贴合曲面的管材激光切割方法、装置、设备及存储介质与流程

1.本发明一个或多个实施例涉及激光切割加工技术领域，尤其涉及一种贴合 曲面的管材激光切割方法、装置、设备及存储介质。


背景技术：

2.在金属切割领域，某些下料的目标效果是两个工件的表面对拼在一起时 完全贴合，这样组装的位置、角度、长度等参数会很精确、组装也会很牢固， 然后再做焊接等组装工序。
3.但是，由于激光切割的原理是激光光束切割材料，所以得到厚度方向的 切割面一定是平面(直线移动形成平面)。如果理论上必须是曲面才能贴合， 那激光切割出来的一定做不到完全贴合了。
4.目前，针对上述问题，缺乏有效的解决方案。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明一个或多个实施例提供一种贴合曲面的管材激光切割方 法、装置、设备及存储介质。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
7.根据本发明一个或多个实施例的第一方面，提出一种贴合曲面的管材激光 切割方法，用于在管材上切割出贴合曲面的曲面切割面，所述方法包括：
8.s1：获取管材的除料形状的初始内轮廓、初始外轮廓及初始切割面；其中 所述除料形状为根据所要贴合的曲面绘制于所述管材上；
9.s2：对所述除料形状的初始内轮廓及初始外轮廓进行采点，分别得到若干 第一内轮廓散点以及若干第一外轮廓散点；其中每个第一内轮廓散点均分别通 过一曲线与每个第一外轮廓散点对应，所有的曲线构成所述初始切割面；
10.s3：以所述每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内轮廓散点沿对应的 曲线的切线，并将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的第二外轮廓散点；
11.s4：将所有的第二外轮廓散点进行拟合，得到优化外轮廓；
12.s5：获得每个第二外轮廓散点与对应的第一内轮廓散点之间的目标连线， 其中所述目标连线指向管材的轴心；
13.s6：以所述优化外轮廓作为切割轨迹，以所述目标连线作为切割方向，执 行激光切割程序，对所述管材进行激光切割。
14.在一种可选择的实现方式下，所述s2与所述s3之间还包括：
15.s21：判断每个第一内轮廓散点与对应的第一外轮廓散点之间的局部曲面切 割面的类型，其中所述局部曲面切割面的类型包括凹面以及凸面；
16.s22：若所述局部曲面切割面为凸面，则以该第一内轮廓散点所对应的第一 外轮廓散点作为相应的第二外轮廓散点；若所述局部曲面切割面为凹面，则进 入s3；直至所有
的第一内轮廓散点所对应的第二外轮廓散点均得到后进入s4。
17.在一种可选择的实现方式下，所述s21具体包括：
18.s211：获得每个第一内轮廓散点与对应的第一外轮廓散点之间的第一连线 以及每个第一内轮廓散点与对应的第一外轮廓散点之间的局部曲面切割面；
19.s212：判断所述第一连线与对应的所述局部曲面切割面的关系，若所述第 一连线位于所述局部曲面切割面以外，则所述局部曲面切割面的类型为凹面； 若所述第一连线位于所述局部曲面切割面以内，则所述局部曲面切割面的类型 为凸面。
20.在一种可选择的实现方式下，所述s3具体包括：
21.s31：以每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内轮廓散点沿对应的曲线 的切线；
22.s32：判断所述切线与所述管材的拉伸方向的夹角是否大于一预设角度；若 是，则将每个第一内轮廓散点按照所述预设角度延伸至管材的外表面，得到对 应的第二外轮廓散点；若否，则将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的第 二外轮廓散点。
23.在一种可选择的实现方式下，所述预设角度为激光切管机中的机械最大摆 角。
24.在一种可选择的实现方式下，所述机械最大摆角的取值为45度。
25.在一种可选择的实现方式下，所述机械最大摆角为激光切割设备的切割头 与所述管材的拉伸方向的最大夹角。
26.根据本发明一个或多个实施例的第二方面，提出一种贴合曲面的管材激光 切割装置，包括获取单元、采点单元、确定单元、拟合单元、连线单元以及切 割单元；其中：
27.所述获取单元，用于获取管材的除料形状的初始内轮廓、初始外轮廓及初 始切割面；其中所述除料形状为根据所要贴合的曲面绘制于所述管材上；
28.所述采点单元，用于对所述除料形状的初始内轮廓及初始外轮廓进行采点， 分别得到若干第一内轮廓散点以及若干第一外轮廓散点；其中每个第一内轮廓 散点均分别通过一曲线与每个第一外轮廓散点对应，所有的曲线构成所述初始 切割面；
29.所述确定单元，用于以所述每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内轮 廓散点沿对应的曲线的切线，并将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的第 二外轮廓散点；
