CN115121965B - 一种激光切割优化引线的生成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种激光切割优化引线的生成方法，该生成方法通过计算板材中可以放置穿孔点的安全区域，并针对所允许的最长引线长度，寻找每个零件的切割路径(偏置轮廓)可能放置穿孔点的位置，并结合切割路径(偏置轮廓)的切割方向生成引线。生成的引线不仅不会影响其他零件，同时还方便零件的加工，能够提高切入点处的零件的加工质量。本发明的生成方法，除了一开始计算所有零件的公共区域集合计算量较大外其余各个环节计算速度都很快，但是因为公共区域集合只需要计算一次，使得该生成方法能在很快的时间稳定可靠的实现激光切割自动添加优化引线的目的。

Description

一种激光切割优化引线的生成方法

技术领域

本发明属于计算几何、计算机辅助制造CAM(Computer aided manufacturing)和激光切割技术领域，具体涉及一种激光切割优化引线的生成方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展和计算机的普及，计算机辅助设计渐渐代替了许多繁琐的工作，使得计算机不再只是一种高效的计算工具，也成为了了帮助人们进行创造性设计工作的帮手。这其中，计算几何就是计算机能实现这一功能的基础理论之一。计算几何的定义是：“对几何外形信息的计算机表示、分析和综合”。其主要研究内容是几何形体的数学描述和计算机表述，通过一系列离散点或特征多边形建立数学模型，再通过计算机进行计算，求出希望得到的信息。其几何化、代数化和图形化的特点不仅帮助我们表示和处理各种复杂的曲面和几何形体，也克服了我们过分依赖坐标系选取的不足之处。

和计算机辅助设计一样，计算机辅助制造也是借助计算机的优势，为制造方法开辟了一条新的道路。计算机辅助制造利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动，即通过直接或间接地把计算机与制造过程和生产设备相联系，用计算机系统进行制造过程的计划、管理以及对生产设备的控制与操作的运行，处理产品制造过程中所需的数据，控制和处理物料(毛坯和零件等)的流动，对产品进行测试和检验等。

激光切割利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的切缝，完成对材料的切割。激光切割设备通常采用计算机化数字控制技术(CNC)装置。采用该装置后，就可以从计算机辅助设计(CAD)工作站来接受切割数据。激光切割具有切割质量好、切割效率高、切割速度快、非接触式切割带来的噪声低，振动小，无污染等优点。

激光切割常被用于零件组的加工，现有技术中普遍采用手动添加引线位置的方法，较为繁琐；自动添加引线的功能也不完善，通常只会固定方向和长度，不会考虑引线是否会影响其他零件轮廓，需要生成后再手动检查和调整。除此之外，如果引线方向与要切割的路径方向一致，可以加快切割速度，提高切割质量，而现有技术都无法做到自动生成这类合适的穿孔点位置。因此需要一种自动生成的激光切割优化引线的添加方法。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种激光切割优化引线的生成方法，该方法通过偏置和布尔运算，首先找到不会影响所有零件的公共区域，再从公共区域中根据每个零件适合穿孔的距离生成适应各个零件的可能穿孔区域，接着从轮廓的每条边入手，通过构造矩形与可能穿孔区域布尔运算找到适合的优化穿孔点位置，从而生成方向与要切割的路径方向一致且不会影响其他零件的引线。

一种激光切割优化引线的生成方法，包括以下步骤：

(1)输入套料后待切割的零件组，将其中所有零件轮廓通过偏置生成切割路径组集合；

(2)通过布尔减运算将切割路径组集合中每个零件的所有偏置轮廓构成的区域从板材中去除，得到公共区域集合；

(3)选取切割路径组集合中任一未遍历偏置轮廓作为的当前轮廓，对当前轮廓进行偏置后与公共区域集合做布尔运算，生成当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合；

(4)在可能放置穿孔点的区域集合中筛选出适合当前轮廓的穿孔点并生成引线；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至所有偏置轮廓遍历完毕，输出所有引线。

上述步骤(1)中，生成的切割路径组集合中，每个零件对应的所有偏置轮廓组成一个切割路径组，所有零件的切割路径组共同构成了切割路径组集合；每个偏置轮廓由多个点构成，每相邻两个点构成一条偏置轮廓的边。

作为优选，步骤(1)中，所述零件组中至少包括一个零件，每个零件至少由一条封闭的外轮廓组成，且每条轮廓由一系列的点构成，相邻的点组成该轮廓的一条线段。其中，构成零件外轮廓的点按逆时针排列，构成零件内轮廓的点按顺时针排列。

存储零件组的容器可以是vector，而存储零件的数据结构应该至少包含组成当前零件的轮廓的数据结构，而存储轮廓的数据结构又应该至少包含组成当前轮廓的点的数据结构。而存储点的数据结构应该包含点的位置信息。

