一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及激光切割領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法。包括如下步驟：步驟1：輸入代加工零件的IGS文件；步驟2：過(guò)濾出IGS文件中所有旋轉(zhuǎn)曲面；步驟3：分析得到旋轉(zhuǎn)曲面上所有待加工的曲線；步驟4：結(jié)合旋轉(zhuǎn)曲面的幾何信息，求出待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和法向量；步驟5：根據(jù)待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和法向量，反求激光切割裝置的姿態(tài)；步驟6：根據(jù)激光切割機(jī)床的姿態(tài)，輸出激光切割裝置運(yùn)動(dòng)控制指令。本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要工人通過(guò)“示教再現(xiàn)”的方法操作激光切割設(shè)備動(dòng)作，記憶加工路徑，可以直接在電腦上分析加工零件的幾何信息，由電腦自動(dòng)生成機(jī)床加工控制指令，極大的提升了效率。
【專利說(shuō)明】
一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及激光切割領(lǐng)域，具體的說(shuō)是一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 利用激光切割機(jī)床進(jìn)行三維的激光零件切割時(shí)，需要先根據(jù)待加工的零件生成加 工路徑，通常待加工零件的幾何信息記錄在CAD文件中，需要生成的加工控制指令是機(jī)床各 軸的一系列連續(xù)的運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)。
[0003] IGS一一初始化圖形交換規(guī)范是一種通用的CAD/CAM信息交換標(biāo)準(zhǔn)，作為一種通用 的CAD文件格式，幾乎所有的三維CAD軟件都可以打開和生成IGS文件。在IGS文件中，信息的 基本單位是實(shí)體，而每個(gè)實(shí)體都有其定義和記錄形式，通過(guò)實(shí)體可以描述產(chǎn)品的形狀、尺寸 以及產(chǎn)品的特性。
[0004] 目前國(guó)內(nèi)對(duì)于三維旋轉(zhuǎn)體的激光切割，一般采取的是"示教再現(xiàn)"的方法，即由人 工通過(guò)示教盒一步一步的操縱機(jī)床動(dòng)作，記憶加工路徑，然后再由機(jī)床自動(dòng)再現(xiàn)，這種方法 一是效率低，可重復(fù)性差，每切割一種零件，都需要人工重新示教一遍，二是對(duì)于復(fù)雜零件， 人工示教十分困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，設(shè)計(jì)一種通過(guò)直接讀取旋轉(zhuǎn)體零件的IGS文件，分 析獲得加工零件的幾何信息，然后自動(dòng)生成機(jī)床加工控制指令，用于激光切割機(jī)床的旋轉(zhuǎn) 體激光切割方法。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，設(shè)計(jì)一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法，其特征在于包括如下步驟： (1)步驟1:在工控機(jī)上輸入代加工零件的IGS文件；
[0007] (2)步驟2:工控機(jī)過(guò)濾出IGS文件中所有旋轉(zhuǎn)曲面；
[0008] (3)步驟3:工控機(jī)分析得到旋轉(zhuǎn)曲面上所有待加工的曲線；
[0009] (4)步驟4:結(jié)合旋轉(zhuǎn)曲面的幾何信息，求出待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和 法向量；
[0010] (5)步驟5 :根據(jù)待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和法向量，反求激光切割裝 置的姿態(tài)；
[0011] (6)步驟6:工控機(jī)根據(jù)激光切割機(jī)床的姿態(tài)，輸出激光切割裝置運(yùn)動(dòng)控制指令。
[0012] 所述步驟2中旋轉(zhuǎn)曲面是以一條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉(zhuǎn)一周所成的 曲面。
[0013] 所述步驟4中求出待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ軸三維坐標(biāo)和法向量包括如下步驟：
[0014] (1)根據(jù)IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數(shù)，可以得到待加工曲線的曲線 方程；
[0015] ⑵根據(jù)待加工曲線的曲線方程可以直接求出曲線上任意一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)；
[0016] (3)根據(jù)求出的任意一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)，求出該點(diǎn)所在的母線；
[Ο。17] (4)在母線上求出該點(diǎn)的法向量錢(i二:?)。
[0018] 所述步驟5中反求激光切割裝置的姿態(tài)包括如下步驟：
