CN111745306A - 一种激光切割五轴联动运行控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光切割五轴联动运行控制方法，具体包括以下步骤：步骤S1：获取激光切割头的给进速度，计算刀具切割路径的曲率，若曲率大于设定阈值，判定为高曲率区段，转至步骤S2，否则判定为低曲率区段，转至步骤S3；步骤S2：以高曲率区段的两端为起点和终点，生成低曲率虚拟路径，计算低曲率虚拟路径上的行程增量，转至步骤S4；步骤S3：低曲率区段上机械旋转点与激光切割点重合，计算刀具切割路径上的行程增量，转至步骤S4；步骤S4：判断行程增量是否满足约束，若满足则输出行程增量至伺服电机，驱动激光切割头进行切割，若不满足则降低给进速度，转至步骤S1。与现有技术相比，本发明具有提高工件切割的加工速率、稳定性更好等优点。

Description

一种激光切割五轴联动运行控制方法

技术领域

本发明涉及自动化加工机床技术领域，尤其是涉及一种激光切割五轴联动运行控制方法。

背景技术

装备制造业和一个国家的综合国力密切相关，振兴装备制造业则需要高端、实用、质优价廉的机械设备作为基础支柱。数控机床作为机械设备的代表，是由多轴联动完成任务，被称为装备制造的“母机”。数控机床种类繁多，最常见的联动方式有三轴联动和五轴联动两种，相比前者而言，五轴联动虽然在运动学上需要更为繁琐的变换，但适用于加工复杂曲线或曲面，应用价值更高。

激光切割技术已经成为目前在工业应用最具有市场前景、应用领域最大的技术加工种类之一，被广泛的应用于汽车车身覆盖件制造、航空材料、机械制造等领域内。相比较于传统机械刀具切割，激光切割具有质量高、缝隙小、速度快、几乎不受工件材料本身影响等等优点。

作为大飞机关键部件的钛合金蒙皮机械加工采用了五轴激光切割设备，将五轴联动与激光切割的优势相结合，对于加工尺寸大、精度要求高、造型曲面复杂的蒙皮零件十分有价值。然而，目前国内在这一领域的相关理论和应用研究几乎处于空白。现有的加工技术效率低、精度低、成本高，严重限制了大飞机高精度零配件加工的发展。激光切割五轴联动的运动学、逆运动学方程以及插补运动算法是激光切割五轴联动设备的关键技术，直接影响到成型工件的精度。

现有技术公开了一种三维五轴激光切割机床及加工轨迹自动生成方法，通过STL模型的切口线的自动识别根据读入STL数据对曲面模型和实体模型进行识别并生成切口线，但考虑的曲面模型为曲率较小的闭环结构，不适用于从直线变化到弧面的曲率较大的情况，对激光切割的精度造成影响，与切割路径存在较大误差。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的对于高曲率切割路径的加工效率低、精度不高的缺陷而提供一种激光切割五轴联动运行控制方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种激光切割五轴联动运行控制方法，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取激光切割头在目标工件上的给进速度，根据所述给进速度进行激光入射角规划，计算对应刀具切割路径的曲率，若曲率大于设定阈值，判定为高曲率区段，转至步骤S2，否则判定为低曲率区段，转至步骤S3；

步骤S2：以所述高曲率区段的两端为起点和终点，生成圆弧状的低曲率虚拟路径，计算激光切割头在所述低曲率虚拟路径上沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，所述激光切割头的机械旋转点位于所述低曲率虚拟路径上，所述机械旋转点和激光切割头的连线与目标工件的表面相交，对应的交点为激光切割点，所述激光切割点位于刀具切割路径上，转至步骤S4；

步骤S3：所述低曲率区段上机械旋转点与激光切割点重合，均位于所述刀具切割路径上，计算所述激光切割头在刀具切割路径沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，转至步骤S4；

步骤S4：判断所述激光切割头的各轴的行程增量是否满足行程增量约束，若满足则输出各轴的行程增量至伺服电机，所述伺服电机驱动激光切割头按照低曲率虚拟路径或刀具切割路径对目标工件进行切割，若不满足则降低给进速度，转至步骤S1。

