CN111604605A - 一种平面切割路径生成方法及使用该方法的切割系统 - Google Patents

一种平面切割路径生成方法及使用该方法的切割系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种平面切割路径生成方法，包括：在工件坐标系中，绘制激光切割路径；由所述激光切割路径求在四轴驱动系统实现所述激光切割路径时旋转轴中心轨迹上的多个预测点；由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹；由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式；利用Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)的计算公式反推目标激光切割路径计算公式；利用目标激光切割路径计算公式，获取目标激光切割路径。该切割系统利用上述平面切割路径生成方法生成目标激光切割路径。通过使用该方法提高在平面切割时的切割效率。

Description

一种平面切割路径生成方法及使用该方法的切割系统
技术领域
本发明涉及激光切割领域，尤其涉及一种平面切割路径生成方法及使用该方法的切割系统。
背景技术
随着激光光源功率的提升，激光切割直线的速度得到相应的提升。然而，在采用传统激光切割机械系统平面激光切割各种材料板材时，受激光切割机械系统主要是激光头驱动机械系统的惯性负载容量的限制，在产品切割轮廓中包含小直径圆弧时，圆弧切割速度要远低于直线切割速度。这是因为，在线速度相同时，匀速圆弧运动所需要的系统加速度要远大于匀速直线运动。例如，切割1.2mm厚碳钢板并采用6KW激光光源时，直线切割可以达到的切割速度为50m/min，并且匀速直线运动时所需系统加速度为零。而当切割半径为5mm的圆弧时，如果继续以50m/min切割，系统需要提供14G(G为重力加速度)的加速度。在采用二轴驱动的激光切割机械系统在做大幅面切割时，运动部件本身刚度在14G惯性负载作用下的变形往往超过产品轮廓切割精度的误差要求。因此实际切割实践中，只有降低圆弧切割速度，牺牲切割效率，牺牲昂贵的激光光源的切割能力。
发明内容
本发明目的是提供一种平面切割路径生成方法，通过使用该方法可利用四轴驱动系统在旋转轴中心轨迹得到优化条件下得到目标激光切割路径。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种平面切割路径生成方法，包括：
在工件坐标系中，绘制激光切割路径；
由所述激光切割路径求在四轴驱动系统实现所述激光切割路径时旋转轴中心轨迹上的多个预测点；
由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹；
由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式；
利用Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)的计算公式反推目标激光切割路径计算公式；
利用目标激光切割路径计算公式，获取目标激光切割路径；
其中，所述Xo(t),Yo(t)为所述工件坐标系下所述旋转轴中心轨迹上点坐标；R(t)为激光头与旋转轴中心偏移距离；Rz(t)为所述工件坐标系下旋转轴中心到激光头中心矢量与X轴夹角。
上述技术方案中，所述工件坐标系为以工件所在平面绘制X轴、Y轴，以激光切割切入点为坐标系原点，构成以X(t)，Y(t)形成的所述激光切割路径。
上述技术方案中，所述切割路径包括位于起始的直线段SA，与所述直线段SA相连的直线段AB，与所述直线段AB相连的圆弧段BD，与所述圆弧段BD相连的直线段DE，与所述直线段DE相连的圆弧段EG，及与所述圆弧段EG相连设置于终端的直线段GH，构成激光切割路径S->A->B->D->E->G->H。
上述技术方案中，所述预测点包括圆弧段BD的圆心C，圆弧段EG的圆心F，起始点S，终端点H。
上述技术方案中，步骤“由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹”包括：假设在切割直线段SA时，所述旋转轴中心沿所述直线段SA运动，得所述旋转轴中心轨迹包括所述直线段SA；由所述直线段SA与预测点C、F、S、H，绘制模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H。
