本发明涉及浇口锯切机领域，具体涉及一种浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法。
背景技术：
1、浇口是水龙头生产过程中从分流道到模具型腔的一段通道，需要在铸造完成后去除。去除浇口等余料的主要方式有两种，人工操作和自动化操作。人工操作需要工人将半成品装夹固定到锯床上，手动操控锯床对余料进行去除，然后拆卸，往复循环。自动化操作主要依赖于自动化设备和系统，浇口锯切机是数控技术应用在铸造加工后余料去除工艺的设备，工人在非加工区域装夹和固定后，在系统上选择加工区域，由系统生成加工路径，由锯切机自动完成余料去除和下料等步骤。
2、人工操作需要工人反复在加工区域装夹拆卸，操作锯床，不仅存在较大安全隐患，而且精度取决于工人的经验和状态，加工质量无法保证。现有的自动化余料切割机主要是采用基于笛卡尔坐标系的加工机床，只能做移动，不能做旋转，无法满足越来越复杂的产品曲线的加工要求。对末端加工的三关节机械臂，其运动学求解依赖于数值解，求解速度较慢，且计算量大，对设备要求高。关节速度依赖于末端规划，常常存在末端速度较为平稳，但关节速度产生较大波动和突变，超出实际电机性能，导致加工质量降低的状况。
3、复杂曲线加工对三关节机械臂的求解效率以及加工时关节速度的规划提出了更高的要求。
技术实现思路
1、本发明的目的在于提供一种浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，该方法有利于在降低计算难度、提高计算效率的同时，提高加工稳定性和加工质量。
2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，包括：
3、s1、输入工件加工信息；
4、s2、设置机械臂的杆长及刀具位置姿态；
5、s3、通过运动学逆解建立三关节机械臂末端数据对关节速度的解析解关系式；
6、s4、判断所有工件加工点是否超出三关节机械臂的可加工范围，是则返回步骤s1重新输入工件加工信息，否则转下一步；
7、s5、基于工件图上工件加工轨迹中各插补点数据，将前工序的插补点数据通过逆运动学转换生成本工序的三个关节的初始角速度；
8、s6、对关节速度进行速度规划，得到三个关节的角速度。
9、进一步地，所述浇口锯切机包括：
10、基座，固定在机架上，用于承载整个三关节机械臂；
11、机械臂一杆，前端经第一关节与基座铰接并基于第一关节中心相对基座旋转，后端经第二关节与机械臂二杆铰接；
12、机械臂二杆，前端经第二关节与机械臂一杆铰接并基于第二关节中心相对机械臂一杆旋转，后端经第三关节与夹具铰接；
13、夹具，用于夹持固定待加工的工件，夹具中心经第三关节与机械臂二杆铰接并基于第三关节中心相对机械臂二杆旋转；
14、锯台，其上安装有锯条刀具及其驱动机构。
15、进一步地，所述基座上安装有第一电机，用于驱动机械臂一杆相对于基座旋转；所述机械臂一杆上安装有第二电机，用于驱动机械臂二杆相对于机械臂一杆旋转；所述机械臂二杆上安装有第三电机，用于驱动夹具相对于机械臂二杆旋转。
16、进一步地，逆解求解的实现流程为：
17、a1)将锯条刀具简化为矩形带矢量的刀具简化模型；建立两个坐标系，一个是浇口锯切机所在的、与世界坐标系固定的加工坐标系，另一个是工件图的工件坐标系；
18、a2)将工件坐标系中的当前加工点与加工坐标系中的刀尖点的位置和矢量对齐，即x4＝x3，y4＝y3，其中x3、y3为当前加工点位置坐标，x4、y4为刀尖点位置坐标，进而得到工件原点在加工坐标系的位置；
19、x2＝x4-l3*cos(arc2tan(j1,i1)-arc2tan(j0,i0)+arc2tan(y0,x0))；
20、y2＝y4-l3*sin(arc2tan(j1,i1)-arc2tan(j0,i0)+arc2tan(y0,x0))；
21、其中，x0、y0为第一关节中心位置坐标，i0、j0为第一关节中心矢量数据，i1、j1为第二关节中心矢量数据，x2、y2为第三关节中心，即夹具中心，也即工件旋转中心位置坐标，l3为当前加工点到工件旋转中心的距离，即将当前加工点与工件旋转中心连线作为第三杆，其杆长为l3，从而将工件图上变化的加工轨迹简化为一根长度和指向不断变化的杆件；
22、a3)工件原点位置与工件旋转中心重合，将三关节模型简化为双关节模型；
23、a4)基于几何学进行逆运动学求解，得到两组解；
24、a5)限制姿态为向上延伸，得到三关节机械臂在固定位置的唯一解：
25、
26、其中，θ2为机械臂二杆相对于机械臂一杆的逆时针方向为正的夹角，l1为机械臂一杆的长度，l2为机械臂二杆的长度；
27、引入两个中间变量，β＝arc2tan(y2,x2)，有：
28、如果θ2>＝0,θ1＝β-α；
29、如果θ2<0,θ1＝β+α；
30、其中，θ1为机械臂一杆与加工坐标系的x轴正方向的夹角。
31、进一步地，由于前工序的插补点数据是按照等周期插补得到，因此，角度值实际上等同于角速度。
32、进一步地，进行关节速度规划的具体流程为：
33、b1)输入相关部件的初始位置及速度信息；根据所有n个插补点得到n-1个微小距离的直线段；