[0019] (1)步驟5-1:當(dāng)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)為五軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-2;若機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu) 缺失一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的四軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-4;
[0020] ⑵步驟5-2:設(shè)機(jī)床XYZ平移軸的平移量為(Bx，By，B z)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)角度為（θ?，θ2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)([，'，^，以及該點(diǎn)的法向量 (u x，uy，uz)，設(shè)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸為ΑΒ軸，則有θ: = ΘΑ，θ2 = ΘΒ，激光頭加工點(diǎn)到激光頭旋轉(zhuǎn)中心的 距離為L(zhǎng)，則根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(B x，By，ΒΖ，0^02)和刀 路坐標(biāo)(1^^，1'2，1^，％，11 2)的方程；
[0023] (3)步驟5-3:求解步驟2所得的方程，由于刀路坐標(biāo)(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)已知，所以 通過(guò)方程求解得到機(jī)床各軸的控制量(8\，8^82，01，02)的表達(dá)式；
[0024] (4)步驟5-4:設(shè)機(jī)床XYZ平移軸的平移量為(Bx，By，B z)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)角度為（θι，θ2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)(!^，1，1^)，以及該點(diǎn)的法向量 (1^，1^，112)，根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(8\，8^82，0 1，02)和刀 路坐標(biāo)(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)的方程，同時(shí)由于機(jī)床只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所以待加工曲線上的一 點(diǎn)的法向量(U x，Uy，Uz )中有一個(gè)分量為常數(shù)；
[0025] (5)步驟5-5:求解步驟4所得的方程，得到解(Bx，By，Β ζ，Θ:，Θ2)，由于(Ux，uy，uz)中有 一個(gè)分量為常數(shù)，使求得的解具有如下特性:9:,02中有一個(gè)角度始終為常數(shù)，該組解即可用 與四軸激光切割機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)體的切割。
[0026] 本發(fā)明同現(xiàn)有技術(shù)相比，不需要工人通過(guò)"示教再現(xiàn)"的方法操作激光切割設(shè)備動(dòng) 作，記憶加工路徑，可以直接在電腦上分析加工零件的幾何信息，由電腦自動(dòng)生成機(jī)床加工 控制指令，極大的提升了效率;可以有效解決復(fù)雜零件的機(jī)床加工問(wèn)題。
【附圖說(shuō)明】
[0027]圖1為本發(fā)明的主程序流程圖。
[0028]圖2為本發(fā)明中求待加工曲線坐標(biāo)和法向量的流程圖。
[0029]圖3為本發(fā)明實(shí)施例的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0030] 下面根據(jù)附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的說(shuō)明。
[0031] 如圖1~圖2所示，包括如下步驟：
[0032] (1)步驟1:在工控機(jī)上輸入代加工零件的IGS文件；
[0033] (2)步驟2:工控機(jī)過(guò)濾出IGS文件中所有旋轉(zhuǎn)曲面；
[0034] (3)步驟3:工控機(jī)分析得到旋轉(zhuǎn)曲面上所有待加工的曲線；
[0035] (4)步驟4:結(jié)合旋轉(zhuǎn)曲面的幾何信息，求出待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和 法向量；
[0036] (5)步驟5:根據(jù)待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)和法向量，反求激光切割裝置 的姿態(tài)；
[0037] (6)步驟6:工控機(jī)根據(jù)激光切割機(jī)床的姿態(tài)，輸出激光切割裝置運(yùn)動(dòng)控制指令。所 述步驟2中旋轉(zhuǎn)曲面是以一條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉(zhuǎn)一周所成的曲面。
[0038]所述步驟4中求出待加工曲線上每一點(diǎn)的XYZ軸三維坐標(biāo)和法向量包括如下步驟：
[0039] (1)根據(jù)IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數(shù)，可以得到待加工曲線的曲線 方程；
[0040] (2)根據(jù)待加工曲線的曲線方程可以直接求出曲線上任意一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)；