所述高曲率区段的刀具切割路径包括两个相交的直线段以及连接两个直线段的圆弧段。

所述高曲率区段的低曲率虚拟路径使激光切割头的机械旋转点和激光切割点分离，使激光切割头在高曲率区段的刀具切割路径上不用降低给进速度。

进一步地，所述直线段的长度通过以下公式计算得出：

L＝vT

其中，L为直线段的长度，v为给进速度，T为直线段的插补周期。

所述给进速度为合成矢量速度，具体计算公式如下：

其中，

为机械旋转点的移动速度，

为激光切割点的移动速度，ω_BiW_i为激光切割头的角速度。

进一步地，所述低曲率虚拟路径的半径具体如以下公式所示：

其中，R为低曲率虚拟路径的半径，r为圆弧段的半径，α为圆弧段的圆心角。

进一步地，所述低曲率虚拟路径的参数方程如下：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标。

进一步地，所述机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标的计算公式如下：

其中，θ为机械旋转点在低曲率虚拟路径上相对于低曲率虚拟路径的起点的转向角，且θ满足

进一步地，所述机械旋转点和激光切割头的连线具体为：

y_i＝k_ix_i+b_i

其中，k_i为激光切割头的激光入射角的斜率，b_i为机械旋转点和激光切割头的连线在直线段上的截距。

进一步地，所述k_i和b_i具体通过如以下公式所示：

其中，θ₁为激光切割头的激光入射方向与直线段的夹角。

进一步地，所述机械旋转点和激光切割头的连线与低曲率虚拟路径的参数方程联立，得到低曲率虚拟路径的插补位置方程，具体为：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标，即插补位置坐标。

进一步地，对所述低曲率虚拟路径的插补位置方程求解，得到低曲率虚拟路径的插补位置坐标如下所示：

激光切割头根据低曲率虚拟路径的插补位置坐标进行移动，在目标工件的表面沿刀具切割路径进行切割。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明以高曲率区段的两端为起点和终点，生成圆弧状的低曲率虚拟路径来辅助切割，不受高曲率区段的几何形状影响而降低给进速度，与传统技术中在高区率区段需要降速切割相比，提高了工件切割的加工速率。

2.本发明通过低曲率虚拟路径，使机械旋转点稳定在圆弧状的平滑路径上，相应的激光切割点可以精确标定在刀具切割路径上，不会对原有路径产生影响，与传统技术中机械旋转点被动分类相比，具有更高的稳定性与更好的切割效果。

附图说明

图1为本发明的流程示意图；

图2为本发明低曲率虚拟路径的流程示意图；

图3为本发明低曲率虚拟路径的几何参数示意图；

图4为本发明低曲率虚拟路径的插补原理示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，一种激光切割五轴联动运行控制方法，使高区率区段的给进速度不受高曲率区段的几何形状影响，提高了工件切割的加工速率，具有更高的稳定性，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取激光切割头在目标工件上的给进速度，根据给进速度进行激光入射角规划，计算对应刀具切割路径的曲率，若曲率大于设定阈值，判定为高曲率区段，转至步骤S2，否则判定为低曲率区段，转至步骤S3；

步骤S2：以高曲率区段的两端为起点和终点，生成圆弧状的低曲率虚拟路径，计算激光切割头在低曲率虚拟路径上沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，激光切割头的机械旋转点位于低曲率虚拟路径上，机械旋转点和激光切割头的连线与目标工件的表面相交，对应的交点为激光切割点，激光切割点位于刀具切割路径上，转至步骤S4；

步骤S3：低曲率区段上机械旋转点与激光切割点重合，均位于刀具切割路径上，计算激光切割头在刀具切割路径沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，转至步骤S4；

步骤S4：判断激光切割头的各轴的行程增量是否满足行程增量约束，若满足则输出各轴的行程增量至伺服电机，伺服电机驱动激光切割头按照低曲率虚拟路径或刀具切割路径对目标工件进行切割，若不满足则降低给进速度，转至步骤S1。

高曲率区段的刀具切割路径包括两个相交的直线段以及连接两个直线段的圆弧段，圆弧段的圆弧半径为3mm。

高曲率区段的低曲率虚拟路径使激光切割头的机械旋转点和激光切割点分离，使激光切割头在高曲率区段的刀具切割路径上不用降低给进速度。

直线段的长度通过以下公式计算得出：

L＝vT

其中，L为直线段的长度，v为给进速度，T为直线段的插补周期。

给进速度为合成矢量速度，具体计算公式如下：

其中，

为机械旋转点的移动速度，

为激光切割点的移动速度，ω_BiW_i为激光切割头的角速度。

低曲率虚拟路径的半径具体如以下公式所示：

其中，R为低曲率虚拟路径的半径，r为圆弧段的半径，α为圆弧段的圆心角。

低曲率虚拟路径的参数方程如下：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标。

机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标的计算公式如下：

其中，θ为机械旋转点在低曲率虚拟路径上相对于低曲率虚拟路径的起点的转向角，且θ满足

机械旋转点和激光切割头的连线具体为：

y_i＝k_ix_i+b_i

其中，k_i为激光切割头的激光入射角的斜率，b_i为机械旋转点和激光切割头的连线在直线段上的截距。

k_i和b_i具体通过如以下公式所示：

其中，θ₁为激光切割头的激光入射方向与直线段的夹角。

机械旋转点和激光切割头的连线与低曲率虚拟路径的参数方程联立，得到低曲率虚拟路径的插补位置方程，具体为：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标，即插补位置坐标。

