[0001] 本发明属于工业自动化加工成形领域，具体涉及基于采用一点双矢量描述控制对象的数控装备控制方法。

[0002] 随着工业机器人技术和高端数控机床技术的迅猛发展，自动化加工中心、机器人化加工数控装备已广泛应用在加工、搬运、分拣、喷涂、焊接等领域，有的自动化加工中心以多轴联动数控装备的形式出现，也有以多关节串并联工业机器人与转台机构组合，形成具有冗余自由度并联数控装备的形式出现。随着自动化技术应用的广泛深入，数控装备所配备的加工工具也由传统的回转对称型工具发展为各种加工工具。

[0003] 回转对称性工具，主要是传统数控加工中的盘铣刀、球头刀、盘状砂轮等外形回转对称型的工具，这些工具采用一点一矢量(即一个点和一个矢量)即可进行表达，但当前使用的工具很多外形是非回转对称的，比如砂带磨头，铺丝铺带头，一字型喷涂枪等，这些工具无法再用一点一矢量进行表达，另外对于工具外形虽为回转对称型，但其控制点不在其几何形状的对称轴上的加工情形(如盘铣刀斜侧加工，控制点在其侧边外圆周上)来说，也无法再用一点一矢量来完整地定义被控对象的位置和姿态。

[0031] 当数控装备的控制对象为如图1所示的外形为非回转对称型的加工工具(如砂带磨头、铺丝铺带头、一字型喷涂枪等)、或外形为回转对称性但其控制点不在其几何形状的对称轴上的加工工具(如盘铣刀、球头刀、盘状砂轮等虽然工具外形为回转对称型的工具，但控制点不在其几何形状的对称轴上；如盘铣刀斜侧加工时，控制点在其侧边外圆周上)时，传统的“一点一矢量”已无法描述，而需要采用本发明中的“一点两矢量”进行描述，其中，数控装备包括并联的操作机构和转台，操作机构和转台均为串联的运动链，操作机构侧的联动轴数为n，转台的联动轴数为1，控制对象为设置在操作机构上的加工工具，数控装备总的联动轴数为m，m＝n+1；在本实施例中，以6关节机器人作为操作机构来进行说明。对于机床类设备，6个联动轴已经包含转台，因此在设计机床结构时可避免出现冗余轴，发生冗余的场景很少。

[0032] 基于采用一点双矢量描述控制对象的数控装备控制方法包括如下步骤：

[0033] 步骤S1、生成NC加工程序，NC加工程序内包含加工工具轨迹中的全部虚轴位移信息和方向信息，当m≥7时，判定数控装备具有冗余轴，将各冗余轴的运动非冗余化得到各冗余轴位移，利用插补器对NC加工程序中的各虚轴位移和各冗余轴位移进行联合插补，并进入步骤S2，否则，利用插补器对NC加工程序中的各虚轴位移进行插补，并进入步骤S2；

[0034] 具体地，生成NC加工程序的过程为：使CAD/CAM软件生成加工工具轨迹，在生成NC加工程序的过程中，保留加工工具轨迹中的全部工件坐标系的虚轴位移信息和方向信息[Pxw,Pyw,Pzw,δxw,δyw,δzw,βxw,βyw,βzw]，仅做格式上的更改，如添加G或M等加工指令等，对于其中涉及的位置和方向信息，完全沿用加工工具轨迹文件的数值，具体为一个控制点的位置信息和两个姿态控制矢量的方向信息；

[0035] 在本实施例中，6关节机器人加转台共有7个联动轴，即存在一个冗余轴，优先将转台的运动非冗余化，通过显性的输入表达，在数控系统中设置转台的转速或位置；

[0036] 更具体地，对冗余轴的运动非冗余化包括如下步骤：

[0037] 步骤S11、计算冗余轴数量l＝m‑6；

[0038] 步骤S12、设置各冗余轴速度以及总速度；

[0039] 步骤S13、分别计算各冗余轴位移，冗余轴位移＝冗余轴速度*运行时间，运行时间为已知量，在NC加工程序中可得到。

[0040] 步骤S2、如图2所示，工作台和操作机构均置于世界坐标系{World}下，在工作台基座处建立第一基坐标系{Bt}，在工作台转轴处建立其对应的静坐标系{Rs}和动坐标系{Rd}，在操作机构基座处建立第二基坐标系{Br}，在操作机构的第k个关节处建立其对应的静坐标系{Jsk}和动坐标系{Jdk}，在加工工具上建立工具坐标系{Tool}，在工件上建立工件坐标系{Work}，工作台设置有治具以夹持工件，该治具为转台夹具，在治具处建立治具坐标系{Fix}，并建立转换矩阵 其中，设 表示转换矩阵，表示将左下角D表示的坐标系中的位置或方向，通过变换矩阵T转化到左上角U表示的坐标系中，本实施例中，m＝7，1≤k≤6；

