CN109676803B - 一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，属于加工工程技术领域，具体为使用大径圆盘锯粗加工石材大凸多边形区域的方法，包括：从DXF文件读取多边形信息；用数学几何方法计算加工多边形进退刀次数最少的走刀方向；根据圆盘锯信息和工艺参数计算圆盘锯切触面投影；根据走刀方向切触面投影计算无干涉的多边形内轮廓；根据走刀方向和多边形内轮廓信息通过线扫描法计算加工轨迹并采用最邻近点法进行优化。本发明方法扩大了圆盘锯的加工范围，并且提高了加工效率，适用于装有圆盘锯的石材加工机械对多边形区域的粗加工。

Description

一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法

技术领域

本发明属于加工工程技术领域，涉及圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，尤其是使用大径圆盘锯粗加工石材大凸多边形区域的方法。

背景技术

目前对石材的多边形区域进行加工的方法有采用铣刀铣削或者砂轮磨削的方法，这些方法能较好的完成浅层的小多边形区域的加工，但是加工深度深的大多边形区域时效率却比较低。虽然石材加工机械安装的圆盘锯具有切割线速度大和切割深度深的特性，而且在进行大余量切削的加工过程中也具有很大的优势，但是，目前石材的加工工具依然是以铣刀和砂轮为主，圆盘锯的使用相对较少。

从现今行业中分析，圆盘锯在粗加工中的应用正是部分石材加工机械企业探索的重要内容。其中，圆盘锯粗加工长方向形平面、圆环面、波浪面等平面的应用较多，而在加工不规则的多边形较少。从现今研究中分析，利用圆盘锯对区域进行粗加工已有少量的研究，其涉及到圆盘锯切割多边形的可行性验证、利用圆盘锯剪裁多边形和利用截面线法锯切不规则曲面等方面的研究。但这些研究大多仅利用圆盘锯对多边形的切割，而忽视了圆盘锯在粗加工多边形区域的优势，其次多数研究并未考虑圆盘锯加工多边形区域的加工轨迹优化问题。而加工路径或轨迹进行优化的研究在圆盘锯加工路径或轨迹的优化较少，在铣刀或者砂轮的应用研究占据了绝大多数，其中涉及到基于待加工表面最优进给方向(PFD)场来生成刀具轨迹的方法、采用穷举法得到走刀方向的方法和采用各种智能算法优化空加工行程的方法等。

综上分析可知，目前还没有较为完备的方法来实现圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法。现有的刀触点路径截面线法的不规则曲面锯切加工方法存在计算复杂和加工轨迹效率未优化的问题，现有的加工路径或轨迹优化方法针对铣刀却不适用于圆盘锯对多边形区域的加工。故本发明提出一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，通过走刀方向优化减少了进退刀次数从而缩短了加工时间，通过基于走刀方向和圆盘锯切触面特性的无干涉多边形内轮廓计算得到圆盘锯走刀多边形内轮廓，通过线扫描法扫描多边形内轮廓计算加工轨迹，最后，通过最邻近点法进一步优化加工轨迹；本发明方法扩大了圆盘锯的加工范围，并且提高了加工效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，包括：

步骤1、从DXF文件读取多边形信息；

步骤2、用数学几何方法计算加工多边形进退刀次数最少的走刀方向；

步骤3、根据圆盘锯信息和工艺参数计算圆盘锯切触面投影；

步骤4、根据步骤2的走刀方向和步骤3的切触面投影计算无干涉的多边形内轮廓；

步骤5、根据步骤2的走刀方向和步骤4的多边形内轮廓信息通过线扫描法计算加工轨迹并采用最邻近点法进行优化。

优选的，所述步骤1具体包括：

从DXF文件中获取n边形顶点P_i(i＝1,2,...,n)；

所述步骤2具体包括：

根据步骤1的n边形顶点信息，计算有向边：

e_i＝{P_i,P_i+1},(i＝1,2,...,n,P_n+1＝P₁) (12)

