多轴机械系统精确运动路径规划方法与流程

本发明属于生产工艺改进、多轴机械系统控制、运动路径规划等多个领域，特别涉及一种多轴机械系统精确运动路径规划方法。

背景技术：

目前，我国已成为全球最大的工业机器人市场，而人口结构变化、技术进步和政策加持等因素驱动我国工业机器人产业加速发展。我国连续三年稳居全球销售国第一，对比工业发达国家的工业机器人密度普遍水平200 台/万名工人，我国工业机器人存量较当前仍有近5 倍的增量空间。我国人口结构拐点已现，随着技术进步和国家产业政策不断加持，未来5-10年将呈现加速发展趋势，国内保有工业机器人数量将持续增加。

我国工业机器人的使用量必然会呈现一个升高趋势，但是机器人行业内部核心技术被外企所垄断。通过在企业的实际经历，发现现有的多轴机械系统使用方面存在问题，目前在切割行业中，由于机器人本体机械缺陷导致机器人无法完成完美的小圆等精确切割路径绘制，工业机器人公司提供的基础编程方式无法解决行业实际应用中精确路径规划，而工业机器人公司提供的解决方案是购买切割选项包等选件。这些选件价格较贵，通常企业不愿意再支出这样的经费，但是又必须购买，因为只能通过购买切割选项包进行程序路径优化，才能让机器人生产达到实际工艺要求，故企业整体处在“被”购买的状态。

技术实现要素：

本发明的目的在于：针对上述存在的问题，提供本发明技术方案：一种多轴机械系统精确运动路径规划方法，其具备普遍的适用性，能够提供高精度的运动路径。

本发明的技术方案是这样实现的：多轴机械系统精确运动路径规划方法，其特征在于：具体方法包括以下步骤：

步骤一：获取信息，获取实际使用的多轴机械系统种类型号、工具参数、工件参数、工作环境情况与工艺要求；

步骤二：问题处理，基于已获得信息，分析精确路径由弧线、圆、半圆、直线及折线的基础线条组合而成，并按照不同线条选取基础数学原理与算法模型，运用多轴机械系统所提供的基础编程方式，移植数学原理与算法，即将选取的数学原理与算法转换为多轴机械系统能够识别的程序算法；

步骤三：实际应用，将多轴机械系统在实际工作环境中进行测试，对存在缺陷位置再优化，最终形成满足企业需求的多轴机械系统精确运动路径规划程序算法。

本发明所述的多轴机械系统精确运动路径规划方法，其所述步骤二中的基础数学原理与算法模型包括：

A、直线：Y=KX+B

B、圆：X*X+Y*Y=R*R

其中，Y为二维空间下Y坐标，X为二维空间下X坐标，R为圆的半径，K为直线斜率；

所述多轴机械系统运动路径的任何线段均可认为是直线和圆弧所构成，故将上述两个公式作为程序算法形成的基础，所述多轴机械系统精确运动路径规划方法以基础的数学原理与模型作为切入点，将复杂的计算简化到二维空间上进行解决，获得解决方案后再逐步上升到三维空间以及向量的计算，微积分计算，程序算法更是由矢量、矩阵、微积分、三维乃至多维度计算得来。

本发明所述的多轴机械系统精确运动路径规划方法，其所述步骤二中的基础编程方式包括：多轴机械系统厂商所提供的编程方式与语言、PLC所提供的运动控制编程方式以及运动轴卡所提供的运动控制编程方式。

本发明所述的多轴机械系统精确运动路径规划方法，其在所述步骤三中，多轴机械系统在实际测试时，寻找多轴机械系统的最佳姿态数据，减少姿态更换频率，在姿态变化过程中不进行产品加工，使多个轴配合保证运动姿态的平稳过渡。

本发明通过对多轴机械系统运动路径的分析，选取基础数学原理与算法模型，并基于多轴机械系统所提供的基础编程方式编写程序算法，保证算法的可移植性，通过将多轴机械系统自身携带的编程语言和选取的算法原理相结合，在保证程序的精确可到达性的同时也满足了算法的可移植性，适用于普遍的多轴机械系统。

附图说明

图1是未使用本发明的精确运动路径规划方法时工具运动理论路径。

图2是未使用本发明的精确运动路径规划方法时工具抖动后运动路径。

图3是未使用本发明的精确运动路径规划方法时可能出现路径。

图4和图5是使用了本发明的精确运动路径规划方法时工具运动理论路径。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例：一种多轴机械系统精确运动路径规划方法，具体方法包括以下步骤：

