（机械制造及其自动化专业论文）管件激光切割轨迹及其速度优化.pdf

口 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所 知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果， 也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本 研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：舀丝 日期：型! ! ：i ：曼f 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相 一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括以电子信息形式刊登) 论文的全部内容或中、英文摘要等部分内容。论文的公布( 包括以电子信息形式刊登) 授权东南大 学研究生院办理。口 研究生签名：壹超导师签名 摘要 管件激光切割轨迹及其速度优化 研究生：肖雄 导师：许超教授 学校：东南大学 摘要 在金属管件加工方面，三维激光切割因其高速、高精度以及高柔性等特点，具有传统加工所无 法比拟的优势，在现代工业中使用日益广泛。在数控激光切割机床的快速发展下，促进了与之配套 的激光切割自动编程软件的进步与研究。 国内在激光切割自动编程软件的研究方面还处于起步阶段，一些核心技术与关键算法需要自主 研究。论文在广泛调研现有商业激光切割自动编程软件的基础上，根据国内外的研究现状，综合考 虑激光切割的工艺特点，基于图形内核a c i s 对激光切割自动编程中的关键技术进行了研究，论文 主要工作内容归纳如下： 对研发平台的三大组件a c l s 、h o o p s 与b c g 进行了深入研究与分析，并在此基础之上讨 论了搭建专业应用软件框架的相关关键技术，在系统框架搭建的前提下，对管件激光切割轨迹生成 方法进行了深入探讨，提出可支持三维激光切割轨迹生成的预处理算法，探讨了基于零件型面的曲 线离散技术；同时，对基于a c i s 开发平台的切割曲线离散型值点及其法矢量计算等问题进行了讨 论；根据三维激光切割的复杂性，提出了适于管件激光切割的半径补偿方式“滚动球”法；在 算法上通过对切割轨迹上的“尖点”进行妥善处理，避免了传统方法中的“二次做工”。 加减速控制是工业激光切割数控系统的核心技术，也是实现数控系统高实时性的“瓶颈”技术， 为了保证激光切割的高速性以及切割的质量，在研究基础上提出了基于三次多项式的速度控制模型， 以切割轨迹上“尖点”的平滑过渡为控制目标，确定最大理论加减速距离以及前置减速点的位置， 并以此对初次离散的轨迹段进行优化离散，最终实现切割轨迹段之间的高速衔接。 论文研究的是激光切割轨迹生成及其优化的基本算法和关键技术，这对进一步研发具有自主知 识产权的激光切割c a m 系统具有重要的理论与实际应用价值。 关键词：管件；激光切割；曲线离散；加减速控制 p r o c e s sc h a r a c t e r i s t i c so fl a s e rc u t t i n gi nt h ep a p e r t h em a i nw o r ki sa sf o l l o w s ： t h ek e yt e c h n o l o g i e so fc o n s t r u c t i n gt h ef r a m e w o r ko ft h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rl a s e rm b e c u t t i n g i sd i s c u s s e db a s e d0 1 1t h ec o m p r e h e n s i v es t u d ya n da n a l y s i so fa c i s ，h o o sa n db c ga f t e rc o n s t r u c t i n g t h ef r a m e w o r k , at r a j e c t o 巧g e n e r a t i o nm e t h o df o rl a s e rt u b ec u t t i n gi si n t r o d u c e d t h ec u r v ed i v i s i o n a l g o r i t h mh a sb e e na d o p t e di nt h em e t h o dw h i c hi ss u i t a b l ef o rp r e p r o c e s s i n gl a s e rt u b ec