计算有向边e_i到顶点P_i'(i'＝1,2,...,n)的距离D_ii'，其中有向边e_i对应的最大的距离称为有向边的高：

H_i＝max(D_ii'),(i'＝1,2,...,n) (13)

而所有的有向边中最短的高为最优高：

H_best＝min(H_i),(i＝1,2,...,n) (14)

垂直于最优高方向为走刀方向k_{d best}，其中k_{d best}为走刀方向与x轴正方向夹角的正切值；

所述步骤3具体包括：

一个半径为R、厚度为W的圆盘锯以切削深度a_p沿走刀方向走刀时，圆盘锯切触面投影的长为：

宽为：

2T_y＝W (16)

所述步骤4具体包括：

避免与多边形轮廓上的一点O_N＝(x_N,y_N,z_N)干涉，将圆盘锯切触面的中心点向多边形内部偏置距离为X_offset的横向偏置和距离为Y_offset的纵向偏置，由此得到新的目标点：

O_C＝(x_N±X_offset,y_N±Y_offset,z_N) (17)

当k_dbest≥0时，偏置后新的目标点坐标为：

对应的偏置直线方程为：

其中，l值代表不同的偏置直线，b为偏置直线方程的截距，k为点O_N所在的多边形边的斜率；

当k_dbest<0时，偏置后新的目标点坐标为：

对应的偏置直线方程为：

通过判断O'_C与O"_C所处位置即可以判断L₁和L₂与多边形轮廓的位置关系；V_i(i＝1,2,...,n)为从点O'_C或O"_C指向n边形顶点P₁P₂...P_n的矢量，求解V₁～V_n之中相邻矢量之间的夹角和为：

若θ_sum≠360°，点所在的线为外轮廓线；若θ_sum＝360°，点所在的线为内轮廓线；依次求得多边形所有边界的内轮廓线作为圆盘锯切触面的边界，由这些边界围成的封闭多边形区域即为避免圆盘锯切触面与多边形轮廓发生干涉的走刀轨迹允许的多边形内轮廓区域P₁'P′₂...P′_n；

所述步骤5具体包括：

根据所述走刀方向k_{d best}计算得到一组平行线，以这一组平行线对所述多边形内轮廓区域P₁'P′₂...P′_n进行求交得到一组平行的走刀轨迹，最后再采用最邻近点法对走刀轨迹进行排序即得圆盘锯粗加工石材多边形区域的加工轨迹。

本发明的有益效果如下：

本发明一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，通过走刀方向优化减少了进退刀次数从而缩短了加工时间，通过基于走刀方向和圆盘锯切触面特性的无干涉多边形内轮廓计算得到圆盘锯走刀多边形内轮廓，通过线扫描法扫描多边形内轮廓计算加工轨迹，最后，通过最邻近点法进一步优化加工轨迹。本发明方法扩大了圆盘锯的加工范围，并且提高了加工效率，适用于装有圆盘锯的石材加工机械对多边形区域的粗加工。

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明的一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明中走刀方向影响进退刀次数示意图；

图2是本发明中圆盘锯切削几何特性示意图；

图3是本发明中圆盘锯切触面投影示意图；

图4是本发明中不同走刀方向偏置示意图；其中图4(a)表示k_dbest≥0的情况，图4(b)表示k_dbest<0的情况；

图5是本发明中多边形区域无干涉内轮廓示意图；

图6是本发明中多边形区域加工轨迹示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的的方法，包括：

步骤1、从DXF文件读取多边形信息

如图1所示，从DXF文件中获取n边形顶点P_i(i＝1,2,...,n)。

步骤2、用数学几何方法计算加工多边形进退刀次数最少的走刀方向

如图1所示，走刀方向不同将导致进退刀次数不同，因此，为了减少进退刀次数需要对走刀方向进行优化。同时，分析可以得知：与有向边同向的走刀方向k_d2相较于偏离有向边方向k_d1进退刀次数更少。因此，多边形最短的最远平行线间距存在于多边形的高中，即应在多边形所有的高中求得较优的高以得到较优的走刀方向。

