一种平面板材激光切割路径规划方法与流程

1.本发明涉及激光切割技术领域，特别是涉及一种平面板材激光切割路径规划方法。


背景技术：

2.激光切割是现代制造过程中非常重要的工序，而激光切割路径的问题一直伴随着激光切割的发展，至今仍是提高切割效率，节约能源的关键。从激光应用到切割领域以来，经历了三次跨越(中国专利：cn201810785295.6)。最初的激光路径规划全部是依靠经验进行人工规划，这种方法，简单易操作，但是无法保证大批量零件的切割路径最优，且对工人的要求很高，提高了人力成本；随着自动化技术向制造业发展，便使用特定的排列规则进行激光路径的规划取代了人工规划方法，如“n”字形(如图1所示)等，这种方法减少了人力投入，具有一定的鲁棒性，但是对于复杂多样的零件尺寸，无法取得最优路径；当前，人工智能技术成为各个行业的研究热点，在激光切割路径规划方面，智能算法，如蚁群算法，粒子群算法等，都能取得非常理想的切割路径，这种方法的鲁棒性高，但是对于计算机性能要求高，计算量大且存储量大，实时性较差，不能较好地适应当下市场分化、小批量个性化生产的趋势。目前主要采用的是自动化的切割轨迹规划，针对大规模的零件进行轨迹规划时，往往不能取得较好地效果，影响企业生产效率，提升了时间成本，降低了企业的竞争力。
3.目前的切割模式大多数采用的仍然是“整切”，即将整个零件的轮廓全部切割完成才进行下一个零件轮廓的切割，每个轮廓的切割起点和切割终点是重叠的，这样就会强行使得激光头沿着轨迹继续切割，减少了激光头行走的灵活性。将零件按照一定规则进行离散化之后，能够有效地减少零件轮廓对激光头行走的束缚，更加灵活，更能够有效地缩短空行程，达到切割路径地最优化。