u t t i n gt o o l p a t h t h ea l g o r i t h mu s e sc h o r da n dt a n g e n tt oa p p r o a c ht h et o o l p a t hw i t he q u a le n o r s a n dt h ek e yi s s u e so f c o o r d i n a t ev a l u e sa n dn o r m a lv e c t o r so ft h ek n o t si nt h et o o l p a t ha r ed i s c u s s e dw i t ht h ep l a t f o r mo fa c i s i nt h ep a p e r a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so f3 dl a s e rp r o c e s s i n g ，am e t h o do fc u t t e rr a d i u s c o m p e n s a t i o ni sp r e s e n t e dw h i c h i su s e df o rl a s e rt u b ec u t t i n g t h em e t h o dd e a l sw i t ht h e “i n f l e c t i o np o i n t i nt h et o o l p a t ha p p r o p r i a t et oe n h a n c et h ee f f i c i e n c yo fl a s e rc u t t i n g a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o li st h ek e yt e c h n o l o g yo fl a s e rc u t t i n gm a c h i n e i no r d e rt o e n s u r et h es p e e d i n e s sa n dq u a l i t yo fl a s e rc u t t i n g , al o o k - a h e a dv e l o c i t yc o n t r o la l g o r i t h mw i t ht h ec u b i c p o l y n o m i a lm o d e li sp r e s e n t e d t h ea l g o r i t h md e t e r m i n e st h ed e c e l e r a t i o np o i n tp o s i t i o ni na d v a n c e a c c o r d i n gt ot h eo p t i m a lv e l o c i t ya t “i n f l e c t i o np o h n ”i nt h et o o l p a t h f i n a l l y , av e l o c i t yp l a n n i n gp r o f i l ei s i m p o s e do nt h et o o l p a t ht or e a l i z eh i g hs p e e dm a c h i n i n go fc o n s e c u t i v em i c r ol i n eb l o c k s t h es t u d yo ft h ea l g o r i t h mf o rt r a j e c t o r yg e n e r a t i o na n do p t i m i z a t i o nw i t ht h ei n d e p e n d e n ti n t e l l e c t u a l p r o p e r t yr i g h t sh a sg r e a tm e a n i n gt o t h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to f t h ec a ms y s t e mf o rl a s e rc u t t i n g k e yw o r d s ：t u b e ，l a s e rc u t t i n g , c u r v ed i v i s i o n , a c c e l e r a t i o na n dd e c e l e r a t i o nc o n t r o l i i 目录 摘要 a b s t r a e t 目录 目录 。