步骤一：获取信息，获取实际使用的多轴机械系统种类型号、工具参数、工件参数、工作环境情况与工艺要求。分析当前路径不满足工艺要求的原因，并考虑通过什么样的方法解决。

其中，多轴机械系统种类型号，例如ABB公司6轴工业机器人IRB 120。

工具种类型号，例如IPG激光发生器、lasemech激光三维切割头。

工件具体参数，例如材质，厚度，大小等。

工作环境情况，例如加工方式，安装环境等。

工艺要求，例如切割圆大小，切割端面粗糙度等。

切割参数，例如切割气体，切割气压，切割速度等。

步骤二：问题处理，基于已获得信息，分析精确路径由弧线、圆、半圆、直线及折线的基础线条组合而成，并按照不同线条选取基础数学原理与算法模型，运用多轴机械系统所提供的基础编程方式，移植数学原理与算法，即将选取的数学原理与算法转换为多轴机械系统能够识别的程序。

其中，所述基础数学原理与算法模型包括：

A、直线：Y=KX+B

B、圆：X*X+Y*Y=R*R

其中，Y为二维空间下Y坐标，X为二维空间下X坐标，R为圆的半径，K为直线斜率；

所述多轴机械系统运动路径的任何线段均可认为是直线和圆弧所构成，故将上述两个公式作为程序算法形成的基础，所述多轴机械系统精确运动路径规划方法以基础的数学原理与模型作为切入点，将复杂的计算简化到二维空间上进行解决，获得解决方案后再逐步上升到三维空间以及向量的计算，微积分计算，程序算法更是由矢量、矩阵、微积分、三维乃至多维度计算得来。

所述基础编程方式包括：

多轴机械系统厂商所提供的编程方式与语言，例如ABB公司提供的RAPID编程方式，EPSON公司提供RC+\SPEL+编程方式。

PLC所提供的运动控制编程方式，例如信捷PLC所提供的多轴协调控制，运动插补等控制编程方式。

运动轴卡所提供的运动控制编程方式，例如固高科技公司所提供的多轴控制轴卡的多轴协调控制编程方式。

步骤三：实际应用，将多轴机械系统在实际工作环境中进行测试，对存在缺陷位置再优化，最终形成满足企业需求的多轴机械系统精确运动路径规划程序算法。

其中，缺陷主要存在于三维空间路径线性运动转曲线运动过程中，由于多轴配合导致末端工作姿态不停变化，工具末端产生轻微晃动，而由于TCP点的具体情况，将误差不同原因放大，最终使产品具有缺陷。

故多轴机械系统在实际测试时，寻找多轴机械系统的最佳姿态数据，减少姿态更换频率，在姿态变化过程中不进行产品加工，使多个轴配合保证运动姿态的平稳过渡。

本发明中计算所得点的数量越多，精度越高，但系统运行速度降低；计算所得点的数量越少，精度越低，但系统运行速度可以保证。故实际计算所得点的数量应根据现场实际环境与工艺要求而定一个范围。

路径是由一个个点组成的，所以在基于基础编程方式上进行更精确的点规划，特别是细小图形的中的线条，更应该做到点位的细致入微。甚至要考虑到工作过程中的抖动等其他因素的影响，才能够做出一份完美的路径规划程序。整个程序的设计首先从实际问题出发，不断的将问题细化小化，并不断的抓住关键问题点，再向下不断的细化，最后把握住整个问题的关键所在，通过关键点再逐步的搭建程序体系，完成整个程序算法编写。

本发明具体的设计方案示例：

1、解决的问题是：工业机器人在激光切割中三维空间的圆形切割路径与组合路径精确运动路径规划。

2、使用的设备是：ABB公司IRB2400_10_150_02（无切割选项包），IPG公司激光发生器YLS-2000，lasemech_Finekerf激光三维切割头。

3、切割的工件是：2.5mm厚45号钢，经冲压成型呈弯曲管道状。

4、切割的难点是：（1）φ10和φ20的圆形切割；（2）管道处径向端面三维面切割。

5、路径规划程序：

（1）将圆按照工艺要求，对φ10的圆进行420份等分，获取420个点，通过确定圆心位置，最后通过圆的标准方程计算出空间中的420个点的数据，并将这些数据写到控制器中的位置数据中去，最后执行。

（2）将圆按照工艺要求，对φ20的圆进行180份等分，获取180个点，通过确定圆心位置，最后通过圆的标准方程计算出空间中的180个点的数据，并将这些数据写到控制器中的位置数据中去，最后执行。

（3）弯管径向端面切割，将整个路径划分成直线段，曲线段，并分别采集各段上至少四至五点数据，通过对比模型数据再次对数据精准度进行判断，后通过软件获得线段数学模型，再按照offs偏移指令，对个线段中个点进行偏移示教处理，根据线段长度和要求精度，合理安排点的个数。其中，直线部分通常采用不超过三个点进行处理，并保证姿态的一致性，曲线部分，按照恒定距离内弯曲程度合理配置点的数据，如果点少了还需要进行插补。

6、程序再优化：在实际工业现场进行设备调试，合理配置过渡路径，防止在工作过程中出现姿态大幅度变化，对程序进行多次测试，保证程序不会因为堆栈等原因出现错误，通过程序优化生产节拍，提高生产效率。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。