一種旋轉體激光切割的方法
【專利摘要】本發明涉及激光切割領域,具體的說是一種旋轉體激光切割的方法。包括如下步驟:步驟1:輸入代加工零件的IGS文件;步驟2:過濾出IGS文件中所有旋轉曲面;步驟3:分析得到旋轉曲面上所有待加工的曲線;步驟4:結合旋轉曲面的幾何信息,求出待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和法向量;步驟5:根據待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和法向量,反求激光切割裝置的姿態;步驟6:根據激光切割機床的姿態,輸出激光切割裝置運動控制指令。本發明同現有技術相比,不需要工人通過“示教再現”的方法操作激光切割設備動作,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,由電腦自動生成機床加工控制指令,極大的提升了效率。
【專利說明】
一種旋轉體激光切割的方法
技術領域
[0001] 本發明涉及激光切割領域,具體的說是一種旋轉體激光切割的方法。
【背景技術】
[0002] 利用激光切割機床進行三維的激光零件切割時,需要先根據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床各 軸的一系列連續的運動坐標。
[0003] IGS一一初始化圖形交換規范是一種通用的CAD/CAM信息交換標準,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 基本單位是實體,而每個實體都有其定義和記錄形式,通過實體可以描述產品的形狀、尺寸 以及產品的特性。
[0004] 目前國內對于三維旋轉體的激光切割,一般采取的是"示教再現"的方法,即由人 工通過示教盒一步一步的操縱機床動作,記憶加工路徑,然后再由機床自動再現,這種方法 一是效率低,可重復性差,每切割一種零件,都需要人工重新示教一遍,二是對于復雜零件, 人工示教十分困難。
【發明內容】
[0005] 本發明為克服現有技術的不足,設計一種通過直接讀取旋轉體零件的IGS文件,分 析獲得加工零件的幾何信息,然后自動生成機床加工控制指令,用于激光切割機床的旋轉 體激光切割方法。
[0006] 為實現上述目的,設計一種旋轉體激光切割的方法,其特征在于包括如下步驟: (1)步驟1:在工控機上輸入代加工零件的IGS文件;
[0007] (2)步驟2:工控機過濾出IGS文件中所有旋轉曲面;
[0008] (3)步驟3:工控機分析得到旋轉曲面上所有待加工的曲線;
[0009] (4)步驟4:結合旋轉曲面的幾何信息,求出待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和 法向量;
[0010] (5)步驟5 :根據待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和法向量,反求激光切割裝 置的姿態;
[0011] (6)步驟6:工控機根據激光切割機床的姿態,輸出激光切割裝置運動控制指令。
[0012] 所述步驟2中旋轉曲面是以一條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉一周所成的 曲面。
[0013] 所述步驟4中求出待加工曲線上每一點的XYZ軸三維坐標和法向量包括如下步驟:
[0014] (1)根據IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數,可以得到待加工曲線的曲線 方程;
[0015] ⑵根據待加工曲線的曲線方程可以直接求出曲線上任意一點的XYZ三維坐標;
[0016] (3)根據求出的任意一點的XYZ三維坐標,求出該點所在的母線;
[Ο。17] (4)在母線上求出該點的法向量錢(i二:?)。
[0018] 所述步驟5中反求激光切割裝置的姿態包括如下步驟:
[0019] (1)步驟5-1:當機床機械結構為五軸機械結構時,執行步驟5-2;若機床機械結構 缺失一個旋轉軸的四軸機械結構時,執行步驟5-4;
[0020] ⑵步驟5-2:設機床XYZ平移軸的平移量為(Bx,By,B z),機床的另外兩旋轉軸的旋 轉角度為(θ?,θ2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標([,',^,以及該點的法向量 (u x,uy,uz),設機床旋轉軸為ΑΒ軸,則有θ: = ΘΑ,θ2 = ΘΒ,激光頭加工點到激光頭旋轉中心的 距離為L,則根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(B x,By,ΒΖ,0^02)和刀 路坐標(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(Tx,Ty,T z,ux,uy,uz)已知,所以 通過方程求解得到機床各軸的控制量(8\,8^82,01,02)的表達式;