上述技术方案中，“由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式”包括：
将所述模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H分割形成S->A段，A->C段，C点，C->F段，F点，F->H段；
假设S点状态R(t)＝0，Rz(t)＝0；p为R轴半径值的正负系数，p＝0代表R值为正值或为0，p＝1代表R值为负值；
分别计算得出S->A段，A->C段，C点，C->F段，F点，F->H段下Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式。
一种切割系统，所述切割系统利用上述平面切割路径生成方法生成目标激光切割路径。
上述技术方案中，所述切割系统包括由四个驱动轴驱动的激光切割头，四个驱动轴分别包括与工件平面平行的并且相互垂直的直线轴；绕所述产品平面法向旋转的Rz轴，以及驱动激光头偏离Rz轴并且平行于产品平面的R轴。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点：
1.本发明中利用现有激光切割路径推测在四轴驱动系统实现相同激光切割路径下，四轴驱动系统优化的旋转轴中心轨迹，从而经反推可得到在相同优化情况下改变旋转轴中心位置，形成的目标激光切割路径。
2.在目标切割路径中包括有圆弧切割时，该切割系统可以保证切割质量，提高切割速度，提高切割效率。
附图说明
图1是本发明工件坐标系示意图；
图2是本发明激光切割路径与旋转轴中心轨迹示意图。
其中：1、激光切割路径；2、旋转轴中心轨迹。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：
实施例一：参见图1～2所示，一种平面切割路径生成方法，包括：
在工件坐标系中，绘制激光切割路径；
由所述激光切割路径求在四轴驱动系统实现所述激光切割路径时旋转轴中心轨迹上的多个预测点；
由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹；
由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式；
利用Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)的计算公式反推目标激光切割路径计算公式；
利用目标激光切割路径计算公式，获取目标激光切割路径；
其中，所述Xo(t),Yo(t)为所述工件坐标系下所述旋转轴中心轨迹上点坐标；R(t)为激光头与旋转轴中心偏移距离；Rz(t)为所述工件坐标系下旋转轴中心到激光头中心矢量与X轴夹角。
参见图1所示，所述工件坐标系为以工件所在平面绘制X轴、Y轴，以激光切割切入点为坐标系原点，构成以X(t)，Y(t)形成的所述激光切割路径。
在利用传统的二轴驱动系统进行平面产品切割时，在工件平面上形成的切割路径如图2所示，所述切割路径包括位于起始的直线段SA，与所述直线段SA相连的直线段AB，与所述直线段AB相连的圆弧段BD，与所述圆弧段BD相连的直线段DE，与所述直线段DE相连的圆弧段EG，及与所述圆弧段EG相连设置于终端的直线段GH，具体相连后形成激光切割路径S->A->B->D->E->G->H。
由所述激光切割路径求在四轴驱动系统实现所述激光切割路径时旋转轴中心轨迹上的多个预测点；
具体包括如下步骤：要利用四轴驱动系统形成如图2中所述的激光切割路径S->A->B->D->E->G->H时，由于其包括圆弧段BD，圆弧段EG，在四轴驱动系统的激光头做圆弧切割时，四轴驱动系统中的直线轴X轴、Y轴可处于静止状态，只有Rz轴与R轴参与运动。因此，可由激光切割路径得到在利用四轴驱动系统切割圆弧段时，其优化的旋转轴中心轨迹上包括圆弧段BD、圆弧段EG的圆心，即得到预测点C、预测点F。且起始点S、终端点H相同，因此得到预测点C、预测点F、起始点S、终端点H在利用四轴驱动系统切割时旋转轴中心轨迹上。
由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹；具体包括：
假设在切割直线段SA时，所述旋转轴中心沿所述直线段SA运动，得所述旋转轴中心轨迹包括所述直线段SA；
将所述直线段SA、预测点C、预测点F，终端点H相连，绘制出优化后的模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H。