30.所述拟合单元，用于将所有的第二外轮廓散点进行拟合，得到优化外轮廓；
31.所述连线单元，用于获得每个第二外轮廓散点与对应的第一内轮廓散点之 间的目标连线，其中所述目标连线指向管材的轴心；
32.所述切割单元，用于以所述优化外轮廓作为切割轨迹，以所述目标连线作 为切割方向，执行激光切割程序，对所述管材进行激光切割。
33.根据本发明一个或多个实施例的第三方面，提出一种电子设备，包括：
34.处理器；
35.以及，用于存储处理器可执行指令的存储器；
36.其中，所述处理器通过运行所述可执行指令实现上述第一方面所述方法中 的步骤。
37.根据本发明一个或多个实施例的第四方面，提出一种计算机可读存储介质， 其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述第一方面所 述方法中的步骤。
38.由以上描述可以看出，本发明中，对管材上的除料形状的初始内轮廓及初 始外轮廓进行采点，得到若干第一内轮廓散点以及若干第一外轮廓散点后，以 每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内轮廓散点沿对应的曲线的切线，并 将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的第二外轮廓散点；通过将所有的第 二外轮廓散点进行拟合，得到优化外轮廓，并获得每个第二外轮廓散点与对应 的第一内轮廓散点之间的目标连线；以优化外轮廓作为切割轨迹，以目标连线 作为切割方向，执行激光切割程序，对所述管材进行激光切割。从而在尊重激 光切割的客观属性的情况下，使得激光切割后得到的切割面能够尽可能与曲面 相贴合，且达到“最小除料”的效果。
附图说明
39.图1是圆管t形拼接的示意图；
40.图2是圆管t形拼接需在管材上切出的马鞍口的形状的示意图；
41.图3是管材的内点和外点的对应关系示意图；
42.图4是马鞍口形状的管材的切面轮廓示意图；
43.图5为常规的以外轮廓为切割轨迹的示意图；
44.图6为常规的以外轮廓为切割轨迹进行切割后工件之间的拼合示意图；
45.图7为现有的以内轮廓为切割轨迹的示意图；
46.图8为现有的以内轮廓为切割轨迹进行切割后工件之间的拼合示意图；
47.图9为本发明一示例性实施例提供的贴合曲面的管材激光切割方法的流程 图；
48.图10是本发明一示例性实施例示出的确定第二外轮廓散点的示意图；
49.图11是本发明一示例性实施例示出的确定优化外轮廓的示意图；
50.图12是本发明一示例性实施例示出的采用本发明的贴合曲面的管材激光 切割方法得到的管材与另一管材进行t形拼接的示意图；
51.图13是本发明一示例性实施例示出的切线与管材的拉伸方向的夹角的示 意图；
52.图14是本发明一示例性实施例示出的关于凸面和凹面的示意图；
53.图15是一示例性实施例提供的贴合曲面的管材激光切割装置所在电子设 备的结构示意图。
54.图16是一示例性实施例提供的贴合曲面的管材激光切割装置的框图。
具体实施方式
55.这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描 述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。 以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明一个或多个实施例相 一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发 明一个或多个实施例的一些方面相一致的装置和方法的例子。
56.需要说明的是：在其他实施例中并不一定按照本发明示出和描述的顺序来 执行相应方法的步骤。在一些其他实施例中，其方法所包括的步骤可以比本发 明所描述的更多或更少。此外，本发明中所描述的单个步骤，在其他实施例中 可能被分解为多个步骤进行描述；而本发明中所描述的多个步骤，在其他实施 例中也可能被合并为单个步骤进行描
述。
57.申请人在提出本发明之前，对于管材的激光切割进行了充分的研究，发现 了管材激光切割存在的相应问题，基于相应问题进行研究和探索，最终得到了 本技术方案。具体如下：
58.金属切割领域，某些情况下必须是曲面才能贴合，如图1所示，当两个圆 管工件(如第一管材10与第二管材20)要进行t形拼接时，其贴合面必须是曲 面，从而需要在第二管材20上切出如图2所示的马鞍口形状a。
59.对于第二管材20上的马鞍口形状a，其管材外表面边缘为外轮廓、内表面 边缘为内轮廓。可以认为轮廓是由无数的点组成的，并且构成内轮廓的内点和 构成外轮廓的外点存在对应的规则。通常情况下，内外点之间的连线是指向管 材轴心的，图3给出了16个内点和外点的对应关系。
