面向石材欄桿柱加工的圖形化自動編程技術(shù)研究與開發(fā)

蘇德瑜

（泉州華中科技大學(xué) 智能制造研究院，福建 泉州 362000）

0 引言

在石材加工領(lǐng)域，常用的刀具包括圓鋸片、銑刀、磨頭等，其中利用圓鋸片加工有效率高、磨損量較小、阻力小、刀具壽命長、使用范圍廣、成本低等特點，因此得到了更廣泛的應(yīng)用。目前，對于圓柱體和棱柱體等異形石柱的加工主要采用人工鑿刻、打磨和拋光的方式進行，但是，這種人工加工的方式存在有如下缺點：加工速度慢、產(chǎn)量少、效率低、人工成本高、工作環(huán)境特別惡劣，而且加工出來的石柱經(jīng)過不斷的卸料和裝夾導(dǎo)致容易出現(xiàn)成品的質(zhì)量參差不齊。隨著石材加工工藝的不斷改善，歐美工業(yè)大國早已拋棄使用PLC作為其控制核心，而把金屬加工領(lǐng)域成熟的數(shù)控技術(shù)運用到石材加工設(shè)備[1]，同時新的加工技術(shù)不斷涌現(xiàn)，最常見的有[2]：仿形技術(shù)、數(shù)控加工技術(shù)、多功能數(shù)控加工中心。但是現(xiàn)有的高、中檔數(shù)控系統(tǒng)基本上被國外的數(shù)控系統(tǒng)占領(lǐng)，而國內(nèi)大部分以經(jīng)濟型為主[3，4]，由于石材加工精度和進給速度要求較低的，經(jīng)濟型國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)基本可以滿足要求。

我國石材切割數(shù)控系統(tǒng)造價高昂、維修成本貴，使得普通石材加工企業(yè)難以承受，除此之外還有以下兩點原因：

（1）面向石材切割的數(shù)控加工工藝不成熟。盡管數(shù)控技術(shù)在金屬加工中的應(yīng)用已經(jīng)十分成熟，但是由于石材與鋼、鐵等主要金屬材料在物理特性及化學(xué)特性等方面的差異，加上使用切割工具的不同，導(dǎo)致其加工工藝在切削深度、進給速度、進給量等方面也與金屬加工存在很大的不同。因此只能借鑒而不能完全照搬金屬加工工藝，我國面向石材切割的數(shù)控加工工藝還處在探索階段。

（2）面向石材切割的自動編程系統(tǒng)匱乏。由于上述石材加工工藝的不成熟，國內(nèi)自動編程系統(tǒng)的研究與開發(fā)較緩慢。目前的自動編程系統(tǒng)大多以UG、Solidworks 等機械設(shè)計軟件為工具進行后處理實現(xiàn)。不僅要求機床操控人員工作經(jīng)驗豐富，還要求熟悉掌握各項數(shù)控流程。

因此，如何以經(jīng)濟型的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)來提高石材的加工效率、加工質(zhì)量以及降低加工成本，成為一個亟待解決的問題。本研究針對存在的問題，分析了石材欄桿柱的加工工藝，結(jié)合圓鋸片的加工特性，利用圓鋸片加工石材欄桿進行圖形化自動編程技術(shù)，開發(fā)了一款用于石材欄桿柱加工的集成CAM 的圓鋸片加工工藝軟件，實現(xiàn)了通過石材欄桿柱軌跡的導(dǎo)入，自動生成對應(yīng)的加工代碼，實現(xiàn)自動加工，提高石材欄桿柱的加工效率、質(zhì)量以及降低石材的加工成本。

1 石材欄桿柱加工工藝

石材欄桿柱是回轉(zhuǎn)工件，由一條母線軌跡繞著軸線旋轉(zhuǎn)一周而成，如圖1 所示。圓鋸片加工效率高，廣泛應(yīng)用于石材加工領(lǐng)域。傳統(tǒng)的欄桿石柱加工采用仿形法來實現(xiàn)，加工效率和精度較低，每款欄桿柱需加工對應(yīng)的形狀的模板，靈活性差，自動化程度低，因此，本研究就面向石材欄桿柱加工的圖形化自動編程技術(shù)進行了研究。

