一种圆锯片在石材上加工凹圆弧的方法与流程

本发明涉及自动化控制领域，涉及一种圆锯片在石材上加工凹圆弧的方法，适用于五轴桥式石材切割机设备。

背景技术：

天然石材由于质感好、外观庄重、纹理清晰、花色繁多、物理性能稳定、化学性能良好等诸多优点，作为一种优良的建筑材料，在家庭装饰上得到广泛的应用。在石材加工领域，常用的刀具包括锯片、铣刀、磨头等，其中，圆锯片加工具有效率最高、磨损量较小、阻力小、刀具寿命长、适用石材范围广、成本低等特点，因此得到了更广泛的使用。桥式石材切割机以圆锯片作为主要加工刀具，用于石材工件的粗加工，是石材加工的常用设备。

国内现有的锯片加工方法中，圆锯片一般用于在板式石材上切割直线与凸圆弧，凹圆弧的加工只能在后续的铣削或磨削工艺中实现，阻力大且刀具的磨损严重，严重制约了石材加工的效率。随着石材工件的形状越来越复杂，凹圆弧加工方法的实现也刻不容缓。

技术实现要素：

本发明的目的是克服现有技术的缺陷与不足，提供一种圆锯片在石材上加工凹圆弧的方法，提高石材加工的效率，降低生产成本。

本发明一种圆锯片在石材上加工凹圆弧的方法，包括以下步骤：

步骤1、画出工件的外轮廓曲线，并导出外轮廓的图形交换文件DXF；

步骤2、将外轮廓的图形交换文件DXF导入系统，读取其中的图元信息，获取凹圆弧的半径R、圆心在世界坐标系中的坐标(x₀，y₀)、起点相位角α、终点相位角β；

步骤3、构建凹圆弧模型，在圆弧起点处建立辅助坐标系XOY，O为凹圆弧起点，Y方向为凹圆弧起点到圆心的方向，X方向为起点处切线方向，粗实线为工件轮廓，则凹圆弧可表示为：

式中，R为凹圆弧半径，为相位角，满足α为起点相位角、β为终点相位角；

步骤4、计算圆锯片主切削弦长d₁：

圆锯片以角度θ加工工件，d₁为圆锯片主切削弦长，d为圆锯片切削深度，r₁为圆锯片半径，则圆锯片主切削弦长d₁计算如下：

步骤5、计算圆锯片偏转角度θ值，本步骤中的偏转角度θ值与步骤4中的角度θ相同：

步骤6、根据圆锯片主切削弦长中点的运动轨迹计算辅助半径r’：

步骤7、比较圆锯片主切削弦长d₁/2与辅助半径r’的大小，当d₁/2小于或等于r’时，转入步骤8；当d₁/2大于r’时，转入步骤9：

步骤8、辅助圆弧与凹圆弧同一圆心，辅助圆弧的起始相位角与凹圆弧的起始相位角一致，计算辅助圆弧半径r和圆心角

转入步骤11；

步骤9：辅助圆弧与凹圆弧同一圆心，辅助圆弧的起始相位角与凹圆弧的起始相位角不一致，计算辅助圆弧半径r和圆心角

转入步骤10；

步骤10、计算辅助圆弧起点与凹圆弧起点的相位角差值γ：

γ＝arctan(r₁/2r) (7)

步骤11、根据辅助圆弧的r和圆心角构建辅助圆弧模型：

上式中，α′、β′为辅助圆弧起点和终点对应的相位角；

步骤12、进行辅助圆弧离散，得到n个离散点，并输出各个点的坐标(x_i，y_i)，该离散点表示为：

步骤13、将离散点(x_i，y_i)进行坐标变换，转换为工件坐标系下的坐标(x′_i，y′_i)；

步骤14、根据五轴机床各个轴的运动范围，将坐标变换后的离散点(x′_i，y′_i)的运动转换为五轴AC双摆头数控机床各个轴的运动(X，Y，Z，A，C)，并启用数控系统的RTCP功能，其中X、Y、Z可由数控系统根据当前加工点的A、C自动计算，当前加工点的A、C计算如下：

A＝θ

上式中，(P_x，P_y)为当前点的单位切向量，C′为当前点的上一点对应的C轴转角；

步骤15、根据离散点坐标数据编写或自动生成G代码，由数控系统控制五轴机床运行G代码，通过圆锯片圆心沿着辅助圆弧轨迹以特定姿态运动，保证圆锯片以合适的姿态加工出所需的工件凹圆弧外轮廓轨迹。

本发明对凹圆弧轨迹进行处理，得到辅助凹圆弧，离散辅助凹圆弧轨迹，获取离散点坐标数据，将其转换至工件坐标系中，通过坐标变换转换为五轴数控系统能识别的格式，实现五轴数控机床对平面凹圆弧的加工，拓宽了五轴数控机床圆锯片加工的适用范围，可以在锯切工艺阶段完成凹圆弧的加工，减少了后续工艺的工作量以及刀具的磨损。本发明的方法，具有较强的适应性，加工效率高，且切削效果较好。