作为一种选择，存储零件组的容器定义如下：vector<Part>，其中Part表示零件的一种数据结构。Part自身也是一个vector<Polyline>，即存放当前零件的所有轮廓的一种数据结构，Polyline则是表示零件轮廓的一种数据结构。与Part相似，Polyline自身是一个vector<Point>，即存放构成当前轮廓所有点的一种数据结构。Point是点的数据结构，点的结构内主要有X，Y两个属性代表这个点的位置信息。

作为优选，步骤(1)中，以激光半径为偏置距离对零件轮廓进行偏置。

作为优选，步骤(1)和(3)中，按照外轮廓向外，内轮廓向内的偏置原则分别对零件轮廓和当前轮廓进行偏置。得到的偏置轮廓与零件轮廓的方向一致。

作为一种选择，储存切割路径组集合的容器也可以采用vector，将每个零件的全部轮廓生成的偏置轮廓保存在一个vector<Part>中，且相应的点的方向与原零件轮廓的点的方向一致。

进一步地，步骤(2)中，每个零件所有轮廓的偏置轮廓根据方向组成的区域为该零件的影响区域。对于只含有外轮廓的零件，相应的偏置轮廓构成的区域即为该零件的影响区域；而同时包含外轮廓和内轮廓的零件的影响区域则是外轮廓包含的区域减去内轮廓包含的区域。从板材的区域中减去所有零件的影响区域后剩余的就是公共区域。在公共区域内选择穿孔点不会影响任何零件的切割。

上述步骤(3)中，最大引线长度一般由板材的材质、激光切割的功率以及激光半径共同决定；最小引线长度一般默认为激光半径。

作为优选，步骤(3)中，生成当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合的具体步骤为：

3.1分别以零件允许的最大引线长度和最小引线长度为偏置距离对当前轮廓进行偏置；

3.2将当前轮廓按照最大引线长度进行偏置得到的轮廓与公共区域集合进行布尔交运算，得到求交区域；

3.3将求交区域与当前轮廓按照最小引线长度进行偏置得到的轮廓进行布尔减运算，得到所述可能放置穿孔点的区域集合。

步骤3.1中，由于引线最终是连接在切割路径组集合中的偏置轮廓上，所以需对偏置轮廓进行偏置，最终找到穿孔点；步骤3.3中，将求交区域与当前轮廓按照最小引线长度进行偏置得到的轮廓进行布尔减运算，减去不满足引线长度的区域，剩余的区域即为当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合。

作为优选，步骤(4)中，在可能放置穿孔点的区域集合中筛选出适合当前轮廓的穿孔点并生成引线的具体步骤为：

按顺序遍历当前轮廓中的所有边，直至找到第一条满足以下条件的边为止：

沿当前遍历边的向量反方向从当前遍历边的起点延伸最大引线长度做矩形，将该矩形与可能放置穿孔点的区域集合做布尔求交运算，得到不为空的求交结果；在求交结果中任取一点作为当前轮廓的穿孔点，当前边的起点作为引入点，连接穿孔点和引入点得到当前轮廓的引线。

具体讲，按顺序选择轮廓的一条边作为当前边，沿着当前边的向量反方向从当前边的起点伸长最大引线长度做一个矩形，生成的矩形与可能放置穿孔点的区域集合做布尔交运算。如果有重合的地方(求交结果不为空)则在重合区域自由取点作为当前轮廓的穿孔点，并以当前边的起点作为引入点构成引线；

如果没有重合(求交结果为空)，则取下一条边按上述方法寻找穿孔点，直至找到一条边，其对应的矩形与可能放置穿孔点的区域集合的求交结果不为空，停止遍历，并确定穿孔点。

作为进一步优选，若当前轮廓中所有边对应的矩形与可能放置穿孔点的区域集合的求交结果均为空，则在可能放置穿孔点的区域集合中任取一点作为穿孔点，以当前轮廓上距离该穿孔点最近的点作为引入点，连接穿孔点和引入点得到当前轮廓的引线。

作为进一步优选，所述矩形的宽度为0.001～0.01。构建矩形的长度设定为最大引线长度，其目的是为了与可能放置穿孔点的区域集合做布尔交运算，所以矩形的宽度越小越好，保证后续选择的穿孔点与矩形的长度方向与原来边的方向基本一致，方便切割。

作为具体优选，一种激光切割优化引线的生成方法，包括以下按步骤：

步骤1：输入套料后待切割的零件组{P_i}，其中i∈[1,n]，n为零件总数；

步骤2：将零件组中所有零件轮廓通过偏置生成初步的切割路径集合{G_i}，其中i∈[1,n]，n为零件总数；

步骤3：通过布尔减运算将切割路径组集合{G_i}中零件的所有偏置轮廓组成的区域从板材中去除得到公共区域集合{S_j}，其中j∈[1,m]，m为表示公共区域的轮廓数；

