CN117742239A - 机床的垂直矫正***及矫正方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电气辅助部件技术领域，公开了机床的垂直矫正***及矫正方法，其中***包括偏差角获取模块、原始轨迹补偿计算模块、Beizer曲线处理模块、曲线插补速度规划模块、运动规划执行模块。本发明通过算法软件对加工过程进行补偿，实现对机床精度的提升和机床维护成本的降低。

Description

机床的垂直矫正***及矫正方法

技术领域

本发明涉及机床控制技术领域，尤其涉及一种机床的垂直矫正***及矫正方法。

背景技术

近年来随着国家产业政策对激光切割技术的大力推动，激光加工市场规模增速逐步加快，并广泛应用于机械、汽车、航空、钢铁、造船、军工、电子、金属、纺织品、木材等各大重工业轻工业领域。中国制造业的快速发展，传统工业制造技术的更新升级，带动了激光切割成套设备的销售。激光切割设备逐步取代传统机床，激光切割设备市场需求的快速增长已是必然趋势。

这其中板材切割多以中小型龙门机床为主，而鉴于龙门机床的特殊形式，在长时间使用后由于控制精度或者环境影响等不利因素的影响会导致横梁出现一定程度上的弯曲，影响加工线段的垂直度。

如果弯曲程度较小直接更换整体设备往往是成本巨大的。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种机床的垂直矫正***及矫正方法，通过算法软件对加工过程进行补偿，实现对机床精度的提升和机床维护成本的降低。

本发明采取的技术方案是：

一种机床的垂直矫正***，其特征是，包括偏差角获取模块、原始轨迹补偿计算模块、Beizer曲线处理模块、曲线插补速度规划模块、运动规划执行模块，所述偏差角获取模块包含在机床的加工臂上设置激光枪头、在加工臂移动区域***或下方设置平面相机，所述激光枪头按照预设轨迹移动，所述平面相机获取激光枪头实际移动轨迹，通过预设轨迹和实际轨迹的偏差计算横梁弯曲角度，原始轨迹补偿计算模块根据偏差角分别计算枪在x、y方向移动的补偿值，并对机床加工臂的加工原始轨迹进行更正，Beizer曲线处理模块将补偿后的原始轨迹离散点拟合成光滑曲线，曲线插补速度规划模块对曲线插补，得到笛卡尔空间移动参数，并转换为关节移动参数，规划机床加工臂的移动速度，最后合并下发给运动规划执行模块，运动规划执行模块接收运动指令，控制机床伺服运动。

一种机床的垂直矫正方法，其特征是，包括如下步骤：

步骤一：机床加工臂驱动激光枪头按照预设轨迹移动，平面相机记录激光枪头实际移动轨迹，根据实际轨迹与预设轨迹坐标的偏差计算横梁弯曲角度；

步骤二：将待加工件的原始轨迹进行垂直度矫正补偿计算，得出补偿轨迹的笛卡尔空间坐标；

步骤三：根据补偿后待加工件笛卡尔坐标系下的补偿轨迹坐标，获取部分特征位置坐标，对这些位置坐标进行Bezier曲线拟合；

步骤四：对Bezier拟合后的曲线进行周期插补，并对其进行关节坐标转换得到关节坐标位置；

步骤五：计算当前关节位置和目标位置的差值，根据差值和脉冲当量，发送对应的脉冲给机床的伺服电机执行运动指令。

进一步，在步骤一中，计算横梁弯曲角度的过程包括：

（1）对平面相机记录的实际轨进行坐标系转换，包括世界坐标系—相机坐标系—图像坐标系—像素坐标系的转换，转换过程如下：

等式左边为世界坐标系中一点对应像素坐标系中一点的待求坐标，其中Zc为相机坐标系中一点Z方向上的坐标偏移值；等式中间从右边向左依次为世界坐标系-相机坐标系-图像坐标系-像素坐标系的计算过程，其中（Xw，Yw，Zw）为世界坐标系中的一点，R为世界坐标系向相机坐标系转换时围绕各轴旋转的旋转矩阵，T为相机坐标系各个方向在世界坐标系中的偏移向量，f为相机坐标系中该点的Z方向偏移量，dx和dy分别代表几行几列像素代表的物理长度单位（mm），（u0，v0）为图像坐标系的原点在像素坐标系中的原点偏移量；等式右边为计算合并后的相机内参、相机外参矩阵和世界坐标系中该点的坐标向量；

（2）根据给定公式，根据像素坐标系中每个像素对应的距离获取到实际轨迹的像素坐标，设像素坐标系中实际轨迹的端点坐标为（x2，y2），设定预设轨迹的端点坐标为（x1，y1），设定起始坐标为（x0，y0），此时横梁弯曲角度计算方法可通过三角公式求出，偏差角：