60.对于马鞍口的形状的管材，其在管材厚度方向上对应的面为曲面，其中图4 以管材最明显的角度进行说明：曲线d为马鞍口管材的切面轮廓，虚线22代表 管材内表面，与马鞍口相交的点即为该位置的内点；实线21为管材外表面，与 马鞍口相交的点为该位置的外点。此角度只能看到两组内外点，实际是无数组 内外点组成了内外轮廓。可以看出，这组对应的内外之间是曲线相连的，代表 对应的切割面应该是曲面。而每组内外轮廓之间的曲线虽然不尽相同，在按一 定规律变化，但内外点之间是曲线相连、整个面是曲面切割面的规律是统一的。
61.而激光光束是直的，因而按照常规的激光切割方式，激光会以外轮廓为切 割轨迹、以内外点的连线为切割方向，得到的为如图5所示的平面d，从而使得 切割得到的面比实际需求的曲面凸出一块，进而会导致拼合干涉，使得两个管 材之间出现缝隙，造成组装错位、不稳固等负面影响，如图6所示。
62.为了解决上述问题，一种方式是对切割面进行打磨，然而该种做法会需要 大量的人力，既耗时又不精准。如图7所示，另一种方式是以内点垂直向外延 伸得到新的外点，以新的外点的集合为新外轮廓线，该新外轮廓线作为切割轨 迹，以垂直方向作为切割方向进行激光切割。这种方式的效果图如图8所示， 虽然能保证拼接不干涉，但是切掉的材料太多，缝隙很大，需要焊接去补，而 对于大的缝隙而言，焊接的难度很大。
63.有鉴于此，本发明提供一种贴合曲面的管材激光切割方法，应用于各类电 子设备；举例来说，所述方法可以直接应用于执行工件切割的设备，也可以应 用于一般计算机然后输出相关刀路以供执行工件切割的设备参考，本发明对此 不做具体限制。
64.请参考图9，图9所示为本发明一示例性实施例提供的贴合曲面的管材激光 切割方法的流程图。
65.所述贴合曲面的管材激光切割方法，可以包括如下具体步骤s1-s6：
66.步骤s1，获取管材的除料形状的初始内轮廓、初始外轮廓及初始切割面； 其中所述除料形状为根据所要贴合的曲面绘制于所述管材上。
67.本实施例中，首先依据所要贴合的曲面，将除料形状绘制于管材上，其中 该除料形状例如为马鞍口形状。当然，根据所要贴合的曲面不同，除料形状也 存在差异。本发明并不限制具体的除料形状，只要除料形状的切割面为曲面， 则均在本发明的保护范围之内。具体地，绘制除料形状可通过软件进行，例如 cad绘图软件等。
68.基于所述除料形状，获取管材的除料形状的初始内轮廓、初始外轮廓及初 始切割面。其中，初始内轮廓指的是除料形状对应的管材的内表面边缘，初始 外轮廓指的是除料形状对应的管材的外表面边缘，初始切割面指的是连接初始 内轮廓与初始外轮廓之间的面，该面为曲面。
69.步骤s2，对所述除料形状的初始内轮廓及初始外轮廓进行采点，分别得到 若干第一内轮廓散点以及若干第一外轮廓散点；其中每个第一内轮廓散点均分 别通过一曲线与每个第一外轮廓散点对应，所有的曲线构成所述初始切割面。
70.具体地，如图10所示，其中c1为第一内轮廓散点，b1为第一外轮廓散点， 第一内轮廓散点c1通过一曲线e与第一外轮廓散点b1对应。
71.步骤s3：以所述每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内轮廓散点沿对 应的曲线的切线，并将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的第二外轮廓散 点。
72.具体地，如图10所示，以第一内轮廓散点c1为基准，获得该第一内轮廓 散点c1沿对应的曲线e的切线f，并将该切线f延伸至管材的外表面，得到对 应的第二外轮廓散点e1。
73.步骤s4：将所有的第二外轮廓散点进行拟合，得到优化外轮廓。
74.如图11所示，以16个第一内轮廓散点为例，采用前述方式将所有的16个 第一内轮廓散点所对应的第二外轮廓散点均得到后，对所有的第二外轮廓散点 进行拟合，得到优化外轮廓。
75.当然，第一内轮廓散点的个数还可以为其他值，本发明对此不做具体限制， 并且第一内轮廓散点的个数越多，精确度可以越高。
76.步骤s5：获得每个第二外轮廓散点与对应的第一内轮廓散点之间的目标连 线，其中所述目标连线指向管材的轴心；
77.步骤s6：以所述优化外轮廓作为切割轨迹，以所述目标连线作为切割方向， 执行激光切割程序，对所述管材进行激光切割。
78.对于激光切割而言，只需得到切割轨迹和切割方向，即可执行激光切割程 序，对管材进行激光切割。
79.采用本发明实施例提供的方法，其切割后的第二管材20与第一管材10之 间的拼接的效果如图12所示，可以看到，两个管材之间的曲面贴合度高，且缝 隙小。并且相较于直接以内轮廓线为切割轨迹的方式而言，达到了“最小除料
”ꢀ
的效果。
80.作为一种优选实施方式，为了进一步节省材料，本发明实施例在上述步骤 s2与步骤s3之间还可以包括以下步骤：
81.s21：判断每个第一内轮廓散点与对应的第一外轮廓散点之间的局部曲面切 割面的类型，其中所述局部曲面切割面的类型包括凹面以及凸面；
