CN116851930A - 一种三维五轴曲面激光切割轨迹生成方法及装置 - Google Patents

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CN116851930A
CN116851930A CN202310484067.6A CN202310484067A CN116851930A CN 116851930 A CN116851930 A CN 116851930A CN 202310484067 A CN202310484067 A CN 202310484067A CN 116851930 A CN116851930 A CN 116851930A
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laser cutting
track
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黄伟溪
李文威
梁佳楠
曹永军
钟震宇
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South China Robotics Innovation Research Institute
Institute of Intelligent Manufacturing of Guangdong Academy of Sciences
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South China Robotics Innovation Research Institute
Institute of Intelligent Manufacturing of Guangdong Academy of Sciences
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Abstract

本发明公开了一种三维五轴曲面激光切割轨迹生成方法及装置，方法包括：扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；在SolidWorks中导入稠密点云模型，并基于稠密点云模型建立曲面模型；在曲面模型上绘制切割线；根据切割精度要求对切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；基于切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；提取激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码。本发明能提高曲面薄板工件激光切割的效率和准确性。

Description

一种三维五轴曲面激光切割轨迹生成方法及装置
技术领域
本发明涉及切割领域，尤其是一种三维五轴曲面激光切割轨迹生成方法。
背景技术
当前激光切割已经广泛应用于许多领域。对于曲面形状的零件切割，使用传统的三轴切割方式难以解决加工面的曲面跳跃和扭曲问题，因此需要采用五轴切割以实现更加精细的切割。然而，目前已知的五轴切割方法大多数采用分片式程序编程方式，造成编程难度大，切割效果不可控，加工效率低等问题。而且激光切割三维曲面薄板时，由于薄板极易变形，采用基于薄板CAD模型生成的激光切割轨迹应用在已变形的薄板上，往往不能获得预期的切割精度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，本发明提供了一种三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法及装置，基于SolidWorks软件可以快速生成复杂曲面的切割轨迹并通过SolidWorks软件的插件提取切割轨迹点序列和切割姿态角序列，提高切割效率和准确性。
本发明提供了一种三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，所述方法包括：
扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
在所述曲面模型上绘制切割线；
根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码。
优选的，所述扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型包括：
使用三维激光扫描仪对工件进行扫描，获取工件表面的稠密点云数据；
基于稠密点云数据采用三角网格重建的方法建立初始曲面模型；
针对所述初始曲面模型进行平滑处理，获得新的曲面模型；
基于网格化对所述新的曲面模型进行处理得到工件曲面的精确密点云模型。
优选的，所述在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型，包括：
在SolidWorks中导入稠密点云模型；
基于SolidWorks中的dezignworks插件对稠密点云模型的稠密点云数据进行清理和编辑；
基于所述清理和编辑的稠密点云数据建立曲面模型。
优选的，在所述曲面模型上绘制切割线，具体步骤包括：
将曲面模型导入到SolidWorks软件中；
分析曲面模型切割的形状和尺寸，并通过3D绘制工具在曲面模型上确定切割线的路径；
基于切割线的路径在曲面模型上绘制切割线。
优选的，所述根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标，包括：
在SolidWorks采用Visual Basic语言进行程序二次开发；
