激光切割的拐角自适应倒圆角方法

技术领域

本发明属于工业自动化控制的技术领域，尤其涉及激光切割的拐角自适应倒圆角方法。

背景技术

在传统的激光切割中，为了保证加工精度和运动的稳定性，对待加工工件拐角一般采用降速处理，导致在机床负载过大时，拐角切割剧烈震动，严重影响板材加工精度和效率。特别是，厚板(10mm左右)进行尖角切割时，由于气流不能及时跟随光束，致使烧融材料不能及时排出，最终影响转向后的断面切割效果，甚至出现反蓝光切不透现象，易损坏镜片。为了减少这类现象的出现，需要在拐角的地方插补一条圆弧轨迹，这个过程称为倒圆角。倒圆角属于工艺中的一种情况，用于保证前后两段加工轨迹在加工过程中，平滑过渡，提高激光切割效率。

传统的倒圆角方法是指定倒圆角半径后进行对应轨迹处理。主要缺陷：(1)严重依赖于设定的倒圆角半径：如果倒圆角半径过大，导致倒圆角的起终点不在待加工轨迹上，则该类情况的拐角将无法被处理；(2)包含圆弧轨迹的倒圆角功能未被开发：倒圆角根据衔接的两段加工轨迹类型可分为直线和直线，直线和圆弧,圆弧和直线以及圆弧和圆弧，这四种情况，其中涉及到圆弧的倒圆角比较复杂，需要考虑插补轨迹与输入圆弧轨迹的相切关系，即输入圆弧轨迹与插补倒圆角属于内切，还是外切。在这种条件下，为进一步提升机床的加工精度和效率，需要开发新的方法来解决该问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种可以对拐角数据进行平滑过渡处理的激光切割的拐角自适应倒圆角方法。

本发明公开了一种激光切割的拐角自适应倒圆角方法，包括：

读取相邻两段加工轨迹的轨迹数据，根据所述轨迹数据判断所述相邻两段加工轨迹之间是否为平滑过渡；

若相邻两段加工轨迹之间不是平滑过渡，则进行倒圆角计算，得到插补轨迹，所述插补轨迹包括设定倒圆角半径；

基于所述设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

将所述插入轨迹数据插入原列队中，生成新的加工轨迹。

优选地，当所述相邻两段加工轨迹分别为第一线段以及第二线段时，所述根据设定倒圆角半径计算插入轨迹数据，包括：

根据所述第一线段以及第二线段的轨迹数据计算最大插补圆弧半径；

判断所述设定倒圆角半径与所述最大插补圆弧半径的大小关系；

若所述设定倒圆角半径大于所述最大插补圆弧半径，则根据所述设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

若所述设定倒圆角半径小于所述最大插补圆弧半径，则根据所述最大插补圆弧半径计算插入轨迹数据。

优选地，所述第一线段以及第二线段的轨迹数据包括第一线段的起点坐标、第一线段的终点坐标、第二线段的起点坐标以及第二线段的终点坐标，其中所述第一线段的终点坐标与所述第二线段的起点坐标为同一点；所述根据所述第一线段以及第二线段的轨迹数据计算最大插补圆弧半径，包括：

以第一线段的起点坐标为倒圆角的起点计算得到第一倒圆角半径；

以第二线段的终点坐标为倒圆角的终点计算得到第二倒圆角半径；

选择所述第一倒圆角半径以及所述第二倒圆角半径中的较小值作为最大插补圆弧半径。

优选地，当所述相邻两段加工轨迹分别为第三线段以及第一圆弧时，所述根据设定倒圆角半径计算插入轨迹数据，包括：

根据设定倒圆角半径、第三线段以及第一圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，所述插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

判断所述插补轨迹是否同时满足所述插补起点坐标位于所述第三线段上，以及所述插补终点坐标位于第一圆弧上；

若满足，则以所述插补轨迹的轨迹数据作为插入轨迹数据；

若不满足，则以第三线段以及第一圆弧的轨迹数据作为插入轨迹数据。

优选地，所述第三线段以及第一圆弧的轨迹数据包括第三线段的起点坐标、第三线段的终点坐标、第一圆弧的半径、第一圆弧的起点坐标以及第一圆弧的终点坐标，其中所述第三线段的终点坐标与所述第一圆弧的起点坐标为同一点，所述根据设定倒圆角半径、第三线段以及第一圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，包括：