82.s22：若所述局部曲面切割面为凸面，则以该第一内轮廓散点所对应的第一 外轮廓散点作为相应的第二外轮廓散点；若所述局部曲面切割面为凹面，则进 入s3；直至所有的第一内轮廓散点所对应的第二外轮廓散点均得到后进入s4。
83.其中，如图13所示，判断每个第一内轮廓散点与对应的第一外轮廓散点之 间的局部曲面切割面的类型，具体包括：
84.s211：获得每个第一内轮廓散点c1与对应的第一外轮廓散点b1之间的第 一连线g以及每个第一内轮廓散点c1与对应的第一外轮廓散点b1之间的局部 曲面切割面h；
85.s212：判断所述第一连线g与对应的所述局部曲面切割面h的关系，若所 述第一连线g位于所述局部曲面切割面h以外，则所述局部曲面切割面h的类 型为凹面(如图13左侧的部分)；若所述第一连线位于所述局部曲面切割面以 内，则所述局部曲面切割面的类型为凸面(如图13左侧的部分)。
86.其中，第一连线g位于所述局部曲面切割面h以外，可以理解为第一连线g 凸出于所述局部曲面切割面h，也即以局部曲面切割面h作为切割面比以第一连 线g作为切割面切掉的管材部分要多。与此相应的，凸面则做相反理解。
87.对于凸面的曲面切割面而言，最小除料的规则是：以外轮廓为切割轨迹， 以内点与外点的连线为切割方向。
88.本发明通过对凸面和凹面进行区分，以采用不同的切割方式，从而整体 上可以达到在曲面贴合度的情况下用料最省。
89.作为进一步优选实施方式，本发明考虑了机械最大摆角的限制，其中机械 最大摆角指的是激光切割设备的切割头与管材的拉伸方向的最大夹角。受限于 实际的设备，该机械最大摆角通常都有限制。若超出该最大摆角，则实际执行 中无法实现。基于此，如图14所示，本发明优选实施例中的步骤s3进一步包 括：
90.s31：以每个第一内轮廓散点c1为基准，获得该第一内轮廓散点c1沿对应 的曲线的切线；
91.s32：判断所述切线与所述管材的拉伸方向的夹角α是否大于一预设角度； 若是，则将每个第一内轮廓散点c1按照所述预设角度延伸至管材的外表面，得 到对应的第二外轮廓散点；若否，则将该切线延伸至管材的外表面，得到对应 的第二外轮廓散点e1。
92.其中，该预设角度为机械最大摆角。以机械最大摆角为45度为例，若所 述切线与所述管材的拉伸方向的夹角α大于45度，则将第一内轮廓散点c1按 照45度延伸至管材的外表面，得到对应的第二外轮廓散点；若所述切线与所述 管材的拉伸方向的夹角α小于或等于45度，则将该切线延伸至管材的外表面， 得到对应的第二外轮廓散点e1。
93.该优选方式考虑到实际设备的限制，从而使得本发明提供的方法能最大限 度保证组装精准、缝隙小的要求。
94.图15是本发明一示例性实施例提供的一种贴合曲面的管材激光切割装置所 在电子设备的结构示意图。请参考图15，在硬件层面，该设备包括处理器602、 内部总线604、网络接口606、内存608以及非易失性存储器610，当然还可能 包括其他业务所需要的硬件。本发明一个或多个实施例可以基于软件方式来实 现，比如由处理器602从非易失性存储器610中读取对应的计算机程序到内存 608中然后运行。当然，除了软件实现方式之外，本发明一个或多个实施例并不 排除其他实现方式，比如逻辑器件抑或软硬件结合的方式等等，也就是说以下 处理流程的执行主体并不限定于各个逻辑单元，也可以是硬件或逻辑器件。
95.请参考图16，图16所示为本发明一示例性实施例提供的一种贴合曲面 的管材激光切割装置坡口切割的刀路优化装置的框图，所述贴合曲面的管材 激光切割装置坡口切割的刀路优化装置可以应用在图15所示的电子设备中， 以实现本发明的技术方案。其中，所述贴合曲面的管材激光切割装置，包括 获取单元101、采点单元102、确定单元103、拟合单元104、连线单元105以 及切割单元106；其中：
96.所述获取单元101，用于获取管材的除料形状的初始内轮廓、初始外轮廓及 初始
切割面；其中所述除料形状为根据所要贴合的曲面绘制于所述管材上；
97.所述采点单元102，用于对所述除料形状的初始内轮廓及初始外轮廓进行采 点，分别得到若干第一内轮廓散点以及若干第一外轮廓散点；其中每个第一内 轮廓散点均分别通过一曲线与每个第一外轮廓散点对应，所有的曲线构成所述 初始切割面；
98.所述确定单元103，用于以所述每个第一内轮廓散点为基准，获得该第一内 轮廓散点沿对应的曲线的切线，并将该切线延伸至管材的外表面，得到对应的 第二外轮廓散点；
99.所述拟合单元104，用于将所有的第二外轮廓散点进行拟合，得到优化外轮 廓；
100.所述连线单元105，用于获得每个第二外轮廓散点与对应的第一内轮廓散点 之间的目标连线，其中所述目标连线指向管材的轴心；
101.所述切割单元106，用于以所述优化外轮廓作为切割轨迹，以所述目标连线 作为切割方向，执行激光切割程序，对所述管材进行激光切割。