[0041] (3)根據(jù)求出的任意一點(diǎn)的XYZ三維坐標(biāo)，求出該點(diǎn)所在的母線；
[0042] (4)在母線上求出該點(diǎn)的法向量錢(?ζ, 。
[0043] 所述步驟5中反求激光切割裝置的姿態(tài)包括如下步驟：
[0044] (1)步驟5-1:當(dāng)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)為五軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-2;若機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu) 缺失一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的四軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-4;
[0045] (2)步驟5-2:設(shè)機(jī)床ΧΥΖ平移軸的平移量為(Bx，By，Β ζ)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)角度為（θ?，θ2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)([，'，^，以及該點(diǎn)的法向量 (ux，uy，uz)，設(shè)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸為ΑΒ軸，則有θ: = ΘΑ，θ2 = ΘΒ，激光頭加工點(diǎn)到激光頭旋轉(zhuǎn)中心的 距離為L(zhǎng)，則根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(B x，By，ΒΖ，0^02)和刀 路坐標(biāo)(1^^，1'2，1^，％，11 2)的方程；
[0048] (3)步驟5-3:求解步驟2所得的方程，由于刀路坐標(biāo)(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)已知，所以 通過(guò)方程求解得到機(jī)床各軸的控制量(8\，8^82，01，02)的表達(dá)式；
[0049] (4)步驟5-4:設(shè)機(jī)床XYZ平移軸的平移量為(Bx，By，B z)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋 轉(zhuǎn)角度為（θι，θ2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)(!^，1，1^)，以及該點(diǎn)的法向量 (1，％，112)，根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(8\，87,82，0 1，02)和刀 路坐標(biāo)(Tx，Ty，Tz，ux，uy，u z)的方程，同時(shí)由于機(jī)床只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所以待加工曲線上的一 點(diǎn)的法向量(UX，Uy，U Z )中有一個(gè)分量為常數(shù)；
[0050] (5)步驟5-5:求解步驟4所得的方程，得到解(Bx，By，Βζ，Θ:，Θ 2)，由于(ux，uy，uz)中有 一個(gè)分量為常數(shù)，使求得的解具有如下特性中有一個(gè)角度始終為常數(shù)，該組解即可用 與四軸激光切割機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)體的切割。
[0051] 其中IGES文件中每種曲線類型都定義了表達(dá)形式，得到了曲線類型就知道了曲線 的表達(dá)公式，參數(shù)就是公式中確定一條曲線需要的參數(shù)數(shù)據(jù)。如IGES標(biāo)準(zhǔn)中直線由起點(diǎn)和 終點(diǎn)定義，參數(shù)數(shù)據(jù)就指的是起點(diǎn)和終點(diǎn)的坐標(biāo)PI (XI，Π ，Zl)，P2(X2，Y2，Z2)。
[0052] 實(shí)施例：
[0053]如圖2所示，以機(jī)械形式為XYZAB式的五軸機(jī)床為例，假設(shè)五軸機(jī)床機(jī)械形式為如 圖3所示的XYZAB形式，待加工零件被夾裝在A軸上，只能繞A軸做旋轉(zhuǎn)，激光切割頭可以做 XYZ軸的平移和繞B軸做旋轉(zhuǎn)，激光切割頭可以做XYZ軸的平移和繞B軸的旋轉(zhuǎn)，激光頭加工 點(diǎn)到激光頭旋轉(zhuǎn)中心的距離為L(zhǎng)，待加工的一點(diǎn)的坐標(biāo)為： 已知，此時(shí)機(jī)床XYZ軸平移分別為仏，87,8248軸旋轉(zhuǎn)角度分別為0^06，為所求，則可以根據(jù) 空間的幾何關(guān)系建立起方程：
[0058] 求解該方程，便可以得到機(jī)床運(yùn)動(dòng)到加工點(diǎn)時(shí)的各控制量(Bx，By，Βζ，Θ Α，ΘΒ)，從而 生成加工控制指令。對(duì)于其他機(jī)械結(jié)構(gòu)的五軸機(jī)床，也可以結(jié)合其空間構(gòu)型建立起相應(yīng)的 方程進(jìn)行求解。