。

进一步，步骤二中对原始轨迹进行补偿的方式是根据偏差角α的大小，分别计算激光枪在原始轨迹x方向和y方向移动的补偿值，补偿值的计算方法由以下公式给出：

。

进一步，补偿值是按周期进行实时计算的。

进一步，步骤三中，原始轨迹Bezier拟合方法是使用最小二乘法对位置坐标的小线段或者离散点进行Bezier曲线拟合，通过递归计算得到满足距离误差范围的Bezier曲线，

假设Bix和Biy为拟合后第i个点对应的x，y坐标，Xi和Yi为源数据中第i个点的x，y坐标共有N个点则最小二乘法公式应用如下：

，

上式求得最小值时，各个参数值即为Bezier曲线的系数，使用三阶Bezier曲线，其曲线可由以下公式表示：

；

上述公式中P（P0,P1,P2,P3......Pn）为各位置坐标，t为曲线生成参数，从0到1取值即可生成三阶Bezier曲线。

进一步，在步骤五中，伺服执行运动指令是周期控制的。

进一步，步骤一中的预设轨迹是正方形。

本发明的有益效果是：

（1）通过软件对加工过程进行补偿，成本低，精度高，无需进行手工测量；

（2）对原始轨迹进行Beizer曲线处理后进行速度规划，插值下发的阶段就将加入了补偿值计算，有效解决了传统垂直补偿方式中直接在电机执行阶段补偿带来的速度突变和跳跃问题；

（3）由于使用的是真正的电机坐标，在机床暂停或者断点恢复时避免了恢复偏差的问题；

（4）对原始轨迹进行处理，这样电机轴中运行中不会产生由于上述文件的速度突变或跳跃问题。

附图说明

附图1是机床上激光枪头、平面相机的布置示意图；

附图2是本发明的矫正方法步骤流程图；

附图3是坐标转换原理图；

附图4是 偏差角获取示意图；

附图5是补偿值计算原理图；

附图6是机床的垂直矫正执行过程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明机床的垂直矫正***及矫正方法的具体实施方式作详细说明。

本发明对中小型龙门机床在长时间使用后出现的精度偏差实现有效的矫正，但并不限于龙门机床，对于大行程的加工机床，都可以通过本发明的方法实现有效矫正。

本发明的机床的垂直矫正***由偏差角获取模块、原始轨迹补偿计算模块、Beizer曲线处理模块、曲线插补速度规划模块、运动规划执行模块等组成。

所述偏差角获取模块包含在龙门机床的加工臂上设置激光枪头、在机床的下方设置平面相机，对于大行程的其它类型机床，在加工臂移动方向的对侧设置平面相机。

参见附图1，平面相机通过观测激光枪头的红光的运行轨迹来做为实际移动轨迹进行测量。所述激光枪头按照预设轨迹移动，所述平面相机获取激光枪头实际移动轨迹，通过预设轨迹和实际轨迹的偏差计算横梁弯曲角度，具体计算方法参见实施例中的方法。

原始轨迹补偿计算模块根据偏差角分别计算枪在x、y方向移动的补偿值，并对机床加工臂的加工原始轨迹进行更正。Beizer曲线处理模块将补偿后的原始轨迹离散点拟合成光滑曲线。曲线插补速度规划模块对曲线插补，得到笛卡尔空间移动参数，并转换为关节移动参数，规划机床加工臂的移动速度，最后合并下发给运动规划执行模块。运动规划执行模块接收运动指令，控制机床伺服运动。

参见附图2，以上模块化的机床的垂直矫正***，进行具体矫正方法如下：

步骤一：机床加工臂驱动激光枪头按照预设轨迹移动，平面相机记录激光枪头实际移动轨迹，根据实际轨迹与预设轨迹坐标的偏差计算横梁弯曲角度。

参见附图3，平面相机观测前***会对其进行坐标系转换，该转换包括世界坐标系（工件坐标系）—相机坐标系—图像坐标系—像素坐标系的转换，坐标转换过程可由下式给出：

上述公式表示的是世界坐标系中的一点转换到像素坐标系的过程。等式左边为世界坐标系中一点对应像素坐标系中一点的待求坐标，其中Zc为相机坐标系中一点Z方向上的坐标偏移值。等式中间从右边向左依次为世界坐标系-相机坐标系-图像坐标系-像素坐标系的计算过程，其中（Xw，Yw，Zw）为世界坐标系中的一点，R为世界坐标系向相机坐标系转换时围绕各轴旋转的旋转矩阵，T为相机坐标系各个方向在世界坐标系中的偏移向量，f为相机坐标系中该点的Z方向偏移量，dx和dy分别代表几行几列像素代表的物理长度单位（mm），（u0，v0）为图像坐标系的原点在像素坐标系中的原点偏移量。等式右边为计算合并后的相机内参、相机外参矩阵和世界坐标系中该点的坐标向量。