由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式；其具体步骤为：
R轴运动方向始终垂直于激光切割轨迹；
假设S点状态R(t)＝0，Rz(t)＝0；
设p为R轴半径值的正负系数，则R不为0时p＝(1-R/|R|)/2，R＝0时p＝0；
p＝0代表R值为正值或为0，p＝1代表R值为负值；
将所述模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H分割形成S->A段，A->C段，C点(即B->D段圆弧旋转)，C->F段，F点(即E->G段圆弧旋转)，F->H段；
a：S->A段求解过程如下：
Xo(t)＝X(t)；
Yo(t)＝Y(t)；
R(t)＝0；
Figure BDA0002445125640000051
Figure BDA0002445125640000052
p(CB)＝0；
Figure BDA0002445125640000053
Figure BDA0002445125640000054
Figure BDA0002445125640000055
Figure BDA0002445125640000056
G代码直线插补绝对目标值：
X＝X(A)；
Y＝Y(A)；
R＝0；
Rz绝对目标值
Rz＝Rz(CB)：
Rz增量值(Rz默认0)
Rz＝Rz(CB)-0：
b：A->C段算法如下：
Figure BDA0002445125640000061
Figure BDA0002445125640000062
Figure BDA0002445125640000063
Figure BDA0002445125640000064
Figure BDA0002445125640000065
Figure BDA0002445125640000066
或
Figure BDA0002445125640000067
Figure BDA0002445125640000068
Figure BDA0002445125640000069
Figure BDA00024451256400000610
R(CB)＝R1；
p(CB)＝(1-R(CB)/|R(CB)|)/2；
Figure BDA00024451256400000611
G代码直线插补绝对目标值：
X＝Xo(C)；
Y＝Yo(C)；
R＝R1；
Rz绝对值：
Rz＝Rz(CB)
Rz增量值(上一步Rz绝对值为Rz(CB))
Rz＝0＝Rz(CB)-Rz(CB)；
c：B-＞D段(圆弧旋转)算法如下：
Xo(t)＝Xo(C)；
Yo(t)＝Yo(C)；
R(t)＝R1：
Figure BDA0002445125640000071
Figure BDA0002445125640000072
p(CX(t)Y(t))＝(1-R(t)/|R(t)|)/2；
Figure BDA0002445125640000073
Figure BDA0002445125640000074
p(CD)＝(1-R1/|R1|)/2；
Figure BDA0002445125640000075
G代码直线插补绝对目标值：
X＝Xo(C)；
Y＝Yo(C)；
R＝R1
Rz绝对值：
Rz＝Rz(CD)；
Rz增量值：(上一步Rz绝对值为Rz(CB))
Rz＝Rz(CD)-Rz(CB)
d：C->F段算法如下：
Figure BDA0002445125640000076
Figure BDA0002445125640000077
Figure BDA0002445125640000078
Figure BDA0002445125640000079
Figure BDA00024451256400000710
Figure BDA0002445125640000081
Figure BDA0002445125640000082
Figure BDA0002445125640000083
Figure BDA0002445125640000084
或
Figure BDA0002445125640000085
Figure BDA0002445125640000086
Figure BDA0002445125640000087
Figure BDA0002445125640000088
R(FE)＝-R2；
p(FE)＝(1-R(FE)/|R(FE)|)/2；
Figure BDA0002445125640000089