步骤4：从切割路径集合{G_i}中依次选择一条偏置轮廓作为当前轮廓，将当前轮廓进行偏置后与公共区域做布尔运算生成当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合{C_q}，其中q∈[1,t]，t为表示穿孔点可以放置的区域的轮廓数；

步骤5：从可能放置穿孔点的区域集合{C_q}中选出适合当前轮廓e的穿孔点并生成引线；

步骤6：重复步骤4～5，直至所有需要添加引线的零件的每一条轮廓(切割路径组集合中所有的偏置轮廓)都计算完，输出所有引线。

本发明的激光切割优化引线的生成方法，通过对零件轮廓进行偏置和相应的布尔运算实现了激光切割引线的自动生成；且自动生成的引线与切割路径方向一致，提高了切割的速度以及切入点的切割质量。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的激光切割优化引线的生成方法，通过计算板材中可以放置穿孔点的安全区域，并针对所允许的最长引线长度，寻找每个零件的切割路径(偏置轮廓)可能放置穿孔点的位置，并结合切割路径(偏置轮廓)的切割方向生成引线。生成的引线不仅不会影响其他零件，同时还方便零件的加工，能够提高切入点处的零件的加工质量。本发明的生成方法，除了一开始计算所有零件的公共区域集合计算量较大外其余各个环节计算速度都很快，但是因为公共区域集合只需要计算一次，使得该生成方法能在很快的时间稳定可靠的实现激光切割自动添加优化引线的目的。

附图说明

图1为本发明实施例的激光切割优化引线的生成方法流程图；

图2为输入的所有需要加工的零件图；

图3为零件组的数据结构图；

图4为板材公共区域示意图；

图5为当前轮廓的偏置与当前轮廓可能放置穿孔点的区域示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案做进一步详细说明，以下实施例不构成对本发明的限定。

一种激光切割优化引线的生成方法流程图如图1所示，具体实施步骤如下：

步骤101：输入待加工的所有零件{P_i}(零件组)，其中i∈[1,n]，n为零件总数。

如图2所示，输入的所有需要加工的零件，是已经排列好的，每个零件至少由一条封闭的轮廓构成，即起始点和终止点相同。零件之间可以嵌套但是轮廓之间不能相交，方向可以是顺时针也可以是逆时针。

图3所示是零件组的数据结构，定义如下：存储零件组的容器Parts定义为vector<Part>，其中Part是表示零件的一种数据结构。Part自身也是一个vector<Polyline>，即存放当前零件的所有轮廓的一种数据结构，Polyline则是表示零件轮廓的一种数据结构。与Part相似，Polyline自身是一个vector<Point>，即存放构成当前轮廓所有点的一种数据结构，相邻的两个点则构成了一条边。Point是点的数据结构，有X，Y两个属性代表这个点的位置信息。

步骤102：零件组偏置生成切割路径组集合。

对零件轮廓进行偏置时，以激光半径为偏置距离，按照外轮廓向外、内轮廓向内的原则生成初始的切割路径(偏置轮廓)，初始偏置轮廓的方向与零件轮廓方向一致。每个零件的所有轮廓通过偏置生成的初始切割路径保存在一个切割路径组vector<Polyline>中，所有零件的切割路径组保存成一个切割路径组集合vector<Part>，类似于零件组的数据类型。

步骤103：通过布尔运算获取公共区域集合。

如图4所示，根据布尔减运算从板材轮廓围成的区域中减去每个零件的切割路径组共同构成的区域(影响区域)，剩余的公共区域集合就是放置穿孔点不会影响零件切割的区域。

步骤104：按顺序选择一条切割轮廓(偏置轮廓)。

生成的切割路径组集合是由多条偏置轮廓构成的，从中依次选择一个没有计算过引线的偏置轮廓作为当前轮廓。

步骤105：通过布尔运算获取当前轮廓可能放置穿孔点区域集合。

如图5所示，将当前轮廓按照步骤102的偏置规则进行偏置，偏置距离分别为零件允许的最大引线长度和最小引线长度。当前轮廓和公共区域的布尔运算分为两部分，首先将当前轮廓按照最大引线长度进行偏置得到的轮廓与公共区域做布尔交运算，得到求交区域；之后，将得到的求交区域与当前轮廓按最小引线长度进行偏置得到的轮廓做布尔减运算，减去不满足引线长度的区域，剩余区域为当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合，同样是用多条轮廓表示，保存在一个vector<Polyline>容器中。

