.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例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技术的一些实施例，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他的附图。
48.图1为本技术一个实施例的切割圆的方法的流程示意图；
49.图2-1为本技术实施例的一种切割坐标系的示意图一；
50.图2-2为本技术实施例的一种切割坐标系的示意图二；
51.图2-3为本技术实施例的一种切割坐标系的示意图三；
52.图3为本技术一个实施例的切割轨迹的示意图；
53.图4为本技术一个实施例的机器人的目标轴示意图；
54.图5为本技术一个实施例的切割工具的姿态示意图；
55.图6为本技术一个实施例的切割圆的装置的结构示意图。
具体实施方式
56.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术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技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
57.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
58.一方面，本技术实施例提供了一种切割圆的方法，如附图1所示，包括：
59.s101：以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；
60.本技术实施例中，可选的，切割设备可以是数控切割机或手动切割机等，切割方式可以是火焰切割、等离子切割、激光切割、水刀切割等，下面以工业机器人的激光切割为例对本技术的切割圆的方法进行进一步说明。
61.在工业机器人应用中，主要影响机器人轨迹发生变化的有轨迹点坐标、工具坐标系和工件坐标系，一般修改机器人运动轨迹通常情况下都是通过修改轨迹点的坐标值来实现的。
62.工业机器人使用过程中经常在机器人末端法兰面安装不同的工具来满足实际生产需求，为了准确控制工具运动的位置与姿态，需要对工具所在坐标系进行标定。本技术通过建立切割坐标系，将切割坐标系的原点建立在激光切割头焦点上，激光切割机在切割不同材料以及不同厚度的板材时，为了达到更好的切割效果，激光束的焦点都会设置在不同的地方；切割时，只需要将激光焦点移动至切割圆的圆心位置，基于移动后的位置对切割圆沿着切割轨迹进行切割。
63.可选的，一种建立切割坐标系的方法为：
64.以激光束的焦点为切割坐标系的原点，以激光束的喷射方向为切割坐标系的z轴正方向，建立切割坐标系，如附图2-1、2-2和2-3所示，切割坐标系的方向会随着激光束的喷射方向移动而变化，切割坐标系的移动，以激光束的喷射方向为基准。建立了切割坐标系后，可以将机器人的控制点转移到激光束的焦点上，示教时可以利用控制点不变的操作方便地调整切割工具姿态，使插补运算时圆弧的轨迹更为精确。
65.s102：获取切割圆的圆心位置和直径；
66.s103：基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；
67.本技术实施例中，为了使切割圆的切割轨迹更加精确，提高切割质量，切割前根据切割圆的圆心位置和直径，确定切割轨迹的切割起点、切割辅助点和切割终点，然后根据建立的切割坐标系，确定切割起点、切割辅助点、切割终点各自对应的坐标。如附图3所示：
68.图3中直径较大的圆为切割圆，直径较小的圆为过渡圆。可选的，由于切割圆的圆心位置与切割坐标系的原点重合，选择切割圆的圆心位置为切割起点，方便计算切割辅助点和切割终点对应的坐标，当改变切割圆的圆心位置时，切割圆和过渡圆的坐标值保持不变，当改变切割圆的直径时，各切割辅助点对应的坐标也相应调整。
69.切割坐标系，由切割工具的焦点位置(x，y，z)和切割工具的姿势(a，b，c)构成，其中，a(切割工具围绕切割坐标系z轴的旋转角度)、b(切割工具围绕切割坐标系y轴的旋转角度)、c(切割工具围绕切割坐标系x轴的旋转角度)用于表示切割工具的姿势，a、b、c值还可以通过手动、仿真软件，现场标定等方法进行修改。
70.假设切割圆的直径为d，则p1点至p8点的坐标(x，y，z，a，b，c)为：
71.p1＝{-d/4，-d/4，0，0，0，0}
72.p2＝{0，-d/2，0，0，0，0}
73.p3＝{d/2，0，0，0，0，0}
74.p4＝{0，d/2，0，0，0，0}
75.p5＝{-d/2，0，0，0，0，0}
76.p6＝{0，-d/2，0，0，0，0}
77.p7＝{d/4，-d/4，0，0，0，0}
78.p8＝{0，0，0，0，0，0}
79.所以当只修改切割圆的圆心位置和姿态时，圆弧的坐标值始终保持不变，机器人轨迹发生变化是因切割坐标系改变而改变。当需要修改切割圆的大小时，只需要修改切割圆的直径d，p1至p8点的坐标根据上述公式自动计算出结果。
80.本技术实施例中，一种可行的确定切割圆的切割轨迹的方法为：以切割圆直径的二分之一作为过渡圆的直径，且为了方便计算过渡圆的坐标值，过渡圆的圆弧经过切割圆的圆心位置；基于切割起点、切割辅助点和切割终点，可以将切割轨迹分解成预设数量个圆弧，切割设备在切割时以切割圆的圆心位置作为切割起点，根据切割起点和预设数量个圆弧，构建切割轨迹。例如图3中切割起点、切割辅助点和切割终点将切割轨迹划分为四个半圆弧，切割轨迹为以切割圆的圆心位置p0为起点，经过四个半圆弧到达切割终点p8，切割轨迹为p0-p1-p2-p3-p4-p5-p6-p7-p8.将切割起点和切割终点都设置在切割圆内可以防止因切割起点和切割终点位置处能量过大从而导致切割缺陷。
81.s104：基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；
82.工业机器人一般为六自由度串联机器人，如附图4所示，在切割过程中，机器人的目标轴会经历从正转到反转，或者反转到正转，正转和反转的角度与切割圆的直径相关，根据切割圆的直径可以确定机器人的目标轴的正转角度和反转角度，从而确定机器人的目标轴的旋转角度，机器人的目标轴即附图4中的1轴(1)，用于使机器人在与机器人的底盘平行的方向旋转。如切割某一个切割圆时，机器人的目标轴先正转50度，然后反转50度完成切割，则机器人的目标轴在切割过程中的旋转角度为100度。
83.s105：基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；