i 第一章绪论 l 1 1 弓i 言1 1 2 激光切割技术。2 1 2 1 国外研究热点2 1 2 2 国内研究现状2 1 2 3 激光切割特点2 1 2 4 激光切割的应用3 1 3 管件激光切割3 1 3 1 研究概述3 1 3 2 管件激光切割特点4 1 3 3 管件激光切割c a d c a m 技术5 1 4 课题研究内容6 1 5 小结7 第二章基于曲面离散的刀具轨迹计算8 2 1 引言8 2 2 轨迹生成方法研究8 2 3 曲面离散的基本思想1 0 2 3 1 曲面离散算法11 2 3 2 算法的优缺点1 4 2 4d 、结。1 4 第三章基于曲线离散的刀具轨迹计算 3 1 弓言。l5 3 2 曲线离散算法1 5 3 2 1 曲线离散方法1 5 3 2 2 曲线离散特点1 7 3 2 3 曲线拐点计算1 7 3 2 4 离散节点计算1 9 3 3 激光头姿态控制2 1 3 3 1 轴线方向矢量2 3 3 3 2 法矢的计算2 4 3 4 光束半径补偿2 4 i i i 东南大学硕士学位论文 3 5 j 、结。2 6 第四章切割加减速控制策略 4 1 引言。2 7 4 2 加减速控制算法2 7 4 2 1 常用加减速算法2 7 4 2 2 加减速控制模型2 8 4 2 3 加减速起点：2 9 4 2 4 优化离散3l 4 3 辅助工艺3 2 4 3 1 穿孔点设置3 2 4 3 2 引入线设置3 2 4 3 3 “过烧”问题。3 4 4 4 速度规划流程3 4 4 5 小结。3 5 第五章算法实现与应用 5 1 引言。3 6 5 2 系统框架3 6 5 2 1 系统整体设计3 6 5 2 2 系统模块设计3 7 5 3 刀位文件3 9 5 3 1a p t 基本格式4 0 5 4 数据分析4 1 5 5 小结。4 3 第六章总结与展望 致谢 参考文献 攻读硕士学位期间发表学术论文情况 4 4 4 5 拍 4 9 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 激光加工是2 0 世纪以来发展极快的新型制造技术，被誉为“万能加工工具”，“未来制造业的通 用手段”，是当代科学技术发展的重要标志以及现代社会光电子技术的重要支柱。近年来，各国政府 都非常重视激光加工技术的发展，不少国家都把激光技术列入国家发展计划。例如美国的“激光核聚 变计划”、德国的“激光2 0 0 0 ”、英国的“阿维系计划”、日本的“激光研究五年计划”等，这些计 划的实施促进了激光加工技术的快速发展与普及。 1 9 6 0 年美国人迈曼( t m a i m a n ) 设计出世界上第一台红宝石脉冲激光器，标志着的激光加工技术 的正式诞生，1 9 6 4 年k p a t e l 发明了第一台商用激光器，从此拉开了大规模激光加工的序幕。激光 切割是激光加工的主要应用领域，1 9 7 9 年世界上第一台三维激光切割机于意大利p r i m a 工业公司问 世，受限于当时的技术条件，这台激光切割机功能比较简单，只能进行汽车内饰件的切割，无法加 工金属冲压件。1 9 8 2 年p r i m a 公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割机中，使机床可以 自适应于冲压件弹性变形所造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为一种新的精密、灵活的 加工手段，并广泛应用于汽车、航空航天工业、工程机械、模具、健身器材、钣金加工等领域他1 。 激光切割机( l c m - - l a s e rc u t t i n gm a c h i n e ) 是典型的集光、机、电于一体的技术密集型高科技设 备，被视为“敏捷制造”模式下的快速响应先进制造设备，如图1 - 1 所示。特别是自八十年代以来， 激光机切割技术与计算机数控技术结合起来，使得激光切割技术如虎添翼，彰显出巨大的发展潜力 与技术优势，为现代工业注入了新的活力。 图1 1 三维激光切割机 l 量。在激光切割自动编程软件方面，国外学者利用他们在计算机技术与软件技术方面的优势，开发 出了技术成熟的商业软件，但是出于商业竞争的需要，关于激光切割自动编程软件的核心技术见刊 很少，仅限于软件的功能介绍。 1 2 2 国内研究现状 国内在激光切割方面起步较晚，技术水平与国外还有较大差距。目前国内学者的研究重点集中 在激光切割工艺方面。陈继民阳1 等研究了激光入射角与薄板切割质量的关系，讨论了当激光入射角 不垂直于工件表面时的切割质量控制问题；毕华丽阳1 等对铝合金的激光切割进行了试验研究，讨论 了激光切割板材时切割工艺的制定；张永强n 们等研究了三维激光切割过程中激光束姿态( 切割倾角与 切割方向) 对切割质量的影响；冯爱新n 订等研究了激光切割路径优化问题，此外黄丰杰等在国家8 6 3 重点项目的资助下，对三维激光进行了比较全面的讨论，研究了在脉冲激光切割状态下，激光功率、 脉冲频率、切割速度、辅助气体的压力、光束入射角以及焦点位置等工艺参数对激光切割质量的影 响，并得出了这些工艺参数对激光切割质量的影响规律。 