CN109623166A - 一种激光切割的拐角处理方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及数控技术领域，具体涉及一种激光切割的拐角处理方法及系统。所述拐角处理方法包括步骤：读取拐角轨迹数据；采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；确定拐角衔接速度；将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。本发明还提供了一种激光切割的拐角处理系统。通过采用B样条曲线进行拐角拟合，并将得到的拟合轨迹数据和确定的拐角衔接速度一起写入插补器中进行插补运动，从而确保了机床在高加速度下也能够平稳、流畅地运动，提高了高速切割中的切割精度，并进一步提高了切割效率和切割质量。

Description

一种激光切割的拐角处理方法及系统

技术领域

本发明涉及数控技术领域，具体涉及一种激光切割的拐角处理方法及系统。

背景技术

在传统的激光切割中，为保证加工精度和运动稳定，在加工工件拐角一般采用的方法是降速处理，但这种方法的机床负载非常大，在速度变化极其敏感的情况下，拐角处的切割运动依然会有强烈的震动，导致切割精度和效率都大打折扣。

现有的拐角处理，通常采用NURBS曲线拟合的方法，该方法虽然可以大幅度提升拐角加工的精度和效率，但是当机床各轴加速度达到1G及以上时，该方法下的运动会出现较明显的震感，在加长对拐角的拟合长度后会提高一定的加工精度，但切割中的震动还是较为明显，并且切割到拐角处时会有较为明显的停顿感，使得整个切割过程运动不流畅，极大的降低了切割精度，进而降低了加工效率和切割质量。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于：针对现有技术的不足，提供一种激光切割的拐角处理方法，克服现有的拐角处理方式，在提高加速度后震感明显、运动不流畅，导致切割精度低、加工效率底和切割质量差的问题。

为解决上述技术问题所采用的技术方案是：提供一种激光切割的拐角处理方法，所述拐角处理方法包括：

步骤A、读取拐角轨迹数据；

步骤B、采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

步骤C、确定拐角衔接速度；

步骤D、将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤A之前还包括：

读取待处理的轨迹数据，并从所述待处理的曲线轨迹数据中截取出拐角轨迹数据。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤B之前还包括：

判断待拟合的拐角是否具备拟合的条件。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤B具体包括：

步骤B1、采用弦长参数化法，计算出节点参数值u_i；

步骤B2、根据节点参数值u_i，通过B样条曲线表达式，计算出该节点对应的坐标值。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤C具体包括：

步骤C1、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线的第一段插补速度；

步骤C2、将B样条曲线的第一段插补速度与圆弧插补速度、直线加减速的最大速度和拟合长度进行比较，比较得到的最小值确定为拐角衔接速度。

本发明的更进一步优选方案是:所述步骤C1具体包括：

步骤C11、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线在节点处的曲率和曲率半径；

步骤C12、根据该曲率半径和该点到曲线起点的距离，计算出弓高误差；

步骤C13、将弓高误差与插补精度进行对比修正，确定出样条插补的第一个插补点；

步骤C14、计算样条插补的第一个插补点到样条起点的距离，得到B样条曲线的第一段插补速度。

本发明的更进一步优选方案是:所述采用弦长参数化法计算节点参数值u_i的方法为：

其中，l表示弦长，即曲线控制点间距，l_j表示第j个控制点到j+1个控制点之间的距离。

本发明的更进一步优选方案是:所述待处理的轨迹数据在读取、传输和写入过程中依据数据队列阻塞机制。

本发明还提供一种激光切割的拐角处理系统，所述拐角处理系统包括：

数据读取单元，用于读取拐角轨迹数据；

曲线拟合单元，用于采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

衔接速度确定单元，用于确定拐角衔接速度；

数据写入单元，用于将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。

本发明的有益效果在于，通过采用B样条曲线进行拐角拟合，并将得到的拟合轨迹数据和确定的拐角衔接速度一起写入插补器中进行插补运动，从而确保了机床在高加速度下也能够平稳、流畅地运动，提高了高速切割中的切割精度，并进一步提高了切割效率和切割质量。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是本发明激光切割的拐角处理方法的流程图；

图2是本发明所述步骤S200的具体流程图；

图3是本发明所述步骤S300的具体流程图；

图4是本发明所述步骤S310的具体流程图；

图5是现有NURBS曲线拟合效果示意图；

图6是本发明B样条曲线拟合效果示意图；

图7是本发明具体应用实施例的流程图。

具体实施方式

现结合附图，对本发明的较佳实施例作详细说明。

如图1所示，所述激光切割的拐角处理方法包括步骤：

所述拐角处理方法包括：

步骤S100、读取拐角轨迹数据；

步骤S200、采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

步骤S300、确定拐角衔接速度；

步骤S400、将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。

进一步地，所述步骤S100之前还包括：

读取待处理的轨迹数据，并从所述待处理的轨迹数据中截取出拐角轨迹数据。

其中，所述B样条曲线的表达式为：

其中，u为曲线节点参数变量，u∈(0,1)，d_i为曲线控制点，即拐角轨迹的起终点和拐点，N_i,k(u)是由节点矢量U＝[u₀ u₁ ... u_n+k+1]按德布尔-考克斯递推公式决定的k次规范B样条基函数，所述曲线控制点间距即拟合长度。