84.根据机器人的目标轴在切割过程中的旋转角度，确定机器人的目标轴在旋转过程中各个旋转角度对应的各轨迹点的切割角度，切割角度即切割工具绕切割坐标系的z轴的旋转角度，用于表示切割工具的姿态，可以通过计算旋转角度与各轨迹点的目标数量的比值，将比值作为每个轨迹点对应的切割角度，将旋转角度按照平均分配的原则确定各轨迹点的切割角度。
85.传统的切割方式中因机器人的目标轴存在正转和反转，切割工具在切割过程中姿态保持不变，容易产生切割质量缺陷，为了减少质量缺陷，本技术中切割工具在切割过程中的不同位置可以改变不同的姿态，如附图5所示。
86.根据各轨迹点的切割角度，确定补偿角度，可选的，补偿角度的大小和切割角度的大小相等，且补偿角度的方向与切割角度的方向相反。
87.将切割工具围绕切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度，以使得机器人的目标轴在切割过程中可以绕同一个方向旋转，且在切割过程中切割工具具有变换不同姿态的作业空间，避免了机器人的目标轴正反转从而导致的切割缺陷，提高了切割质量。
88.s106：基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
89.本技术实施例以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标
方向为坐标轴，建立切割坐标系；获取切割圆的圆心位置和直径；基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割；通过建立切割坐标系，将切割设备围绕切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度，使切割设备在切割过程中始终围绕同一个方向转动，避免了切割设备正反转导致切割设备的轻微振动，使切割圆的轨迹更加平顺，避免了切割质量缺陷，提高了切割质量。
90.另一方面，本技术实施例还提供了一种切割圆的装置，如附图6所示，包括：
91.坐标系建立模块601，用于以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；
92.获取模块602，用于获取切割圆的圆心位置和直径；
93.第一确定模块603，用于基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；
94.第二确定模块604，用于基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；
95.旋转补偿模块605，用于基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；
96.切割模块606，用于基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
97.在一些实施例中，切割模块606还包括：
98.调整模块，用于将所述切割设备的切割头焦点移动至所述切割圆的圆心位置；
99.执行模块，用于基于移动后的所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割。
100.在一些实施例中，切割圆的装置还包括：
101.第三确定模块，用于基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割轨迹的切割起点、切割辅助点和切割终点；
102.第四确定模块，用于基于所述切割坐标系，确定所述切割起点、所述切割辅助点和所述切割终点各自对应的坐标。
103.在一些实施例中，第一确定模块603还包括：
104.过渡圆确定模块，用于以所述切割圆直径的二分之一为直径，确定过渡圆；所述过渡圆的圆弧经过所述切割圆的圆心位置；
105.分解模块，用于基于所述切割起点、所述切割辅助点和所述切割终点各自对应的坐标，将所述过渡圆分解成预设数量个圆弧；
106.切割起点确定模块，用于将所述切割圆的圆心位置作为所述切割起点；
107.切割轨迹确定模块，用于根据所述切割起点以及所述预设数量个圆弧，构建所述切割轨迹。
108.在一些实施例中，第二确定模块604包括：
109.正反转角度确定模块，用于基于所述切割圆的直径，确定所述机器人的目标轴的正转角度和反转角度；
110.旋转角度确定模块，用于基于所述正转角度和所述反转角度，确定所述机器人的
目标轴的所述旋转角度。
111.在一些实施例中，旋转补偿模块605包括：
112.切割角度确定模块，用于基于所述旋转角度，确定所述机器人的目标轴旋转过程中各旋转角度对应的各轨迹点的切割角度，所述切割角度为所述切割设备绕所述切割坐标系的z轴的旋转角度；
113.补偿模块，用于基于所述各轨迹点的切割角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标方向旋转补偿角度。
114.在一些实施例中，切割角度确定模块包括：
115.第一计算模块，用于确定所述各轨迹点的目标数量；
116.第二计算模块，用于计算所述旋转角度与所述目标数量的比值；
117.确认模块，用于将所述比值作为每个轨迹点对应的切割角度。
118.在一些实施例中，切割圆的装置还包括：
119.补偿角度确定模块，用于基于所述各轨迹点的切割角度，确定所述补偿角度，所述补偿角度的大小与所述切割角度的大小相等，且所述补偿角度的方向与所述切割角度的方向相反。
120.本技术实施例中的装置与方法实施例基于同样的发明构思。
121.本技术实施例以切割设备的切割头焦点位置为坐标原点，以所述切割设备的目标方向为坐标轴，建立切割坐标系；获取切割圆的圆心位置和直径；基于所述切割圆的圆心位置和直径，确定所述切割圆的切割轨迹；基于所述切割圆的直径，确定切割时的旋转角度；基于所述旋转角度，将所述切割设备围绕所述切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度；所述目标旋转方向为切割方向的反方向；基于所述切割设备对所述切割圆沿所述切割轨迹进行切割；通过建立切割坐标系，将切割设备围绕切割坐标系的z轴按目标旋转方向旋转补偿角度，使切割设备在切割过程中始终围绕同一个方向转动，避免了切割设备正反转导致切割设备的轻微振动，使切割圆的轨迹更加平顺，避免了切割质量缺陷，提高了切割质量。
122.以上已经描述了本技术的各实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的各实施例。在不偏离所说明的各实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。本文中所用术语的选择，旨在最好地解释各实施例的原理、实际应用或对市场中的技术改进，或者使本技术领域的其它普通技术人员能理解本文披露的各实施例。