一种水刀快进线自动避障规划方法与流程

本申请属于数控技术领域，尤其是涉及一种水刀快进线自动避障规划方法。

背景技术：

随着计算机辅助设计的快速发展，使用数控cam(计算机辅助制造)进行复杂工件的加工已经取得了很大的进步，其中最核心的是使用数控cam生成待加工工件的路径规划，路径规划主要包括从加工起始点到工件、工件返回加工结束点的快进线部分以及工件加工部分。不考虑避障的快进线规划已经不能满足实际生成需求，如何对快进线进行自动避障后的重新规划是一个必须要解决的问题。

针对上述问题，现阶段采取的方法是通过人工对初始生成的、不考虑避障的快进线进行手动调节。通过人工干预不仅费时费力，而且人工干预生成的快进线路径往往会造成路径线路的浪费，增加加工时间成本。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：为解决现有技术中的不足，从而提供一种快速的水刀快进线自动避障规划方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种水刀快进线自动避障规划方法，包括以下步骤：

步骤10，根据加工起始点p1、待加工工件切入点p2、切出点p3和加工结束点p4来生成初始加工快进线；

步骤20，计算水刀切割头在加工起始点p1和所有障碍物对应的包裹长方体坐标；

步骤30，对所有障碍物对应的包裹长方体进行重合判断，将其中有重合关系的障碍物组合成新的障碍物对应的包裹长方体；

步骤40，从加工起始点p1开始对初始快进线中前进快进线和返回快进线上的离散点进行循环判断，计算水刀切割头1在每个离散点的包裹长方体；

步骤50，判断每个离散点的包裹长方体和第一个障碍物的包裹长方体的干涉关系来确定干涉起始点和干涉结束点，根据干涉起始点和干涉结束点的位置不同使用不同算法来更新初始加工快进线；

步骤60，用更新后的初始加工快进线代入步骤10中的初始加工快进线，循环步骤10至步骤60来判断每个离散点的包裹长方体和下一个障碍物并更新初始加工快进线，直至判断完所有障碍物后更新生成最终初始加工快进线。

在其中一个实施例中，所述步骤10中，生成初始加工快进线时将切入点p2按z坐标平移至p1的z坐标处生成点p12，随后连接p1、p12和p12、p2生成前进快进线。

在其中一个实施例中，所述步骤10中，将加工结束点p4按z坐标平移至p3的z坐标处生成点p34，随后连接p3、p34和p34、p4生成返回快进线。

在其中一个实施例中，所述步骤20中，计算水刀切割头在加工起始点p1的坐标时，记录水刀切割头在加工初始位置处的包裹长方体在坐标x、y、z方向上的最小值qmin(x,y,z)和最大值qmax(x,y,z)。

在其中一个实施例中，所述步骤20中，计算所有障碍物对应的包裹长方体坐标时，存储所有障碍物对应的包裹长方体坐标x、y、z的最小值zmin(x,y,z)和最大值zmax(x,y,z)至集合s中。

在其中一个实施例中，所述步骤30中，对两个包裹长方体进行重合判断时，判断其中一个包裹长方体的八个顶点坐标是不是存在点坐标在另一个包裹长方体的min(x,y,z)和max(x,y,z)范围内，如果存在则两个包裹长方体相交。

在其中一个实施例中，所述步骤30中，对集合s中的所有障碍物的包裹长方体进行相互间的重合判断，设障碍物s1和另一障碍物s2之间进行相交判断时，对障碍物s1的包裹长方体的最小体积s1_min(x,y,z)和最大体积s1_max(x,y,z)变更为参数为pnewmin＝zmin(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|和pnewmax＝

zmax(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|的包裹长方体，并对变更为参数为pnewmin和pnewmax的包裹长方体和障碍物s2的包裹长方体进行重合判断，如果重合则将障碍物s1和障碍物s2合并为新的障碍物s3，障碍物s3对应的包裹长方体参数为min(pnewmin,s2_zmin(x,y,z))和max(pnewmax,s2_zmax(x,y,z))。

在其中一个实施例中，所述步骤40和步骤50中，前进快进线中快进线离散成n个点，计算切割头包裹长方体在离散点处的包裹长方体，离散点与加工起始点p1坐标差值为△x、△y、△z，则切割头在离散点处的包裹长方体参数为qmin(x+△x,y+△y,z+△z)和qmax(x+△x,y+△y,z+△z)，从加工起始点开始循环离散点，计算并使用切割头包裹长方体在离散点处的包裹长方体参数和第一个障碍物包裹长方体进行重合判断，从加工起始点开始循环离散点确定干涉起始点gfirst和干涉终止点glast。

在其中一个实施例中，当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直时为横向干涉；当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴平行时为纵向干涉；当干涉起始点和干涉终止点不在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直或平行时为拐角干涉；通过判断不同类型后确定较短路径后对当前前进快进线进行避障更新。