根据给定公式，平面相机由下方观测激光枪头红点根据预设图形的空移轨迹并得出该轨迹在像素坐标系中的连续坐标。所述的横梁弯曲角度计算其参数来源是通过平面相机观测激光枪实际移动轨迹并转换为像素坐标系中的轨迹来获取的。根据像素坐标系中每个像素对应的距离获取到激光枪头实际移动的轨迹坐标，设像素坐标系中该空移轨迹的端点坐标为（x2，y2），理论图形理论空移端点坐标为（x1，y1），设定起始坐标为（x0，y0）。此时横梁弯曲角度计算方法可通过三角公式求出，偏差角：

。

步骤二：将待加工件的原始轨迹进行垂直度矫正补偿计算，得出补偿轨迹的笛卡尔空间坐标。

对原始轨迹进行补偿的方式是根据偏差角α的大小，分别计算激光枪在原始轨迹x方向和y方向移动的补偿值，补偿值的计算方法由以下公式给出：

，

补偿值的计算是周期进行的，每个周期都会实时计算，并且从公式可以看出只有当x方向开始有移动增量的时候，y方向才会开始补偿，因此双轴的运动是同步进行的，该功能的实现实际上是将横梁弯曲导致的枪头在x方向斜向移动，通过y方向的实时补偿，投影为实际需要的垂直移动。

步骤三：根据补偿后待加工件笛卡尔坐标系下的补偿轨迹坐标，获取部分特征位置坐标，对这些位置坐标进行Bezier曲线拟合。

原始轨迹Bezier拟合方法是使用最小二乘法对小线段或者离散点进行Bezier曲线拟合，其原理是先通过给定最小误差生成一段Bezier曲线，然后寻找生成的Bezier曲线中的最大误差点，将其拆分后重新生成两段Bezier，对两段新生成的Bezier曲线继续进行上述操作，在不断递归计算的过程中找到各点均满足距离误差范围的合适Bezier曲线。假设Bix和Biy为拟合后第i个点对应的x，y坐标，Xi和Yi为源数据中第i个点的x，y坐标共有N个点则最小二乘法公式应用如下：

，

上式求得最小值时，各个参数值即为Bezier曲线的系数，一般使用三阶Bezier曲线，其曲线可由以下公式表示：

；

上述公式中P（P0,P1,P2,P3......Pn）为各位置坐标，t为曲线生成参数，从0到1取值即可生成三阶Bezier曲线。

步骤四：对Bezier拟合后的曲线进行周期插补，并对其进行关节坐标转换得到关节坐标位置。

步骤五：计算当前关节位置和目标位置的差值，根据差值和脉冲当量，发送对应的脉冲给机床的伺服电机执行运动指令。补偿值是按周期进行实时计算的。

下面通过具体实例进行说明。

参见附图4、5、6,在操作界面导入图形，开启垂直矫正后，***则开始执行以下步骤：

1、附图4是经过世界坐标系转换后的像素坐标系，在像素坐标系中根据像素代表的长度计算加工图形实际轨迹的端点左边，图中设实际轨迹右上端坐标为（100，80），理论轨迹坐标右上端坐标为（100.1，75.223），起点（0，0），则偏差角可通过***调用公式计算得出，计算方法为：

。

2、***在得到偏差角大小后会对原始图形进行补偿，补偿的方法如补偿计算原理图5所示，图中的斜边是α偏差角下会产生的实际枪移动轨迹，直角边则是枪移动的命令轨迹，此时需要将斜边投影到直角边上。因此在下发x方向命令位移时需要加上一个补偿值才能形成斜边的长度，同时，y方向也需要加入负向补偿值才能把实际的枪轨迹补偿为需要的枪轨迹。如垂直矫正执行示意图所示，x，y方向的同时补偿可以将，实际枪移动的斜边轨迹，补偿为需要的直角边轨迹。该补偿的计算由***调用公式自动计算完成，其计算过程如下：

；

3、基于加工图形对原始轨迹进行Bezier处理，根据已知补偿后的轨迹点信息（0，0），（0，75.223），（100.1，0），（100.1，75.223），将各点带入Bezier曲线公式中可得到：；

4、对以上公式中的t在0到1之间进行插值，并将指令位置指令下发，运动规划模块收到命令位置后执行插补功能，将各个位置转换为每个周期内的关节移动目标，根据距离和脉冲当量发送脉数量控制伺服运动，也即控制枪移动，最终达到垂直度矫正的目的。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种机床的垂直矫正***，其特征在于：包括偏差角获取模块、原始轨迹补偿计算模块、Beizer曲线处理模块、曲线插补速度规划模块、运动规划执行模块，