[0059]實(shí)際應(yīng)用中，國(guó)內(nèi)的許多管材激光切割機(jī)只有四軸，仍然可以應(yīng)用本發(fā)明進(jìn)行大 部分的旋轉(zhuǎn)體零件的切割，以缺失了Β軸，只有ΧΥΖΑ四軸的機(jī)床為例，方法為:在加工過(guò)程 中，讓激光切割頭的方向始終與Ζ軸平行，取待加工點(diǎn)的法向量的u z分量始終為1，代入式 二，即可使所得解的ΘΒ值始終為0,即B軸不旋轉(zhuǎn)，從而得到四軸機(jī)床切割的控制指令。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法，其特征在于包括如下步驟： (1) 步驟1:在工控機(jī)上輸入代加工零件的IGS文件； (2) 步驟2:工控機(jī)過(guò)濾出IGS文件中所有旋轉(zhuǎn)曲面； (3) 步驟3:工控機(jī)分析得到旋轉(zhuǎn)曲面上所有待加工的曲線； (4) 步驟4:結(jié)合旋轉(zhuǎn)曲面的幾何信息，求出待加工曲線上每一點(diǎn)的ΧΥΖΞ維坐標(biāo)和法向 量； (5) 步驟5:根據(jù)待加工曲線上每一點(diǎn)的ΧΥΖΞ維坐標(biāo)和法向量，反求激光切割裝置的姿 態(tài)； (6) 步驟6:工控機(jī)根據(jù)激光切割機(jī)床的姿態(tài)，輸出激光切割裝置運(yùn)動(dòng)控制指令。2. 如權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法，其特征是:所述步驟2中旋轉(zhuǎn)曲面 是W-條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉(zhuǎn)一周所成的曲面。3. 如權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法，其特征在于所述步驟4中求出待加 工曲線上每一點(diǎn)的XYZ軸Ξ維坐標(biāo)和法向量包括如下步驟： (1) 根據(jù)IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數(shù)，可W得到待加工曲線的曲線方 程； (2) 根據(jù)待加工曲線的曲線方程可W直接求出曲線上任意一點(diǎn)的ΧΥΖΞ維坐標(biāo)；（3)根 據(jù)求出的任意一點(diǎn)的ΧΥΖΞ維坐標(biāo)，求出該點(diǎn)所在的母線； (4)在母線上求出該點(diǎn)的法向量讀、採(cǎi)賽品。.4. 如權(quán)利要求1所述的一種旋轉(zhuǎn)體激光切割的方法，其特征在于所述步驟5中反求激光 切割裝置的姿態(tài)包括如下步驟： (1) 步驟5-1:當(dāng)機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)為五軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-2;若機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)缺失 一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸的四軸機(jī)械結(jié)構(gòu)時(shí)，執(zhí)行步驟5-4; (2) 步驟5-2:設(shè)機(jī)床XYZ平移軸的平移量為(Bx，By，Bz)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角 度為（θι，θ2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)(Tx，Ty，Tz)，W及該點(diǎn)的法向量(Ux， Uy，Uz)，設(shè)機(jī)床旋轉(zhuǎn)軸為ΑΒ軸，則有θι = Θα，θ2 = Θβ，激光頭加工點(diǎn)到激光頭旋轉(zhuǎn)中屯、的距離 為L(zhǎng)，則根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(Bx，By，Bz，θl，θ2)和刀路坐 柄（Τχ , Ty , Τζ , Ux , Uv ,山）的方程；(3) 步驟5-3:求解步驟2所得的方程，由于刀路坐標(biāo)(Τχ，Ty，Τζ，Ux，Uy，Uz)已知，所W通過(guò) 方程求解得到機(jī)床各軸的控制量化，By，Bz，θl，θ2)的表達(dá)式； (4) 步驟5-4:設(shè)機(jī)床XYZ平移軸的平移量為(Bχ，By，Bz)，機(jī)床的另外兩旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角 度為（91，目2)，同時(shí)由已知的待加工曲線上的一點(diǎn)坐標(biāo)(Tχ，Ty，Tz)，W及該點(diǎn)的法向量(Uχ， Uy，Uz)，根據(jù)激光切割裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)建立起機(jī)床各軸的控制量(Bx，By，Bz，θl，θ2)和刀路坐 標(biāo)(Tx，Ty，Tz，Ux，Uy，山）的方程，同時(shí)由于機(jī)床只有一個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，所W待加工曲線上的一點(diǎn)的 法向量(Ux，Uy，Uz)中有一個(gè)分量為常數(shù)； (5)步驟5-5:求解步驟4所得的方程，得到解(Bx，By，Bz，θι，θ2)，由于(化，Uy，Uz)中有一個(gè) 分量為常數(shù)，使求得的解具有如下特性:θ?，θ2中有一個(gè)角度始終為常數(shù)，該組解即可用與四 軸激光切割機(jī)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)體的切割。
【文檔編號(hào)】G05B19/4097GK106094731SQ201610586442
【公開日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年7月25日 公開號(hào)201610586442.8, CN 106094731 A, CN 106094731A, CN 201610586442, CN-A-106094731, CN106094731 A, CN106094731A, CN201610586442, CN201610586442.8
【發(fā)明人】代田田, 畢松松
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