圖1 石材欄桿柱加工原理圖

2 圓鋸片加工工藝

針對石材欄桿柱的輪廓特點，提出了一種利用圓鋸片加工石材欄桿的方法，研究了圖形化自動編程技術(shù)，開發(fā)出了集成CAM 的圓鋸片加工工藝軟件，實現(xiàn)了通過石材欄桿柱軌跡的導(dǎo)入，自動生成對應(yīng)的加工代碼。工藝原理如圖2 所示，步驟如下：（1）繪制石材欄桿的外輪廓曲線；（2）截取外輪廓曲線的母線軌跡，并獲取母線軌跡的所有圖元，讀取各圖元的圖元信息；（3）依據(jù)圖元信息設(shè)置各圖元的加工方向以及加工順序，并對各圖元進行離散，生成離散軌跡坐標(biāo)；（4）依據(jù)離散軌跡坐標(biāo)設(shè)置圓鋸片加工刀面，并將離散軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圓鋸片加工軌跡坐標(biāo)；（5）依據(jù)圓鋸片加工刀面以及圓鋸片加工軌跡坐標(biāo)對石材欄桿進行加工。該方法提高了石材的加工效率、質(zhì)量以及降低了石材的加工成本。

圖2 工藝原理圖

2.1 軌跡圖元信息提取

石欄桿柱的外輪廓軌跡通過繪圖軟件繪制，并導(dǎo)出外輪廓曲線的DXF 文件。DXF 文件是AutoCAD 繪圖交換文件，用于AutoCAD 與其他軟件進行CAD 數(shù)據(jù)交換的CAD 數(shù)據(jù)文件格式。

截取石欄桿柱外輪廓曲線的母線軌跡，并獲取母線軌跡的m個圖元（圖元是圖形軟件包中用來描述各種圖形元素的函數(shù)），母線軌跡包括m1個直線圖元以及m2個圓弧圖元。每一段圖元曲線分別用函數(shù)y=gi（x，y）表示。圖元信息包括圖元起點、圖元終點、圓心坐標(biāo)、半徑、起點相位角以及圓心角，其中m、m1、m2為正整數(shù)，i為整數(shù)，且m=m1+m2，0≤i≤m- 1。用（x，y）表示圖元的曲線上點的坐標(biāo)，第i個圖元起點以（xfi，yfi）表示、終點以（xei，yei）表示、圓心坐標(biāo)以（xci，yci）表示、半徑用ri表示、起點相位角用αi表示、圓心角用βi表示。

因為DXF 文件里的圖元順序是打亂的，因此需要重新對圖元進行排序。如圖3 所示，選定第一個加工的圖元為起始圖元，記為圖元0，并設(shè)置其起點為（xf0，yf0），終點為（xe0，ye0），選定與圖元0 的圖元終點坐標(biāo)存在重合的圖元為圖元1，并將（xe0，ye0）的值設(shè)為圖元1 的圖元起點（xf1，yf1），并依據(jù)圖元1 的圖元終點確定圖元2 的圖元起點，直至確定完圖元m-1 的圖元起點以及圖元終點；圖3 的j為整數(shù)，0≤j≤m-1。

圖3 排序算法流程

對各直線圖元在斜率方向上以設(shè)定的距離進行離散，對各圓弧圖元以設(shè)定的角度進行離散，生成離散點，并依據(jù)離散點生成離散軌跡坐標(biāo)y=f（x，y）。設(shè)定的距離以及角度可以依據(jù)實際的加工精度設(shè)置，優(yōu)選距離為1 mm，角度為1°。

則各直線圖元在斜率方向上的離散點可表示為：

各圓弧圖元以設(shè)定的角度的離散點可表示為：

其中：x0表示離散點0 的橫坐標(biāo)；x1表示離散點1 的橫坐標(biāo)；y0表示離散點0 的縱坐標(biāo)；y1表示離散點1的縱坐標(biāo)表示離散點0 和離散點1 之間的直線距離向下取整；floor（β）表示圓心角向下取整。

2.2 CAM 模塊算法

假設(shè)以圓鋸片下刀面的刀尖點軌跡坐標(biāo)作為圓鋸片加工軌跡坐標(biāo)（X，Y），設(shè)圓鋸片的厚度為T，離散軌跡坐標(biāo)上相鄰的兩個離散點坐標(biāo)為Pi（xi，yi）和Pi+1（xi+1，yi+1），yi≥yi+1，離散點Pi（xi，yi）到Pi+1（xi+1，yi+1）的離散軌跡的刀偏值為Ti，每段離散軌跡的加工分別對應(yīng)一個刀偏值，刀偏值只有兩種情況：當(dāng)圓鋸片的上刀面為加工刀面時，Ti=T，當(dāng)圓鋸片的下刀面為加工刀面時，Ti= 0。