所述偏差角获取模块包含在机床的加工臂上设置激光枪头、在加工臂移动区域***或下方设置平面相机，所述激光枪头按照预设轨迹移动，所述平面相机获取激光枪头实际移动轨迹，通过预设轨迹和实际轨迹的偏差计算横梁弯曲角度，

原始轨迹补偿计算模块根据偏差角分别计算枪在x、y方向移动的补偿值，并对机床加工臂的加工原始轨迹进行更正，

Beizer曲线处理模块将补偿后的原始轨迹离散点拟合成光滑曲线，

曲线插补速度规划模块对曲线插补，得到笛卡尔空间移动参数，并转换为关节移动参数，规划机床加工臂的移动速度，最后合并下发给运动规划执行模块，

运动规划执行模块接收运动指令，控制机床伺服运动。

2.一种应用如权利要求1中所述的机床的垂直矫正***的矫正方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：机床加工臂驱动激光枪头按照预设轨迹移动，平面相机记录激光枪头实际移动轨迹，根据实际轨迹与预设轨迹坐标的偏差计算横梁弯曲角度；

步骤二：将待加工件的原始轨迹进行垂直度矫正补偿计算，得出补偿轨迹的笛卡尔空间坐标；

步骤三：根据补偿后待加工件笛卡尔坐标系下的补偿轨迹坐标，获取部分特征位置坐标，对这些位置坐标进行Bezier曲线拟合；

步骤四：对Bezier拟合后的曲线进行周期插补，并对其进行关节坐标转换得到关节坐标位置；

步骤五：计算当前关节位置和目标位置的差值，根据差值和脉冲当量，发送对应的脉冲给机床的伺服电机执行运动指令。

3.根据权利要求2所述的矫正方法，其特征在于：

在步骤一中，计算横梁弯曲角度的过程包括：

（1）对平面相机记录的实际轨进行坐标系转换，包括世界坐标系—相机坐标系—图像坐标系—像素坐标系的转换，转换过程如下：

,

等式左边为世界坐标系中一点对应像素坐标系中一点的待求坐标，其中Zc为相机坐标系中一点Z方向上的坐标偏移值；等式中间从右边向左依次为世界坐标系-相机坐标系-图像坐标系-像素坐标系的计算过程，其中（Xw，Yw，Zw）为世界坐标系中的一点，R为世界坐标系向相机坐标系转换时围绕各轴旋转的旋转矩阵，T为相机坐标系各个方向在世界坐标系中的偏移向量，f为相机坐标系中该点的Z方向偏移量，dx和dy分别代表几行几列像素代表的物理长度单位（mm），（u0，v0）为图像坐标系的原点在像素坐标系中的原点偏移量；等式右边为计算合并后的相机内参、相机外参矩阵和世界坐标系中该点的坐标向量；

（2）根据给定公式，根据像素坐标系中每个像素对应的距离获取到实际轨迹的像素坐标，设像素坐标系中实际轨迹的端点坐标为（x2，y2），设定预设轨迹的端点坐标为（x1，y1），设定起始坐标为（x0，y0），此时横梁弯曲角度计算方法可通过三角公式求出，偏差角：

。

4.根据权利要求3所述的矫正方法，其特征在于：

步骤二中对原始轨迹进行补偿的方式是根据偏差角α的大小，分别计算激光枪在原始轨迹x方向和y方向移动的补偿值，补偿值的计算方法由以下公式给出：

。

5.根据权利要求4所述的矫正方法，其特征在于：补偿值是按周期进行实时计算的。

6.根据权利要求4所述的矫正方法，其特征在于：

步骤三中，原始轨迹Bezier拟合方法是使用最小二乘法对位置坐标的小线段或者离散点进行Bezier曲线拟合，通过递归计算得到满足距离误差范围的Bezier曲线，

假设Bix和Biy为拟合后第i个点对应的x，y坐标，Xi和Yi为源数据中第i个点的x，y坐标共有N个点则最小二乘法公式应用如下：

，

上式求得最小值时，各个参数值即为Bezier曲线的系数，使用三阶Bezier曲线，其曲线可由以下公式表示：

；

上述公式中P（P0,P1,P2,P3......Pn）为各位置坐标，t为曲线生成参数，从0到1取值即可生成三阶Bezier曲线。

7.根据权利要求2至6任一项所述的矫正方法，其特征在于：在步骤五中，伺服执行运动指令是周期控制的。

8.根据权利要求2至6任一项所述的矫正方法，其特征在于：步骤一中的预设轨迹是正方形。