1 2 3 激光切割特点 从技术原理的角度来看，激光切割与火焰切割、水切割以及等离子切割一脉相承，只是加工介 质不同。关于这几种切割方式的比较分析，由于涉及因素的多面性与复杂性以及加工环境的差异性， 迄今不能有一个准确的结论。 火焰切割俗称气割，是通过可燃气体与助燃气体混合燃烧产生热量使金属熔化分离的一种热切 割方式，主要应用于金属材料n 引。由于气体燃烧产生的热量有限，为了保证足够的热量熔化金属， 必然要牺牲切割速度，从而影响切口的垂直度与粗糙度；同时火焰切割切口的热影响区域较大，容 易造成工件变形，不符合现代工业高速、高精度的加工要求。 水切割是用高压高速细束水流或水与磨料的二相混合冲击被切割材料，使冲击点处材料断裂分 离n3 1 。水切割是一种冷切割，因此切口处材料组织性能不会发生变化，并且无残余应力与翘曲，适 用于任何用途的材料切割。水切割加工速度快，切口表面平整、尺寸精度、光洁度好。但是水切割 不适于加工形状比较复杂的轮廓。 2 第一章绪论 等离子切割是以高温高速的等离子弧为热源，将被切割金属局部熔化蒸发，由高速气流将已熔 化的金属吹离母板的一种热切割方法n 钔。等离子切割可以高速、经济地加工全部导电材料，切割质 量好；但对于某些材料的切割速度较慢，甚至会有熔渣不易脱落现象。 激光切割是利用经聚焦的高密度激光束照射工件，使被照射处的材料迅速熔化、气化、烧蚀或 达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现材料分离的一种热切割方式， 切割精度高、速度快、效率高、柔性好、无污染，是最具发展潜力的一种热切割技术。 随着现代工业对切割质量的日益重视，火焰切割逐渐被另外三种切割方式所取代。水切割、等 离子切割、激光切割三者之间具有互补性，并且使用范围不同，因此很难用一个标准来衡量，下面 从切割质量来对这三种方法进行比较，如表卜1 所示。 表1 1 切割质量对比 切割方式割缝表面粗糙度切割精度 切缝宽度( m m ) 热影响区切割变形垂直度 水切割较好较高 0 8 0 9 无无一般 普通好较高2 5 - - 5 0中小差 等离子切割 精细好高 0 6 o 7 小小好 激光切割较好高 o 2 0 8 小很小好 1 2 4 激光切割的应用 激光切割技术在工业发达国家已相当成熟，尤其在汽车制造业，可以取代传统的冲孔模和修边 模工艺，节省了模具的设计和制造费用，大大缩短了样车的开发周期，显著降低了新车型的研制成 本。作为现代工业中最具代表性的先进制造技术，激光切割己成为衡量一个国家生产效率与技术水 平的标准之一。 在现代工业生产中，管件由于生产成本低、成形加工性好、能减轻结构重量以及节省材料被广 泛用于工程机械、石油化工、轻工及交通运输等部门中。随着社会的不断发展，对管件加工的精度 要求越来越高，管件本身的复杂性也给加工带来了不便，虽然传统的加工方式也可以达到效果，但 是耗时、耗力且加工质量不高，采用新型加工工艺来切割管件成为一种趋势。激光切割由于其无与 伦比的优越性，彰显出巨大的发展潜力与技术优势，因此将管件加工与激光切割相结合具有广阔的 市场前景。 1 3 管件激光切割 1 3 1 研究概述 激光切割对于空间曲面、曲线的加工有独到之处，特别是对于管件加工更有其特有的优越性n 5 1 ： ( 1 ) 切割速度快，一般约为机械切割的1 0 倍以上，能大大提高管件加工的生产效率； ( 2 ) 切割精度高，激光切割的切口宽度小，一般只有o 1 o 3 m m ，能精确切割形状复杂的轮廓， 切口光洁，热影响区小，同时管件损失也很少； ( 3 ) 生产效率高，适用范围广，尤其能加工难以切割的材料以及薄壁管件； ( 4 ) 切割质量好，灵活性好，激光切割采用非接触加工方式，避免了管件的变形与坍塌； ( 5 ) 没有工具磨损，易于实现自动化控制，噪声和振动很小，对环境污染小。 3 东南大学硕士学位论文 与传统切割方法相比，激光切割可以有效的提高加工效率，降低加工成本，节省材料。近年来， 在管件激光切割方面，国内取得了一系列研究成果，其中黄开金n 町等提出了一种基于铁和氧气扩散 反应进行的管件激光切割表面条纹形成模型；贺昌玉n 7 3 等研究了专用于套管的激光切割系统，使得 石油管道在发生弯曲变形时仍可以加工，提高了套管激光切割的加工效率；茹冰伟n 钔等采用复合变 位法和特殊的工艺方案解决了宽缝加工的技术难题，提高了割缝筛管的加工质量；此外祝士明“鲫等 研究了激光切割石油筛管的传热规律。 