專利名稱：一種面向復雜曲面加工的軌跡生成方法及其軌跡生成系統的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及曲面軌跡生成以及工業(yè)機器人運動控制系統研究領域，尤其涉及一種 面向復雜曲面加工的軌跡生成方法及其軌跡生成系統。
背景技術：
通常，一臺工業(yè)機器人的運動控制系統由數據處理和軌跡插補兩大功能模塊構 成。由于軌跡插補模塊的數據來源于數據處理模塊，所以數據處理的結果關系到復雜曲面 加工的好壞。傳統的機器人運動控制系統利用基于STL (StereoLithography)模型的分層 切片算法進行數據處理。傳統的分層切片算法有基于幾何拓撲信息提取的分層切片算法、 基于幾何特征分類的分層切片算法、基于STL模型集合連續(xù)性的分層切片算法等。傳統方 法存在以下問題在計算每一層輪廓時，都要提取STL模型的整體拓撲信息，遍歷所有的面 片，由于其中絕大多數的三角面片均與切平面不相交，因此此類方法不但運算量大，而且查 找效率非常低。除此以外，傳統的分層切片算法得到的輪廓線都是封閉的曲線，并沒有考慮 到實體模型中存在空洞等情況，當得到復雜曲面的加工路徑軌跡后，必定造成加工空行程 從而減低加工效率。
目前的工業(yè)機器人一般采用工業(yè)級計算機IPC+DSP的串行計算架構，其中PC完成 人機交互的功能，DSP用來處理運動控制器的計算量和一些高速I/O信號，如發(fā)生PWM信號 和反饋控制。數據處理中的分層切片算法需要處理許多的三角面片使得計算量很大，在通 常的PC+DSP的架構中，當所要加工的復雜曲面要求高時，數據處理所需的時間會變長，以 至于在較短的采樣時間內，很難完成插補和伺服控制的計算。目前實際的解決辦法大多是 采取多片DSP的系統架構，這無疑增加系統成本，該種硬件架構設計難度也大。
為此，研究一種運算量少、計算時間短、計算效率高并且能在所加工零件存在空洞 的情況下快速生成復雜曲面的加工路徑軌跡的方法和裝置具有極高的研究價值。發(fā)明內容
本發(fā)明的主要目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種面向復雜曲面加 工的軌跡生成方法，該方法具有運算量少、計算時間短、計算效率高的優(yōu)點，且能夠在生成 復雜曲面的加工路徑軌跡時，克服存在的空洞問題，減少加工的空行程，進一步提高加工效率。
本發(fā)明的另一個目的在于克服現有技術的缺點與不足，提供一種采用上述面向復 雜曲面加工的軌跡生成方法的軌跡生成系統。該系統基于PC-BASE系統架構，具有計算效 率高、成本低、硬件架構設計難度較低的優(yōu)點。
本發(fā)明的目的通過以下的技術方案實現一種面向復雜曲面加工的軌跡生成方 法，包括以下步驟
(I)根據待加工零件CAD/CAM圖形特征，選擇所要加工的復雜曲面并生成STL文 件；
(2)確定分層方向和分層厚度；
(3)根據STL模型里的三角面片在分層方向上的跨度進行分組；
(4)根據三角面片每條邊與多個切平面相切，推導出三角面片的每一條邊上與切平面的交點之間的增量公式，通過增量法求取交點；
(5)利用三角面片的連續(xù)性，找出每個切片交點集合中在垂直于分層方向上的坐標最小值點，然后進行搜索，如果找到同一個三角面片的另外一個交點則連接，如此下去， 直到得到每個切平面的輪廓；最終得到復雜曲面的加工路徑軌跡。
具體的，所述步驟(3)中，對三角面片進行分組的具體步驟是
設STL模型三角面片在分層方向上的最大和最小坐標值分別為Zmax和Zmin,
分層厚度為ΛΖ，把模型中所有三角面片分層η組并標上序號，其中，Z -Zmη =
權利要求
1.一種面向復雜曲面加工的軌跡生成方法，其特征在于，包括以下步驟(1)根據待加工零件CAD/CAM圖形特征，選擇所要加工的復雜曲面并生成STL文件；(2)確定分層方向和分層厚度；(3)根據STL模型里的三角面片在分層方向上的跨度進行分組；(4)根據三角面片每條邊與多個切平面相切，推導出三角面片的每一條邊上與切平面的交點之間的增量公式，通過增量法求取交點；(5)利用三角面片的連續(xù)性，找出每個切片交點集合中在垂直于分層方向上的坐標最小值點，然后進行搜索，如果找到同一個三角面片的另外一個交點則連接，如此下去，直到得到每個切平面的輪廓；最終得到復雜曲面的加工路徑軌跡。
