一种激光切割路径优化方法

专利名称：一种激光切割路径优化方法
技术领域：
本发明涉及数控激光切割机技术领域，具体地说是一种激光切割路径优化方法。
背景技术：
在激光切割系统中一般都采用CAM软件编程，该CAM软件是通过计算机编程生成机床设备能够读取的NC代码，从而使机床设备运行，更加精确，更加高效，为企业节约大量的成本。采CAM软件进行编程时所要考虑的一个关键问题是如何提高切割效率。如果切割效率过低，必然会增加加工成本，导致企业竞争力下降。在切割过程中，激光头路径上包含的空移的长度是制约切割效率的瓶颈。对于有多个轮廓的图形，不同的切割顺序会产生不同的空移长度。路径优化的目的就是找到一条切割路径，使空移长度尽可能短，又必须满足激光切割工艺的某些特殊要求。一般激光切割软件采用的路径优化方法可分为两大类一是交互式优化，即依据 用户的经验手动或半自动的生成切割路径，此类方法的优点是一般都能得到最优路径，但对较大规模的图形需要大量手工操作，同样降低了效率；二是自动优化，此类方法又可分为两类一是按照某种预定的规则，如从左到右对图形自动排序，这样产生的切割路径比较有规律，也能缩短空移长度，但对不同的图形优化效果差距较大，没有一种规则能适应所有情况；二是智能优化方法，结合人工智能和仿生学算法，如蚁群算法来改善路径优化的效果，这类方法产生的切割路径比较接近人类的思维方式，空移长度较短，但智能优化方法的共同缺点是计算量很大，运行速度很慢，无法处理大规模的图形。目前的自动路径优化方法都比较容易产生不必要的单段长距离空移，这在激光切割过程中是非常危险的。此外，目前的自动优化方法对激光切割的特殊性考虑的不够，在实践中无法满足激光切割工艺的要求，甚至存在较大的安全隐患。

发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，优化图形切割的顺序，最大程度缩短空移。为实现上述目的，设计一种激光切割路径优化方法，包括由计算机控制工作的激光切割机的处理软件进行路径优化，其特征在于该优化方法包括如下步骤(I)向激光切割机的控制系统中输入所需切割的图形，所述图形至少有一个单独图案组成，每个图案至少由一个轮廓图案组成；(2)对图形内的所有轮廓图案进行内外层次排序，以区分各个轮廓图案的填充类型是阴切还是阳切；所述的对图形内的所有轮廓图案进行内外层次排序的处理步骤(a)、取出图形中位于最外层的所有的轮廓图案，挂载到一棵树的根节点下，并设置填充类型为阳切；(b)、分别对每个最外层的轮廓图案取出其最邻近的内层的轮廓图案，挂载到当前节点下，并设置填充类型为阴切；(C)、对处于更内一层的轮廓图案重复以上步骤，由外而内依次交替设置每一层轮廓图案的填充类型，直到达到最内层的；(3)在输出的排好各个轮廓图案内外层次的图形中，由内而外依次对每一层次的轮廓图案进行单层分块排序；所述的单层分块排序采用的处理步骤(a)、对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格；(b)、定位图形，即确定各轮廓图案分布在各网格中的位置，输出轮廓图案网格数组；(C)、遍历图形，即按照规划的路线遍历网格，依次输出各轮廓图案网格中的轮廓图案；(d)、输出排序后的图形；(4)输出优化路径。对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格采用如下处理步骤(a)、计算包围住该层次所有轮廓图案的最小矩形；(b)、将矩形按经纬线等分为10X10的小矩形；(C)、记录每条经纬线的坐标值列表；(d)、经线和纬线分别按坐标值从小到大排序。