1 3 2 管件激光切割特点 对于管件激光切割来说，单纯的切断加工比较简单，但是进行轮廓切割或坡口切割时，情况比 较复杂。一般来说，管件在切割之后需要进行焊接，坡口的作用是增大焊接时管件截面之间的接触 面积。对于复杂轮廓切割，激光切割轨迹为三维空间曲线；而坡口切割涉及到空间相贯线，所谓相 贯线是指管件与管件相交所形成的曲线，相贯线的形状随着管件的直径不同、相交角度不同、相交 部位不同会有很大变化，这对激光切割的运动控制提出了更高的要求1 。 对于管件的三维激光切割，机床的运动包括z2 ) 三个方向的直线运动以及绕( xz ) 轴旋转的两 个旋转运动0 ，c ) 。管件随主轴做旋转运动，激光头沿xzz 轴做直线进给运动，并根据工艺要求进 行摆动，通过五轴联动来实现轮廓或坡口的切割心。从严格意义上来讲，管件激光切割不能算五轴 联动，为了避免发生加工干涉，激光头不能实现空间范围3 6 0 0 的摆动。为了保证激光切割的加工质 量，喷嘴与工件之间的距离要保持恒定，也就是要求激光头随工件表面形状变化进行浮动。在激光 切割过程中，为了最大程度的利用激光的能力，激光束应该垂直于工件表面，但是在切割相贯线时， 激光束轴线应该与工件表面保持一定的夹角，这增加了激光头空间姿态的控制难度。 对于管件激光切割，在实际加工时不允许出现任何形式的“过切”，也就是要求实际切割轨迹远 离实体，或沿导向面法向偏置。因此需要研究管件激光切割的轨迹生成技术，也就是研究适用于激 光切割的曲线离散算法。曲线离散算法是激光切割工艺与激光头运动控制的结合点，是三维激光切 割的关键技术之一，对激光切割的质量有着至关重要的影响。 对于数控激光切割机这种高精密机床，如何在高速进给的前提下保证加工精度，避免因速度过 快给机床造成惯性冲击是三维激光切割的技术难点；同时切割轨迹上可能存在曲率半径极小的点， 文中称其为“尖点一，“尖点”会影响激光切割的速度，甚至会因为“过切”或，过烧”而造成加工 报废瞄1 。如何在“尖点”处快速、平稳的过渡是三维激光切割的关键技术。为了解决上述问题，需 要研究适于激光切割的加减速控制策略。加减速控制是数控系统的核心技术，一直以来都是研究的 热点。专门针对激光切割的加减速控制算法研究较少，但激光切割与铣削加工有一定的相似性，可 以将激光头看作一把半径极小的球头铣刀，因此可以参考高速铣削加工的加减速控制策略。 高速铣削加工是以高切割速度、高进给速度和高加工精度为主要特征的加工技术，其切削速度 要比常规铣削要高出5 - l o 倍以上，具有加工效率高、表面质量好、切削热对工件的影响小等优点。 加减速控制算法也是高速铣削加工中的关键技术，近年来，国内外学者对此进行了深入的研究。其 中郭新贵埋副等采用三角函数构造加减速曲线，可以实现高速加工的平滑运动，但算法的实时性较差； e r k o r k m a z 旧剖等对7 段s 曲线加减速控制方法进行了研究，s 曲线加减速是目前最先进的速度控制算 法，具有较高的柔性，可以实现高速加工的平滑运动，但是参数较多，算法实现困难。由于激光切 4 丝二童堑迨 割在工艺要求上与铣削加工不同，因此上述算法虽不能直接应用于激光切割? 但是激光切割可以借 鉴其核心思想并根据其特点对算法进行改进。 要保证管件激光切割的质量，仅考虑轨迹离散算法与加减速控制策略还不够，因为切割过程中， 管件转动的角速度以及进给速度与管件的厚度、坡口的角度、切割轨迹平滑性、辅助切割路径的设 置、工艺参数的选择都有关系。由于文章篇幅有限，不能对这些问题都展开讨论，课题以切割轨迹 离散及切割加减速控制作为研究的切入点，对管件激光切割进行深入探讨。 课题最终的目的是开发专用于管件激光切割的c a d c a m 自动编程系统，对上述问题进行研究 并提出相应的解决方案之后，需要通过程序来进行验证，下面就管件激光切割c a d c a m 技术进行 简单的介绍。 1 3 3 管件激光切割c a d c 朋技术 激光切割这种高投入、高消耗的新型加工技术， 如果要充分发挥激光切割在管件加工中的技术优势， 自动编程系统，并建立相应的工艺数据库。 1 3 3 1 国外概况 需要以非常高的生产力才能回报用户的投资， 就要开发专门用于管件激光切割的c a d c a m 早期激光切割c a d c a m 软件主要是针对二维平面加工，尤其在钣金加工领域应用普遍，但专 门针对管件激光切割的很少。近年来，随着激光切割在管件加工领域应用的日益广泛，各软件公司 相继推出了专用于管件激光切割的自动编程软件，其中比较具代表性的有： ( 1 ) p e p st u b e c u t ：英国c a m t e k 公司与日本m a z a k 公司在p e p sp e n t a c u t 基础之上，开发 的专业管件激光切割自动编程软件。