根据步骤1的n边形顶点信息，计算有向边：

e_i＝{P_i,P_i+1},(i＝1,2,...,n,P_n+1＝P₁) (23)

计算有向边e_i到顶点P_i'(i'＝1,2,...,n)的距离D_ii'，其中有向边e_i对应的最大的距离称为有向边的高：

H_i＝max(D_ii'),(i'＝1,2,...,n) (24)

而所有的有向边中最短的高为最优高：

H_best＝min(H_i),(i＝1,2,...,n) (25)

垂直于最优高方向走刀的进退刀次数最少，因此，取该方向为走刀方向k_{d best}。

步骤3、根据圆盘锯信息和工艺参数计算圆盘锯切触面投影

一个半径为R、厚度为W的圆盘锯以切削深度a_p沿走刀方向走刀时，形成的扫描体如图2所示。而在加工的过程中，应避免圆盘锯切触面与石材模型的干涉。在加工深度允许范围内，即是避免圆盘锯切触面投影(如图3所示)对多边形轮廓产生干涉。圆盘锯切触面投影的长为：

宽为：

2T_y＝W (27)

步骤4、根据步骤2的走刀方向和步骤3的切触面投影计算无干涉的多边形内轮廓

如图4和图5所示，为避免与多边形轮廓上的一点O_N＝(x_N,y_N,z_N)干涉，需要将圆盘锯切触面的中心点向多边形内部偏置距离为X_offset的横向偏置和距离为Y_offset的纵向偏置，由此得到新的目标点为：

O_C＝(x_N±X_offset,y_N±Y_offset,z_N) (28)

当k_dbest≥0时(图5情况)，偏置后新的目标点坐标为：

此时对应的偏置直线方程为：

其中，l值代表不同的偏置直线，b为偏置直线方程的截距，k为点O_N所在的多边形边的斜率。

当k_dbest<0时，偏置后新的目标点坐标为：

此时对应的偏置直线方程为：

由几何位置关系可知，O'_C与O"_C为内外轮廓线上的点，通过判断O'_C与O"_C所处位置即可以判断L₁和L₂与多边形轮廓的位置关系。V_i(i＝1,2,...,n)为从点O'_C或O"_C指向n边形顶点P₁P₂...P_n的矢量，求解V₁～V_n之中相邻矢量之间的夹角和为：

若θ_sum≠360°，则说明点不在内部，即点所在的线为外轮廓线；若θ_sum＝360°，则说明点在内部，即点所在的线为内轮廓线。依次求得多边形所有边界的内轮廓线作为圆盘锯切触面的边界，由这些边界围成的封闭多边形区域即为避免圆盘锯切触面与多边形轮廓发生干涉的走刀轨迹允许的多边形内轮廓区域P₁'P′₂...P′_n。

步骤5、根据步骤2的走刀方向和步骤4的多边形内轮廓信息通过线扫描法计算加工轨迹并采用最邻近点法进行优化

如图6所示，根据步骤2计算的走刀方向k_{d best}计算得到一组平行线，以这一组平行线对步骤4的多边形内轮廓区域P₁'P′₂...P′_n进行求交得到一组平行的走刀轨迹，最后再采用最邻近点法对走刀轨迹进行排序即得圆盘锯粗加工石材多边形区域的加工轨迹。

