一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法

摘要

本发明公开了一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法，包括有以下步骤：S1、读入待加工皮革的PLT文件，获取待加工圆形的数据；S2、对加工图形的数据进行处理，区分出直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧这四种情况；S3、确定插入圆弧的半径范围；S4、计算直线与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；S5、判断直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的方式；S6、计算直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；S7、判断圆弧与圆弧中插入相切圆弧段的方式；S8、计算圆弧与圆弧中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；S9、生产新的加工文件。本发明有效地减少了裁皮的辅助加工时间，提高了裁皮的加工效率。

说明书

技术领域

本发明涉及裁皮机的轨迹优化算法领域，特别涉及一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法。

背景技术

目前市面上的裁皮机只能按照给定的切割轨迹进行切割，在裁皮机加工过程中，按照加工轨迹上的线段进行切割，由于切割机的刀具是具有方向性的刀片或者圆形锯刀，为了保护刀具和保证切割质量，在切割那些夹角太小的轨迹时，需要进行抬刀-转向-落刀的操作才能进行接下来的切割，在整张皮革的轮廓线段组成中，往往这样的转角很多，频繁的进行抬刀-转向-落刀的操作，增加了大量的辅助加工时间。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法。

为实现上述目的，本发明采用如下的技术方案：一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法，包括有以下步骤：

S1、读入待加工皮革的PLT文件，获取待加工圆形的数据；

S2、对加工图形的数据进行处理，区分出直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧这四种情况；

S3、根据线段组成情况，确定插入圆弧的半径范围；

S4、计算直线与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；

S5、判断直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的方式；

S6、根据插入圆弧段的方式，计算直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；

S7、判断圆弧与圆弧中插入相切圆弧段的方式；

S8、根据插入圆弧段的方式，计算圆弧与圆弧中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点；

S9、根据计算结果，生产新的加工文件。

本发明的有益效果在于：本发明有效地减少了裁皮的辅助加工时间，提高了裁皮的加工效率。

附图说明

图1为本发明方法流程示意图。

图2将本发明方法应用于裁皮机上时的结构示意图。

图3插入圆弧半径示意图。

图4插入圆弧半径最小值示意图。

图5直线圆弧夹角示意图。

图6计算插入圆弧圆心示意图。

图7四种圆弧接圆弧的插入圆弧的情况示意图。

图8四种圆弧接圆弧的插入圆弧的情况示意图。

图9圆弧接圆弧夹角示意图。

图10计算插入圆弧圆心示意图。

图11直线和圆弧组成的原加工轨迹示意图。

图12轨迹优化后的新加工轨迹示意图。

图13轨迹优化后的XY平面运动速度与时间的关系示意图。

图14轨迹优化前的XY平面运动速度与时间的关系示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

一种提高裁皮机加工速度的轨迹优化方法，包括有以下步骤：

步骤1，算法流程初始化

获取待加工图形的数据；

读入待加工皮革轮廓的plt文件。

步骤2，对加工图形的数据进行处理

待加工图形的数据包括加工点集合和由直线圆弧组成的线段集合，分类出组成夹角的线段类型是直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧中的哪一类。

为每一个点打上两个标记0和1分别对应圆弧和直线，用以记录这个点前后连接的两条线段的类型，11对应直线与直线夹角点、01对应圆弧与直线夹角点、10对应直线与圆弧夹角点、00对应圆弧与圆弧夹角点。

步骤3，确定插入圆弧的半径范围。

根据读入的待加工皮革轮廓的信息计算插入圆弧的半径，以图3所示为例，直线ab与直线bc需要插入一段圆弧段实现平滑过渡。圆弧p1p2为插入的圆弧段,p1为直线ab与圆o的切点，p2为直线bc与圆o的切点，o：插入圆弧的圆心，r：插入圆弧的半径，d0：插入圆弧的起点到夹角点的距离，d1:直线段ab的长度，d2:直线段bc的长度，θ：组成夹角的角度，ζ：是插入的圆弧与直线拐角之间的最大精度指标。

基于给定的最大误差来确定误差距离ζ的值。

基于参数ζ、θ，采用下式计算得到插入圆弧的r：

(r+δ)·sin(θ/2)＝r 式1

结合式2，采用下式计算得到插入圆弧的起点到夹角点的距离d0：

d

为了保证插入圆弧的起点和终点不要越过组成拐角线段的极限值，比较d0与d1、d2的值，若d0>d1或d0>d2，则取d0＝min[d1、d2]。

基于参数参数ζ、θ、d0，采用下式计算反求出插入圆弧的半径r：

此处以直线与直线的情况举例，而直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧这三种情况的插入圆弧半径r的计算可以参考直线与直线的情况，将直线长度替换成相应的圆弧起点与终点的距离。

结合不同刀具的尺寸及最大转角，应当对插入圆弧的半径r设置合适的极限最小值，保证刀具在经过转角时可以平稳通过。

以图4所示为例，o：圆弧圆心，a：进给法向加速度，v：进给速度，d3：刀具补偿半径，Rmin：插入圆弧半径的最小值。

步骤4，进行轨迹优化

针对直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧四种类型，分别计算插入相切的圆弧段的圆心、起点、终点。