所述的定位图形采用如下处理步骤(a)、根据纬线和经线列表初始化网格，该网格是一个二维数组，每个元素都能挂载若干轮廓图案；(b)、取一个轮廓图案，计算该轮廓图案中心坐标(X，Y) ; (C)、在纬线列表中二分法查找该Y坐标值，找到该Y坐标值下方的第I条纬线，也即是该轮廓图案下方的第I条纬线，设该纬线序号为L ;(d)、在经线列表中二分法查找X，找到该轮廓图案左边第I条经线，设该经线序号M ; (e)、将该轮廓图案定位到网格[L，M]中，该网格[L，M]被记录为I个轮廓图案网格；(f)、判断轮廓图案是否已取完，当轮廓图案未取完，返回步骤(b);当所有轮廓图案已取完，则输出轮廓图案网格数组，定位 结束。所述的遍历图形进行的处理步骤(a)、检察网格的4个角落，选取其中距离参考点最近的一个轮廓图案网格；(b)、以参考点为基准，对当前轮廓图案网格内的各个轮廓图案做最近邻近排序；(C)、依次输出当前轮廓图案网格中的轮廓图案到优化列表，更新参考点为最后一个轮廓图案的终点；(d)、判断网格中的全部轮廓图案网格是否已走完；(e)、当轮廓图案网格全部走完，则输出完整优化列表；当轮廓图案网格没有全部走完，取下一个轮廓图案网格并返回步骤(b);取下一个轮廓图案网格的规则是先判断经线数量是否大于纬线数量，当经线数量 >纬线数量，则取该列中的下一个轮廓图案网格，当经线数 < 纬线数量取该行中的下一个轮廓图案网格，每走完一列，反转前进方向走下一列，每走完一行，反转前进方向走下一行。所述的处理软件采用CAM软件。本发明与现有技术相比，具有以下优点I.能自动精确检测任意多层轮廓图案的包含关系，仅对同一层次的轮廓图案进行缩短空移的优化，而对不同层次的轮廓图案则按照从内到外的顺序切割，并且在不同内外层次之间过渡时也能优化空移长度；2.大大降低了单段长距离空移出现的几率，减少安全隐患；3.对同层次的规则阵列轮廓图案的优化结果是按蛇形前进，最大程度缩短空移；对轮廓图案位置排列规则，但形状不同的类似阵列的轮廓图案，优化结果等同于规则阵列轮廓图案，明显优于传统优化方法；对不规则排列的轮廓图案，对大量样图的测试结果表明采用本发明对大部分图形的优化结果仍然优于现有的路径优化方法；4.实施简单，速度快，处理大规模图形效率更高。


图I是本发明的总流程框图。图2是本发明中内外层次排序示意图。图3是图I中的单层分块排序流程框图。
图4是图3中的计算和建立网格流程框图。图5是图3中的定位图形流程框图。图6是图3中的遍历图形流程框图。图7是本发明实施例中的待切割的图形。图8是图7中右下角中一个图案放大后的切割顺序示意图，其中的黑点表示轮廓图案的切割起点。图9是图7中最外层切割顺序不意图。·
具体实施例方式下面结合附图对本发明作进一步说明。如图I所示，本发明中的激光切割路径优化方法是采用由计算机控制工作的激光切割机的处理软件进行路径优化的，本发明中该处理软件采用CAM软件，本处理方法中主要包括两大处理模块I、对图形中所有轮廓图案的内外层次排序，也即轮廓图案的内外层次的包含关系，以区分各轮廓图案的填充类型是阴切还是阳切，这是引入引出和割缝补偿等激光切割功能的重要参数，一般在激光切割中需要先切内层再切外层；2、单层分块排序，即在排好轮廓图案层次的图形中，由内到外依次对每一层次的轮廓图案进行单层分块排序。实施例I如图7所示，是一张典型的平面激光切割图纸，该图纸上的图形中有若干图案，这些图案的数量中等，不便采用交互式优化；且各图案分布较为规则，但并没有对齐，图案的切割起点也各不相同，而且每个图案也由若干造型的轮廓图案组成，这些轮廓图案可能由闭合线条组成，也可能采用不闭合的线条。将该图纸输入激光切割机后，激光切割机控制系统中的CAM软件进行如下处理步骤一、先按图I所示的处理步骤对各轮廓图案进行内外层次排序(a)、取出图形中位于最外层的所有的轮廓图案，挂载到一棵树的根节点下，并设置填充类型为阳切；(b)、分别对每个最外层的轮廓图案取出其最邻近的内层的轮廓图案，挂载到当前节点下，并设置填充类型为阴切；(C)、对处于更内一层的轮廓图案重复以上步骤，由外而内依次交替设置每一层轮廓图案的填充类型，直到达到最内层。