在第三线段上选取第一辅助点，所述第一辅助点到所述第三线段的终点距离为第一长度；

将第一辅助点到第一圆弧圆心的距离与第一圆弧的半径比较，以判断插补轨迹与所述第一圆弧的相切关系；

由插补轨迹与第一圆弧的相切关系以及设定倒圆角半径，确定插补轨迹的插补起点坐标以及插补终点坐标。于

优选地，当所述相邻两段加工轨迹分别为第二圆弧以及第四线段时，所述根据设定倒圆角半径计算插入轨迹数据，包括：

根据设定倒圆角半径、第二圆弧以及第四线段的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，所述插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

判断所述插补轨迹是否同时满足所述插补起点坐标位于所述第二圆弧上，以及所述插补终点坐标位于第四线段上；

若满足，则以所述插补轨迹的轨迹数据作为插入轨迹数据；

若不满足，则以第二圆弧以及第四线段的轨迹数据作为插入轨迹数据。

优选地，所述第二圆弧以及第四线段的轨迹数据包括第二圆弧的起点坐标、第二圆弧的终点坐标、第二圆弧的半径、第四线段的起点坐标以及第四线段的终点坐标，其中所述第二圆弧的终点坐标与所述第四线段的起点坐标为同一点，所述根据设定倒圆角半径、第二圆弧以及第四线段的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，包括：

在第四线段上选取第二辅助点，所述第二辅助点到第四线段的起点距离为第二长度；

将第二辅助点到第二圆弧圆心的距离与第二圆弧的半径比较，以判断插补轨迹与所述第二圆弧的相切关系；

由插补轨迹与第二圆弧的相切关系以及设定倒圆角半径，确定插补轨迹的插补起点坐标以及插补终点坐标。

优选地，当所述相邻两段加工轨迹分别为第三圆弧以及第四圆弧时，所述根据设定倒圆角半径计算插入轨迹数据，包括：

根据设定倒圆角半径、第三圆弧以及第四圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，所述插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

判断所述插补轨迹是否同时满足所述插补起点坐标位于所述第三圆弧上，以及所述插补终点坐标位于第四圆弧上；

若满足，则以所述插补轨迹的轨迹数据作为插入轨迹数据；

若不满足，则以第三圆弧以及第四圆弧的轨迹数据作为插入轨迹数据。

优选地，所述第三圆弧以及第四圆弧的轨迹数据包括第三圆弧的起点坐标、第三圆弧的终点坐标、第三圆弧半径、第四圆弧的起点坐标、第四圆弧的终点坐标以及第四圆弧半径，其中所述第三圆弧的终点坐标与所述第四圆弧的起点坐标为同一点，所述根据设定倒圆角半径、第三圆弧以及第四圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，包括：

在第三圆弧上选取第三辅助点，在第四圆弧上选取第四辅助点，所述第三辅助点至第三圆弧终点之间的弦长与第四圆弧起点至第四辅助点之间的弦长所对应的圆心角度为预设弧度；

将第三辅助点到第三圆弧的圆心距离与第三圆弧半径相比较，将第四辅助点到第四圆弧的圆心距离与第四圆弧半径相比较，以判断插补轨迹分别与所述第三圆弧以及第四圆弧的相切关系；

由插补轨迹与第三圆弧的相切关系、插补轨迹与第四圆弧的相切关系以及设定倒圆角半径，确定插补轨迹的插补起点坐标以及插补终点坐标。

优选地，所述读取相邻两段加工轨迹的轨迹数据，根据所述轨迹数据判断所述相邻两段加工轨迹之间是否可以平滑过渡，包括：

当读取相邻两段加工轨迹分别为第一线段与第二线段，则判断所述第一线段与第二线段是否共线，若是，则确定第一线段与第二线段之间可平滑过渡，若否，则确定第一线段与第二线段之间不可平滑过渡；

当读取相邻两段加工轨迹分别为第三线段与第一圆弧，则判断所述第三线段与第一圆弧是否相切，若是，则确定第三线段与第一圆弧之间可平滑过渡，若否，则确定第三线段与第一圆弧之间不可平滑过渡；

当读取相邻两段加工轨迹分别为第二圆弧与第四线段，则判断所述第二圆弧与第四线段是否相切，若是，则确定第二圆弧与第四线段之间可平滑过渡，若否，则确定第二圆弧与第四线段之间不可平滑过渡；

当读取相邻两段加工轨迹分别为第三圆弧与第四圆弧，则判断所述第三圆弧与第四圆弧是否相切，若是，则确定第三圆弧与第四圆弧之间可平滑过渡，若否，则确定第三圆弧与第四圆弧之间不可平滑过渡。

