针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其存储介质

技术领域

本发明涉及管材坡口切割领域，尤其涉及三维空间曲面切割路径拐角处刀轴轨迹优化处理领域，具体是指一种针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

背景技术

二维平面切割领域，针对刀轴轨迹优化有线性插补与圆弧插补两种基本方式。

针对切割轨迹优化，现有方案包括B样条平滑及各种基于轨迹样条拟合的技术变种，但以上都是切割轨迹层面的平滑，即使是切割轨迹与刀轴轨迹都优化，也是基于样条拟合的种种变种技术，而本发明是“切割轨迹不变，转角附近刀轴切割轨迹平滑”的技术，且技术方案是提出了一种新型三维空间曲线插补的方法。

不足1：管材坡口切割中，切割轨迹及刀轴轨迹均是三维空间曲线，常规的二维插补方式无法解决三维曲线插补。

不足2：通过工艺设置的坡口，其内轮廓形式多变，无法像平面那样获取到，需要额外运算。

发明内容

本发明的目的是克服了上述现有技术的缺点，提供了一种满足误差小、切割效果好、适用范围较为广泛的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质。

为了实现上述目的，本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质如下：

该针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：

(1)获取管材切割轨迹，以及对应的刀轴切割轨迹；

(2)根据参数可配置的转角范围，对管材切割轨迹进行分段；

(3)对拐角进行优化；

(4)连接优化后的轨迹；

(5)生成优化结果。

较佳地，所述的步骤(1)具体为：

通过空间几何计算，结合管切加工工作台配置，执行刀尖点三维坐标计算，得到三维空间刀轴轨迹。

较佳地，所述的步骤(2)具体为：

根据管材不同加工表面的特征以及根据切割轨迹前后两段之间空间转角的角度，若在可配置的转角范围内满足分段条件，则记录当前两段为待优化段，依次循环直至最后一段判断结束，完成分段处理。

较佳地，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)根据外轮廓上切割轨迹，沿坡口矢量，通过投影方法得到内轮廓上的切割轨迹数据；

(3.2)确定转接段之间角点这一特征位置处的目标刀轴姿态；

(3.3)确定转接区间内的优化起终位置及对应的刀轴姿态；

(3.4)在优化区间内，根据曲线类型执行插补。

较佳地，所述的步骤(3.1)具体包括以下步骤：

(3.1.1)根据上切割轨迹所在点位与坡口矢量获得一根由外轮廓射出的射线，将该射线与内轮廓表面进行求交，获得下切割轨迹交点；

(3.1.2)将所有点位依次求取，获得一条依次连接得完整轨迹；

(3.1.3)将刀路轨迹进行自相交裁剪，保持外轮廓刀路特征，使内轮廓刀路特征与外轮廓保持一致，获取最终内轮廓刀路。

较佳地，所述的步骤(3.2)具体为：

根据(3.1)计算得到的结果，得到对应的外内轮廓上的特征角点，连接内外角点得到一个三维空间矢量，即当前外轮廓切割轨迹上当前角点对应的目标刀轴姿态。

较佳地，所述的步骤(3.3)具体包括以下步骤：

(3.3.1)若用户未配置参数，则采用默认的比例计算得到转接段内优化区间的起终位置；若用户配置参数时，则根据参数计算区间，继续步骤(3.3.2)；

(3.3.2)若需要进行角度控制，则计算得到优化区间的起终位置及区间长度；若需要进行长度控制，则选取对应长度的优化区间。

较佳地，所述的步骤(3.3.2)中计算优化区间的区间长度，具体为：

根据以下公式计算优化区间的区间长度：

其中，L为区间长度，D为角度，A为优化区间起始与终止的角度变化。

较佳地，所述的步骤(3.4)具体包括以下步骤：

判断是否为平面内的直线区间，则执行线性插补，得到平滑过渡的刀轴矢量数据；否则，执行曲线插补。

较佳地，所述的执行曲线插补，具体包括以下步骤：

获取当前优化区间上的点集，并拟合为一条二阶连续样条曲线，曲线起始点处的切向量与原始点的切向量保持一致，曲线终点处的切向量与原始点的切向量保持一致；

计算曲线插补的步长；

根据步长在曲线插值得到轨迹点，计算插值的轨迹点对应的刀轴姿态。

该用于实现针对管材坡口切割的三维刀轴轨迹局部优化处理的装置，其主要特点是，所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

