一种旋转体激光切割的方法
【专利摘要】本发明涉及激光切割领域，具体的说是一种旋转体激光切割的方法。包括如下步骤：步骤1：输入代加工零件的IGS文件；步骤2：过滤出IGS文件中所有旋转曲面；步骤3：分析得到旋转曲面上所有待加工的曲线；步骤4：结合旋转曲面的几何信息，求出待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和法向量；步骤5：根据待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和法向量，反求激光切割装置的姿态；步骤6：根据激光切割机床的姿态，输出激光切割装置运动控制指令。本发明同现有技术相比，不需要工人通过“示教再现”的方法操作激光切割设备动作，记忆加工路径，可以直接在电脑上分析加工零件的几何信息，由电脑自动生成机床加工控制指令，极大的提升了效率。
【专利说明】
一种旋转体激光切割的方法
技术领域
[0001] 本发明涉及激光切割领域，具体的说是一种旋转体激光切割的方法。
【背景技术】
[0002] 利用激光切割机床进行三维的激光零件切割时，需要先根据待加工的零件生成加 工路径，通常待加工零件的几何信息记录在CAD文件中，需要生成的加工控制指令是机床各 轴的一系列连续的运动坐标。
[0003] IGS一一初始化图形交换规范是一种通用的CAD/CAM信息交换标准，作为一种通用 的CAD文件格式，几乎所有的三维CAD软件都可以打开和生成IGS文件。在IGS文件中，信息的 基本单位是实体，而每个实体都有其定义和记录形式，通过实体可以描述产品的形状、尺寸 以及产品的特性。
[0004] 目前国内对于三维旋转体的激光切割，一般采取的是"示教再现"的方法，即由人 工通过示教盒一步一步的操纵机床动作，记忆加工路径，然后再由机床自动再现，这种方法 一是效率低，可重复性差，每切割一种零件，都需要人工重新示教一遍，二是对于复杂零件， 人工示教十分困难。
【发明内容】
[0005] 本发明为克服现有技术的不足，设计一种通过直接读取旋转体零件的IGS文件，分 析获得加工零件的几何信息，然后自动生成机床加工控制指令，用于激光切割机床的旋转 体激光切割方法。
[0006] 为实现上述目的，设计一种旋转体激光切割的方法，其特征在于包括如下步骤： (1)步骤1:在工控机上输入代加工零件的IGS文件；
[0007] (2)步骤2:工控机过滤出IGS文件中所有旋转曲面；
[0008] (3)步骤3:工控机分析得到旋转曲面上所有待加工的曲线；
[0009] (4)步骤4:结合旋转曲面的几何信息，求出待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和 法向量；
[0010] (5)步骤5 :根据待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和法向量，反求激光切割装 置的姿态；
[0011] (6)步骤6:工控机根据激光切割机床的姿态，输出激光切割装置运动控制指令。
[0012] 所述步骤2中旋转曲面是以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的 曲面。
[0013] 所述步骤4中求出待加工曲线上每一点的XYZ轴三维坐标和法向量包括如下步骤：
[0014] (1)根据IGS文件中的待加工曲线类型和记录的参数，可以得到待加工曲线的曲线 方程；
[0015] ⑵根据待加工曲线的曲线方程可以直接求出曲线上任意一点的XYZ三维坐标；
[0016] (3)根据求出的任意一点的XYZ三维坐标，求出该点所在的母线；
[Ο。17] (4)在母线上求出该点的法向量錢(i二:?)。
[0018] 所述步骤5中反求激光切割装置的姿态包括如下步骤：
[0019] (1)步骤5-1:当机床机械结构为五轴机械结构时，执行步骤5-2;若机床机械结构 缺失一个旋转轴的四轴机械结构时，执行步骤5-4;
[0020] ⑵步骤5-2:设机床XYZ平移轴的平移量为(Bx，By，B z)，机床的另外两旋转轴的旋 转角度为（θ?，θ2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标([，'，^，以及该点的法向量 (u x，uy，uz)，设机床旋转轴为ΑΒ轴，则有θ: = ΘΑ，θ2 = ΘΒ，激光头加工点到激光头旋转中心的 距离为L，则根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(B x，By，ΒΖ，0^02)和刀 路坐标(1^^，1'2，1^，％，11 2)的方程；
[0023] (3)步骤5-3:求解步骤2所得的方程，由于刀路坐标(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)已知，所以 通过方程求解得到机床各轴的控制量(8\，8^82，01，02)的表达式；