在二次开发后的插件中调用SolidWorks的API函数提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标。
优选的，基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列，包括：
将激光切割线轨迹点的坐标转换为相对于新的参考原点的坐标系下的坐标；
x＝x0+x’
y＝y0+y’
其中，x，y分别是新坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x’，y‘分别是原坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x0，y0分别是原坐标系原点在新坐标系下的坐标。
优选的，所述提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列，包括：
确定激光切割轨迹点；
计算所述激光切割轨迹点邻域的曲面法向量来得到所述切割线的轨迹点处的曲面法向量；
基于每个所述激光切割轨迹点处的曲面法向量生成激光切割姿态角序列。
激光切割姿态角序列与激光切割轨迹点序列通过标号一一对应。
优选的，所述基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码，包括：
将切割轨迹点序列从三维坐标系转换为机床坐标系；
通过应用数学函数或算法对切割轨迹点序列平滑处理；
确定激光切割头的运动顺序、切割方向、激光切割头的最大移动速度和切割质量；
将切割姿态角序列转换为欧拉角或四元数格式；
使用插值算法对切割姿态角序列进行插值处理；
将切割姿态角序列转换为机床指令；
使用SolidWorks的delcam插件基于机床指令生成NC代码。
优选的，所述NC代码具体为：
使用G代码表示切割轨迹点序列，使用M代码表示切割姿态角序列；
基于G代码中的G00快速移动、G01线性插补、G02圆弧插补命令进进行控制。
本发明还提供了一种基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成装置，所述装置包括：
扫描模块：用于扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
处理模块：用于在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
绘线模块：用于在所述曲面模型上绘制切割线；
采样模块：用于根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
变换模块：用于基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
计算模块：用于提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
编程模块：用于基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码。
本发明的有益效果是：可以快速生成复杂曲面的切割轨迹，提高切割效率和准确性；通过激光束的补偿半径r可以避免激光切割时出现的偏差问题；通过提取曲面法向量生成的切割姿态角序列可以保证切割过程中激光切割头的相对位置稳定，减少切割误差；通过基于切割轨迹点序列和切割姿态角序列生成的NC代码可以直接控制激光切割头的运动，实现自动化生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见的，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明实施例中的基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法的流程示意图；
图2是本发明实施例中的基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成装置的结构示意图；
图3是本发明实施例中工件上的切割线与激光切割轨迹示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，请参阅图1和图3，图1是本发明实施例中的基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法的流程示意图，图3是本发明实施例中工件上的切割线与激光切割轨迹示意图。
如图1所示，所述基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，该方法包括：
S11、扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
在本发明具体实施过程中，所述扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型，步骤为：使用三维激光扫描仪对工件进行扫描，获取工件表面的稠密点云数据；基于稠密点云数据采用三角网格重建的方法建立初始曲面模型；针对所述初始曲面模型进行平滑处理，获得新的曲面模型；基于网格化对所述新的曲面模型进行处理得到工件曲面的精确密点云模型。
具体的，使用三维激光扫描仪对工件进行扫描可以获取工件表面的稠密点云数据，即在三维空间中以坐标点的形式记录下工件表面上的每一个点。这些坐标点的数量可能非常庞大，需要进行处理和配准；在处理和配准之后，可以使用三角网格重建的方法建立模型，即将稠密点云数据转换为三角网络形式的模型；这个过程中可以通过参数调节来控制模型的精度和分辨率。建立模型后，可以对模型进行平滑处理，使其更加符合实际工件表面的形态；平滑处理的方法有很多种，例如高斯滤波、均值滤波等等。经过平滑处理后，得到的模型比原始模型更加光滑和规整。所述基于网格化对所述新的模型进行处理得到工件曲面的稠密点云模型；这个过程中先对模型进行网格化处理，然后在每个网格上生成更多的点云数据，从而得到更加密集的点云模型。这个过程中可以通过更细的网格和更高的采样率来控制点云模型的和分辨率。