该用于实现针对管材坡口切割的三维刀轴轨迹局部优化处理的处理器，其主要特点是，所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

该计算机可读存储介质，其主要特点是，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

采用了本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，提出三维曲线插补来进行的仅针对刀轴轨迹的平滑，这可以最大限度保证切割轨迹的精确性并提升转角处加工效果，可以提升管材坡口切割过程中图元角点附近的切割效果。

附图说明

图1为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的流程图。

图2为曲线上一点本发明自定义的ABC正交坐标系的示意图。

图3为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的平面直线段优化前后速度曲线仿真结果对比示意图。

图4为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的平面直线段优化前后加速度曲线仿真结果对比示意图。

图5为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的曲面上空间曲线段优化前后速度曲线仿真结果对比示意图。

图6为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的曲面上空间曲线段优化前后加速度曲线仿真结果对比示意图。

图7为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的局部优化效果示意图。

图8为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的不优化效果与局部优化效果对比示意图。

图9为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的三维曲线插补示意图。

图10为本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的角度调整效果举例示意图。

具体实施方式

为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。

本发明的该针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法，其中包括以下步骤：

(1)获取管材切割轨迹，以及对应的刀轴切割轨迹；

(2)根据参数可配置的转角范围，对管材切割轨迹进行分段；

(3)对拐角进行优化；

(4)连接优化后的轨迹；

(5)生成优化结果。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(1)具体为：

通过空间几何计算，结合管切加工工作台配置，执行刀尖点三维坐标计算，得到三维空间刀轴轨迹。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(2)具体为：

根据管材不同加工表面的特征以及根据切割轨迹前后两段之间空间转角的角度，若在可配置的转角范围内满足分段条件，则记录当前两段为待优化段，依次循环直至最后一段判断结束，完成分段处理。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3)具体包括以下步骤：

(3.1)根据外轮廓上切割轨迹，沿坡口矢量，通过投影方法得到内轮廓上的切割轨迹数据；

(3.2)确定转接段之间角点这一特征位置处的目标刀轴姿态；

(3.3)确定转接区间内的优化起终位置及对应的刀轴姿态；

(3.4)在优化区间内，根据曲线类型执行插补。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3.1)具体包括以下步骤：

(3.1.1)根据上切割轨迹所在点位与坡口矢量获得一根由外轮廓射出的射线，将该射线与内轮廓表面进行求交，获得下切割轨迹交点；

(3.1.2)将所有点位依次求取，获得一条依次连接得完整轨迹；

(3.1.3)将刀路轨迹进行自相交裁剪，保持外轮廓刀路特征，使内轮廓刀路特征与外轮廓保持一致，获取最终内轮廓刀路。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3.2)具体为：

根据(3.1)计算得到的结果，得到对应的外内轮廓上的特征角点，连接内外角点得到一个三维空间矢量，即当前外轮廓切割轨迹上当前角点对应的目标刀轴姿态。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3.3)具体包括以下步骤：

(3.3.1)若用户未配置参数，则采用默认的比例计算得到转接段内优化区间的起终位置；若用户配置参数时，则根据参数计算区间，继续步骤(3.3.2)；

(3.3.2)若需要进行角度控制，则计算得到优化区间的起终位置及区间长度；若需要进行长度控制，则选取对应长度的优化区间。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3.3.2)中计算优化区间的区间长度，具体为：