从上述本发明实施例可知，本发明的一种激光切割的拐角自适应倒圆角方法，首先读取相邻两段加工轨迹的轨迹数据，判断相邻轨迹之间是否具备倒圆角的条件，当具备倒圆角条件时，先将轨迹之间的拐角截取出来，运用数学几何算法在有拐角的地方插补一条插补轨迹，以保证插补轨迹与拐角前后轨迹相切，并且使得插补轨迹的起点位于拐角的前一段轨迹上，而插补轨迹的终点则位于拐角的后一段轨迹上，然后将插补圆弧半径带入相邻两段加工轨迹数据中根据插补圆弧轨迹是否在相邻两段加工轨迹上计算得到插入轨迹数据，并插入到原列队中，生成新的加工轨迹。本发明的自适应倒圆角方法可以在计算得到插补轨迹的轨迹参数后进行拐角拟合的计算，从而对不同轨迹之间的拐角位置进行更加精准的平滑过渡处理，进一步提高加工效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明激光切割的拐角自适应倒圆角方法的流程示意图；

图2为本发明第一线段与第二线段之间倒圆角的轨迹示意图一；

图3为本发明第一线段与第二线段之间倒圆角的轨迹示意图二；

图4为本发明第一线段与第二线段之间倒圆角的轨迹示意图三；

图5为本发明第一线段与第二线段之间倒圆角的轨迹示意图四；

图6为本发明第三线段与第一圆弧之间倒圆角的轨迹示意图一；

图7为本发明第三线段与第一圆弧之间倒圆角的轨迹示意图二；

图8为本发明第二圆弧与第四线段之间倒圆角的轨迹示意图一；

图9为本发明第二圆弧与第四线段之间倒圆角的轨迹示意图二；

图10为本发明第三圆弧与第四圆弧之间倒圆角的轨迹示意图一；

图11为本发明第三圆弧与第四圆弧之间倒圆角的轨迹示意图二；

图12为本发明第三圆弧与第四圆弧之间倒圆角的轨迹示意图三；

图13为本发明第三圆弧与第四圆弧之间倒圆角的轨迹示意图四。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明公开了一种激光切割的拐角自适应倒圆角方法，包括：

S100、读取相邻两段加工轨迹的轨迹数据，判断两段加工轨迹是否处于插补平面上，即相邻两段加工轨迹是否处于同一平面上，若两段加工轨迹并不处于同一平面上，则不能进行倒圆角处理，应当直接按照原轨迹储存，并根据原轨迹写入轨迹数据。

轨迹数据的读取和写入主要是对数据进行整理和传输、倒圆角、补偿及拐角拟合和衔接速度计算主要是规划轨迹数据运行情况。而前瞻在进行倒圆角处理之前，需要提前判断相邻轨迹之间是否具备倒圆角的条件。因为在实际加工中，往往会将一条直线打断成多个轨迹数据，例如飞行切割，在处理这种轨迹时就无法进行倒圆角处理，为了提高速度只能在衔接速度上做一些处理，而针对正常轨迹的倒圆角处理，其主要方法是先将轨迹之间的拐角截取出来，运用数学几何算法在有拐角的地方插补一条圆弧轨迹，以保证圆弧轨迹与拐角前后轨迹相切，并且使得圆弧轨迹的起点位于拐角的前一段轨迹上，而圆弧轨迹的终点则位于拐角的后一段轨迹上。倒圆角的形态相较于实际轨迹来说，虽然在尖角处存在精度损失，但是控制在设定的倒圆角半径以内。同时，在实际插补运动中，基于圆弧轨迹的运动分解也能够使得运动轴X，Y上的运动会提前加速或者减少，以此来保证机床运动的平稳性和流畅性。

若两段加工轨迹处于同一平面上，则根据相邻轨迹的类型判断所述相邻两段加工轨迹之间是否可以平滑过渡。倒圆角根据相邻轨迹类型可分为：线段与线段(LL)之间的倒圆角，线段与圆弧(LC)之间的倒圆角，圆弧与线段(CL)之间的倒圆角，圆弧与圆弧(CC)之间的倒圆角。

当读取相邻两段加工轨迹分别为第一线段与第二线段(LL)：

S200、则判断所述第一线段与第二线段是否共线，若是，则确定第一线段与第二线段之间可平滑过渡，若否，则确定第一线段与第二线段之间不可平滑过渡；若第一线段与第二线段之间可平滑过渡，则不进行倒圆角处理，直接按照原轨迹储存，并根据原轨迹写入轨迹数据。

S210、若第一线段与第二线段之间不能平滑过渡，则需要进一步进行倒圆角计算，得到插补轨迹及设定倒圆角半径；

具体地，根据两条线段的向量积是否为零判断是否可以组成棱角进行倒圆角，当可以组成棱角时，根据获取的对应的直线轨迹数据，计算出棱角倒圆角时的插补轨迹的起点坐标、终点坐标、半径和圆弧方向，从而确定棱角处倒圆角的插补轨迹数据，即得到设定倒圆角半径。