S12、在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
在本发明具体实施过程中，在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型，步骤为：在SolidWorks中导入稠密点云模型；基于SolidWorks中的dezignworks插件对稠密点云模型的稠密点云数据进行清理和编辑；基于所述清理和编辑的稠密点云数据建立曲面模型。
具体的，在SolidWorks中，首先需要将稠密点云模型导入。可以通过打开一个新的SolidWorks文件，然后点击“文件”菜单中的“导入”命令，在弹出的“导入向导”对话框中选择点云文件类型，如STL、OBJ等，然后选择所需的点云文件，点击“打开”按钮导入。在SolidWorks中打开导入的点云模型后，在“工具”菜单中找到“dezignworks”命令。点击该命令，在弹出的对话框中选择要清理或编辑的点云模型，然后通过界面中提供的相关工具完成点云数据的清理和编辑。在完成清理和编辑点云数据后，可以将其用于建立曲面模型。在SolidWorks中，选择“插入”菜单中的“曲面”命令，然后选择“网络曲面”或“边界曲线曲面”命令。在弹出的对话框中选择点云数据，然后根据需要进行曲面建模。可以使用SolidWorks中提供的曲面设计工具和功能来编辑和修改曲面模型，最终获得所需的曲面模型。
S13、在所述曲面模型上绘制切割线；
在本发明具体实施过程中，在所述曲面模型上绘制切割线步骤为：将曲面模型导入到SolidWorks软件中；分析曲面模型切割的形状和尺寸，并通过3D绘制工具在曲面模型上确定切割线的路径；基于切割线的路径在曲面模型上绘制切割线。
具体的：在SolidWorks软件中打开导航器，在菜单栏中选择“文件”点击“导入”，选择要导入的曲面模型文件，如STL格式文件，点击“打开”按钮，将曲面模型导入到SolidWorks中。对于导入的曲面模型，需要仔细分析要进行切割的形状和尺寸，包括切割长度、宽度和深度等参数。根据分析得到的切割参数，在3D绘制工具中确定切割线的路径。在SolidWorks软件中，可以使用绘图工具进行绘制，也可以使用曲面特征工具对曲面进行编辑，对切割线路径进行调整。将确定好的切割线路径绘制到曲面模型上。可以使用绘图工具，将切割线路径绘制在曲面模型的适当位置，以便于切割操作。总之，将曲面模型导入到SolidWorks软件中，并根据切割参数绘制激光切割线的路径，有助于精确地进行激光切割操作；同时，确保选择合适的切割参数和路径，可以保证切割的质量和效率。
S14、根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
在本发明具体实施过程中，所述根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标，步骤为：在SolidWorks采用Visual Basic语言进行程序二次开发；在二次开发后的插件中调用SolidWorks的API函数提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标。
具体的，需要调用SolidWorks的API函数提取激光切割线的信息，包括切割线的起点、终点、方向等信息；对切割线进行采样处理，获取切割线轨迹点；对每个切割线轨迹点，计算其在工件坐标系下的坐标值；计算每个切割线轨迹点对应的激光束的补偿半径r；将每个切割线轨迹点及其对应的激光束的补偿半径r保存到数据库中，以便后续使用。通过以上步骤，可以实现对激光切割线的采样处理和切割线轨迹点的提取。
S15、基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
图3示出了本发明实施例中工件上的切割线与激光切割轨迹示意图；
在本发明具体实施过程中，所述基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列，包括：
将激光切割线轨迹点的坐标转换为相对于新的参考原点的坐标系下的坐标；
x＝x0+x’
y＝y0+y’
其中，x，y分别是新坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x’，y‘分别是原坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x0，y0分别是原坐标系原点在新坐标系下的坐标。
进一步的，对调整后的每个点的原始坐标系下的坐标x，y进行排序；生成排序后的切割轨迹点序列。
S16、提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
在本发明具体实施过程中，提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列，步骤为：确定激光切割轨迹点；计算所述激光切割轨迹点邻域的曲面法向量来得到所述切割线的轨迹点处的曲面法向量；基于每个所述激光切割轨迹点处的曲面法向量生成激光切割姿态角序列。激光切割姿态角序列与激光切割轨迹点序列通过标号一一对应。