[0024] (4)步驟5-4:設機床XYZ平移軸的平移量為(Bx,By,B z),機床的另外兩旋轉軸的旋 轉角度為(θι,θ2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標(!^,1,1^),以及該點的法向量 (1^,1^,112),根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(8\,8^82,0 1,02)和刀 路坐標(Tx,Ty,T z,ux,uy,uz)的方程,同時由于機床只有一個旋轉軸,所以待加工曲線上的一 點的法向量(U x,Uy,Uz )中有一個分量為常數;
[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 一個分量為常數,使求得的解具有如下特性:9:,02中有一個角度始終為常數,該組解即可用 與四軸激光切割機進行旋轉體的切割。
[0026] 本發明同現有技術相比,不需要工人通過"示教再現"的方法操作激光切割設備動 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,由電腦自動生成機床加工 控制指令,極大的提升了效率;可以有效解決復雜零件的機床加工問題。
【附圖說明】
[0027]圖1為本發明的主程序流程圖。
[0028]圖2為本發明中求待加工曲線坐標和法向量的流程圖。
[0029]圖3為本發明實施例的示意圖。
【具體實施方式】
[0030] 下面根據附圖對本發明做進一步的說明。
[0031] 如圖1~圖2所示,包括如下步驟:
[0032] (1)步驟1:在工控機上輸入代加工零件的IGS文件;
[0033] (2)步驟2:工控機過濾出IGS文件中所有旋轉曲面;
[0034] (3)步驟3:工控機分析得到旋轉曲面上所有待加工的曲線;
[0035] (4)步驟4:結合旋轉曲面的幾何信息,求出待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和 法向量;
[0036] (5)步驟5:根據待加工曲線上每一點的XYZ三維坐標和法向量,反求激光切割裝置 的姿態;
[0037] (6)步驟6:工控機根據激光切割機床的姿態,輸出激光切割裝置運動控制指令。所 述步驟2中旋轉曲面是以一條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉一周所成的曲面。
[0038]所述步驟4中求出待加工曲線上每一點的XYZ軸三維坐標和法向量包括如下步驟:
[0039] (1)根據IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數,可以得到待加工曲線的曲線 方程;
[0040] (2)根據待加工曲線的曲線方程可以直接求出曲線上任意一點的XYZ三維坐標;
[0041] (3)根據求出的任意一點的XYZ三維坐標,求出該點所在的母線;
[0042] (4)在母線上求出該點的法向量錢(?ζ, 。
[0043] 所述步驟5中反求激光切割裝置的姿態包括如下步驟:
[0044] (1)步驟5-1:當機床機械結構為五軸機械結構時,執行步驟5-2;若機床機械結構 缺失一個旋轉軸的四軸機械結構時,執行步驟5-4;
[0045] (2)步驟5-2:設機床ΧΥΖ平移軸的平移量為(Bx,By,Β ζ),機床的另外兩旋轉軸的旋 轉角度為(θ?,θ2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標([,',^,以及該點的法向量 (ux,uy,uz),設機床旋轉軸為ΑΒ軸,則有θ: = ΘΑ,θ2 = ΘΒ,激光頭加工點到激光頭旋轉中心的 距離為L,則根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(B x,By,ΒΖ,0^02)和刀 路坐標(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(Tx,Ty,T z,ux,uy,uz)已知,所以 通過方程求解得到機床各軸的控制量(8\,8^82,01,02)的表達式;
[0049] (4)步驟5-4:設機床XYZ平移軸的平移量為(Bx,By,B z),機床的另外兩旋轉軸的旋 轉角度為(θι,θ2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標(!^,1,1^),以及該點的法向量 (1,%,112),根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(8\,87,82,0 1,02)和刀 路坐標(Tx,Ty,Tz,ux,uy,u z)的方程,同時由于機床只有一個旋轉軸,所以待加工曲線上的一 點的法向量(UX,Uy,U Z )中有一個分量為常數;
[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 一個分量為常數,使求得的解具有如下特性中有一個角度始終為常數,該組解即可用 與四軸激光切割機進行旋轉體的切割。
[0051] 其中IGES文件中每種曲線類型都定義了表達形式,得到了曲線類型就知道了曲線 的表達公式,參數就是公式中確定一條曲線需要的參數數據。如IGES標準中直線由起點和 終點定義,參數數據就指的是起點和終點的坐標PI (XI,Π ,Zl),P2(X2,Y2,Z2)。