采用此方法得到的加工轨迹不仅能满足圆盘锯粗加工大多边形区域的需求，而且此方法保证了圆盘锯在加工多边形区域的过程中进退刀次数最少，同时，避免了圆盘锯对模型的干涉。本方法已经通过诸多仿真实验证明，其中，在采用半径R＝200mm、厚度为W＝3.6、a_p＝20mm的圆盘锯对边框为1200*1500mm的六边形区域进行加工的实例中，采用本方法加工相较于传统的加工方式加工，本方法进退刀次数减少了约26％，总加工时间减少了约24％。相比于加工宽度为b＝22.5mm、加工深度为a_p＝1mm的砂轮的加工效果，本方法的总加工时间减少了约17％。

以上仅为本发明实例中一个较佳的实施方案。但是，本发明并不限于上述实施方案，凡按本发明所做的任何均等变化和修饰，所产生的功能作用未超出本方案的范围时，均属于本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种圆盘锯粗加工石材多边形区域的方法，包括：

步骤1、从DXF文件读取多边形信息；

步骤2、用数学几何方法计算加工多边形进退刀次数最少的走刀方向；

步骤3、根据圆盘锯信息和工艺参数计算圆盘锯切触面投影；

步骤4、根据步骤2的走刀方向和步骤3的切触面投影计算无干涉的多边形内轮廓；

步骤5、根据步骤2的走刀方向和步骤4的多边形内轮廓信息通过线扫描法计算加工轨迹并采用最邻近点法进行优化；

所述步骤1具体包括：

从DXF文件中获取n边形顶点P_i(i＝1,2,...,n)；

所述步骤2具体包括：

根据步骤1的n边形顶点信息，计算有向边：

e_i＝{P_i,P_i+1},(i＝1,2,...,n,P_n+1＝P₁) (1)

计算有向边e_i到顶点P_i'(i'＝1,2,...,n)的距离D_ii'，其中有向边e_i对应的最大的距离称为有向边的高：

H_i＝max(D_ii'),(i'＝1,2,...,n) (2)

而所有的有向边中最短的高为最优高：

H_best＝min(H_i),(i＝1,2,...,n) (3)

垂直于最优高方向为走刀方向k_dbest，其中k_dbest为走刀方向与x轴正方向夹角的正切值；

所述步骤3具体包括：

一个半径为R、厚度为W的圆盘锯以切削深度a_p沿走刀方向走刀时，圆盘锯切触面投影的长为：

宽为：

2T_y＝W (5)

所述步骤4具体包括：

避免与多边形轮廓上的一点O_N＝(x_N,y_N,z_N)干涉，将圆盘锯切触面的中心点向多边形内部偏置距离为X_offset的横向偏置和距离为Y_offset的纵向偏置，由此得到新的目标点：

O_C＝(x_N±X_offset,y_N±Y_offset,z_N) (6)

当k_dbest≥0时，偏置后新的目标点坐标为：

对应的偏置直线方程为：

其中，l值代表不同的偏置直线，b为偏置直线方程的截距，k为点O_N所在的多边形边的斜率；

当k_dbest<0时，偏置后新的目标点坐标为：

对应的偏置直线方程为：

通过判断O'_C与O”_C所处位置即可以判断L₁和L₂与多边形轮廓的位置关系；V_i(i＝1,2,...,n)为从点O'_C或O”_C指向n边形顶点P₁P₂...P_n的矢量，求解V₁～V_n之中相邻矢量之间的夹角和为：

若θ_sum≠360°，点所在的线为外轮廓线；若θ_sum＝360°，点所在的线为内轮廓线；依次求得多边形所有边界的内轮廓线作为圆盘锯切触面的边界，由这些边界围成的封闭多边形区域即为避免圆盘锯切触面与多边形轮廓发生干涉的走刀轨迹允许的多边形内轮廓区域P₁'P'₂...P'_n；

所述步骤5具体包括：

根据所述走刀方向k_dbest计算得到一组平行线，以这一组平行线对所述多边形内轮廓区域P₁'P'₂...P'_n进行求交得到一组平行的走刀轨迹，最后再采用最邻近点法对走刀轨迹进行排序即得圆盘锯粗加工石材多边形区域的加工轨迹。

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