技术实现要素：

4.本发明为了能够使得在切割时达到最优路径，提供一种平面板材激光切割路径规划方法，在进行大规模零件激光切割时，在满足切割规则情况下，使切割轨迹达到最优。
5.本发明的目的是这样实现的：
6.一种平面板材激光切割路径规划方法，包括以下步骤：
7.s1、零件轮廓读取
8.读取平面板材每个零件的所有轮廓；
9.s2、特征点提取
10.提取每个轮廓上对应的特征点；
11.s3、离散化
12.将所有的轮廓从每个特征点处进行离散，形成离散轮廓；
13.s4、轮廓分层
14.将每个零件的所有离散轮廓分层为内层轮廓、外层轮廓；
15.s5、引线设置
16.将内层轮廓、外层轮廓分别设置引线，将外层轮廓设置为阳切，内层轮廓设置为阴切；
17.s6、轮廓编号
18.将所有的离散轮廓进行编号；随机进行编号，相当于对离散后的零件轮廓进行命名。
19.s7、预处理排序
20.将每个零件的全部内层轮廓置于该零件的外层轮廓之前，并且将零件轮廓之间按照n字形进行排列；
21.s8、交叉排序并形成轨迹集合
22.将所有的零件轮廓进行多次随机交叉排序，形成轨迹集合，并判定出最优轨迹；
23.s9、判定优先级
24.对随机交叉排序的零件轮廓段进行优先级判定；
25.s10、形成最终轨迹。
26.优选地，所述步骤s1中，零件轮廓读取方法为：cad图纸中每个零件至少包含一个轮廓，使用labview软件对cad图纸进行零件轮廓读取，cad图纸为dxf文件格式，利用dxf文件的特性读取零件轮廓。
27.优选地，所述步骤s2中，提取特征点的方法为：对于多边形，将其顶点作为其特征点；对于圆弧线，采用起点、终点以及中点作为其特征点；对于圆形，将圆形的内接正方形顶点作为其特征点，对于椭圆形，将椭圆形的长半轴、短半轴与椭圆形的交点作为其特征点。
28.优选地，所述步骤s3中，将所有的零件轮廓全部离散成为线段和/或弧线。
29.优选地，所述步骤s4中，判别内层轮廓、外层轮廓的方法为：采用labview软件读取dxf格式文件中的零件轮廓图层信息，根据零件轮廓图层信息将零件的所有轮廓分层为内层轮廓、外层轮廓。
30.优选地，所述步骤s8中，交叉排序方法为：对零件轮廓进行判断，是否为预处理排序后的第一个零件轮廓，以及是否为预处理完成后的最后一个零件轮廓，内层轮廓的首轮廓不能向前继续交叉，外层轮廓的末轮廓不能向后交叉，对于除了所述的首轮廓、末轮廓之外的其它零件轮廓采用内层轮廓段向前交叉，外层轮廓段向后交叉的方法进行随机交叉排序。
31.优选地，所述步骤s8中，零件轮廓随机移动位置的个数n取值范围为0≤n≤n，并设置概率梯度，概率梯度满足离散的线性一次函数，n为设定的移动位置个数极限值。
32.优选地，所述步骤s8中，判定最优轨迹的标准为：轨迹的空行程的长度s是否小于或等于预设值q，如果s的值不满足标准，则返回上一级继续交叉排序以获得新的路径；如s满足标准，则将此路径作为最优轨迹输入到下一级；如果交叉排序的次数m达到预设上限值m，则将已经产生的轨迹中空行程最短的轨迹设为最优轨迹输入到下一级。
33.优选地，所述步骤s9中，零件轮廓段优先级判定方法为：是否内层的编号全部调整至隶属零件的外层编号之前，以确保零件的内外层关系；如果发现形成的轨迹在轮廓的优先级上存在错误，则将次优的轨迹输入判断，直至找到符合优先级关系的组合。
34.由于采用了上述技术方案，本发明具有如下有益效果：
35.通过离散化，将零件的所有轮廓进行离散化，可以使得在路径方向选择时具有更多的可能性，有效的控制空行程。
36.通过内外层分层和调整轮廓切割的优先级，使得在切割过程中不至于因外层轮廓线被切割而导致脱落和热变形而失去零件精度。
37.通过预处理，将减少后续进行的优先级调整的计算量，提高工作效率。
附图说明
38.图1为n字形规划方法示意图；
39.图2a、图2b为文件读取程序示意图；
40.图3为读取实体数据示意图；
41.图4为本发明总体流程图；
42.图5为特征点提取流程图；
43.图6为预处理流程图；
44.图7为交叉排序流程图；
45.图8为引线设置示意图；
46.图9为交叉排序示意图；
47.图10为最优轨迹的判定流程图。
具体实施方式
48.参见图1-图10，为一种平面板材激光切割路径规划方法的实施例。
49.首先读取dxf格式文件，将零件图用autocad打开后以dxf文件格式保存，使用labview读取生成的dxf文件，该文件包含有零件的特征信息，一个dxf文件由若干个组构成，每个组占两行，第一行为组的代码，第二行为组值；组代码相当于数据类型的代码，它由cad图形系统所规定，而组值为具体的数值，二者结合起来表示一个数据的含义和值；利用dxf文件的特性，可以读取对本发明有用的信息如图2a和图2b、图3所示，读取实体段的坐标值、图层信息，并且利用读取到的信息进行绘图处理；对零件图纸的要求为该图纸中至少包含一个零件轮廓；如果未读取到任何轮廓信息，将报错并提示输入正确的图纸信息；