S220、基于插补轨迹及设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

在具体实践过程中，线段与线段(LL)之间根据设定倒圆角半径R，进行倒圆角轨迹处理时，可能出现如附图2-5中所示的四种情况。

第一线段AB以及第二线段BC的轨迹数据包括第一线段的起点坐标A、第一线段的终点坐标B、第二线段的起点坐标B以及第二线段的终点坐标C，其中第一线段的终点坐标与第二线段的起点坐标为同一点；

如图2所示，倒圆角起点D，终点E分别落在线段轨迹AB和BC上。

如图3所示，倒圆角起点D，与线段轨迹AB起点A重合，终点E落在线段轨迹BC上。

如图4所示，倒圆角起点D，落在线段轨迹AB上，终点E与线段轨迹BC终点C重合。

如图5所示，倒圆角起点D，终点E落在线段轨迹AB和BC的延长线上。

对于图2-4均可以通过设定的倒圆角半径R，来进行倒圆角处理，而对于图5，则不能通过上述方式来实现倒圆角操作。因此，设计自适应倒圆角半径的方法是非常重要的。具体地：

以第一线段AB的起点坐标A为倒圆角的起点,计算得到第一倒圆角半径R

R

上式中，l

以第二线段BC的终点坐标C为倒圆角的终点,计算得到第二倒圆角半径R

R

上式中，l

然后，选择第一倒圆角半径R

R

判断设定倒圆角半径R与最大插补圆弧半径R

若设定倒圆角半径R大于最大插补圆弧半径R

若设定倒圆角半径R小于最大插补圆弧半径R

S230、将插入轨迹数据插入原列队中，生成新的加工轨迹。

当读取相邻两段加工轨迹分别为第三线段与第一圆弧(LC)：

300、判断第三线段与第一圆弧是否相切，若是，则确定第三线段与第一圆弧之间可平滑过渡，若否，则确定第三线段与第一圆弧之间不可平滑过渡；若第三线段与第一圆弧之间可平滑过渡，则不进行倒圆角处理，直接按照原轨迹储存，并根据原轨迹写入轨迹数据。

S310、若第三线段与第一圆弧之间不能平滑过渡，则需要进一步进行倒圆角计算，得到插补轨迹及设定倒圆角半径；

具体的插补轨迹计算方式与S210中方式相同，在此不做赘述。

S320、基于插补轨迹及设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

根据设定倒圆角半径、第三线段以及第一圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

在具体实践过程中，线段与圆弧(LC)之间根据设定倒圆角半径R，进行倒圆角轨迹处理时，可能出现如附图6-7中所示的两种情况。

第三线段AB以及第一圆弧BC的轨迹数据包括第三线段的起点坐标A、第三线段的终点坐标B、第一圆弧的半径R

如图6所示，倒圆角DE与圆弧BC内切；

如图7所示，倒圆角DE与圆弧BC外切。

在求解圆弧DE轨迹时，首先在第三线段AB上，选一点第一辅助点F，使得|FB|＝1mm，1mm为参考值，可以根据实际加工需求进行不同的设置，且|FB|小于线段|AB|的长度，|FB|的长度可以根据实际加工需求进行设定或修改，并根据线段比例关系，计算F点的坐标；

然后计算点F与圆弧BC的圆心O

如果

否则倒圆角DE与圆弧BC外切，如图7；

接着根据设定的半径R，求解倒圆角DE的轨迹参数，即倒圆角起点D，终点E，插补轨迹圆心O的半径，圆弧DE的长度l

如果满足上述需求，则进行倒圆角处理，以倒圆角DE的轨迹参数作为插入轨迹。若不满足上述要求，则不进行倒圆角处理。

S330、将插入轨迹数据插入原列队中，生成新的加工轨迹。

当读取相邻两段加工轨迹分别为第二圆弧与第四线段(CL)：

S400、判断第二圆弧与第四线段是否相切，若是，则确定第二圆弧与第四线段之间可平滑过渡，若否，则确定第二圆弧与第四线段之间不可平滑过渡；若第二圆弧与第四线段之间可平滑过渡，则不进行倒圆角处理，直接按照原轨迹储存，并根据原轨迹写入轨迹数据。

