CN113867265A - 激光束热源中心坐标的追踪方法 - Google Patents

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芦凤桂
夏皓春
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Abstract

本发明提供一种激光束热源中心坐标的追踪方法，首先确定光束运动方式并利用不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据，再根据获得的各个时刻的速率数据，通过循环算法判断当前时刻所在时间间隔并通过公式得出任意时刻在时间间隔里的位移分量以及总位移，也即获得了激光束热源中心坐标；本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法应用于采用激光束加工制造的过程，适用范围广泛，同时本发明也实现了激光束热源中心坐标的简单、快速、精确定位以及追踪。

Description

激光束热源中心坐标的追踪方法
技术领域
本发明涉及激光加工制造技术领域，特别是涉及激光束热源中心坐标的追踪方法。
背景技术
激光加工应用范围广泛，如激光增材制造、激光3D打印、远程激光焊接等应用。随着工业制造对焊接加工质量与效率要求的提高，曲线运动等复杂运动轨迹的激光应用受到越来越多的关注，如远程激光应用在汽车制造领域可大大提高操作灵活性和自动化程度，且焊接效率提高，节约成本。一般焊接机器人配合光束振镜系统，给定不同轨迹点的时刻及运动速度来控制光束位置，可实现光束的灵活运动。仿真模拟过程中，热源的施加依赖于光束的分布及运动轨迹的精确定位。一般的热源移动过程仅涉及简单的匀加速直线运动(含匀减速和匀速)，或者利用给定运动轨迹曲线实现光束位置捕捉，编程过程较为简单。而远程激光焊焊接的灵活性使得仿真模拟中光束热源的施加复杂程度增加。机器人利用程序捕捉光束运动轨迹，通常先离散然后根据每个点的时刻及速度进行光束追踪，在仿真编程过程中需要将速度关系与位置关系对应起来。如何实现高效准确的激光束热源中心坐标定位成为激光加工仿真模拟提高精确度的关键。
发明内容
鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明要解决的技术问题在于提供一种激光束热源中心坐标的追踪方法，以实现更加高效准确的激光束热源中心坐标定位。
为了解决上述技术问题，本发明提供一种激光束热源中心坐标的追踪方法，包括以下步骤：
确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据；
读取速率数据，获得每个时刻tk对应的速率Vk(uk,vk)分量数据及总的时间个数n；
依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)；
对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔，然后利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)；
计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；
计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)。
优选的，所述对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔的步骤包括：根据各个时刻的速率数据通过循环算法获得该时刻所在的离散后的时间间隔记作tk-1以及tk，并确定其对应的速率数据Vk-1(uk-1,vk-1)以及Vk(uk,vk)，为后续激光束热源中心坐标获取做准备。
优选的，所述依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)的步骤包括：根据公式
Figure BDA0003284356930000021
Figure BDA0003284356930000022
获得每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)；根据公式xk＝xk-1+Δxk以及yk＝yk-1+Δyk、xk-1＝xk-2+Δxk-1以及yk-1＝yk-2+Δyk-1……x2＝Δx2以及y2＝Δy2递归获得每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)；本发明通过各个时间间隔对应的速率数据得出了每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及通过递归的方法获得了每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)，方便快捷。
优选的，所述利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)的步骤包括：根据公式
Figure BDA0003284356930000023
获得当前时刻t对应的速度V(u,v)；通过线性插值的方法获得当前时刻t对应的速度V(u,v)，快捷且高效。
优选的，所述计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)的步骤包括：根据位移计算公式
Figure BDA0003284356930000024
获得当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；本方法进一步计算得出了当前时刻t所在时间间隔内的位移，为后续计算当前时刻t的激光束热源中心坐标提供基础。
优选的，所述计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)的步骤包括：根据位置计算公式x＝xk-1+Δx以及y＝yk-1+Δy获得当前激光束热源中心的位置(x,y)，通过时间间隔起始点的位置与当前时刻t所在时间间隔内的位移之和确定了当前激光束热源中心坐标，简单方便且高效。
优选的，所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤包括：当光束的运动方式是给定的激光束热源中心运动速度曲线时，通过离散的方式得到不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
优选的，所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤还包括直接给定不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
如上所述，本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法，具有以下有益效果：本方法首先确定光束运动方式并利用不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据，再根据获得的各个时刻的速率数据，判断当前时刻所在时间间隔并通过公式得出任意时刻在时间间隔里的位移分量以及总位移，也即获得了激光束热源中心坐标；本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法应用于采用激光束加工制造的过程，适用范围广泛，同时本发明也实现了激光束热源中心坐标的简单、快速、精确定位以及追踪。
附图说明
图1显示为本发明激光束热源中心坐标的追踪方法的流程示意图；
图2显示为本发明激光束热源中心坐标的追踪方法的具体实施方式的激光束热源中心运动轨迹；
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。
须知，本说明书所附图中所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，本发明提供一种激光束热源中心坐标的追踪方法；包括以下步骤：