根据以下公式计算优化区间的区间长度：

其中，L为区间长度，D为角度，A为优化区间起始与终止的角度变化。

作为本发明的优选实施方式，所述的步骤(3.4)具体包括以下步骤：

判断是否为平面内的直线区间，则执行线性插补，得到平滑过渡的刀轴矢量数据；否则，执行曲线插补。

作为本发明的优选实施方式，所述的执行曲线插补，具体包括以下步骤：

获取当前优化区间上的点集，并拟合为一条二阶连续样条曲线，曲线起始点处的切向量与原始点的切向量保持一致，曲线终点处的切向量与原始点的切向量保持一致；

计算曲线插补的步长；

根据步长在曲线插值得到轨迹点，计算插值的轨迹点对应的刀轴姿态。

本发明的该用于实现针对管材坡口切割的三维刀轴轨迹局部优化处理的装置，其中所述的装置包括：

处理器，被配置成执行计算机可执行指令；

存储器，存储一个或多个计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

本发明的该用于实现针对管材坡口切割的三维刀轴轨迹局部优化处理的处理器，其中所述的处理器被配置成执行计算机可执行指令，所述的计算机可执行指令被所述的处理器执行时，实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

本发明的该计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述的计算机程序可被处理器执行以实现上述的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法的各个步骤。

本发明的目的是提供一种用于管材坡口切割领域中，对三维刀轴切割点轨迹进行局部优化的方法；本发明提出一种管材外轮廓向内轮廓的投影方法用以获取优化区间角点处的特征刀轴姿态，并提出一种局部范围内进行三维曲线插补的算法，以解决管材坡口切割时在角点附近转角变化剧烈造成切割轨迹误差大、停留时间长导致局部烧融、切割效果不好等影响加工效果的问题，达到管材坡口切割轨迹在角点附近刀轴矢量平滑过渡，优化切割效果的目的。尤其在切割机硬件机械误差比较大的情况下，通过优化局部区域内的刀轴切割轨迹，降低机械误差的影响范围。

本发明同时提供参数可配置的三维刀轴切割轨迹局部优化的方法，通过角度或长度来控制切割轨迹角点附近刀轴轨迹优化范围。具体表现为用户可根据切割效果，以角度或长度参数来调整局部优化的范围，此时优化区间发生调整，系统重新计算优化区间上的刀轴起始/终止姿态，动态调整，实时反馈，能够更快速响应不同生产环境下不同生产厂家不同切割原材料的诸多不良因素下，达到优化切割效果的目的。

本发明中涉及的三维轨迹局部优化整体流程方案(及流程不变的情况下子流程可替换的计算方法)、投影计算、以及三维曲线插补算法。本发明包括但不限于管材坡口切割领域，解决空间切割轨迹局部效果均适用。

本发明提供了一种三维空间管材坡口轮廓外向内投影的几何方法、三维曲线插补的方法、三维轨迹局部优化的方法、参数可配置的，适用于更加环境多变场景下的三维轨迹局部优化的方法。

本发明的具体实施方式中，针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法，其中，包括以下步骤：

步骤1：获取管材切割轨迹，以及刀轴的切割轨迹。

其中，已知切割轨迹，及轨迹上的坡口角度，本发明直接通过空间几何计算，并结合管切加工工作台配置，执行刀尖点三维坐标计算，得到三维空间刀轴轨迹。

在本方案的上述步骤1中，本方案根据切割轨迹和坡口数据直接几何计算得到刀轴轨迹，而现有技术通常是通过等参域映射来实现。

步骤2：对管材切割轨迹进行分段。

其中，本发明结合软件整体设计思想，先根据管材不同加工表面的特征去简单分割，再根据切割轨迹前后两段之间空间转角的角度，在角点的许可范围内时，满足分段条件，记录当前两段为待优化段，依次循环直至最后一段判断结束。分段处理完成。