[0024] (4)步骤5-4:设机床XYZ平移轴的平移量为(Bx，By，B z)，机床的另外两旋转轴的旋 转角度为（θι，θ2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标(!^，1，1^)，以及该点的法向量 (1^，1^，112)，根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(8\，8^82，0 1，02)和刀 路坐标(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)的方程，同时由于机床只有一个旋转轴，所以待加工曲线上的一 点的法向量(U x，Uy，Uz )中有一个分量为常数；
[0025] (5)步骤5-5:求解步骤4所得的方程，得到解(Bx，By，Β ζ，Θ:，Θ2)，由于(Ux，uy，uz)中有 一个分量为常数，使求得的解具有如下特性:9:,02中有一个角度始终为常数，该组解即可用 与四轴激光切割机进行旋转体的切割。
[0026] 本发明同现有技术相比，不需要工人通过"示教再现"的方法操作激光切割设备动 作，记忆加工路径，可以直接在电脑上分析加工零件的几何信息，由电脑自动生成机床加工 控制指令，极大的提升了效率;可以有效解决复杂零件的机床加工问题。
【附图说明】
[0027]图1为本发明的主程序流程图。
[0028]图2为本发明中求待加工曲线坐标和法向量的流程图。
[0029]图3为本发明实施例的示意图。
【具体实施方式】
[0030] 下面根据附图对本发明做进一步的说明。
[0031] 如图1~图2所示，包括如下步骤：
[0032] (1)步骤1:在工控机上输入代加工零件的IGS文件；
[0033] (2)步骤2:工控机过滤出IGS文件中所有旋转曲面；
[0034] (3)步骤3:工控机分析得到旋转曲面上所有待加工的曲线；
[0035] (4)步骤4:结合旋转曲面的几何信息，求出待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和 法向量；
[0036] (5)步骤5:根据待加工曲线上每一点的XYZ三维坐标和法向量，反求激光切割装置 的姿态；
[0037] (6)步骤6:工控机根据激光切割机床的姿态，输出激光切割装置运动控制指令。所 述步骤2中旋转曲面是以一条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面。
[0038]所述步骤4中求出待加工曲线上每一点的XYZ轴三维坐标和法向量包括如下步骤：
[0039] (1)根据IGS文件中的待加工曲线类型和记录的参数，可以得到待加工曲线的曲线 方程；
[0040] (2)根据待加工曲线的曲线方程可以直接求出曲线上任意一点的XYZ三维坐标；
[0041] (3)根据求出的任意一点的XYZ三维坐标，求出该点所在的母线；
[0042] (4)在母线上求出该点的法向量錢(?ζ, 。
[0043] 所述步骤5中反求激光切割装置的姿态包括如下步骤：
[0044] (1)步骤5-1:当机床机械结构为五轴机械结构时，执行步骤5-2;若机床机械结构 缺失一个旋转轴的四轴机械结构时，执行步骤5-4;
[0045] (2)步骤5-2:设机床ΧΥΖ平移轴的平移量为(Bx，By，Β ζ)，机床的另外两旋转轴的旋 转角度为（θ?，θ2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标([，'，^，以及该点的法向量 (ux，uy，uz)，设机床旋转轴为ΑΒ轴，则有θ: = ΘΑ，θ2 = ΘΒ，激光头加工点到激光头旋转中心的 距离为L，则根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(B x，By，ΒΖ，0^02)和刀 路坐标(1^^，1'2，1^，％，11 2)的方程；
[0048] (3)步骤5-3:求解步骤2所得的方程，由于刀路坐标(Tx，Ty，T z，ux，uy，uz)已知，所以 通过方程求解得到机床各轴的控制量(8\，8^82，01，02)的表达式；
[0049] (4)步骤5-4:设机床XYZ平移轴的平移量为(Bx，By，B z)，机床的另外两旋转轴的旋 转角度为（θι，θ2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标(!^，1，1^)，以及该点的法向量 (1，％，112)，根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(8\，87,82，0 1，02)和刀 路坐标(Tx，Ty，Tz，ux，uy，u z)的方程，同时由于机床只有一个旋转轴，所以待加工曲线上的一 点的法向量(UX，Uy，U Z )中有一个分量为常数；
[0050] (5)步骤5-5:求解步骤4所得的方程，得到解(Bx，By，Βζ，Θ:，Θ 2)，由于(ux，uy，uz)中有 一个分量为常数，使求得的解具有如下特性中有一个角度始终为常数，该组解即可用 与四轴激光切割机进行旋转体的切割。
[0051] 其中IGES文件中每种曲线类型都定义了表达形式，得到了曲线类型就知道了曲线 的表达公式，参数就是公式中确定一条曲线需要的参数数据。如IGES标准中直线由起点和 终点定义，参数数据就指的是起点和终点的坐标PI (XI，Π ，Zl)，P2(X2，Y2，Z2)。