进一步地，所述步骤S200之前还包括：

判断待拟合的拐角是否具备拟合的条件。

因为在实际加工中，往往会将一条直线打断成多个轨迹数据，例如飞行切割，在处理这种轨迹时就无法进行拟合，为提高速度只能做一些衔接速度上的处理，而针对正常的轨迹则可以进行拐角拟合，判断待拟合的拐角是否具备拟合的条件，即判断待拟合的拐角轨迹是否为正常的可以进行拐角拟合的轨迹。

其中，步骤S200中采用B样条曲线进行拐角拟合的主要方法是将待处理的轨迹数据中的拐角轨迹数据截取出来，使用B样条将拐角处拟合为一条弯曲自然且平滑的自由曲线。

参见图5和图6，图5为现有技术中采用NURBS曲线拐角拟合效果图，图5为为本发明采用B样条曲线拐角拟合效果图。其中，上边的折直线为原拐角轨迹，下边的带圆弧的曲线为拟合后的拐角轨迹。NURBS拟合在拐角的前很长一段都与原轨迹重合，且只在接近拐角处有弯曲曲线，这虽然能保证很高的拟合精度，但是在实际切割中运动的稳定程度不够，而B样条拟合的形态相较于NURBS拟合来说，虽然损失了一定精度，但是在拟合长度可以设置的条件下，损失一定的精度换取更接近于圆弧的自然弯曲形态，会更加有利于机床运动的稳定性和流畅性。

具体的，在实际插补运动中，基于这样的B样条拟合曲线进行运动分解时，X、Y方向上的运动会更加提前加速或减速，以此来保证运动的稳定，B样条曲线的更为平滑的曲线形态，使得切割运动可以在更高的加速度和速度下保持平稳流畅，这将更加利于激光切割。

如图2所示，所述步骤S200具体包括：

步骤S210、采用弦长参数化法，计算出节点参数值u_i；

步骤S220、根据节点参数值u_i，通过B样条曲线表达式，计算出该节点对应的坐标值。

其中，所述采用弦长参数化法计算节点参数值u_i的方法为：

其中，l表示弦长，即曲线控制点间距，l_j表示第j个控制点到j+1个控制点之间的距离，在本实施例中，弦长l即代表拟合长度。

然后，将节点参数值u_i带入德布尔-考克斯递推公式中，计算出该节点对应的空间坐标。

如图3所示，所述步骤S300具体包括：

步骤S310、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线的第一段插补速度；

步骤S320、将B样条曲线的第一段插补速度与圆弧插补速度、直线加减速的最大速度和拟合长度进行比较，比较得到的最小值确定为拐角衔接速度。具体公式如下：

其中，L_curvature是通过参数u值二分法计算出的B样条曲线的第一段插补速度；是直线加减速的最大速度的计算公式，a_max为加速度，L为直线长度；是圆弧插补速度，R为半径，e为弓高误差；L_Fitting是拟合长度。

所述第一段插补速度，是由插补计算出来的第一段速度，其计算主要是通过调用插补模块的函数进行确定的，将插补计算出来的第一段速度作为拐角衔接速度的选择参照是比较合理的；所述圆弧插补速度是圆弧运动的最大速度，是通过插补精度作为弓高误差计算出来的最大插补速度；所述直线加减速最大速度是指的在加速度a_max一定，由直线长度L决定的最大速度值；所述拟合长度是指第一个控制点到第二个控制点的间距，拐角衔接速度是不能超过前两个控制点间距的，否则拐角就没有拟合效果。

由所述圆弧插补速度、直线加减速度和拟合长度对B样条曲线的第一段插补速度进行保护性限制，即计算出来的B样条曲线的第一段插补速度是不能比这三个参数大的，如果计算出来的B样条曲线的第一段插补速度小于这三个参数，那么计算出来的B样条曲线的第一段插补速度即确定为拐角衔接速度；如果计算出来的B样条曲线的第一段插补速度大于这三个参数中的任何一个，就要从中取最小值，确定为拐角衔接速度。