特别的，本步骤包括但不限于开放角点判断的角度判断条件，给用户可配置，这样更加灵活。

步骤3：拐角优化。

步骤3.1：根据外轮廓上切割轨迹，沿坡口矢量，通过本发明中提供的投影方法，得到内轮廓上的切割轨迹数据。

投影方法获取方案如下：

步骤3.1.1根据上切割轨迹所在点位与坡口矢量即可获得一根由外轮廓射出的射线，将该射线与内轮廓表面进行求交，即可获得下切割轨迹交点。若由于管材形状或者矢量偏差过大造成未求取得交点，则取所在射线与内轮廓最近点替代。

步骤3.1.2将所有点位依次求取，可获得一条依次连接得完整轨迹，但该轨迹不是最终轨迹，因为实际的内轮廓路径并非实际操作中想要获取的下表面路径，若不作任何处理，对实际刀路的平滑优化效果有限。

步骤3.1.3将刀路轨迹进行自相交裁剪，保持外轮廓刀路特征，使内轮廓刀路特征尽量与外轮廓保持一致。获取最终内轮廓刀路。

在本方案的上述步骤3.1中，最主要目的是获得特征角点处的刀轴姿态，是几何计算为主，而现在现有技术很多是直接空间布尔操作或采取参数曲线的方法，本方案的步骤与现有技术区别开来。

步骤3.2：先确定转接段之间角点这一特征位置处的目标刀轴姿态(即刀轴矢量)

根据步骤3.1计算得到的结果，可寻找到一一对应的外内轮廓上的特征角点，连接内外角点得到一个三维空间矢量，即当前外轮廓切割轨迹上当前角点对应的目标刀轴姿态。

步骤3.3：确定转接区间内的优化起终位置及对应的刀轴姿态；

用户未配置参数时，采用默认的比例计算得到转接段内优化区间的起终位置；用户配置参数时，根据参数来计算区间，其中如果选择角度控制，根据下述公式计算得到优化区间的起终位置，如果选择长度控制，直接取对应长度的优化区间即可。

角度D，优化区间起始与终止的角度变化为A，区间长度L＝D/A；

特别补充，当用户根据现场需求，设置角度参数或长度参数时，这个操作并不会更改整个轨迹区间的切割轨迹及起终位置刀轴姿态，因为当前待切割轨迹上的坡口角度固定，目标切割效果也不可修改，角度参数或长度参数仅是轨迹内优化区间选取的手段，所以本操作目的是调整当前切割轨迹内的待优化区间范围。区间是决定了最终刀轴轨迹、区间内刀轴姿态变化及加工效果的重要因素。本发明的局部优化针对的也是优化区间内刀轴姿态的平滑过渡，如上文所述，优化是在存在加工误差加工效果不好的角点附近进行的优化。

步骤3.4：优化区间内执行插补

平面内的直线区间，线性插补得到平滑过渡的刀轴矢量数据；其余情况，都转为曲线-曲线执行曲线插补。

其中曲线插补原理如下：

计算得到当前优化区间的刀轴矢量角度变化△Ang，曲线插补目的是，在优化区间内，将△Ang的角度变化平滑分摊到整个区间内，其中区间的起始刀轴姿态与终止刀轴姿态已确定。

针对当前优化区间，获取区间上的点集并拟合为一条二阶连续B样条曲线，为保证管材上切割轨迹满足误差要求，该曲线起始点处的切向量与原始点的切向亮保持一致，同理终点处一样，特殊地，当空间曲线退化为直线时拟合后的效果同样是直线，经过几何推导，本发明的空间曲线插补算法同样适用此类特殊情景。

计算曲线插补的步长：

步长Step＝拟合曲线长度Lc/每步长允许的角度变化Avg(此数值是一个经验值)；

先根据步长Step在曲线插值得到轨迹点，并按照如下方法计算该插值的轨迹点对应的刀轴姿态：

已知一个三维空间矢量可以分解为一个三方向互相垂直坐标系上的三个分量，针对空间曲线上的点P，定义一个正交坐标系ABC，其中A方向该点在空间曲线的中心法向，B方向为给点在空间曲线的切向，C方向为B叉乘A得到的空间矢量，可证明此正交坐标系ABC满足互相正交的条件，且一个三维空间矢量可以分解为ABC三个分量，反之亦成立，如图2所示。

