本發(fā)明涉及自動(dòng)化控制領(lǐng)域，涉及一種圓鋸片在石材上加工凹圓弧的方法，適用于五軸橋式石材切割機(jī)設(shè)備。

背景技術(shù)：

天然石材由于質(zhì)感好、外觀莊重、紋理清晰、花色繁多、物理性能穩(wěn)定、化學(xué)性能良好等諸多優(yōu)點(diǎn)，作為一種優(yōu)良的建筑材料，在家庭裝飾上得到廣泛的應(yīng)用。在石材加工領(lǐng)域，常用的刀具包括鋸片、銑刀、磨頭等，其中，圓鋸片加工具有效率最高、磨損量較小、阻力小、刀具壽命長(zhǎng)、適用石材范圍廣、成本低等特點(diǎn)，因此得到了更廣泛的使用。橋式石材切割機(jī)以圓鋸片作為主要加工刀具，用于石材工件的粗加工，是石材加工的常用設(shè)備。

國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的鋸片加工方法中，圓鋸片一般用于在板式石材上切割直線與凸圓弧，凹圓弧的加工只能在后續(xù)的銑削或磨削工藝中實(shí)現(xiàn)，阻力大且刀具的磨損嚴(yán)重，嚴(yán)重制約了石材加工的效率。隨著石材工件的形狀越來越復(fù)雜，凹圓弧加工方法的實(shí)現(xiàn)也刻不容緩。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷與不足，提供一種圓鋸片在石材上加工凹圓弧的方法，提高石材加工的效率，降低生產(chǎn)成本。

本發(fā)明一種圓鋸片在石材上加工凹圓弧的方法，包括以下步驟：

步驟1、畫出工件的外輪廓曲線，并導(dǎo)出外輪廓的圖形交換文件DXF；

步驟2、將外輪廓的圖形交換文件DXF導(dǎo)入系統(tǒng)，讀取其中的圖元信息，獲取凹圓弧的半徑R、圓心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x₀，y₀)、起點(diǎn)相位角α、終點(diǎn)相位角β；

步驟3、構(gòu)建凹圓弧模型，在圓弧起點(diǎn)處建立輔助坐標(biāo)系XOY，O為凹圓弧起點(diǎn)，Y方向?yàn)榘紙A弧起點(diǎn)到圓心的方向，X方向?yàn)槠瘘c(diǎn)處切線方向，粗實(shí)線為工件輪廓，則凹圓弧可表示為：

式中，R為凹圓弧半徑，為相位角，滿足α為起點(diǎn)相位角、β為終點(diǎn)相位角；

步驟4、計(jì)算圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁：

圓鋸片以角度θ加工工件，d₁為圓鋸片主切削弦長(zhǎng)，d為圓鋸片切削深度，r₁為圓鋸片半徑，則圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁計(jì)算如下：

步驟5、計(jì)算圓鋸片偏轉(zhuǎn)角度θ值，本步驟中的偏轉(zhuǎn)角度θ值與步驟4中的角度θ相同：

步驟6、根據(jù)圓鋸片主切削弦長(zhǎng)中點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算輔助半徑r’：

步驟7、比較圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁/2與輔助半徑r’的大小，當(dāng)d₁/2小于或等于r’時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8；當(dāng)d₁/2大于r’時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟9：

步驟8、輔助圓弧與凹圓弧同一圓心，輔助圓弧的起始相位角與凹圓弧的起始相位角一致，計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心角

轉(zhuǎn)入步驟11；

步驟9：輔助圓弧與凹圓弧同一圓心，輔助圓弧的起始相位角與凹圓弧的起始相位角不一致，計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心角

轉(zhuǎn)入步驟10；

步驟10、計(jì)算輔助圓弧起點(diǎn)與凹圓弧起點(diǎn)的相位角差值γ：

γ＝arctan(r₁/2r) (7)

步驟11、根據(jù)輔助圓弧的r和圓心角構(gòu)建輔助圓弧模型：

上式中，α′、β′為輔助圓弧起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位角；

步驟12、進(jìn)行輔助圓弧離散，得到n個(gè)離散點(diǎn)，并輸出各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(x_i，y_i)，該離散點(diǎn)表示為：