50.特征点提取是为了更好的进行离散化，特征点的提取直接影响离散化，间接影响最终的切割效率，因此特征点的提取策略显得格外重要；本次发明采用特征点策略是：(1)对于三角形，四边形和多边形采用的策略是将其顶点作为其特征点；(2)圆弧线采用的起点，终点以及中点作为其特征点；按照以上原则取特征点，基本上能够包含所有的零件轮廓，使得本发明能够广泛应用于各种类型零件的激光切割当中；按照提取后的特征点对所有的零件轮廓进行离散化处理，将所有的零件轮廓全部离散成为线段和弧线，包括零件的内层轮廓和外层轮廓；离散化后的零件轮廓相比于原本的零件轮廓有更多的单元，在进行激光切割时能够降低零件轮廓的限制，使得切割路径更加多样化；特征点提取和离散的具体的流程如图5所示：将读取离原点最近的轮廓作为第一个轮廓，按照特征点离散,按照弧线取起点和终点取特征点，圆按照内接正方形的顶点取特征点，椭圆为长短半轴与椭圆的交点，其余n边形按照每个顶点进行取特征点，按取得的特征点进行离散操作，判断轮廓是否全部离散，如结果为否，读取下一个轮廓，重复以上操作，直至所有的轮廓全部离散完成；
51.在进行激光切割板材时应当遵循的最重要的原则就是应当将内层轮廓和外层轮廓分开进行切割，先切割内层轮廓，再切割外层轮廓以确保零件切割质量和设备安全，因此判别内外层轮廓就显得十分重要；本发明中判别内外层轮廓采用的是labview软件读取dxf格式文件中的零件轮廓的图层信息，将所有的轮廓分为内层轮廓和外层轮廓；
52.为了保证切割质量，在进行激光切割时需要设置引线；如图8所示，为待切割的圆环零件图，外部轮廓圆为外层轮廓，因此在设置引线时需要将引线设置在圆环外侧，即图中的引线1，以防止进行切割时对零件进行“过烧”，对零件的质量和完整性造成影响；同理，设置内层的轮廓的引线时，需要设置在轮廓的内侧，即图中的引线2；为了保证零件的切割质量，对于离散后的所有零件轮廓，即所有的线段和弧线都需要根据所属的层级设置引线；
53.将离散后的所有的零件轮廓段进行编号；
54.为了减小计算量，提高切割效率，在进行排序之前，对其进行预处理，如图6所示，预处理的规则为将每个零件轮廓的内层轮廓段全部置于该轮廓的外层轮廓段之前并且零件轮廓与零件轮廓之间按照n字形进行排序；这样既能保证切割顺序，同时也能减少后期排序时的大量计算；
55.为了获得最优的路径，需要将处理好的零件轮廓进行交叉排序；交叉排序具体流程操作，如图7所示，在读取处理完成的零件轮廓信息之后，需要对该零件轮廓进行判断，是否为预处理排序后的第一个零件轮廓和是否为预处理完成后的最后一个零件轮廓，因为首轮廓的内层轮廓不能向前继续交叉，末轮廓的外层轮廓不能向后交叉；对于除开首末轮廓的其它零件轮廓则采用内层轮廓段向前交叉，外层轮廓段向后交叉的策略；如图9所示，零件a、b、c、d、e均为已经预处理排序后的零件；以零件c为例，内层零件轮廓的第三条轮廓段，向前随机移动n个位置到零件b的零件轮廓点中或者再靠前的零件a；考虑到零件之间在预处理时n字形的前后关系，因此随机移动位置的个数n取值范围为0≤n≤n，因为切割轨迹一般不会越过该零件的轮廓，所以对n设置概率梯度，n越大，被选择的概率越小，概率梯度满足离散的线性一次函数；而零件c的外轮廓段ⅲ则时向后随机移动n个位置到零件d的零件轮廓点中或再靠后的零件e，同时考虑到预处理的结果，设置n的取值范围为0≤n≤n和n的概率梯度，以减少一定量的计算量；在所有的零件轮廓都全部完成排序之后，需要对形成的该轮廓组合进行长度判定作为终止条件；如图10所示，判定的标准为轨迹的空行程的长度s是否小于或等于预设值q，如果s的值不满足标准，则返回上一级继续交叉排序以获得新的路径；如s满足标准，则将此路径输入到下一级；如果交叉排序的次数m达到预设值m，则将已经产生的轨迹中空行程最短的轨迹设为最优路径输入到下一级；
56.为了保证最终的零件切割质量和设备的安全，需要再一次对零件轮廓的内外层优先级进行判定，是否内层的编号全部调整至隶属的外层编号之前，以确保零件的内外层关系；如果发现形成的轨迹在轮廓的优先级上存在错误，则将次优的轨迹输入判断，直至找到符合优先级关系的组合；
57.形成最终切割轨迹。
58.最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。