具体的，在进行数控加工时，需要确定激光切割线的轨迹点。这些点需要满足以下条件：点之间的距离不能太远，从而保证加工精度；点之间的角度不能太大，从而保证切割线的光滑度。首先，将待加工的曲面划分成若干个小区域；然后，在每个小区域中选取一个代表点；所述代表点需要满足前述条件，所述代表点即为激光切割轨迹点。
进一步的，在进行数控加工时，需要分析加工点处的曲面法向量；所述法向量可以通过计算激光切割轨迹点周围的曲面法向量得出。首先，通过激光切割轨迹点所在的区域中的网格点计算出切割线；然后，通过切面进行曲面拟合，得到该点处的曲面法向量。这里可以使用常规的曲面拟合算法，例如最小二乘法、RBF插值、有理B样条等。在基于每个切割线的轨迹点处的曲面法向量生成切割姿态角序得到激光切割轨迹点处的曲面法向量之后，就可以生成切割姿态角序列Ri(i,i,i)了。这个切割姿态角序列Ri(i,i,i)包括三个角度：刀具的倾斜角αi、旋转角βi和进刀角γi。所述刀具的倾斜角由切割线处的曲面法向量决定。刀具的旋转角是为了保证刀具能够顺利地进行切削；所述进刀角是为了提高加工效率。然而，通过计算激光切割轨迹点周围的曲面法向量，就可以确定这些角度。在进行数控加工时，可以依据所述刀具的倾斜角、旋转角和进刀角来控制刀具的运动。
S17、基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码；
在本发明具体实施过程中，基于切割轨迹点序列和切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码，具体步骤为：将切割轨迹点序列从三维坐标系转换为机床坐标系；通过应用数学函数或算法对切割轨迹点序列平滑处理；确定激光切割头的运动顺序、切割方向、激光切割头的最大移动速度和切割质量；将切割姿态角序列转换为欧拉角或四元数格式；使用插值算法对切割姿态角序列进行插值处理；将切割姿态角序列转换为机床指令；使用SolidWorks的delcam插件基于机床指令生成NC代码。
进一步的，在NC代码中使用G代码表示激光切割轨迹点序列，使用M代码表示激光切割姿态角序列；基于G代码中的G00快速移动、G01线性插补、G02圆弧插补命令进进行控制。基于M代码中的M03激光开启、M05激光关闭命令进行激光切割控制；同时，在NC代码中还包括切割条件设置、机床运行速度控制等指令，以确保切割过程的稳定性和切割质量的良好。最终，生成的NC代码可以被机床控制器读取执行，并将激光切割轨迹点序列转化为实际的切割产品。
实施例二，请参阅图2，图2是本发明实施例中的基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成装置的结构示意图。
如图2所示，一种基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成装置，所述装置包括：
扫描模块21：用于扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
在本发明具体实施过程中，所述扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型，步骤为：使用三维激光扫描仪对工件进行扫描，获取工件表面的稠密点云数据；基于稠密点云数据采用三角网格重建的方法建立初始曲面模型；针对所述初始曲面模型进行平滑处理，获得新的曲面模型；基于网格化对所述新的曲面模型进行处理得到工件曲面的精确密点云模型。
具体的，使用三维激光扫描仪对工件进行扫描可以获取工件表面的稠密点云数据，即在三维空间中以坐标点的形式记录下工件表面上的每一个点。这些坐标点的数量可能非常庞大，需要进行处理和配准；在处理和配准之后，可以使用三角网格重建的方法建立模型，即将稠密点云数据转换为三角网络形式的模型；这个过程中可以通过参数调节来控制模型的精度和分辨率。建立模型后，可以对模型进行平滑处理，使其更加符合实际工件表面的形态；平滑处理的方法有很多种，例如高斯滤波、均值滤波等等。经过平滑处理后，得到的模型比原始模型更加光滑和规整。所述基于网格化对所述新的模型进行处理得到工件曲面的稠密点云模型；这个过程中先对模型进行网格化处理，然后在每个网格上生成更多的点云数据，从而得到更加密集的点云模型。这个过程中可以通过更细的网格和更高的采样率来控制点云模型的和分辨率。
处理模块22：用于在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
在本发明具体实施过程中，在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型，步骤为：在SolidWorks中导入稠密点云模型；基于SolidWorks中的dezignworks插件对稠密点云模型的稠密点云数据进行清理和编辑；基于所述清理和编辑的稠密点云数据建立曲面模型。
具体的，在SolidWorks中，首先需要将稠密点云模型导入。可以通过打开一个新的SolidWorks文件，然后点击“文件”菜单中的“导入”命令，在弹出的“导入向导”对话框中选择点云文件类型，如STL、OBJ等，然后选择所需的点云文件，点击“打开”按钮导入。在SolidWorks中打开导入的点云模型后，在“工具”菜单中找到“dezignworks”命令。点击该命令，在弹出的对话框中选择要清理或编辑的点云模型，然后通过界面中提供的相关工具完成点云数据的清理和编辑。在完成清理和编辑点云数据后，可以将其用于建立曲面模型。在SolidWorks中，选择“插入”菜单中的“曲面”命令，然后选择“网络曲面”或“边界曲线曲面”命令。在弹出的对话框中选择点云数据，然后根据需要进行曲面建模。可以使用SolidWorks中提供的曲面设计工具和功能来编辑和修改曲面模型，最终获得所需的曲面模型。
绘线模块23：用于在所述曲面模型上绘制切割线；