步驟13、將離散點(diǎn)(x_i，y_i)進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x′_i，y′_i)；

步驟14、根據(jù)五軸機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)范圍，將坐標(biāo)變換后的離散點(diǎn)(x′_i，y′_i)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為五軸AC雙擺頭數(shù)控機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)(X，Y，Z，A，C)，并啟用數(shù)控系統(tǒng)的RTCP功能，其中X、Y、Z可由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前加工點(diǎn)的A、C自動(dòng)計(jì)算，當(dāng)前加工點(diǎn)的A、C計(jì)算如下：

A＝θ

上式中，(P_x，P_y)為當(dāng)前點(diǎn)的單位切向量，C′為當(dāng)前點(diǎn)的上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的C軸轉(zhuǎn)角；

步驟15、根據(jù)離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)編寫或自動(dòng)生成G代碼，由數(shù)控系統(tǒng)控制五軸機(jī)床運(yùn)行G代碼，通過圓鋸片圓心沿著輔助圓弧軌跡以特定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，保證圓鋸片以合適的姿態(tài)加工出所需的工件凹圓弧外輪廓軌跡。

本發(fā)明對(duì)凹圓弧軌跡進(jìn)行處理，得到輔助凹圓弧，離散輔助凹圓弧軌跡，獲取離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)，將其轉(zhuǎn)換至工件坐標(biāo)系中，通過坐標(biāo)變換轉(zhuǎn)換為五軸數(shù)控系統(tǒng)能識(shí)別的格式，實(shí)現(xiàn)五軸數(shù)控機(jī)床對(duì)平面凹圓弧的加工，拓寬了五軸數(shù)控機(jī)床圓鋸片加工的適用范圍，可以在鋸切工藝階段完成凹圓弧的加工，減少了后續(xù)工藝的工作量以及刀具的磨損。本發(fā)明的方法，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性，加工效率高，且切削效果較好。

附圖說明

圖1為本發(fā)明中建立凹圓弧輔助坐標(biāo)系示意圖；

圖2為本發(fā)明中圓鋸片主切削弦長(zhǎng)示意圖；

圖3為本發(fā)明圓鋸片主切削弦長(zhǎng)AC在凹圓弧上的切割示意圖；

圖4為本發(fā)明中輔助圓弧MN與凹圓弧OF的起始相位角一致計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心角示意圖；

圖5為本發(fā)明中輔助圓弧MN與凹圓弧OF的起始相位角不一致計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心角示意圖。

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳述。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明一種圓鋸片在石材上加工凹圓弧的方法，具體包括以下步驟：

步驟1、畫出工件的外輪廓曲線，并導(dǎo)出外輪廓的圖形交換文件DXF；

步驟2、將外輪廓的圖形交換文件DXF導(dǎo)入系統(tǒng)，讀取其中的圖元信息，獲取凹圓弧的半徑R、圓心在世界坐標(biāo)系中的坐標(biāo)(x₀，y₀)、起點(diǎn)相位角α、終點(diǎn)相位角β；

步驟3、構(gòu)建凹圓弧模型，如圖1所示，在圓弧起點(diǎn)處建立輔助坐標(biāo)系XOY，O為凹圓弧起點(diǎn)，Y方向?yàn)榘紙A弧起點(diǎn)到圓心的方向，X方向?yàn)槠瘘c(diǎn)處切線方向，粗實(shí)線為工件輪廓，則凹圓弧可表示為：

式中，R為凹圓弧半徑，為相位角，滿足α為起點(diǎn)相位角、β為終點(diǎn)相位角；

步驟4、計(jì)算圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁：

如圖2所示，圓鋸片1以角度θ加工工件2，主切削弦長(zhǎng)d₁即圖中的AC，d為圓鋸片切削深度，即圖中的BD，r₁為圓鋸片半徑，即圖中的AO’，則圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁計(jì)算如下：

步驟5、計(jì)算圓鋸片偏轉(zhuǎn)角度θ值，保證加工工件的加工面接近豎直面：

本步驟中的偏轉(zhuǎn)角度θ值與步驟4中的角度θ相同，圓鋸片主切削弦長(zhǎng)AC在凹圓弧上的切割示意如圖3所示，O”為凹圓弧圓心，結(jié)合圖2，計(jì)算圓鋸片偏轉(zhuǎn)角度θ值：