本发明的有益效果是：本发明水刀快进线自动避障规划方法，生成初始加工快进线后，对所有障碍物包裹长方体进行重合判断，减少计算量；根据干涉起始点和干涉结束点的位置不同使用不同算法来更新快进线，用更新后的快进线用上述方法来判断第二个障碍物并更新快进线，直至判断完所有障碍物更新生成最终快进线，快速实现水刀路径中前进快进线和返回快进线自动躲避障碍物的路径规划。

附图说明

下面结合附图和实施例对本申请的技术方案进一步说明。

图1为本申请实施例的路径初始快进线生成及切割头包裹长方体示意图；

图2为本申请实施例的两障碍物相交及合并判断示意图；

图3为本申请实施例的特征向量形成坐标系可能性示意图；

图4为本申请实施例的干涉起始点和干涉终止点三种形式示意图；

图5为本申请实施例的最终快进线避障规划示意图；

图6为本申请实施例的使用水刀快进线自动避障规划方法流程图。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本申请的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请的技术方案。

一种水刀快进线自动避障规划方法，包括以下步骤：

步骤10，根据加工起始点p1、待加工工件3切入点p2、切出点p3和加工结束点p4来生成初始加工快进线；

步骤20，计算水刀切割头1在加工起始点p1和所有障碍物4对应的包裹长方体坐标；

步骤30，对所有障碍物4对应的包裹长方体进行重合判断，将其中有重合关系的障碍物4组合成新的障碍物4对应的包裹长方体；

步骤40，从加工起始点p1开始对初始快进线中前进快进线和返回快进线上的离散点5进行循环判断，计算水刀切割头1在每个离散点5的包裹长方体；

步骤50，判断每个离散点5的包裹长方体和第一个障碍物4的包裹长方体的干涉关系来确定干涉起始点和干涉结束点，根据干涉起始点和干涉结束点的位置不同使用不同算法来更新初始加工快进线；

步骤60，用更新后的初始加工快进线代入步骤10中的初始加工快进线，循环步骤10至步骤60来判断每个离散点5的包裹长方体和下一个障碍物并更新初始加工快进线，直至判断完所有障碍物4后更新生成最终初始加工快进线。此处是使用第一个障碍物更新后的快进线，从快进线起始点开始依次循环判断和第二个障碍物的干涉起始点和干涉结束点并更新快进线；随后再使用新的快进线判断第三个障碍物，直至判断完成所有障碍物。

在其中一个实施例中，步骤10中，生成初始加工快进线时将切入点p2按z坐标平移至p1的z坐标处生成点p12，随后连接p1、p12和p12、p2生成前进快进线。

在其中一个实施例中，步骤10中，将加工结束点p4按z坐标平移至p3的z坐标处生成点p34，随后连接p3、p34和p34、p4生成返回快进线。

在其中一个实施例中，步骤20中，计算水刀切割头1在加工起始点p1的坐标时，记录水刀切割头1在加工初始位置处的包裹长方体在坐标x、y、z方向上的最小值qmin(x,y,z)和最大值qmax(x,y,z)。

在其中一个实施例中，步骤20中，计算所有障碍物4对应的包裹长方体坐标时，存储所有障碍物4对应的包裹长方体坐标x、y、z的最小值zmin(x,y,z)和最大值zmax(x,y,z)至集合s中。

在其中一个实施例中，步骤30中，对两个包裹长方体进行重合判断时，判断其中一个包裹长方体的八个顶点坐标是不是存在点坐标在另一个包裹长方体的min(x,y,z)和max(x,y,z)范围内，如果存在则两个包裹长方体相交。

在其中一个实施例中，步骤30中，对集合s中的所有障碍物4的包裹长方体进行相互间的重合判断，设障碍物4s1和另一障碍物4s2之间进行相交判断时，对障碍物4s1的包裹长方体的最小体积s1_min(x,y,z)和最大体积s1_max(x,y,z)变更为参数为pnewmin＝zmin(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|和pnewmax＝zmax(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|的包裹长方体，并对变更为参数为pnewmin和pnewmax的包裹长方体和障碍物4s2的包裹长方体进行重合判断，如果重合则将障碍物4s1和障碍物4s2合并为新的障碍物4s3，障碍物4s3对应的包裹长方体参数为min(pnewmin,s2_zmin(x,y,z))和max(pnewmax,s2_zmax(x,y,z))。举例说明对所有障碍物进行相交判断：例如共有a、b、c、d、e等5个障碍物，从a开始对b、c、d、e进行循环相交判断，如果形成新的障碍物(如a、c相交形成障碍物f)，则障碍物集合为b、d、e、f，随后，从b开始循环d、e、f，直到循环完所有障碍物后没有相交的即停止。障碍物s1和s2之间不可以直接使用两者包裹长方体进行判断相交，还应考虑加工过程中的切割头包裹长方体位置，因此s1包裹长方体变更为障碍物含切割头包裹长方体，其参数即为pnewmin和pnewmax。