如图4所示，所述步骤S310具体包括：

步骤S311、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线在节点处的曲率和曲率半径；

步骤S312、根据该曲率半径和该点到曲线起点的距离，计算出弓高误差；

步骤S313、将弓高误差与插补精度进行对比修正，确定出样条插补的第一个插补点；

步骤S314、计算样条插补的第一个插补点到样条起点的距离，即得到B样条曲线的第一段插补速度；

具体的，在步骤S311中，根据参数u值二分法，选取u值，如先计算出u＝0.5时B样条曲线上对应的点，具体是将u值带入B样条曲线表达式中计算u＝0.5对应的点的坐标，得到该坐标后，再通过曲率公式去计算出B样条曲线在该点处的曲率和曲率半径；然后，根据该曲率半径和该点到曲线起点的距离，计算出弓高误差；将弓高误差与插补精度进行对比，如果弓高误差比插补精度大太多，那么就说明选取的u值，u＝0.5不合理，那么就再根据参数u值二分法同理去计算u＝0.25时的弓高误差，如果算出来比插补精度小太多，那么就继续二分0.25和0.5，取u＝0.375，再计算该点的弓高误差，按照这种二分法找到弓高误差与插补精度相差很小的u值，该u值对应的点就是样条插补的第一个插补点。其中，插补精度是已设定值。

其中，步骤S314中样条插补的第一个插补点到样条起点的距离，为样条插补的第一段距离，而在实时系统的内核中，一个周期的位移量即是速度，因此，计算样条插补的第一个插补点到样条起点的距离，即为B样条曲线的第一段插补速度。

在本发明中，所述激光切割的拐角处理在系统的前瞻功能模块中完成。

进一步地，所述待处理的轨迹数据在读取、传输和写入过程中依据数据队列阻塞机制，具体参见图5，为整个前瞻功能模块的拐角处理方法的具体应用实施例流程图。

在读取和写入待处理的轨迹数据中需要做的主要是对数据进行整理和传输，基于实时平台的运行特性，需要格外注意数据队列阻塞机制的建立。因为数控系统的特性是一个实时系统，实时系统的运行是周期性，每个周期的时间是固定，在一个周期内不能无限制的处理轨迹数据，也不能在一个周期内同时做完本实施例所述的激光切割拐角处理方法的四个步骤，因此，建立并运用数据队列阻塞机制，可以将在本周期未完成的数据，等到下一周期来处理，或者一个周期只完成一个步骤的内容，下一步骤等到下一周期来完成。

作为本发明的另一优选实施例，其中的B样条曲线拐角拟合也可以采用圆弧拟合。

本发明还提供了一种激光切割的拐角处理系统，所述拐角处理系统包括：

数据读取单元，用于读取拐角轨迹数据；

曲线拟合单元，用于采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

衔接速度确定单元，用于确定拐角衔接速度；

数据写入单元，用于将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。

应当理解的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对本领域技术人员来说，可以对上述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而所有这些修改和替换，都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种激光切割的拐角处理方法，其特征在于，所述拐角处理方法包括：

步骤A、读取拐角轨迹数据；

步骤B、采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

步骤C、确定拐角衔接速度；

步骤D、将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。

2.根据权利要求1所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述步骤A之前还包括：

读取待处理的轨迹数据，并从所述待处理的曲线轨迹数据中截取出拐角轨迹数据。

3.根据权利要求1所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述步骤B之前还包括：

判断待拟合的拐角是否具备拟合的条件。

4.根据权利要求1所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述步骤B具体包括：

步骤B1、采用弦长参数化法，计算出节点参数值u_i；

步骤B2、根据节点参数值u_i，通过B样条曲线表达式，计算出该节点对应的坐标值。

5.根据权利要求1所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述步骤C具体包括：

步骤C1、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线的第一段插补速度；

步骤C2、将B样条曲线的第一段插补速度与圆弧插补速度、直线加减速的最大速度和拟合长度进行比较，比较得到的最小值确定为拐角衔接速度。

6.根据权利要求5所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于：所述步骤C1具体包括：

步骤C11、根据参数u值二分法，计算出B样条曲线在节点处的曲率和曲率半径；

步骤C12、根据该曲率半径和该点到曲线起点的距离，计算出弓高误差；

步骤C13、将弓高误差与插补精度进行对比修正，确定出样条插补的第一个插补点；

步骤C14、计算样条插补的第一个插补点到样条起点的距离，得到B样条曲线的第一段插补速度。

7.根据权利要求4所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述采用弦长参数化法计算节点参数值u_i的方法为：

其中，l表示弦长，即曲线控制点间距，l_j表示第j个控制点到j+1个控制点之间的距离。

8.根据权利要求2所述的激光切割的拐角处理方法，其特征在于,所述待处理的轨迹数据在读取、传输和写入过程中依据数据队列阻塞机制。

9.一种激光切割的拐角处理系统，其特征在于，所述拐角处理系统包括：

数据读取单元，用于读取拐角轨迹数据；

曲线拟合单元，用于采用B样条曲线对所述拐角轨迹数据进行拟合，得到拟合轨迹数据；

衔接速度确定单元，用于确定拐角衔接速度；

数据写入单元，用于将所述拟合轨迹数据和拐角衔接速度写入插补器中进行插补。