在本发明具体实施过程中，在所述曲面模型上绘制切割线步骤为：将曲面模型导入到SolidWorks软件中；分析曲面模型切割的形状和尺寸，并通过3D绘制工具在曲面模型上确定切割线的路径；基于切割线的路径在曲面模型上绘制切割线。
具体的：在SolidWorks软件中打开导航器，在菜单栏中选择“文件”点击“导入”，选择要导入的曲面模型文件，如STL格式文件，点击“打开”按钮，将曲面模型导入到SolidWorks中。对于导入的曲面模型，需要仔细分析要进行切割的形状和尺寸，包括切割长度、宽度和深度等参数。根据分析得到的切割参数，在3D绘制工具中确定切割线的路径。在SolidWorks软件中，可以使用绘图工具进行绘制，也可以使用曲面特征工具对曲面进行编辑，对切割线路径进行调整。将确定好的切割线路径绘制到曲面模型上。可以使用绘图工具，将切割线路径绘制在曲面模型的适当位置，以便于切割操作。总之，将曲面模型导入到SolidWorks软件中，并根据切割参数绘制激光切割线的路径，有助于精确地进行激光切割操作；同时，确保选择合适的切割参数和路径，可以保证切割的质量和效率。
采样模块24：用于根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
在本发明具体实施过程中，所述根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标，步骤为：在SolidWorks采用Visual Basic语言进行程序二次开发；在二次开发后的插件中调用SolidWorks的API函数提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标。
具体的，需要调用SolidWorks的API函数提取激光切割线的信息，包括切割线的起点、终点、方向等信息；对切割线进行采样处理，获取切割线轨迹点；对每个切割线轨迹点，计算其在工件坐标系下的坐标值；计算每个切割线轨迹点对应的激光束的补偿半径r；将每个切割线轨迹点及其对应的激光束的补偿半径r保存到数据库中，以便后续使用。通过以上步骤，可以实现对激光切割线的采样处理和切割线轨迹点的提取。
变换模块25：用于基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
在本发明具体实施过程中，所述基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列，包括：
将激光切割线轨迹点的坐标转换为相对于新的参考原点的坐标系下的坐标；
x＝x0+x’
y＝y0+y’
其中，x，y分别是新坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x’，y‘分别是原坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x0，y0分别是原坐标系原点在新坐标系下的坐标。
进一步的，对调整后的每个点的原始坐标系下的坐标x，y进行排序；生成排序后的切割轨迹点序列。
计算模块26：用于提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
在本发明具体实施过程中，提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列，步骤为：确定激光切割轨迹点；计算所述激光切割轨迹点邻域的曲面法向量来得到所述切割线的轨迹点处的曲面法向量；基于每个所述激光切割轨迹点处的曲面法向量生成激光切割姿态角序列。激光切割姿态角序列与激光切割轨迹点序列通过标号一一对应。
具体的，在进行数控加工时，需要确定激光切割线的轨迹点。这些点需要满足以下条件：点之间的距离不能太远，从而保证加工精度；点之间的角度不能太大，从而保证切割线的光滑度。首先，将待加工的曲面划分成若干个小区域；然后，在每个小区域中选取一个代表点；所述代表点需要满足前述条件，所述代表点即为激光切割轨迹点。
进一步的，在进行数控加工时，需要分析加工点处的曲面法向量；所述法向量可以通过计算激光切割轨迹点周围的曲面法向量得出。首先，通过激光切割轨迹点所在的区域中的网格点计算出切割线；然后，通过切面进行曲面拟合，得到该点处的曲面法向量。这里可以使用常规的曲面拟合算法，例如最小二乘法、RBF插值、有理B样条等。在基于每个切割线的轨迹点处的曲面法向量生成切割姿态角序得到激光切割轨迹点处的曲面法向量之后，就可以生成切割姿态角序列Ri(αi,βi,γi)了。这个切割姿态角序列Ri(αi,βi,γi)包括三个角度：刀具的倾斜角αi、旋转角βi和进刀角γi。所述刀具的倾斜角由切割线处的曲面法向量决定。刀具的旋转角是为了保证刀具能够顺利地进行切削；所述进刀角是为了提高加工效率。然而，通过计算激光切割轨迹点周围的曲面法向量，就可以确定这些角度。在进行数控加工时，可以依据所述刀具的倾斜角、旋转角和进刀角来控制刀具的运动。
编程模块27：用于基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码；
在本发明具体实施过程中，基于切割轨迹点序列和切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码，具体步骤为：将切割轨迹点序列从三维坐标系转换为机床坐标系；通过应用数学函数或算法对切割轨迹点序列平滑处理；确定激光切割头的运动顺序、切割方向、激光切割头的最大移动速度和切割质量；将切割姿态角序列转换为欧拉角或四元数格式；使用插值算法对切割姿态角序列进行插值处理；将切割姿态角序列转换为机床指令；使用SolidWorks的delcam插件基于机床指令生成NC代码。