2.根據權利要求1所述的面向復雜曲面加工的軌跡生成方法，其特征在于，所述步驟(3)中，對三角面片進行分組的具體步驟是設STL模型三角面片在分層方向上的最大和最小坐標值分別為Zmax和Zmin,分層厚度為Δ Z，把模型中所有三角面片分層η組并標上序號，其中，
3.根據權利要求1所述的面向復雜曲面加工的軌跡生成方法，其特征在于，所述步驟(4)中，通過增量法求取交點的具體步驟是設STL模型的一個三角面片為Λ ABC，其中三個頂點的坐標分別為A (Xl，yi，Z1)， B(x2, y2, z2), C(x3, y3, z3);相鄰切平面的坐標值分別為z [i]和z[i+l];分層厚度為ΔΖ; 則
4.根據權利要求1所述的面向復雜曲面加工的軌跡生成方法，其特征在于，所述步驟(5)對每層切片的交點組集合進行處理得到輪廓線的具體步驟是把每個三角面片與對應的切平面相交的兩個交點放在一組，即每組含有兩個交點； 在垂直于分層方向對交點集合中的交點進行排序，得到每個切平面交點集合中坐標值最小的交點，找出此交點所在同一個三角面片的另一個交點，并連接成線段；再根據三角面片的連續(xù)性，對新找到的此交點進行搜索找到它所在的另一個三角面片，找出此交點所在同一個三角面片的另一個交點，并連接成線段；如此下去，凡是已經連成線段的兩個交點則從交點集合剔除；如果此交點所在的邊不存在相鄰三角形則跳過，并對剩余的交點組集合進行一輪冒泡排序找出在垂直于分層方向的坐標值最小的交點，如此下去，得到每一層切片的輪廓線；最終得到復雜曲面的加工路徑軌跡。
5.一種采用權利要求1-4任一項所述面向復雜曲面加工的軌跡生成方法的軌跡生成系統，其特征在于，包括工業(yè)PC機、運動控制器、伺服驅動器和工業(yè)機器人本體，所述工業(yè) PC機利用權利要求1-4任一項所述面向復雜曲面加工的軌跡生成方法將三維待加工零件生成離散的控制點集后通過以太網通訊模塊傳遞到運動控制器，運動控制器對上述離散的控制點集進行插補計算，然后輸出脈沖串到伺服驅動器，以力矩控制模式驅動工業(yè)機器人本體進行協調運動。
6.根據權利要求5所述的面向復雜曲面加工的軌跡生成系統，其特征在于，所述運動控制器包括FIFO緩沖模塊、IIR數字濾波器、插補器和編碼器模塊，所述運動控制器通過以太網接口從工業(yè)PC機上下載離散數據點到FIFO緩沖模塊進行緩沖存儲；插補器用于對 FIFO緩沖模塊中離散控制點進行插補計算，然后把計算所得以脈沖量形式經IIR數字濾波器濾波后輸出；編碼器模塊用于對工業(yè)機器人的各個軸運動位置反饋信號進行解碼，同時編碼器模塊結合IIR數字濾波器利用PID控制原理，對工業(yè)機器人末端進行位置跟蹤。
7.根據權利要求5所述的面向復雜曲面加工的軌跡生成系統，其特征在于，所述伺服驅動器接收到來自運動控制器的脈沖串后采用三環(huán)控制方式，從里到外分別為電流環(huán)、速度環(huán)、位置環(huán)，以力矩模式控制工業(yè)機器人機械本體進行協調運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種面向復雜曲面加工的軌跡生成方法及其軌跡生成系統，該方法是選擇所要加工的復雜曲面并生成STL文件；確定分層方向和分層厚度；對三角面片進行分組；通過增量法求取交點；找出每個切片交點集合中在垂直于分層方向上的坐標最小值點，搜索同一個三角面片的另外一個交點并連接，如此下去，直到得到每個切平面的輪廓，并最終得到加工路徑軌跡。該系統包括工業(yè)PC機、運動控制器、伺服驅動器和工業(yè)機器人本體，工業(yè)PC機將三維待加工零件生成離散的控制點集后傳遞到運動控制器，運動控制器對其進行插補計算，輸出脈沖串到伺服驅動器，以力矩控制模式驅動工業(yè)機器人本體進行協調運動。本發(fā)明具有運算量少、計算時間短、計算效率高的優(yōu)點。
文檔編號G05B19/4097GK103064343SQ201210555278
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月19日 優(yōu)先權日2012年12月19日
發(fā)明者黎潤偉, 李琳, 鄒焱飚 申請人:華南理工大學