配有i g e s 、d x f 、d w g 、p a r a s o l i d 等标准交换接口， 可以与主流c a d c a m 平台实现无缝接口传输。方便的定义不同截面的管件以及各种切割 轮廓，并能对不同轮廓的加工特征进行排样，优化切割轨迹并自动进行碰撞检测，有效的 提高管件的加工效率与质量瞪5 1 。 图1 - 2p e p st u b e c u t 自动编程软件 ( 2 ) s i t u b e ：s ie n g i n e e r i n g 公司开发的专门用于管件激光切割的自动编程系统。系统支持任 意截面的管件切割，通过对被切割曲面和曲线的分析，自动决定切割的起始点；并且可以 根据实际切割要求自动设置激光切割的参数，最后通过检查模块来保证切割轨迹的正确性。 5 东南大学硕士学位论文 e 瘢 伊拦z 互 嫠 。! 芭 缝堂照巍 鐾亳奠塑 也增o i 毋 图卜3s i t u b e 管件切割仿真 1 3 3 2 国内概况 雏兰耋；茵誉 爨臻妻1 骂簟 匠二= = = = 二3 鲤：i型i 图l - 4 激光切割工艺参数设置 目前国内还没有开发出类似的专用于管件激光切割的自动编程软件。但是在激光切割 c a d c a m 技术方面也取得了一些成果。陈继民、左铁钏乜氐2 对三维激光焊接、离线编程技术、轨 迹生成技术以及轨迹仿真技术等进行了研究，并且开发了具有自主知识产权的三维加工软件 l a s e r c a m 2 0 0 0 ；傅强心8 1 等人以a u t o c a d 为平台，研究了图形轮廓的自动识别与提取、激光切割排 样处理、轨迹优化及加工仿真等问题，并采用a u t ol i s p 语言来开发激光切割交互式自动编程系统； 苏敏1 2 刨等人以p m a c ( 可编程多轴控制器) 为平台，研究了借用u g 的c a m 功能直接从c a d 模型中 提取加工数据。 由于国内开发能力与技术水平有限，目前基本是将通用数控切割软件用于激光切割，专业的激 光切割自动编程软件还是空白，因此对管件激光切割自动编程系统的核心技术进行研究具有重大的 理论意义和广阔的市场前景，对激光切割的普及与推广有着积极意义。 1 - 4 课题研究内容 基于三维管件数据模型进行切割轨迹的生成是激光切割计算机辅助编程的基础，其中切割轮廓 的边界曲线离散与切割轨迹速度控制是激光切割中需要着重考虑的两个关键技术，课题研究将围绕 这两个方面展开，为激光切割辅助编程软件的实现建立理论和应用的基础。 研究基于造型组件a c i s 、显示组件h o o p s 以及交互界面组件b c g ，采用v m u a lc + + 来实现管 件激光切割自动编程系统的研究与开发。 ( 1 ) 在广泛了解和分析当前国内外切削加工刀具轨迹生成技术的基础上，结合管件激光切割的 加工特点，基于曲面离散的思想，研究管件激光切割轨迹的生成算法； ( 2 ) 根据管件激光切割的轨迹特点，考虑切割轨迹曲率与挠率的变化规律，通过曲线离散技术， 研究三维激光切割轨迹生成预处理算法，并对基于a c i s 造型组件开发的切割曲线离散型 值点及其法矢量的计算等关键问题进行研究； ( 3 ) 考虑激光切割工艺要求，研究适用于管件激光切割的加减速控制算法，实现激光切割微段 轨迹之间的高速衔接； ( 4 ) 研究切割轨迹的优化离散，并对激光切割穿孔点、引入线的设置等辅助工艺路径问题进行 了讨论，提高管件激光切割的质量； 6 鞠警 。 - # 耐酐 一 ： 。一。 喜；，j，一一 f融4-l。一 蔓二雯丝迨 ( 5 ) 分析系统三大组件_ a c i s 、h o o p s 以及b c g 的基本原理与功能特点以及a p i 刀位文件 的格式，研究系统的框架、功能以及实现的方法。 1 5 小结 本章概述了课题涉及的专业背景以及选题的意义，综合分析了激光切割技术国内外的发展现状 以及存在的问题，阐述了激光切割在管件加工中所体现出来的优越性以及管件激光切割的技术特点， 讨论了开发专业管件激光切割的c a d c a m 系统的意义与作用，最后简要说明了本课题研究的主要 内容。 7 东南大学硕士学位论文 第二章基于曲面离散的刀具轨迹计算 2 1 引言 数控机床是通过微小的直线段去逼近待加工轮廓，因此在实际力n - r _ 时，不论是曲面加工还是曲线 加工，刀具都不可能遍历整个加工轮廓，而只能沿有限的刀具轨迹运动。刀具加工的策略是数控加 工中研究最为广泛的技术之一，它通过零件几何模型，根据机床类型、刀具类型、走刀方式以及加 工精度等工艺要求来进行刀位计算并生成实际加工轨迹。刀具轨迹的生成能力直接决定数控系统的 加工能力以及最终的加工质量，生成轨迹的优劣直接影响最终的加工精度和加工效率。 关于数控铣削加工的刀具轨迹生成方法研究较多，技术也比较成熟，激光切割与铣削加工有一定 的相似性，可以将激光头看作一把半径极小的球头铣刀，因此研究激光切割轨迹的生成方法可以参 考铣削加工，在考虑激光切割工艺特点的基础上，提出适于激光切割的轨迹生成算法。 