对低曲率虚拟路径的插补位置方程求解，得到低曲率虚拟路径的插补位置坐标如下所示：

激光切割头根据低曲率虚拟路径的插补位置坐标进行移动，在目标工件的表面沿刀具切割路径进行切割。

步骤3中的低曲率区段若为直线，包括起点p₀(0，0)和终点p₁(x₁，y₁)，起点和终点之间的给进速度恒定，对应直线插补的行程增量具体为：

其中，x₁和y₁为低曲率区段中刀具切割路径上的激光切割点的坐标，Δx和Δy为相应坐标轴上的行程增量，k具体为：

步骤3中的低曲率区段若为低曲率的圆弧段，圆弧段p₁(x₁，y₁)p₂(x₂，y₂)在ΔL上进给速度为v，N(x_i，y_i)为圆弧上第i时刻的位置，沿切线方向切割，具有分速度v_x，v_y。圆弧方程具体为：

在x轴和y轴方向分速度分别为：

在一个脉冲当量Δt内，x轴和y轴方向的行程增量分别为：

由于给进速度不变，因此x轴和y轴方向的行程增量简化为：

其中，k₁为比例常数，

此外，需要说明的是，本说明书中所描述的具体实施例，所取名称可以不同，本说明书中所描述的以上内容仅仅是对本发明结构所做的举例说明。凡依据本发明构思的构造、特征及原理所做的等效变化或者简单变化，均包括于本发明的保护范围内。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实例做各种各样的修改或补充或采用类似的方法，只要不偏离本发明的结构或者超越本权利要求书所定义的范围，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤S1：获取激光切割头在目标工件上的给进速度，根据所述给进速度进行激光入射角规划，计算对应刀具切割路径的曲率，若曲率大于设定阈值，判定为高曲率区段，转至步骤S2，否则判定为低曲率区段，转至步骤S3；

步骤S2：以所述高曲率区段的两端为起点和终点，生成圆弧状的低曲率虚拟路径，计算激光切割头在所述低曲率虚拟路径上沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，所述激光切割头的机械旋转点位于所述低曲率虚拟路径上，所述机械旋转点和激光切割头的连线与目标工件的表面相交，对应的交点为激光切割点，所述激光切割点位于刀具切割路径上，转至步骤S4；

步骤S3：所述低曲率区段上机械旋转点与激光切割点重合，均位于所述刀具切割路径上，计算所述激光切割头在刀具切割路径沿激光切割头的坐标轴的各轴的行程增量，转至步骤S4；

步骤S4：判断所述激光切割头的各轴的行程增量是否满足行程增量约束，若满足则输出各轴的行程增量至伺服电机，所述伺服电机驱动激光切割头按照低曲率虚拟路径或刀具切割路径对目标工件进行切割，若不满足则降低给进速度，转至步骤S1。

2.根据权利要求1所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述高曲率区段的刀具切割路径包括两个相交的直线段以及连接两个直线段的圆弧段。

3.根据权利要求2所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述直线段的长度通过以下公式计算得出：

L＝vT

其中，L为直线段的长度，v为给进速度，T为直线段的插补周期。

4.根据权利要求3所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述低曲率虚拟路径的半径具体如以下公式所示：

其中，R为低曲率虚拟路径的半径，r为圆弧段的半径，α为圆弧段的圆心角。

5.根据权利要求4所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述低曲率虚拟路径的参数方程如下：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标。

6.根据权利要求5所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标的计算公式如下：

其中，θ为机械旋转点在低曲率虚拟路径上相对于低曲率虚拟路径的起点的转向角，且θ满足

7.根据权利要求2所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述机械旋转点和激光切割头的连线具体为：

y_i＝k_ix_i+b_i

其中，k_i为激光切割头的激光入射角的斜率，b_i为机械旋转点和激光切割头的连线在直线段上的截距。

8.根据权利要求7所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述k_i和b_i具体通过如以下公式所示：

其中，θ₁为激光切割头的激光入射方向与直线段的夹角。

9.根据权利要求8所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，所述机械旋转点和激光切割头的连线与低曲率虚拟路径的参数方程联立，得到低曲率虚拟路径的插补位置方程，具体为：

其中，

和

为机械旋转点在低曲率虚拟路径上的坐标，即插补位置坐标。

10.根据权利要求9所述的一种激光切割五轴联动运行控制方法，其特征在于，对所述低曲率虚拟路径的插补位置方程求解，得到低曲率虚拟路径的插补位置坐标如下所示：

激光切割头根据低曲率虚拟路径的插补位置坐标进行移动，在目标工件的表面沿刀具切割路径进行切割。

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