102.上述实施例阐明的系统、装置、模块或单元，具体可以由计算机芯片或实 体实现，或者由具有某种功能的产品来实现。一种典型的实现设备为计算机， 计算机的具体形式可以是个人计算机、膝上型计算机、蜂窝电话、相机电话、 智能电话、个人数字助理、媒体播放器、导航设备、电子邮件收发设备、游戏 控制台、平板计算机、可穿戴设备或者这些设备中的任意几种设备的组合。
103.在一个典型的配置中，计算机包括一个或多个处理器(cpu)、输入/输出接 口、网络接口和内存。
104.内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器(ram) 和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flash ram)。内存是 计算机可读介质的示例。
105.计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动媒体可以由任 何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序 的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存(pram)、 静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存 取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、 快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数字多功能光盘 (dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁盘存储、量子存储器、基于石墨烯的 存储介质或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算 设备访问的信息。按照本文中的界定，计算机可读介质不包括暂存电脑可读媒 体(transitory media)，如调制的数据信号和载波。
106.还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非 排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包 括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、 方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括 一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设 备中还存在另外的相同要素。
107.上述对本发明特定实施例进行了描述。其它实施例在所附权利要求书的范 围内。在一些情况下，在权利要求书中记载的动作或步骤可以按照不同于实施 例中的顺序来执行并且仍然可以实现期望的结果。另外，在附图中描绘的过程 不一定要求示出的特定顺序
或者连续顺序才能实现期望的结果。在某些实施方 式中，多任务处理和并行处理也是可以的或者可能是有利的。
108.在本发明一个或多个实施例使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的， 而非旨在限制本发明一个或多个实施例。在本发明一个或多个实施例和所附权 利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形 式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或
”ꢀ
是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
109.应当理解，尽管在本发明一个或多个实施例可能采用术语第一、第二、第 三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一 类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本发明一个或多个实施例范围的情况 下，第一信息也可以被称为第二信息，类似地，第二信息也可以被称为第一信 息。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在
……
时
”ꢀ
或“当
……
时”或“响应于确定”。
110.以上所述仅为本发明一个或多个实施例的较佳实施例而已，并不用以限制 本发明一个或多个实施例，凡在本发明一个或多个实施例的精神和原则之内， 所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明一个或多个实施例保 护的范围之内。