G代码直线插补绝对目标值：
X＝Xo(F)；
Y＝Yo(F)；
R＝-R2
Rz绝对值：
Rz＝Rz(FE)；
Rz增量值：(上一步Rz绝对值为Rz(CD))
Rz＝Rz(FE)-Rz(CD)
e：E->G段(圆弧旋转插补)算法如下：
Xo(t)＝Xo(F)；
Yo(t)＝Yo(F)；
R(t)＝-R2；
p(t)＝(1-R(t)/|R(t)|)/2；
Figure BDA00024451256400000810
Figure BDA00024451256400000811
Figure BDA0002445125640000091
Figure BDA0002445125640000092
Figure BDA0002445125640000093
p(FG)＝(1-R(t)/|R(t)|)/2；
Figure BDA0002445125640000094
G代码直线插补绝对目标值：
X＝Xo(F)；
Y＝Yo(F)；
R＝-R2
Rz绝对值：
Rz＝Rz(FG)；
Rz增量值：(上一步Rz绝对值为Rz(FE))
Rz＝Rz(FG)-Rz(FE)
f：F->H段
Figure BDA0002445125640000095
Figure BDA0002445125640000096
Figure BDA0002445125640000097
Figure BDA0002445125640000098
Figure BDA0002445125640000099
Figure BDA00024451256400000910
或
Figure BDA00024451256400000911
Figure BDA00024451256400000912
Rz(t)＝Rz(FG)；
G代码直线插补绝对目标值：
X＝X(H)；
Y＝Y(H)；
R＝0
Rz绝对值：
Rz＝Rz(FG)；
Rz增量值：(上一步Rz绝对值为Rz(FG))
Rz＝Rz(FG)-Rz(FG)
由以上计算可得：
G代码生成规则
已知假设A点前段为直线段，C为Rz旋转轴，Q为R轴，Q默认0，C默认0，(G代码中R为特殊字符，不可直接引用)
A：以绝对值方式生成插补：
G01 X＝X(A) Y＝Y(A) Q＝0 C＝Rz(CB) 段直线插补 SA段
G01 X＝Xo(C) Y＝Yo(C) Q＝R1 C＝Rz(CB) AC段
G01 X＝Xo(C) Y＝Yo(C) Q＝R1 C＝Rz(CD) (旋转切割圆弧 BD段
C01 X＝Xo(F) Y＝Yo(F) Q＝-R2 C＝Rz(FE) (Rz(FE)＝Rz(CD) CF段
G01 X＝Xo(F) Y＝Yo(F) Q＝-R2 C＝Rz(FG) (旋转切割圆弧 EG段
G01 X＝X(H) Y＝Y(H) Q＝0 C＝Rz(FG) GH段
B：以增量值方式生成插补：
G91(使用增量指令
G01 X＝X(A)-X(S) Y＝Y(A)-Y(S) Q＝0 C＝Rz(CB)-0 (A点前段直线插补
G01 X＝Xo(C)-X(A) Y＝Yo(C)-Y(A) Q＝R1-0 C＝0
G01 X＝0 Y＝0 Q＝0 C＝Rz(CD)-Rz(CB) (旋转切割圆弧
G01 X＝Xo(F)-Xo(C) Y＝Yo(F)-Yo(C) Q＝-R2-R1 C＝0
G01 X＝0 Y＝0 Q＝0 C＝Rz(FG)-Rz(FE) (旋转切割圆弧
G01 X＝X(H)-Xo(F) Y＝Y(H)-Yo(F) Q＝0-(-R2) C＝0
利用以上求得的每段中Xo(t)，Yo(t)，R(t)，ΔRz(t)的计算公式反推目标激光切割路径计算公式；
具体包括如下步骤：
反推求X(t)，Y(t)
a：S->A段算法如下：
X(S)＝Xo(S)，X(A)＝Xo(A)：X(t)＝Xo(t)；
b：A->B段算法如下：
Figure BDA0002445125640000111
Figure BDA0002445125640000112
c：B->D段
R(t)＝R1；
X(t)＝Xo(C)+R(t)*Cos(π*Rz(t)/180)；
Y(t)＝Yo(C)+R(t)*Sin(π*Rz(t)/180)；
d：D->E段
Figure BDA0002445125640000113
Figure BDA0002445125640000114
e：E->G段
R(t)＝-R2；
X(t)＝Xo(F)+R(t)*Cos(π*Rz(t)/180)；
Y(t)＝Yo(F)+R(t)*Sin(π*Rz(t)/180)；