34、b2)判断是否检查完全部段，是则转步骤b7)，否则转步骤b3)进行下一段检查；
35、b3)判断本段是否超速，是则转步骤b4)，否则转步骤b6)；
36、b4)判断前段是否存在且超速，是则转步骤b5)，否则记录区间起点序号，并记录超速比例，而后本段分析结束，转步骤b2)继续循环；
37、b5)计算本段超速比例，并判断是否大于记录值，是则更新超速比例而后转步骤b2)，否则保持原有超速比例而后转步骤b2)；
38、b6)判断前段是否存在且超速，是则记录区间起点序号，并存储区间起点、终点及超速比例，而后转步骤b2)，否则本段分析结束，直接转步骤b2)；
39、b7)根据区间超速比例计算新末端速度；
40、b8)根据速度变化情况计算区间前后的加减速阶段；
41、b9)根据区间及前后的末端速度，生成各关节的关节速度；
42、b10)对比各段的新旧值，取较小值，本区间结束；
43、b11)判断是否完成全部区间减速，是则速度规划结束，否则返回步骤b7)。
44、进一步地，末端速度与关节速度在任意点位置成线性比例关系，即末端速度等于各关节速度乘以对应系数的和：
45、x＝l1*cosθ1+l2*cos(θ1+θ2)+l3*cos(θ1+θ2+θ3)；
46、y＝l1*sinθ1+l2*sin(θ1+θ2)+l3*sin(θ1+θ2+θ3)；
47、vx＝ω1*l1*sinθ1+(ω1+ω2)*l2*sin(θ1+θ2)+(ω1+ω2+ω3)*l3*
48、sin(θ1+θ2+θ3)；
49、vy＝-ω1*l1*cosθ1-(ω1+ω2)*l2*cos(θ1+θ2)-(ω1+ω2+ω3)*l3*
50、cos(θ1+θ2+θ3)；
51、其中，x、y为三关节机械臂末端运动距离，vx、vy为三关节机械臂末端运动速度，θ3为第三杆相对于机械臂二杆的夹角，ω1为第一关节的角速度，ω2为第二关节的角速度，ω3为第三关节的角速度。
52、进一步地，为保证关节速度变化平稳，采用s型加减速方法对单个关节的角速度进行规划；考虑极值speedmax和速度限额speedlimit，计算比例rate＝|speedlimit/speedmax|，采用重叠法做速度规划，将变化比例叠加到归一化曲线上，取较小值为规划后速度；
53、根据规划后的末端速度、关节速度和末端速度的关系式，重新计算各插补点对应各关节的关节速度，得到最终优化结果。
54、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：本发明提供了一种浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，该方法通过浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解，有效提高了计算效率，降低了计算难度；为了解决数值解求解逆运动学速度慢、计算量大等问题，该方法分析锯切机结构中加工姿态对逆运动学求解的影响，得到末端位置对关节位置的解析解关系式；为了解决离散点间多关节速度联动和突变的问题，该方法分析末端速度和关节速度的关系，得到比例关系模型，采用归一化方法简化比例关系模型，对超出速度和加速度限制的加工部分进行划区间做末端速度s型加减速规划，将结果映射到三关节上，实现关节速度间的联动和稳定，提高了加工稳定性和加工质量。
1.一种浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，所述浇口锯切机包括：
3.根据权利要求2所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，所述基座上安装有第一电机，用于驱动机械臂一杆相对于基座旋转；所述机械臂一杆上安装有第二电机，用于驱动机械臂二杆相对于机械臂一杆旋转；所述机械臂二杆上安装有第三电机，用于驱动夹具相对于机械臂二杆旋转。
4.根据权利要求2所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，逆解求解的实现流程为：
5.根据权利要求4所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，由于前工序的插补点数据是按照等周期插补得到，因此，角度值实际上等同于角速度。
6.根据权利要求4所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，进行关节速度规划的具体流程为：
7.根据权利要求6所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，末端速度与关节速度在任意点位置成线性比例关系，即末端速度等于各关节速度乘以对应系数的和：
8.根据权利要求7所述的浇口锯切机三关节机械臂运动学逆解及关节速度规划方法，其特征在于，为保证关节速度变化平稳，采用s型加减速方法对单个关节的角速度进行规划；考虑极值speedmax和速度限额speedlimit，计算比例rate＝|speedlimit/speedmax|，采用重叠法做速度规划，将变化比例叠加到归一化曲线上，取较小值为规划后速度；