加工刀具轨迹研究中，刀触点( c u t t i n gc o n t a c tp o i n t ) 是指在加工过程中刀具与工件的接触点，所 有刀触点按一定的方式连接起来的线段集合称为刀触点轨迹( c c p a t h ) ；刀位点( c u t t i n gl o c a t i o np o i n o 是指刀具头部的中心点在加工坐标系下的坐标点，是刀具轨迹文件的输出坐标值，所有刀位点按一 定方式输出形成刀位点轨迹( c l p a t h ) 啪1 。 2 2 轨迹生成方法研究 对于铣削加工而言，不论采用什么类型的刀具，生成刀具轨迹的方法基本类似，只是在刀具姿 态的控制上有所不同。目前铣削加工常用的轨迹生成方法有：等参数线法、等距截面线法、多面体 法以及等残留高度法。 等参数线法：铣削加工中使用比较普遍的一种方法，它是指在双参数自由曲面上，将其中一个 参数保持不变，另一个参数变化而形成的等参数线作为刀具轨迹渤1 。该方法算法简单，但因参数间 距只能根据两相邻刀具轨迹问残留高度最大处来确定，所以得到的刀具轨迹线疏密差别较大，加工 效率较低，因此等参数线法适于曲面参数线较均匀的情况。 等距截平面法：用一组平行平面与主加工面相截，所得到的截线即为刀具轨迹m 1 。根据所选平 行平面的不同，又可以分为c c 轨迹截面法与c l 轨迹截面法。 一 i f。 ，7 ， 。 l |i |l ， l f， i 一7 7 、 图2 1c c 轨迹截面法 8 。 一 l ， 、 f t lf l i j l 一 、 - 、 图2 - 2c l 轨迹截面法 第二章基于曲面离散的刀具轨迹计算 c c 轨迹截面法：将刀具与被加工曲面的接触点始终约束在另一组曲面内，将约束曲面与被加工 曲面的截交线作为刀触点轨迹，如图2 1 所示。c l 轨迹截面法：在走刀过程之中，直接将刀具运动 轨迹( t j 位点) 约束在另一组曲面内，相当于将约束曲面与被加工曲面的刀具偏置面的截交线作为刀具 轨迹，如图2 - 2 所示。 c c 轨迹法与c l 轨迹法的差别在于前者是约束面与主加工面求交，得到刀触点轨迹；而后者则 是约束面与偏置面求交，得到刀位点轨迹。该方法对于走刀路线控制灵活，生成的轨迹线分布均匀， 加工效率高，适于参数线分布不均匀的曲面加工。缺点是截平面的最佳方位通常难以确定，一般情 况下在不同位置处的残留高度并不相等，为了保证最终的加工精度，平行平面的间距只能根据残留 高度最大处决定，因而加工效率较低。 多面体法：对待加工零件进行三角形剖分形成多面体，在多面体上计算刀触点坐标m 1 。由于曲 面的三角化是在给定精度下进行的，因此刀触点之间的长度自然满足切削步距的精度要求，这种方 法省略了加工步长的计算问题。但是该方法需要多面体能够精确逼近被加工表面才能保证刀位点的 准确性，而获得一个精确逼近被加工曲面的多面体并不容易，特别是对于形状复杂的曲面。 等残留高度法：是指相邻刀具轨迹之间未被切削掉的残留部分保持均高。该方法的基本思路是： 以曲面上某一条曲线( 可以是曲面的边界线) 作为初始刀具轨迹来计算下一条轨迹，后面的每一条刀具 轨迹都是在前面的基础之上计算得到，保证相邻刀具轨迹之间的残留高度等于给定允许误差值，以 增加步距来缩短轨迹线长度引。该方法考虑了待加工曲面形态的各异性，生成的刀具轨迹无冗余， 加工效率与质量都有所提高；但是计算量大、存在孤立环、轨迹线较零散，不利于高速加工。 对于铣削加工，其刀具轨迹生成流程如图2 3 所示，首先在待加工表面上生成一系列轨迹线， 再对轨迹线进行离散，生成一系列刀触点，依次连接相邻刀触点以多段优化折线去逼近原轨迹线， 生成刀触点轨迹，然后对刀触点轨迹进行刀具半径补偿，一般的处理方法是将刀触点轨迹沿零件轮 廓的外法线方向偏置一个刀具半径，对偏置之后的轨迹进行光顺处理，其中涉及到刀具干涉检查， 最终生成刀位点轨迹。 激光切割虽然不同于铣削加工，但是其原理与球铣刀加工类似，因此激光切割的轨迹生成算法 可以借鉴铣削加工的相关方法。不论管件激光切割的轮廓形式如何变化，其刀具轨迹始终是曲线形 式( 平面曲线或空间曲线) ，这与铣削加工中的曲线轮廓加工相似。从曲面到曲线，激光切割似乎要比 铣削加工容易处理，其实不尽其然。如果切割轮廓的边界曲线是平面曲线，可以直接按照铣削加工 中计算加工步长的方法，在平面内对轮廓的边界曲线进行离散得到刀触点轨迹。但是如果切割轮廓 的边界曲线是三维空间曲线时，特别是管件相贯线的切割，就比较难以处理。