[0041] 步骤S3、在加工工具上建立工具坐标系{Tool}，在工具坐标系{Tool}下定义工具Tool Tool Tool控制点 P、第一工具控制向量 V1、第二工具控制向量 V2，在待加工工件上建立工件坐标系{Work}，则工具控制点、第一工具控制向量、第二工具控制向量在工件坐标系{Work}Work Work Work
下分别为 P、 V1、 V2，根据公式 求解转换矩阵
Work Work Work Work Work Work Work Work Tool Tool
其中， C＝[ P, V1, V2, V3]， V3＝cross( V1, V2)， C＝[ P
Tool Tool Tool Tool Tool Tool ‑1
, V1, V2, V3]， V3＝cross( V1, V2)，cross(g)为矩阵叉乘函数，(g) 表示逆
矩阵；

[0042] 具体地，如图3所示，在工具坐标系{Tool}下的工具控制点为ToolP＝[Pxt；Pyt；Pzt；Tool Tool
1]、第一工具控制向量为 V1＝[δxt；δyt；δzt；0]、第二工具控制向量为 V2＝[βxt；βyt；βWork
zt；0]，在工件坐标系{Work}下的工具控制点为 P＝[Pxw；Pyw；Pzw；1]、第一工具控制向量Work Work
为 V1＝[δxw；δyw；δzw；0]、第二工具控制向量为 V2＝[βxw；βyw；βzw；0]，NC加工程序内包含的加工工具轨迹中的全部虚轴位移信息和方向信息为[Pxw,Pyw,Pzw,δxw,δyw,δzw,βxw,βyw,βzw]；

[0043] 在工具坐标系{Tool}下和工件坐标系{Work}下，第一工具控制向量和第二工具控制向量的相对关系相同，第一工具控制向量和第二工具控制向量不平行，即该两向量之间的夹角不等于0°或者180°，本发明采用一点双矢量表达控制对象的本质是表达空间中不在同一个直线上的三个点，在三维笛卡尔空间中，一点一矢量相加，可以得到另一个点，所以“两点一矢量”，“三点”等相同含义不同形式的表达都是本发明要保护的范围；

[0044] 加工过程的本质是让工具控制点、第一工具控制向量和第二工具控制向量在世界坐标系{World}重合，依次建立运动学等式：其中，当数控装备安装完毕
后， 通过测量或标定获得，在该运动学等式求解过程中视为已知量，这
三个刚体坐标变换关系，除非再次调整了机械结构或者设备之间的相对位姿关系，其在标定后是固定不变的；当工件安装完毕后， 通过测量或标定获得，在该运动学等式求解过程中视为已知量；当加工工具安装在机器人末端后， 可通过测量或标定获得，在Tool Tool Tool
该运动学等式求解过程中视为已知量； P、 V1、 V2为用户定义的，在该运动学等式求Work Work Work
解过程中视为已知量； P、 V1、 V2是通过NC加工程序获得的，在该运动学等式求解过程中视为已知量， 为冗余轴旋转变换矩阵， 也视为已知量。

[0045] 将上述运动学等式中的已知矩阵相乘，得到简化等式Tool Tool Tool
如图4所示，用 P、 V1、 V2构造第三工具控制向量
Tool Tool Tool Tool Tool
在工具坐标系{Tool}下的表达 V3，构造方式为 V3＝cross( V1, V2)，即 V3等
Tool Tool Tool Tool Tool Tool
于 V1和 V2的叉乘，用 V1、 V2、 V3和 P构造工具坐标系{Tool}下的控制要素
Tool Tool Tool Tool Tool Work Work Work
矩阵 C＝[ P, V1, V2, V3]，用 P、 V1、 V2构造第三工具控制向量在工件
Work Work Work Work Work Work
坐标系{Work}下的表达 V3，构造方式为 V3＝cross( V1, V2)，用 P、 V1、
Work Work Work Work Work Work Work
V2和 V3构造工件坐标系{Work}下的控制要素矩阵 C＝[ P, V1, V2, V3]，
则上述简化等式可进一步简化为

[0046] 步骤S4、将 带入机器人的逆解算法中求逆并进行加工工具的运动控制，盖过程为现有技术；

[0047] 步骤S5、在数控装备中所述已知量设计输入和设置界面；

[0048] 具体地，如图5所示，将建立所述运动学等式所需的坐标系变换关系在数控装备坐标系界面中表示为齐次变换矩阵、工具控制点、第一工具控制向量、第二工具控制向量的模式，并设计坐标系界面以进行坐标变换矩阵元素的显示、输入和设置，且使坐标系界面关联数控装备的公共零点偏置区域，将该区域作为实际数据存储区，在逆解算法中读取该区域数据，以完成运动学计算。

[0049] 以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能以此限定本发明实施的范围，即依本发明申请专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明专利涵盖的范围内。