f：G->H段
Figure BDA0002445125640000115
Figure BDA0002445125640000116
利用以上求得的目标激光切割路径计算公式，再输入不同的旋转轴中心位置下，可获取目标激光切割路径。
一种切割系统，所述切割系统利用以上平面切割路径生成方法生成目标激光切割路径。
具体的，所述切割系统包括由四个驱动轴驱动的激光切割头，四个驱动轴分别包括与工件平面平行的并且相互垂直的直线轴；绕所述产品平面法向旋转的Rz轴，以及驱动激光头偏离Rz轴并且平行于产品平面的R轴。
与传统二轴驱动系统相比，该四轴切割系统在驱动激光头做圆弧切割时，质量较大的直线轴X轴、Y轴机械系统处于静止状态，其惯性负载为零。此时，只有Rz轴与R轴参与运动，而Rz轴与R轴属于终端轴，其运动部件本身质量较小，部件尺寸小刚度较好。在高G(重力加速度)加速度下惯性负载较小。因此系统变形小。采用四轴驱动系统做圆弧激光切割可以实现高G切割，切割速度快，效率高。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种平面切割路径生成方法，其特征在于，包括：
在工件坐标系中，绘制激光切割路径；
由所述激光切割路径求在四轴驱动系统实现所述激光切割路径时旋转轴中心轨迹上的多个预测点；
由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹；
由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式；
利用Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)的计算公式反推目标激光切割路径计算公式；
利用目标激光切割路径计算公式，获取目标激光切割路径；
其中，所述Xo(t),Yo(t)为所述工件坐标系下所述旋转轴中心轨迹上点坐标；R(t)为激光头与旋转轴中心偏移距离；Rz(t)为所述工件坐标系下旋转轴中心到激光头中心矢量与X轴夹角。
2.根据权利要求1所述的平面切割路径生成方法，其特征在于：所述工件坐标系为以工件所在平面绘制X轴、Y轴，以激光切割切入点为坐标系原点，构成以X(t)，Y(t)形成的所述激光切割路径。
3.根据权利要求1所述的平面切割路径生成方法，其特征在于：所述切割路径包括位于起始的直线段SA，与所述直线段SA相连的直线段AB，与所述直线段AB相连的圆弧段BD，与所述圆弧段BD相连的直线段DE，与所述直线段DE相连的圆弧段EG，及与所述圆弧段EG相连设置于终端的直线段GH，构成激光切割路径S->A->B->D->E->G->H。
4.根据权利要求3所述的平面切割路径生成方法，其特征在于：所述预测点包括圆弧段BD的圆心C，圆弧段EG的圆心F，起始点S，终端点H。
5.根据权利要求4所述的平面切割路径生成方法，其特征在于：步骤“由多个所述预测点绘制模拟旋转轴中心轨迹”包括：假设在切割直线段SA时，所述旋转轴中心沿所述直线段SA运动，得所述旋转轴中心轨迹包括所述直线段SA；由所述直线段SA与预测点C、F、S、H，绘制模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H。
6.根据权利要求5所述的平面切割路径生成方法，其特征在于：“由多个所述预测点与所述模拟旋转轴中心轨迹求得所述模拟旋转轴中心轨迹上Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式”包括：
将所述模拟旋转轴中心轨迹S->A->C->F->H分割形成S->A段，A->C段，C点，C->F段，F点，F->H段；
假设S点状态R(t)＝0，Rz(t)＝0；p为R轴半径值的正负系数，p＝0代表R值为正值或为0，p＝1代表R值为负值；
分别计算得出S->A段，A->C段，C点，C->F段，F点，F->H段下Xo(t),Yo(t),R(t),ΔRz(t)计算公式。
7.一种切割系统，其特征在于：所述切割系统利用权利要求1中平面切割路径生成方法生成目标激光切割路径。
8.根据权利要求7所述的切割系统，其特征在于：所述切割系统包括由四个驱动轴驱动的激光切割头，四个驱动轴分别包括与工件平面平行的并且相互垂直的直线轴；绕所述产品平面法向旋转的Rz轴，以及驱动激光头偏离Rz轴并且平行于产品平面的R轴。
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