在其中一个实施例中，步骤40和步骤50中，前进快进线中快进线离散成n个点，计算切割头1包裹长方体在离散点5处的包裹长方体，离散点5与加工起始点p1坐标差值为△x、△y、△z，则切割头1在离散点5处的包裹长方体参数为qmin(x+△x,y+△y,z+△z)和qmax(x+△x,y+△y,z+△z)，从加工起始点开始循环离散点5，计算并使用切割头1包裹长方体在离散点5处的包裹长方体参数和第一个障碍物4包裹长方体进行重合判断，从加工起始点开始循环离散点5确定干涉起始点gfirst和干涉终止点glast。

在其中一个实施例中，当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直时为横向干涉；当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴平行时为纵向干涉；当干涉起始点和干涉终止点不在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直或平行时为拐角干涉；通过判断不同类型后确定较短路径后对当前前进快进线进行避障更新。

实施例还公开了以下实施情景：

如图1所示，首先根据加工起始点p1、待加工工件3切入点p2、切出点p3和加工结束点p4来生成初始加工快进线。生成初始加工快进线时需要考虑快进线和切入切出线2之间的摆角过渡问题，因此快进线和切入切出之间不要存在角度过渡，因此生成初始加工快进线时需要将切入点p2按z坐标平移至p1的z坐标处生成点p12，随后连接p1、p12和p12、p2生成前进快进线；将加工结束点p4按z坐标平移至p3的z坐标处生成点p34，随后连接p3、p34和p34、p4生成返回快进线。

如图1所示计算水刀切割头1在加工初始位置处的包裹长方体，并记录该长方体的坐标xyz的最小值qmin(x,y,z)和最大qmax(x,y,z)。分别计算所有障碍物4的包裹长方体并存储所有长方体的坐标xyz的最小值zmin(x,y,z)和最大值zmax(x,y,z)至集合s中；对两个包裹长方体进行相交判断(重合判断)时，判断其中一个包裹长方体的八个顶点坐标是不是存在点坐标在另一个包裹长方体的min(x,y,z)和max(x,y,z)范围内，如果存在则两者相交；如图2所示对集合s中的所有障碍物4包裹长方体进行相互间的相交判断，如障碍物4s1和s2之间进行相交判断时，对障碍物4s1的包裹长方体的s1_min(x,y,z)和s1_max(x,y,z)变更为参数为pnewmin＝zmin(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|和pnewmax＝zmax(x,y,z)+|qmax(x,y,z)-qmin(x,y,z)|的包裹长方体，使用该长方体和障碍物4s2的包裹长方体使用上述方法进行相交判断即可，如果相交则将s1和s2合并为新的障碍物4s3，s3对应的包裹长方体参数为min(pnewmin,s2_zmin(x,y,z))和max(pnewmax,s2_zmax(x,y,z))。

针对前进快进线中快进线离散成n个点，计算切割头1包裹长方体在离散点5处的包裹长方体，离散点5与加工起始点坐标差值为△x、△y、△z，则切割头1在离散点5处的包裹长方体参数为qmin(x+△x,y+△y,z+△z)和qmax(x+△x,y+△y,z+△z)；如图3所示从加工起始点开始循环离散点5，使用上述方法计算切割头1包裹长方体在离散点5处的包裹长方体，使用该包裹长方体参数和第一个障碍物4包裹长方体进行相交判断，从加工起始点开始循环离散点5确定干涉起始点gfirst(第一个产生干涉的离散点5)和干涉终止点glast(干涉后第一个不干涉的离散点5)；

如图4所示根据干涉起始点和干涉终止点在快进线中的位置分为三种类型：横向干涉，位于附图右上角，当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直，比较路径1(1-1～1-3)和路径2(2-1～2-3)的长度大小来确定较短路径；纵向干涉，位于附图左下角，当干涉起始点和干涉终止点在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴平行，比较路径1(1-1～1-3)和路径2(2-1～2-3)的长度大小来确定较短路径；拐角干涉，位于附图左上角，当干涉起始点和干涉终止点不在同一快进线线段上时，且所属快进线段与z轴垂直或平行，比较路径1(1-1～1-2)和路径2(2-1～2-4)的长度大小来确定较短路径。通过判断不同类型后确定较短路径后对当前前进快进线进行避障更新即可。

使用更新后的前进快进线对第二个障碍物4使用上述方法再次进行前进快进线的更新，直至将所有障碍物4均循环完成，生成最终前进快进线。如图5所示使用上述方法对返回快进线进行自动避障规划，生成最终返回快进线。

本发明的有益效果是：本发明水刀快进线自动避障规划方法，生成初始加工快进线后，对所有障碍物4包裹长方体进行重合判断，减少计算量；根据干涉起始点和干涉结束点的位置不同使用不同算法来更新快进线，用更新后的快进线用上述方法来判断第二个障碍物4并更新快进线，直至判断完所有障碍物4更新生成最终快进线，快速实现水刀路径中前进快进线和返回快进线自动躲避障碍物4的路径规划。

以上述依据本申请的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项申请技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项申请的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。