将三维空间刀轴矢量分解为A/B两个分量去插值，C向可由三角函数公式计算得到(注意方向)，将ABC分量合起来就是最终插值出来的刀轴矢量。

计算优化曲线起始点，以起始点位于管材上的原始法向量为轴，将起始点切向亮绕法向有向旋转90度，得到曲线起点处的曲率中心矢量。起点的目标刀轴矢量与曲率中心矢量的角度作为A向分量的起始角度As，起点的切向亮与曲率中心矢量的角度作为B向分量的起始角度Bs，同理计算终点处的A向分量角度Ae，B向分量角度Be。

步骤4：连接优化段。

将待优化段拼接起来，直至全部段连接完成。

步骤5：生成优化结果。

切割点轨迹，及优化后的刀轴切割轨迹，替换原来的坡口数据。

本技术方案的可替代实施例1如下：

当管材切割面是平面时，轨迹局部优化效果与局部执行直线插补/圆弧插补的效果近似。

本技术方案的可替代实施例2如下：

管材坡口内外轮廓投影计算方式不唯一，包括但不限本发明中提供的方案，比如直接三维数据求交得到内表面轮廓的轨迹数据等。

本技术方案的可替换实施例3如下：

管材切割面是平面时，计算内外轮廓上的切割轨迹，等参划分得到内外轮廓切割轨迹点于点的对应关系，此方法与直接外轮廓切割轨迹进行直线插补得到的结果相同。

本技术方案的可替代实施例4如下：

步骤3.2与步骤3.3可以合并在一起，计算转接段与段之间的刀轴优化轨迹过程中，依次确定角点处的目标刀轴姿态，优化区间的起始、终止刀轴姿态。

本发明提供一种参数可配置的管材坡口切割刀轴切割轨迹局部优化的方法，可以提升管材坡口切割过程中图元角点附近的切割效果。

本发明以管材平面坡口角点附近优化效果来举例说明局部优化对于提升管材坡口切割效果具有明显的效果，其局部优化效果如图7所示。

不优化效果与局部优化效果对比如图8所示，可以通过图8看出效果有提升。

对比仿真速度曲线的变化，其中深色线表示未优化效果，浅色线表示优化后效果，可以看到浅线无论是峰值还是切割过程中的波动都比深线要好。

对比仿真加速度曲线的变化，深色曲线是未优化效果，浅色曲线是优化后效果，可以看到优化后峰值变小，波峰数量降低，峰值变化区间也有所下降，整体效果提升明显。

本发明对比三维曲面上同一段曲线转接未优化与优化后的效果对比，说明本发明提供的三维曲线插补方法合理有效：

对比速度曲线仿真结果，深色是未优化曲线段仿真加工结果，浅色是优化后曲线段仿真加工结果，可以看到优化后更少的峰值波动、波峰峰值更小，且存在波动时变化时域长，可以有效提升加工效果。

对比加速度曲线仿真结果，深色是未优化曲线段仿真加工结果，浅色是优化后曲线段仿真加工结果，可以看到波动峰明显减少，加工过程中效果提升明显。

本实施例的具体实现方案可以参见上述实施例中的相关说明，此处不再赘述。

可以理解的是，上述各实施例中相同或相似部分可以相互参考，在一些实施例中未详细说明的内容可以参见其他实施例中相同或相似的内容。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是指至少两个。

流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行装置执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，相应的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。

此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机可读取存储介质中。

上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

采用了本发明的针对管材坡口切割实现三维刀轴轨迹局部优化处理的方法、装置、处理器及其计算机可读存储介质，提出三维曲线插补来进行的仅针对刀轴轨迹的平滑，这可以最大限度保证切割轨迹的精确性并提升转角处加工效果，可以提升管材坡口切割过程中图元角点附近的切割效果。

在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。