S410、若第二圆弧与第四线段之间不能平滑过渡，则需要进一步进行倒圆角计算，得到插补轨迹及设定倒圆角半径；

具体的插补轨迹计算方式与S210中方式相同，在此不做赘述。

S420、基于插补轨迹及设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

根据设定倒圆角半径、第二圆弧以及第四线段的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

在具体实践过程中，线段与圆弧(CL)之间根据设定倒圆角半径R，进行倒圆角轨迹处理时，可能出现如附图8-9中所示的两种情况。

第二圆弧AB以及第四线段BC的轨迹数据包括第二圆弧的起点坐标A、第二圆弧的终点坐标B、第二圆弧的半径R

如图8所示，倒圆角DE与圆弧AB内切。

如图9所示，倒圆角DE与圆弧AB外切。

在求解圆弧DE轨迹时，采用的方法与LC类似：

首先在线段轨迹BC上，选一点F，使得|FB|＝1mm，1mm为参考值，可以根据实际加工需求进行不同的设置，且|FB|小于线段|BC|的长度，|FB|的长度可以根据实际加工需求进行设定或修改，并根据线段比例关系，计算F点的坐标；

然后计算点F与圆弧AB的圆心O

如果

否则倒圆角DE与圆弧AB外切，如图9；

接着根据设定的半径R，求解倒圆角DE的轨迹参数，即倒圆角起点D，终点E，圆心O的半径，圆弧DE的长度l

如果满足上述需求，则进行倒圆角处理，以倒圆角DE的轨迹参数作为插入轨迹。若不满足上述要求，则不进行倒圆角处理。

S430、将插入轨迹数据插入原列队中，生成新的加工轨迹。

当读取相邻两段加工轨迹分别为第三圆弧与第四圆弧(CC)：

S500、判断第三圆弧与第四圆弧是否相切，若是，则确定第三圆弧与第四圆弧之间可平滑过渡，若否，则确定第三圆弧与第四圆弧之间不可平滑过渡。若第三圆弧与第四圆弧之间可平滑过渡，则不进行倒圆角处理，直接按照原轨迹储存，并根据原轨迹写入轨迹数据。

S510、若第三圆弧与第四圆弧之间不能平滑过渡，则需要进一步进行倒圆角计算，得到插补轨迹及设定倒圆角半径；

具体的插补轨迹计算方式与S210中方式相同，在此不做赘述。

S520、基于插补轨迹及设定倒圆角半径计算插入轨迹数据；

根据设定倒圆角半径、第三圆弧以及第四圆弧的轨迹数据计算插补轨迹的轨迹数据，插补轨迹的轨迹数据包括插补起点坐标以及插补终点坐标；

在具体实践过程中，圆弧与圆弧(CC)之间根据设定倒圆角半径R，进行倒圆角轨迹处理时，可能出现如附图10-13中所示的四种情况。

第三圆弧AB以及第四圆弧BC的轨迹数据包括第三圆弧的起点坐标A、第三圆弧的终点坐标B、第三圆弧半径R

如图10所示，倒圆角DE与圆弧AB和圆弧BC均内切。

如图11所示，倒圆角DE与圆弧AB和圆弧BC均外切。

如图12所示，倒圆角DE与圆弧AB外切，与圆弧BC内切。

如图13所示，倒圆角DE与圆弧AB内切，与圆弧BC外切。

在求解圆弧DE轨迹时，采用的方法是：

首先在圆弧AB和圆弧BC上，分别选一点F和点G，使得弦长|FB|和|GB|所对应的圆心角度数为1°，1°为参考值，可以根据实际加工需求进行不同的设置，弦长|FB|和|GB|所对应的圆心角度数可以根据实际加工需求进行设定或修改；

分别计算点F与圆弧BC的圆心O

如果L

同理，如果L

根据倒圆角DE与圆弧AB和圆弧BC关系，进行倒圆角判断：

如果满足上述需求，则进行倒圆角处理，以倒圆角DE的轨迹参数作为插入轨迹。若不满足上述要求，则不进行倒圆角处理。

S530、将插入轨迹数据插入原列队中，生成新的加工轨迹。

本发明的激光切割的拐角自适应倒圆角方法用于激光切割的数控系统，利用这种自适应倒圆角处理方法，在加工工件拐角时，可以避免连续加减速带来的机床抖动，以及厚板拐角切割不透的现象，进一步提高激光切割效率。在数控系统的内核中对轨迹拐角数据进行平滑过渡处理，并交由后续补偿和插补器进行轨迹规划，以保证机床在提高各个轴的速度之后，能够高速、平稳、流畅地运动，从而实现在高精度切割的情况下，能进一步提升加工效率。

在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其它实施例的相关描述。

以上为对本发明所提供的技术方案的描述，对于本领域的技术人员，依据本发明实施例的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。