將離散軌跡坐標(biāo)上的相鄰兩個離散點Pi+1（xi+1，yi+1）和Pi（xi，yi）的連線分為非豎直線及豎直線兩種情況。

（1）當(dāng)連線為非豎直線

判斷該連線的斜率，若斜率為正，則設(shè)置圓鋸片的上刀面為加工刀面；若斜率為負(fù)，則設(shè)置圓鋸片的下刀面為加工刀面；若斜率為0（yi-yi+1），則將離散點Pi（xi，yi）指向離散點Pi+1（xi+1，yi+1）作為方向向量：當(dāng)方向向量為x軸正方向（xi+1＞xi），設(shè)置圓鋸片的下刀面為加工刀面，如圖4 所示。當(dāng)方向向量為x軸負(fù)方向（xi+1＜xi），設(shè)置圓鋸片的上刀面為加工刀面，如圖5 所示。

圖4 下刀面加工示意圖

圖5 上刀面加工示意圖

（2）當(dāng)連線為豎直線

如圖6 所示，當(dāng)時Ti+1=T，判斷離散點Pi（xi，yi）的縱坐標(biāo)是否小于前一次圓鋸片加工點的坐標(biāo)（Xi-1，Yi-1）的縱坐標(biāo)，若小于，則跳過該豎直線加工；若大于，則設(shè)置圓鋸片的下刀面為加工刀面；當(dāng)Ti-1= 0時，設(shè)置圓鋸片的下刀面為加工刀面；其中Ti-1表示離散點Pi-1（xi-1，yi-1）到Pi（xi，yi）的刀具軌跡的刀偏值。將離散軌跡坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為圓鋸片加工軌跡坐標(biāo)。

圖6 連線為豎直線的示意圖

依據(jù)圓鋸片加工刀面以及圓鋸片加工軌跡坐標(biāo)生成加工G 代碼，并由加工機床運行加工G 代碼，利用圓鋸片對石材欄桿進行加工。G 代碼是數(shù)控程序中的指令，一般都稱為G 指令，使用G 代碼可以實現(xiàn)快速定位、逆圓插補、順圓插補、中間點圓弧插補、半徑編程、跳轉(zhuǎn)加工。

2.3 操作界面開發(fā)

基于國產(chǎn)自主研發(fā)的華中8 型數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)集成CAM 的圓鋸片加工工藝軟件，包括dxf 文件讀取、軌跡編輯、加工代碼自動生成等功能，如圖7 所示。

圖7 操作界面

3 加工試驗

開發(fā)的一套集粗車、精車、粗磨、精磨、精拋為一體的六工位石欄桿柱磨拋設(shè)備，如圖8 所示。該系統(tǒng)基于華中數(shù)控自主研發(fā)的華中8 型數(shù)控系統(tǒng)，本試驗在該設(shè)備上進行，所開發(fā)的系統(tǒng)在該設(shè)備上已成功應(yīng)用。如圖9 所示，為自動編程所生成的可直接導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)加工的加工代碼（由于加工代碼過長，只截取部分內(nèi)容）。如圖10 所示為圓鋸片的精拋過程，所運行的加工代碼均為本研究所開發(fā)系統(tǒng)導(dǎo)出。如圖11所示，為欄桿柱的加工效果，經(jīng)過尺寸檢測及對比所繪制的CAD 圖形，加工尺寸符合設(shè)計要求。

圖8 石材欄桿柱加工設(shè)備

圖9 自動編程生成的加工代碼

圖10 石材欄桿柱精拋

圖11 試驗加工后效果

4 結(jié)語

根據(jù)石欄桿柱的加工工藝，結(jié)合圓鋸片的快速切削的優(yōu)點，開發(fā)了一套集成CAM 的石材欄桿柱加工軟件，實現(xiàn)了由石材欄桿柱軌跡的導(dǎo)入，自動生成對應(yīng)的加工代碼，提高了加工效率，試驗取得了良好效果，得到了同行業(yè)的高度認(rèn)可。同時本項目開發(fā)的石材欄桿柱磨拋設(shè)備，實現(xiàn)了石欄桿柱的自動加工，降低了工人的勞動強度，提高了工作效率。