通过分析铣削加工刀 具轨迹生成流程，管件激光切割刀具轨迹的生成过程需要考虑以下几个问题： ( 1 ) 按照加工精度，对轮廓边界曲线进行离散处理，生成一系列离散的刀触点，依次连接各离 散点生成刀触点轨迹； ( 2 ) 从数控编程的角度来看，实际加工轨迹指的是刀位点轨迹，因此需要研究适于管件激光切 割的半径补偿算法； ( 3 ) 为了保证管件激光切割的质量，需要计算离散刀位点的相关法矢量，以便于控制激光头的 空间姿态。 9 东南大学硕士学位论文 图2 3 铣削刀具轨迹生成流程 采用离散的思想生成刀具轨迹主要有两种方式，一是采用曲面离散的思想，沿切割轮廓的边界 曲线对待加工零件进行三角形网格划分；另一种则是采用曲线离散的思想，按照加工精度要求，直 接对切割轮廓的边界曲线进行离散。两种方法对模型的处理方式不同，但目的是一致的，离散边界 曲线得到刀触点数据，然后依次连接各离散刀触点，以分段空间折线去逼近切割轮廓的边界曲线。 2 3 曲面离散的基本思想 管件激光切割轨迹般为三维空间曲线，为了保证激光束沿三维加工轨迹正确移动，要求机床 xzz ) 三轴联动的同时，激光头的空间姿态随加工要求而变化，机床在三个平动轴的基础上需要增 加两个旋转轴似，c ) ，通过五轴联动来实现空间边界曲线的切割加工，如图2 - 4 与2 5 所示。理论上， 三维激光切割- - 以看成是矢量集合zz 互。与工件上对应空间矢量集合伉另磊t 工的的映射，其 中( f ，z 七) 是与加工曲线上各型值点的曲面法矢成一定角度的矢量。 不论采用哪种加工方式，刀具运动都不可能贴合实际的加工轮廓，总是采用微小直线段去逼近 待加工轮廓，激光切割也是如此。因此激光切割刀具轨迹的生成过程，实际上就是根据加工精度要 求，将切割轨迹分解成一系列的离散刀触点的过程，依次连接各离散点以分段优化的空间折线去逼 近原边界曲线，得到刀触点轨迹，然后对刀触点轨迹进行光束半径补偿，生成实际加工轨迹，即刀 位点轨迹。 1 0 第二章基于曲面离散的刀具轨迹计算 图2 4 激光切割示意图 2 3 1 曲面离散算法 图2 5 管件激光切割 曲面离散就是要找到一组平面片，使其与给定的曲面之间最大偏差在给定误差范围内。曲面离 散在c a d 造型、多分辨率分析、计算机图形学、有限元网格生成以及数控加工等领域中有广泛应用。 但是很少有将其运用在刀具轨迹的生成上。 曲面离散的方法很多，按照不同的方式可以分为以下几类口3 1 ： ( 1 ) 均匀与自适应：均匀离散在曲面的每个参数方向都采用恒定步长；自适应离散则是对曲面 进行迭代分割，直至满足精度要求为止； ( 2 ) 基于几何驱动与基于参数驱动：基于几何驱动是依据曲面的几何性质进行离散；基于参数 驱动则是指映射法，先在2 d 参数域上进行离散，然后再映射到模型空间； ( 3 ) 全局法、局部法和分割法：全局法是指在参数空间确定一个满足最坏的均匀增量，不考虑 曲面的局部特性；局部法是利用曲面局部的距离和曲率条件来确定下一个分割点的位置； 分割法是在参数空间逐步把曲面分割成更小的面片。 传统意义上的曲面离散是以多边形去逼近原曲面，考虑的是多边形对原曲面的逼近程度。而对 于管件激光切割而言，曲面离散的目的是为了得到准确的离散刀触点，离散曲面只是一种手段，并 不是其最终的目的。 研究采用的是一种基于参数的自适应分割法，根据加工精度要求，采用三角形网格对管件模型 进行自适应分割，管件切割轨迹如图2 - 6 所示。运用d e l a u n a y 准则进行三角网格划分是迄今最为成 熟的网格生成技术，d d a u n a y 准则可表述为：对于给定的平面点集进行三角化，其中每个三角形的 外接圆不包括点集中其他任何点1 3 4 3 5 1 。d e l a u n a y 准则本身并不能用来进行网格划分，它只是一个网 格划分的准则，因此需要研究一种节点生成的算法。 基于参数的自适应分割法的具体算法为：定义切割轮廓的边界曲线为离散前沿( 如图2 - 6 所示的 切割轨迹上与回，在前沿上基于一定的约束条件生成网格化的初始点集，然后沿初始点集按照 d e l a u n a y 准则对模型进行网格划分，同时更新前沿，重复直至曲面离散结束得到初始的网格模型。 然后计算离散误差并与最大允许误差进行比较，判断是否需要插入新节点，每插入一个节点都是对 l l 东南大学硕士学位论文 已有网格的优化，在满足d e l a u n a y 准则的前提下，直至得到的离散刀触点轨迹与边界曲线之间的误 差在允许范围之内。对管件模型进行网格划分之后，切割轨迹上的网格节点为激光切割刀触点，而 网格边线即为激光切割的刀触点轨迹。 图2 - 6 管件切割轨迹示意图 算法中有两个问题需要重点讨论，一是如何控制新插入的节点；二是曲面离散的误差如何计算。 这两个问题相互关联，当离散误差不能满足精度要求的情况下，需要在初始点集之中插入新的节点， 对曲面进行优化离散，直至符合精度要求。 算法中利用曲线离散的思想来生成初始点集，对于曲线离散的方法，第三章将会详细介绍，在 此不再赘述。这里采用的是基于参数的自适应分割法，因此对边界