附图说明

图1为本发明中建立凹圆弧辅助坐标系示意图；

图2为本发明中圆锯片主切削弦长示意图；

图3为本发明圆锯片主切削弦长AC在凹圆弧上的切割示意图；

图4为本发明中辅助圆弧MN与凹圆弧OF的起始相位角一致计算辅助圆弧半径r和圆心角示意图；

图5为本发明中辅助圆弧MN与凹圆弧OF的起始相位角不一致计算辅助圆弧半径r和圆心角示意图。

以下结合附图和具体实施例对本发明做进一步详述。

具体实施方式

本发明一种圆锯片在石材上加工凹圆弧的方法，具体包括以下步骤：

步骤1、画出工件的外轮廓曲线，并导出外轮廓的图形交换文件DXF；

步骤2、将外轮廓的图形交换文件DXF导入系统，读取其中的图元信息，获取凹圆弧的半径R、圆心在世界坐标系中的坐标(x₀，y₀)、起点相位角α、终点相位角β；

步骤3、构建凹圆弧模型，如图1所示，在圆弧起点处建立辅助坐标系XOY，O为凹圆弧起点，Y方向为凹圆弧起点到圆心的方向，X方向为起点处切线方向，粗实线为工件轮廓，则凹圆弧可表示为：

式中，R为凹圆弧半径，为相位角，满足α为起点相位角、β为终点相位角；

步骤4、计算圆锯片主切削弦长d₁：

如图2所示，圆锯片1以角度θ加工工件2，主切削弦长d₁即图中的AC，d为圆锯片切削深度，即图中的BD，r₁为圆锯片半径，即图中的AO’，则圆锯片主切削弦长d₁计算如下：

步骤5、计算圆锯片偏转角度θ值，保证加工工件的加工面接近竖直面：

本步骤中的偏转角度θ值与步骤4中的角度θ相同，圆锯片主切削弦长AC在凹圆弧上的切割示意如图3所示，O”为凹圆弧圆心，结合图2，计算圆锯片偏转角度θ值：

步骤6、根据圆锯片主切削弦长d₁中点B的运动轨迹计算辅助半径r’：

步骤7、比较圆锯片主切削弦长d₁/2与辅助半径r’的大小，当d₁/2小于或等于r’时，转入步骤8；当d₁/2大于r’时，转入步骤9：

步骤8、如图4所示，圆弧MN为辅助圆弧，它的圆心与凹圆弧OF圆心为同一点，即点O”，辅助圆弧MN的起始相位角与凹圆弧OF的起始相位角一致，计算辅助圆弧半径r和圆心角

转入步骤11；

步骤9：如图5所示，圆弧MN为辅助圆弧，它的圆心与凹圆弧OF圆心为同一点，即点O”，辅助圆弧的起始相位角与凹圆弧的起始相位角不一致，计算辅助圆弧半径r和圆心焦

转入步骤10；

步骤10、如图5所示，计算辅助圆弧起点与凹圆弧起点的相位角差值γ：γ＝arctan(r₁/2r) (7)

步骤11、根据辅助圆弧的r和圆心角构建辅助圆弧模型：

上式中，α′、β′为辅助圆弧起点和终点对应的相位角；

步骤12、进行辅助圆弧离散，得到n个离散点，并输出各个点的坐标(x_i，y_i)，该离散点表示为：

步骤13、将离散点(x_i，y_i)进行坐标变换，转换为工件坐标系下的坐标(x′_i，y′_i)，坐标转换公式为：

式中，为辅助坐标系XOY到工件坐标系的旋转矩阵，为辅助坐标系原点在工件坐标系中的坐标；

步骤14、根据五轴机床各个轴的运动范围，将坐标变换后的离散点(x′_i，y′_i)的运动转换为五轴AC双摆头数控机床各个轴的运动(X，Y，Z，A，C)，并启用数控系统的RTCP功能，本实施例中采用华中八型数控系统，五轴机床A轴运动范围为0°-90°，C轴运动范围为0°-360°，将坐标变换后的离散点(x′_i，y′_i)的运动转换为五轴AC双摆头数控机床各个轴的运动(X，Y，Z，A，C)，并启用数控系统的RTCP功能，则X、Y、Z可由数控系统根据当前A、C自动计算，当前加工点的A、C计算方法如下：

A＝θ

上式中，(P_x，P_y)为当前点的单位切向量，C′为当前点的上一点对应的C轴转角；

步骤15、根据离散点坐标数据编写或自动生成G代码，由数控系统控制五轴机床运行G代码，通过圆锯片圆心沿着辅助圆弧轨迹以特定姿态运动，保证圆锯片以合适的姿态加工出所需的工件凹圆弧外轮廓轨迹。

以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。