步骤4.1，计算直线与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点。

基于直线段ab、bc的参数a(x,y)、b(x,y)、c(x,y)，应用下式计算起点p1(x,y)、终点p2(x,y)的坐标

基于求得的起点p1(x,y)、终点p2(x,y)的坐标，计算直线op1和直线op2的方程式y＝k

结合式10、11，计算插入圆弧的圆心o(x,y)的坐标

步骤4.2判断直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的方式。

为直线与圆弧、圆弧与直线插入过渡圆弧时，根据插入圆弧圆心与圆弧线段的位置关系分为内切和外切两种情况，而确定是内切还是外切需要先判断圆弧的空间向量和圆弧切线与直线段组成的夹角大小，由这两个量共同判断插入的圆弧是内切还是外切。

首先判断圆弧线段的空间向量，由笛卡尔坐标系右手法则可初步判断圆弧线段的空间向量指向内还是外，因为特征点集按照轮廓轨迹的逆时针遍历可计算向量.以图5所示为例，ab：圆弧线段，bc：直线段，bd：圆弧线段的切线方向向量，

o：圆弧线段圆心，θ：直线段与圆弧线段切线的夹角，

记

基于向量A、B的坐标，应用下式计算向量A、B的向量积

结合式13，判断空间向量C的正负

C＝A.x·B.y-B.x·A.y 式14

若C<0则空间向量C指向外、C>0则空间向量C指向内。

基于向量bc和向量bd的坐标，应用下式计算向量bc和向量bd的方位角θ

结合式15、16，应用下式计算直线段与圆弧线段切线的夹角θ

由于刀具存在最大转向角θ

基于参数刀具最大转向角θ

步骤4.3计算直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的圆心坐标

在确定插入圆弧式内切或外切后，计算直线与圆弧、圆弧与直线中插入相切圆弧段的圆心、起点、终点的坐标，次处以外切为例，以图6所示为例。ab：圆弧线段，bc：直线段，bd：圆弧线段的切线方向向量，o

1.做一条平行于直线bc且距离为r

2.由于作离直线bc距离为r

3.在直线L上计算离圆弧圆心o

4.由于离o

基于参数直线bc的方程y＝k

k

计算得出b

基于参数直线bc的斜率k1和pre，得出以下关于如何选择直线L的常数项b2的结论

得到直线L的方程y＝k

基于参数直线L的方程y＝k

计算得出b

基于参数直线L的方程y＝k

步骤4.4计算圆弧与直线中插入相切圆弧段的起点、终点的坐标

插入圆弧线段做光滑处理的本质是分别将直线-直线、直线-圆弧、圆弧-直线、圆弧-圆弧四种类型的线段变为直线-圆弧-直线、直线-圆弧-圆弧、圆弧-圆弧-直线、圆弧-圆弧-圆弧。故点集也有相应的变化。以插入圆弧的起点和终点代替原本的夹角点，形成新的加工文件。

基于参数插入圆弧的圆心o

式中计算出圆弧接直线情况下插入圆弧的起点和终点的坐标，直线接圆弧计算方式与其类似。

步骤4.5判断圆弧接圆弧中插入相切圆弧段的方式

以图7所示为例，从图中可以看出圆弧接圆弧中插入相切圆弧段的方式由1、2、3、4四种情况。以图4所示为例，同圆弧接直线，记

基于参数A、B、C

结合式27，在判断出插入圆弧的情况为1、4情况的基础上，再进一步判断到底是1还是4。

以图9所示为例，

基于参数

θ＝θ

在式中：

当θ<0时，代表切线bd在切线be的顺时针θ处，插入圆弧线段为情况1

当θ>0时，代表切线be在切线bd的逆时针θ处，插入圆弧线段为情况4

由于刀具存在最大转向角θ

结合式27，在判断出插入圆弧的情况为2、3情况的基础上，再进一步判断到底是2还是3。

当C

当C

步骤4.6计算圆弧接圆弧中插入相切圆弧段的半径，圆心

此处以情况4举例说明，计算插入圆弧段半径r

以图10所示为例，ab：前接圆弧1、r

作直线段o

基于参数d

令

o

结合式31，应用下式计算插入圆弧的圆心o

求o

基于参数直线o

步骤4.7计算圆弧接圆弧中插入相切圆弧段的起点p

基于参数插入圆弧的圆心o

图11为由直线和圆弧组成的原加工轨迹，图12为经过光滑处理后的新加工轨迹。可以明显看出轨迹边缘相较原图变得圆滑易加工。

分别对图11，图12进行加工测试，插补周期为0.1ms，XY运动平台的极限速度800ms/s，极限加速度为3200ms/s，抬刀极限速度300ms/s，极限加速度1200ms/s。

图13为进行轨迹优化后的XY平面运动速度与时间的关系，图14为进行轨迹优化前的XY平面运动速度与时间的关系。由图13、14可知，在进行轨迹优化前，加工时间19.09s，使用本发明方法，加工时间为15.2s，缩短了3.89s，优化效率达20.3％，优化效果明显。

以上实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。