[0052] 实施例：
[0053]如图2所示，以机械形式为XYZAB式的五轴机床为例，假设五轴机床机械形式为如 图3所示的XYZAB形式，待加工零件被夹装在A轴上，只能绕A轴做旋转，激光切割头可以做 XYZ轴的平移和绕B轴做旋转，激光切割头可以做XYZ轴的平移和绕B轴的旋转，激光头加工 点到激光头旋转中心的距离为L，待加工的一点的坐标为： 已知，此时机床XYZ轴平移分别为仏，87,8248轴旋转角度分别为0^06，为所求，则可以根据 空间的几何关系建立起方程：
[0058] 求解该方程，便可以得到机床运动到加工点时的各控制量(Bx，By，Βζ，Θ Α，ΘΒ)，从而 生成加工控制指令。对于其他机械结构的五轴机床，也可以结合其空间构型建立起相应的 方程进行求解。
[0059]实际应用中，国内的许多管材激光切割机只有四轴，仍然可以应用本发明进行大 部分的旋转体零件的切割，以缺失了Β轴，只有ΧΥΖΑ四轴的机床为例，方法为:在加工过程 中，让激光切割头的方向始终与Ζ轴平行，取待加工点的法向量的u z分量始终为1，代入式 二，即可使所得解的ΘΒ值始终为0,即B轴不旋转，从而得到四轴机床切割的控制指令。
【主权项】
1. 一种旋转体激光切割的方法，其特征在于包括如下步骤： (1) 步骤1:在工控机上输入代加工零件的IGS文件； (2) 步骤2:工控机过滤出IGS文件中所有旋转曲面； (3) 步骤3:工控机分析得到旋转曲面上所有待加工的曲线； (4) 步骤4:结合旋转曲面的几何信息，求出待加工曲线上每一点的ΧΥΖΞ维坐标和法向 量； (5) 步骤5:根据待加工曲线上每一点的ΧΥΖΞ维坐标和法向量，反求激光切割装置的姿 态； (6) 步骤6:工控机根据激光切割机床的姿态，输出激光切割装置运动控制指令。2. 如权利要求1所述的一种旋转体激光切割的方法，其特征是:所述步骤2中旋转曲面 是W-条平面曲线绕其平面上的一条直线旋转一周所成的曲面。3. 如权利要求1所述的一种旋转体激光切割的方法，其特征在于所述步骤4中求出待加 工曲线上每一点的XYZ轴Ξ维坐标和法向量包括如下步骤： (1) 根据IGS文件中的待加工曲线类型和记录的参数，可W得到待加工曲线的曲线方 程； (2) 根据待加工曲线的曲线方程可W直接求出曲线上任意一点的ΧΥΖΞ维坐标；（3)根 据求出的任意一点的ΧΥΖΞ维坐标，求出该点所在的母线； (4)在母线上求出该点的法向量讀、採赛品。.4. 如权利要求1所述的一种旋转体激光切割的方法，其特征在于所述步骤5中反求激光 切割装置的姿态包括如下步骤： (1) 步骤5-1:当机床机械结构为五轴机械结构时，执行步骤5-2;若机床机械结构缺失 一个旋转轴的四轴机械结构时，执行步骤5-4; (2) 步骤5-2:设机床XYZ平移轴的平移量为(Bx，By，Bz)，机床的另外两旋转轴的旋转角 度为（θι，θ2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标(Tx，Ty，Tz)，W及该点的法向量(Ux， Uy，Uz)，设机床旋转轴为ΑΒ轴，则有θι = Θα，θ2 = Θβ，激光头加工点到激光头旋转中屯、的距离 为L，则根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(Bx，By，Bz，θl，θ2)和刀路坐 柄（Τχ , Ty , Τζ , Ux , Uv ,山）的方程；(3) 步骤5-3:求解步骤2所得的方程，由于刀路坐标(Τχ，Ty，Τζ，Ux，Uy，Uz)已知，所W通过 方程求解得到机床各轴的控制量化，By，Bz，θl，θ2)的表达式； (4) 步骤5-4:设机床XYZ平移轴的平移量为(Bχ，By，Bz)，机床的另外两旋转轴的旋转角 度为（91，目2)，同时由已知的待加工曲线上的一点坐标(Tχ，Ty，Tz)，W及该点的法向量(Uχ， Uy，Uz)，根据激光切割装置的机械结构建立起机床各轴的控制量(Bx，By，Bz，θl，θ2)和刀路坐 标(Tx，Ty，Tz，Ux，Uy，山）的方程，同时由于机床只有一个旋转轴，所W待加工曲线上的一点的 法向量(Ux，Uy，Uz)中有一个分量为常数； (5)步骤5-5:求解步骤4所得的方程，得到解(Bx，By，Bz，θι，θ2)，由于(化，Uy，Uz)中有一个 分量为常数，使求得的解具有如下特性:θ?，θ2中有一个角度始终为常数，该组解即可用与四 轴激光切割机进行旋转体的切割。
【文档编号】G05B19/4097GK106094731SQ201610586442
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610586442.8, CN 106094731 A, CN 106094731A, CN 201610586442, CN-A-106094731, CN106094731 A, CN106094731A, CN201610586442, CN201610586442.8
【发明人】代田田, 毕松松
【申请人】上海柏楚电子科技有限公司