进一步的，在NC代码中使用G代码表示激光切割轨迹点序列，使用M代码表示激光切割姿态角序列；基于G代码中的G00快速移动、G01线性插补、G02圆弧插补命令进进行控制。基于M代码中的M03激光开启、M05激光关闭命令进行激光切割控制；同时，在NC代码中还包括切割条件设置、机床运行速度控制等指令，以确保切割过程的稳定性和切割质量的良好。最终，生成的NC代码可以被机床控制器读取执行，并将激光切割轨迹点序列转化为实际的切割产品。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：只读存储器(ROM，ReadOnly Memory)、随机存取存储器(RAM，Random AccessMemory)、磁盘或光盘等。
另外，以上对本发明实施例所提供的一种基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法及装置进行了详细介绍，本文中应采用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述方法包括：
扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
在所述曲面模型上绘制切割线；
根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码。
2.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型包括：
使用三维激光扫描仪对工件进行扫描，获取工件表面的稠密点云数据；
基于稠密点云数据采用三角网格重建的方法建立初始曲面模型；
针对所述初始曲面模型进行平滑处理，获得新的曲面模型；
基于网格化对所述新的曲面模型进行处理得到工件曲面的精确密点云模型。
3.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型，包括：
在SolidWorks中导入稠密点云模型；
基于SolidWorks中的dezignworks插件对稠密点云模型的稠密点云数据进行清理和编辑；
基于所述清理和编辑的稠密点云数据建立曲面模型。
4.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，在所述曲面模型上绘制切割线，具体步骤包括：
将曲面模型导入到SolidWorks软件中；
分析曲面模型切割的形状和尺寸，并通过3D绘制工具在曲面模型上确定切割线的路径；
基于切割线的路径在曲面模型上绘制切割线。
5.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标，包括：
在SolidWorks采用Visual Basic语言进行程序二次开发；
在二次开发后的插件中调用SolidWorks的API函数提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标。
6.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列，包括：
将激光切割线轨迹点的坐标转换为相对于新的参考原点的坐标系下的坐标；
x＝x0+x’
y＝y0+y’
其中，x，y分别是新坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x’，y‘分别是原坐标系下的激光切割轨迹点坐标，x0，y0分别是原坐标系原点在新坐标系下的坐标。
7.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列，包括：
确定激光切割轨迹点；
计算所述激光切割轨迹点邻域的曲面法向量来得到所述切割线的轨迹点处的曲面法向量；
基于每个所述激光切割轨迹点处的曲面法向量生成激光切割姿态角序列。
激光切割姿态角序列与激光切割轨迹点序列通过标号一一对应。
8.根据权利要求1所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码，包括：
将切割轨迹点序列从三维坐标系转换为机床坐标系；
通过应用数学函数或算法对切割轨迹点序列平滑处理；
确定激光切割头的运动顺序、切割方向、激光切割头的最大移动速度和切割质量；
将切割姿态角序列转换为欧拉角或四元数格式；
使用插值算法对切割姿态角序列进行插值处理；
将切割姿态角序列转换为机床指令；
使用SolidWorks的delcam插件基于机床指令生成NC代码。
9.根据权利要求8所述的三维五轴曲面激光切割轨迹的生成方法，其特征在于，所述NC代码具体为：
使用G代码表示切割轨迹点序列，使用M代码表示切割姿态角序列；
基于G代码中的G00快速移动、G01线性插补、G02圆弧插补命令进进行控制。
10.一种基于三维五轴曲面激光切割轨迹的生成装置，其特征在于，所述装置包括：
扫描模块：用于扫描薄板工件的三维曲面，并生成工件曲面的稠密点云模型；
处理模块：用于在SolidWorks中导入所述稠密点云模型，并基于所述稠密点云模型建立曲面模型；
绘线模块：用于在所述曲面模型上绘制切割线；
采样模块：用于根据切割精度要求对所述切割线进行采样处理，并从样本点中提取切割线轨迹点及对应切割线轨迹点的坐标；
变换模块：用于基于所述切割线轨迹点的坐标系参考原点和激光束的补偿半径r对所述切割线轨迹点的坐标进行变换，生成激光切割轨迹点序列；
计算模块：用于提取所述激光切割轨迹点处的曲面法向量，生成激光切割姿态角序列；
编程模块：用于基于激光切割轨迹点序列和激光切割姿态角序列生成工作台和激光切割头的NC代码。
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