步骤106：按照筛选规则生成引线。

按顺序选择当前轮廓中的一条边作为当前边，沿着当前边的向量反方向从这条边的起点伸长最大引线长度做一个宽度为0.001的矩形，将生成的矩形与步骤105中得到的可能放置穿孔点的区域集合做布尔交运算。如果有重合的地方(求交结果不为空)则在重合处取最远的顶点作为当前轮廓的穿孔点，并记录当前边的起点作为引入点构成引线；如果没有重合(求交结果为空)则按顺序取下一条边按上述方法寻找穿孔点，直至找到一条边对应的矩形与区域集合的求交结果不为空，确定穿孔点，生成引线。

如果当前轮廓中所有边都找不到与可能放置穿孔点的区域集合重合的区域，即所有边对应的矩形与区域集合的求交结果均为空，则从可能放置穿孔点的区域集合中自由取点作为穿孔点，并取当前轮廓上与该穿孔点距离最近的点作为引入点构成引线。

步骤107：判断是否切割路径组集合中所有的偏置轮廓都生成了引线，若仍有未生成的偏置轮廓，则返回步骤104计算下一个偏置轮廓的引线，若都生成了则继续下一步。

步骤108：输出所有引线。

本发明方法通过计算板材中可以放置穿孔点的安全区域，并针对所允许的最长引线长度，寻找每个零件的每条切割路径(偏置轮廓)可能放置穿孔点的位置，并结合切割路径的切割方向生成引线。生成的引线不仅不会影响其他零件，同时还方便零件的加工，能够提高切入点处的零件加工质量。本发明的生成方法除了一开始计算所有零件的公共区域计算量较大外其余各个环节计算速度都很快，但是因为公共区域只需要计算一次，使得本发明的生成方法能在很快的时间稳定可靠的实现激光切割自动添加优化引线的目的。本发明的生成方法稳定可靠，效率高，鲁棒性强，可以用于激光切割优化引线的自动生成。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，本发明还可以有各种更改和变化。在不脱离本发明原理的前提下，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种激光切割优化引线的生成方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)输入套料后待切割的零件组，将其中所有零件轮廓通过偏置生成切割路径组集合；

(2)通过布尔减运算将切割路径组集合中每个零件的所有偏置轮廓构成的区域从板材中去除，得到公共区域集合；

(3)选取切割路径组集合中任一未遍历偏置轮廓作为的当前轮廓，对当前轮廓进行偏置后与公共区域集合做布尔运算，生成当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合；

(4)在可能放置穿孔点的区域集合中筛选出适合当前轮廓的穿孔点并生成引线；

(5)重复步骤(3)和(4)，直至所有偏置轮廓遍历完毕，输出所有引线；

步骤(1)中，以激光半径为偏置距离对零件轮廓进行偏置；

步骤(3)中，生成当前轮廓可能放置穿孔点的区域集合的具体步骤为：

3.1分别以零件允许的最大引线长度和最小引线长度为偏置距离对当前轮廓进行偏置；

3.2将当前轮廓按照最大引线长度进行偏置得到的轮廓与公共区域集合进行布尔交运算，得到求交区域；

3.3将求交区域与当前轮廓按照最小引线长度进行偏置得到的轮廓进行布尔减运算，得到所述可能放置穿孔点的区域集合；

步骤(1)和(3)中，按照外轮廓向外，内轮廓向内的偏置原则分别对零件轮廓和当前轮廓进行偏置；

步骤(4)中，在可能放置穿孔点的区域集合中筛选出适合当前轮廓的穿孔点并生成引线的具体步骤为：

按顺序遍历当前轮廓中的所有边，直至找到第一条满足以下条件的边为止：

沿当前遍历边的向量反方向从当前遍历边的起点延伸最大引线长度做矩形，将该矩形与可能放置穿孔点的区域集合做布尔求交运算，得到不为空的求交结果；在求交结果中任取一点作为当前轮廓的穿孔点，当前边的起点作为引入点，连接穿孔点和引入点得到当前轮廓的引线。

2.根据权利要求1所述的激光切割优化引线的生成方法，其特征在于，若当前轮廓中所有边对应的矩形与可能放置穿孔点的区域集合的求交结果均为空，则在可能放置穿孔点的区域集合中任取一点作为穿孔点，以当前轮廓上距离该穿孔点最近的点作为引入点，连接穿孔点和引入点得到当前轮廓的引线。

3.根据权利要求1所述的激光切割优化引线的生成方法，其特征在于，所述矩形的宽度为0.001～0.01。

4.根据权利要求1所述的激光切割优化引线的生成方法，其特征在于，步骤(1)中，所述零件组中至少包括一个零件，每个零件至少由一条封闭的外轮廓组成，且每条轮廓由一系列的点构成，相邻的点组成该轮廓的一条线段。

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