确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据；
读取速率数据，获得每个时刻tk对应的速率Vk(uk,vk)分量数据及总的时间个数n；
依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)；
对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔，然后利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)；
计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；
计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)。
本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法首先确定光束运动方式并利用不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据，再根据获得的各个时刻的速率数据，判断当前时刻所在时间间隔并通过公式得出任意时刻在时间间隔里的位移分量以及总位移，也即获得了激光束热源中心坐标。
在本实施例中，所述对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔的步骤包括：根据各个时刻的速率数据通过循环算法获得该时刻所在的离散后的时间间隔记作tk-1以及tk，并确定其对应的速率数据Vk-1(uk-1,vk-1)以及Vk(uk,vk)，为后续激光束热源中心坐标获取做准备。
在本实施例中，所述依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)的步骤包括：根据
Figure BDA0003284356930000041
Figure BDA0003284356930000042
计算获得每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)；根据公式xk＝xk-1+Δx以及yk＝yk-1+Δy、xk-1＝xk-2+Δxk-1以及yk-1＝yk-2+Δyk-1……x2＝Δx2以及y2＝Δy2递归获得每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)；本方法通过各个时间间隔对应的速率数据得出了每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及通过递归的方法获得了每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)，方便快捷。
在本实施例中，所述利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)的步骤包括；根据线性插值公式
Figure BDA0003284356930000043
以及
Figure BDA0003284356930000044
获得当前时刻t对应的速度V(u,v)；通过线性插值的方法获得当前时刻t对应的速度V(u,v)，快捷且高效。
在本实施例中，所述计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)的步骤包括：包括根据位移计算公式
Figure BDA0003284356930000045
以及
Figure BDA0003284356930000046
获得当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；本方法进一步计算得出了当前时刻t所在时间间隔内的位移，为后续计算当前时刻t的激光束热源中心的位置提供基础。
在本实施例中，所述计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)的步骤包括：根据位置计算公式x＝xk-1+Δx以及y＝yk-1+Δy获得当前时刻t激光束热源中心的位置(x,y)，通过时间间隔起始点的位置与当前时刻t所在时间间隔内的位移之和确定了当前激光束热源中心的位置，简单方便且高效。
在本实施例中，所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤包括：当光束的运动方式是给定的激光束热源中心运动速度曲线时，通过离散的方式得到不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
在本实施例中，所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤还包括直接给定不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
如图2所示，为本发明的一具体实施方式，给定一段具有n个点的激光束热源中心运动轨迹，其中P1、P2、P3、Pk-2、Pk-1、Pk、Pn-1以及Pn为给定的不同时刻的离散后的光束中心轨迹点，分别对应相应的时刻t1、t2、t3、tk-2、tk-1、tk、tn-1以及tn和相应的速度V1(u1,v1)、V2(u2,v2)、V3(u3,v3)、Vk-2(uk-2,vk-2)、Vk-1(uk-1,vk-1)、Vk(uk,vk)、Vn-1(un-1,vn-1)以及Vn(un,vn)，且上述轨迹点处的位移分量分别为(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(xk-2,yk-2)、(xk-1,yk-1)、(xk,yk)、(xn-1,yn-1)以及(xn,yn)，其中P1和Pn分别为起始点和终点。
因为P1为起始点，则根据公式
Figure BDA0003284356930000051
Figure BDA0003284356930000052
…
Figure BDA0003284356930000053
…
Figure BDA0003284356930000054
进而可以递归得出上述轨迹点处的位移分量(x1,y1)、(x2,y2)、(x3,y3)、(xk-2,yk-2)、(xk-1,yk-1)、(xk,yk)、(xn-1,yn-1)以及(xn,yn)。
对于任一给定的时刻t对应的轨迹点Pt，首先通过循环算法确定其位于时间间隔tk-1以及tk之间，也即Pt落在Pk-1与Pk之间，并确定Pk-1与Pk对应的速率数据Vk-1(uk-1,vk-1)以及Vk(uk,vk)；利用线性插值的公式
Figure BDA0003284356930000055
以及
Figure BDA0003284356930000056
获得t时刻对应的速度V(u,v)；
上面得到的V(u,v)再代入公式
Figure BDA0003284356930000057
以及
Figure BDA0003284356930000058
获得当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；
接着再将(Δx,Δy)代入公式x＝xk-1+Δx以及y＝yk-1+Δy获得当前时刻t激光束热源中心的位置(x,y)。
综上所述，本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法首先确定光束运动方式并利用不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据，再根据获得的各个时刻的速率数据，通过循环算法判断当前时刻所在时间间隔并通过公式得出任意时刻在时间间隔里的位移分量以及总位移，也即获得了激光束热源中心坐标；本发明的激光束热源中心坐标的追踪方法应用于采用激光束加工制造的过程，适用范围广泛，同时本发明也实现了激光束热源中心坐标的简单、快速、精确定位以及追踪。所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (8)