[0052] 實施例:
[0053]如圖2所示,以機械形式為XYZAB式的五軸機床為例,假設五軸機床機械形式為如 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,激光切割頭可以做 XYZ軸的平移和繞B軸做旋轉,激光切割頭可以做XYZ軸的平移和繞B軸的旋轉,激光頭加工 點到激光頭旋轉中心的距離為L,待加工的一點的坐標為: 已知,此時機床XYZ軸平移分別為仏,87,8248軸旋轉角度分別為0^06,為所求,則可以根據 空間的幾何關系建立起方程:
[0058] 求解該方程,便可以得到機床運動到加工點時的各控制量(Bx,By,Βζ,Θ Α,ΘΒ),從而 生成加工控制指令。對于其他機械結構的五軸機床,也可以結合其空間構型建立起相應的 方程進行求解。
[0059]實際應用中,國內的許多管材激光切割機只有四軸,仍然可以應用本發明進行大 部分的旋轉體零件的切割,以缺失了Β軸,只有ΧΥΖΑ四軸的機床為例,方法為:在加工過程 中,讓激光切割頭的方向始終與Ζ軸平行,取待加工點的法向量的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,從而得到四軸機床切割的控制指令。
【主權項】
1. 一種旋轉體激光切割的方法,其特征在于包括如下步驟: (1) 步驟1:在工控機上輸入代加工零件的IGS文件; (2) 步驟2:工控機過濾出IGS文件中所有旋轉曲面; (3) 步驟3:工控機分析得到旋轉曲面上所有待加工的曲線; (4) 步驟4:結合旋轉曲面的幾何信息,求出待加工曲線上每一點的ΧΥΖΞ維坐標和法向 量; (5) 步驟5:根據待加工曲線上每一點的ΧΥΖΞ維坐標和法向量,反求激光切割裝置的姿 態; (6) 步驟6:工控機根據激光切割機床的姿態,輸出激光切割裝置運動控制指令。2. 如權利要求1所述的一種旋轉體激光切割的方法,其特征是:所述步驟2中旋轉曲面 是W-條平面曲線繞其平面上的一條直線旋轉一周所成的曲面。3. 如權利要求1所述的一種旋轉體激光切割的方法,其特征在于所述步驟4中求出待加 工曲線上每一點的XYZ軸Ξ維坐標和法向量包括如下步驟: (1) 根據IGS文件中的待加工曲線類型和記錄的參數,可W得到待加工曲線的曲線方 程; (2) 根據待加工曲線的曲線方程可W直接求出曲線上任意一點的ΧΥΖΞ維坐標;(3)根 據求出的任意一點的ΧΥΖΞ維坐標,求出該點所在的母線; (4)在母線上求出該點的法向量讀、採賽品。.4. 如權利要求1所述的一種旋轉體激光切割的方法,其特征在于所述步驟5中反求激光 切割裝置的姿態包括如下步驟: (1) 步驟5-1:當機床機械結構為五軸機械結構時,執行步驟5-2;若機床機械結構缺失 一個旋轉軸的四軸機械結構時,執行步驟5-4; (2) 步驟5-2:設機床XYZ平移軸的平移量為(Bx,By,Bz),機床的另外兩旋轉軸的旋轉角 度為(θι,θ2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標(Tx,Ty,Tz),W及該點的法向量(Ux, Uy,Uz),設機床旋轉軸為ΑΒ軸,則有θι = Θα,θ2 = Θβ,激光頭加工點到激光頭旋轉中屯、的距離 為L,則根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(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(Τχ,Ty,Τζ,Ux,Uy,Uz)已知,所W通過 方程求解得到機床各軸的控制量化,By,Bz,θl,θ2)的表達式; (4) 步驟5-4:設機床XYZ平移軸的平移量為(Bχ,By,Bz),機床的另外兩旋轉軸的旋轉角 度為(91,目2),同時由已知的待加工曲線上的一點坐標(Tχ,Ty,Tz),W及該點的法向量(Uχ, Uy,Uz),根據激光切割裝置的機械結構建立起機床各軸的控制量(Bx,By,Bz,θl,θ2)和刀路坐 標(Tx,Ty,Tz,Ux,Uy,山)的方程,同時由于機床只有一個旋轉軸,所W待加工曲線上的一點的 法向量(Ux,Uy,Uz)中有一個分量為常數; (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 分量為常數,使求得的解具有如下特性:θ?,θ2中有一個角度始終為常數,該組解即可用與四 軸激光切割機進行旋轉體的切割。
【文檔編號】G05B19/4097GK106094731SQ201610586442
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年7月25日 公開號201610586442.8, CN 106094731 A, CN 106094731A, CN 201610586442, CN-A-106094731, CN106094731 A, CN106094731A, CN201610586442, CN201610586442.8
【發明人】代田田, 畢松松
【申請人】上海柏楚電子科技有限公司