单独以图7中右下角的一个图案为例，按图2所示处理步骤对该图案进行内外层次排序后的结果，参见图8，该图案内的各轮廓图案以数字来区分表示，其中，轮廓图案5 轮廓图案10之间存在多层包含关系，其由内而外的包含关系为轮廓图案6-轮廓图案7-轮廓图案10，本发明始终保证了先切内层、再切外层的顺序，且在不同内外层次间过渡时，如轮廓图案5、轮廓图案6处于不同的内外层次，也能优化空移长度，虽然该图案中在同一层次中的轮廓图案的最短空移顺序是轮廓图案5-轮廓图案9-轮廓图案8-轮廓图案7，但考虑到轮廓图案7的内层中的轮廓图案6后，各轮廓图案的最短空移顺序是轮廓图案5-轮廓图案6-轮廓图案7-轮廓图案8-轮廓图案9。二、参见图3，单层分块排序采用如下处理步骤(a)、对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格；(b)、定位图形，即确定各轮廓图案分布在各网格中的位置，输出轮廓图案网格数组；(C)、遍历图形，即按照规划的路线遍历网格，依次输出各轮廓图案网格中的轮廓图案；(d)、输出排序后的图形。参见图4，对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格采用的处理步骤(a)、计算包围住该层次所有轮廓图案的最小矩形；(b)、将矩形按经纬线等分为10X10的小矩形；(C)、记录每条经纬线的坐标值列表；(d)、经线和纬线分别按坐标值从小到大排序；对所有层次完成计算和建立网格后，再进入定位图形的步骤。参见图5，定位图形采用的处理步骤所述的定位图形采用的处理步骤(a)、根据纬线和经线列表初始化网格，该网格是一个二维数组，每个元素都能挂载若干轮廓图案；(b)、取一个轮廓图案，计算该轮廓图案中心坐标(X，Y) ; (C)、在纬线列表中二分法查找该Y坐标值，找到该Y坐标值下方的第I条纬线，也即是该轮廓图案下方的第I条纬线，设该纬线序号为L ; (d)、在经线列表中二分法查找X，找到该轮廓图案左边第I条经线，设该经线序号M ;(e)、将该轮廓图案定位到网格[L，M]中，该网格[L，M]被记录为I个轮廓图案网格；(f)、判断轮廓图案是否已取完，如果轮廓图案未取完，返回步骤(b);如果所有轮廓图 案已取完，则输出轮廓图案网格数组，定位结束。参见图6，遍历图形进行的处理步骤(a)、检察网格的4个角落，选取其中距离参考点最近的一个轮廓图案网格；(b)、以参考点为基准，对当前轮廓图案网格内的各个轮廓图案做最近邻近排序；(C)、依次输出当前轮廓图案网格中的轮廓图案到优化列表，更新参考点为最后一个轮廓图案的终点；(d)、判断网格中的全部轮廓图案网格是否已走完；(e)、如果轮廓图案网格全部走完，则输出完整优化列表，否则，取下一个轮廓图案网格并返回步骤(b);取下一个轮廓图案网格的规则是先判断经线数量是否大于纬线数量，如果经线数量大于纬线数量，则取该列中的下一个轮廓图案网格，否则取该行中的下一个轮廓图案网格，每走完一列，反转前进方向走下一列，每走完一行，反转前进方向走下一行。对图7所不图形中各图案的最外层轮廓图案它们位于同一层次,按图3所不的单层分块排序处理后，其输出的优化后的大致切割顺序参见图9，激光头的初始停靠位置在右下角，可以看到优化后的路径按蛇形前进，即在最大程度上缩短了空移。
权利要求