1.一种激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于，包括步骤：
确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据；
读取速率数据，获得每个时刻tk对应的速率Vk(uk,vk)分量数据及总的时间个数n；
依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)；
对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔，然后利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)；
计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)；
计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)。
2.根据权利要求1所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述对于任意时刻t，首先确定该时刻所在的离散后的时间间隔的步骤包括：根据各个时刻的速率数据通过循环算法获得该时刻所在的离散后的时间间隔记作tk-1以及tk，并确定其速率数据Vk-1(uk-1,vk-1)以及Vk(uk,vk)。
3.根据权利要求2所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述依据速率数据按照直线运动方程计算每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)以及每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)的步骤包括：根据公式
Figure FDA0003284356920000011
以及
Figure FDA0003284356920000012
获得每个时间间隔内的位移分量(Δxk,Δyk)；根据公式xk＝xk-1+Δxk以及yk＝yk-1+Δyk、xk-1＝xk-2+Δxk-1以及yk-1＝yk-2+Δyk-1……x2＝Δx2以及y2＝Δy2递归获得每个时刻tk对应的总位移分量(xk,yk)。
4.根据权利要求2所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述利用线性插值获得当前时刻t对应的速度V(u,v)的步骤包括：根据公式
Figure FDA0003284356920000013
以及
Figure FDA0003284356920000014
获得当前时刻t对应的速度V(u,v)。
5.根据权利要求2所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述计算当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)的步骤包括：根据位移计算公式
Figure FDA0003284356920000015
以及
Figure FDA0003284356920000021
获得当前时刻t所在时间间隔内的位移(Δx,Δy)。
6.根据权利要求2所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述计算当前时刻t点的总位移即为当前激光束热源中心的位置(x,y)的步骤包括：根据位置计算公式x＝xk-1+Δx以及y＝yk-1+Δy获得当前激光束热源中心的位置(x,y)。
7.根据权利要求1所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤包括：当光束的运动方式是给定的激光束热源中心运动速度曲线时，通过离散的方式得到不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
8.根据权利要求1所述的激光束热源中心坐标的追踪方法，其特征在于：所述确定光束的运动方式，并根据不同的光束运动方式获得各个时刻的速率数据的步骤包括直接给定不同时刻tk的速度Vk(uk,vk)。
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