步驟6、根據(jù)圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁中點(diǎn)B的運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算輔助半徑r’：

步驟7、比較圓鋸片主切削弦長(zhǎng)d₁/2與輔助半徑r’的大小，當(dāng)d₁/2小于或等于r’時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟8；當(dāng)d₁/2大于r’時(shí)，轉(zhuǎn)入步驟9：

步驟8、如圖4所示，圓弧MN為輔助圓弧，它的圓心與凹圓弧OF圓心為同一點(diǎn)，即點(diǎn)O”，輔助圓弧MN的起始相位角與凹圓弧OF的起始相位角一致，計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心角

轉(zhuǎn)入步驟11；

步驟9：如圖5所示，圓弧MN為輔助圓弧，它的圓心與凹圓弧OF圓心為同一點(diǎn)，即點(diǎn)O”，輔助圓弧的起始相位角與凹圓弧的起始相位角不一致，計(jì)算輔助圓弧半徑r和圓心焦

轉(zhuǎn)入步驟10；

步驟10、如圖5所示，計(jì)算輔助圓弧起點(diǎn)與凹圓弧起點(diǎn)的相位角差值γ：γ＝arctan(r₁/2r) (7)

步驟11、根據(jù)輔助圓弧的r和圓心角構(gòu)建輔助圓弧模型：

上式中，α′、β′為輔助圓弧起點(diǎn)和終點(diǎn)對(duì)應(yīng)的相位角；

步驟12、進(jìn)行輔助圓弧離散，得到n個(gè)離散點(diǎn)，并輸出各個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)(x_i，y_i)，該離散點(diǎn)表示為：

步驟13、將離散點(diǎn)(x_i，y_i)進(jìn)行坐標(biāo)變換，轉(zhuǎn)換為工件坐標(biāo)系下的坐標(biāo)(x′_i，y′_i)，坐標(biāo)轉(zhuǎn)換公式為：

式中，為輔助坐標(biāo)系XOY到工件坐標(biāo)系的旋轉(zhuǎn)矩陣，為輔助坐標(biāo)系原點(diǎn)在工件坐標(biāo)系中的坐標(biāo)；

步驟14、根據(jù)五軸機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)范圍，將坐標(biāo)變換后的離散點(diǎn)(x′_i，y′_i)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為五軸AC雙擺頭數(shù)控機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)(X，Y，Z，A，C)，并啟用數(shù)控系統(tǒng)的RTCP功能，本實(shí)施例中采用華中八型數(shù)控系統(tǒng)，五軸機(jī)床A軸運(yùn)動(dòng)范圍為0°-90°，C軸運(yùn)動(dòng)范圍為0°-360°，將坐標(biāo)變換后的離散點(diǎn)(x′_i，y′_i)的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為五軸AC雙擺頭數(shù)控機(jī)床各個(gè)軸的運(yùn)動(dòng)(X，Y，Z，A，C)，并啟用數(shù)控系統(tǒng)的RTCP功能，則X、Y、Z可由數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前A、C自動(dòng)計(jì)算，當(dāng)前加工點(diǎn)的A、C計(jì)算方法如下：

A＝θ

上式中，(P_x，P_y)為當(dāng)前點(diǎn)的單位切向量，C′為當(dāng)前點(diǎn)的上一點(diǎn)對(duì)應(yīng)的C軸轉(zhuǎn)角；

步驟15、根據(jù)離散點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)編寫或自動(dòng)生成G代碼，由數(shù)控系統(tǒng)控制五軸機(jī)床運(yùn)行G代碼，通過圓鋸片圓心沿著輔助圓弧軌跡以特定姿態(tài)運(yùn)動(dòng)，保證圓鋸片以合適的姿態(tài)加工出所需的工件凹圓弧外輪廓軌跡。

以上所述，僅是本發(fā)明較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明的技術(shù)范圍作任何限制，故凡是依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何細(xì)微修改、等同變化與修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。