1.一种激光切割路径优化方法，包括由计算机控制工作的激光切割机的处理软件进行路径优化，其特征在于该优化方法包括如下步骤(1)向激光切割机的控制系统中输入所需切割的图形，所述图形至少有一个单独图案组成，每个图案至少由一个轮廓图案组成；(2)对图形内的所有轮廓图案进行内外层次排序，以区分各个轮廓图案的填充类型是阴切还是阳切；所述的对图形内的所有轮廓图案进行内外层次排序的处理步骤(a)、取出图形中位于最外层的所有的轮廓图案，挂载到一棵树的根节点下，并设置填充类型为阳切；(b)、分别对每个最外层的轮廓图案取出其最邻近的内层的轮廓图案，挂载到当前节点下，并设置填充类型为阴切；(C)、对处于更内一层的轮廓图案重复以上步骤，由外而内依次交替设置每一层轮廓图案的填充类型，直到达到最内层的；(3)在输出的排好各个轮廓图案内外层次的图形中，由内而外依次对每一层次的轮廓图案进行单层分块排序；所述的单层分块排序采用的处理步骤(a)、对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格；(b)、定位图形，即确定各轮廓图案分布在各网格中的位置，输出轮廓图案网格数组；(C)、遍历图形，即按照规划的路线遍历网格，依次输出各轮廓图案网格中的轮廓图案；(d)、输出排序后的图形；(4)输出优化路径。
2.如权利要求I所述的一种激光切割路径优化方法，其特征在于对同层次中的各轮廓图案进行计算和建立网格采用如下处理步骤(a)、计算包围住该层次所有轮廓图案的最小矩形；(b)、将矩形按经纬线等分为10X10的小矩形；(C)、记录每条经纬线的坐标值列表；(d)、经线和纬线分别按坐标值从小到大排序。
3.如权利要求I所述的一种激光切割路径优化方法，其特征在于所述的定位图形采用如下处理步骤(a)、根据纬线和经线列表初始化网格，该网格是一个二维数组，每个元素都能挂载若干轮廓图案；(b)、取一个轮廓图案，计算该轮廓图案中心坐标(X，Y) ;(c)、在纬线列表中二分法查找该Y坐标值，找到该Y坐标值下方的第I条纬线，也即是该轮廓图案下方的第I条纬线，设该纬线序号为L ; (d)、在经线列表中二分法查找X，找到该轮廓图案左边第I条经线，设该经线序号M ;(e)、将该轮廓图案定位到网格[L，M]中，该网格[L，M]被记录为I个轮廓图案网格；(f)、判断轮廓图案是否已取完，当轮廓图案未取完，返回步骤(b);当所有轮廓图案已取完，则输出轮廓图案网格数组，定位结束。
4.如权利要求I所述的一种激光切割路径优化方法，其特征在于所述的遍历图形进行的处理步骤(a)、检察网格的4个角落，选取其中距离参考点最近的一个轮廓图案网格；(b)、以参考点为基准，对当前轮廓图案网格内的各个轮廓图案做最近邻近排序；(C)、依次输出当前轮廓图案网格中的轮廓图案到优化列表，更新参考点为最后一个轮廓图案的终点；(d)、判断网格中的全部轮廓图案网格是否已走完；(e)、当轮廓图案网格全部走完，则输出完整优化列表；当轮廓图案网格没有全部走完，取下一个轮廓图案网格并返回步骤(b);取下一个轮廓图案网格的规则是先判断经线数量是否大于纬线数量，当经线数量>纬线数量，则取该列中的下一个轮廓图案网格，当经线数 < 纬线数量取该行中的下一个轮廓图案网格，每走完一列，反转前进方向走下一列，每走完一行，反转前进方向走下一行。
5.如权利要求I所述的一种激光切割路径优化方法，其特征在于所述的处理软件采用CAM软件。
全文摘要
本发明涉及数控激光切割机技术领域，具体地说是一种激光切割路径优化方法，其特征在于该优化方法包括如下步骤(1)向激光切割机的控制系统中输入所需切割的图形，所述图形至少有一个单独图案组成，每个图案至少由一个轮廓图案组成；(2)对图形内的所有轮廓图案进行内外层次排序，以区分各个轮廓图案的填充类型是阴切还是阳切；(3)在输出的排好各个轮廓图案内外层次的图形中，由内而外依次对每一层次的轮廓图案进行单层分块排序；(4)输出优化路径。本发明与现有技术相比，大大降低了单段长距离空移出现的几率，减少安全隐患；实施简单，速度快，处理大规模图形效率更高。
文档编号G05B19/19GK102880113SQ20121041827
公开日2013年1月16日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者恽筱源 申请人:上海柏楚电子科技有限公司