CN109910180A - 一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，尤其是一种圆盘锯在异型石材数控粗加工阶段提高材料去除效率的方法；本发明方法分析并建立圆盘锯数控粗加工锯切过程动态模型，在STL点云数据的基础上，通过最大材料去除深度搜索算法和二叉空间分割算法，计算切削点和锯切平面法向量得到锯切平面，进行刀具路径规划，提高三维异型石材数控粗加工材料去除效率，从而为石材等难加工材料提供一种高效的粗加工方法，实现异型石材自动化的高效数控粗加工过程。

Description

一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法

技术领域

本发明涉及一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，尤其是一种圆盘锯在异型石材数控粗加工阶段提高材料去除效率的方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高，石材制品越来越广泛地被应用于建筑装饰业。市场对异型石材制品的种类、形状、产品尺寸的要求愈来愈高，异形石材加工也向着高速度、智能化、高效率的方向发展。粗加工是数控加工的重要阶段之一，其任务是快速切除工件毛坯上的大部分多余材料，只保留半精加工和精加工的适当余量。事实上，加工异型石材制品时，大约70％的原材料由粗加工过程切除，大量的加工时间消耗在粗加工过程中。砂轮因切触面积小，其数控粗加工无论是等距偏置法还是层切法无法从工具特性上大力提高其切削效率。金刚石圆盘锯加工深度深，且锯切加工能够在较低的转速下获得较高的切削线速度。为了提高异型石材粗加工效率，研究圆盘锯进行三维实体模型加工对象的锯切粗加工，分析并建立圆盘锯数控粗加工锯切过程动态模型，在STL点云数据的基础上，通过最大材料去除深度搜索算法和二叉空间分割算法，计算切削点和锯切平面法向量得到锯切平面，采用大块锯切的粗加工规划方法，实现异型石材自动化的高效数控粗加工过程。

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三维异型石材的锯切方法，使得圆盘锯在异型石材数控粗加工阶段提高材料去除效率。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：

一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，包括：

步骤1，获取加工目标图形表面点云数据信息

从STL文件中获得加工目标图形表面点云数据，包括表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs＝{P_objs1,P_objs2,...,P_objsn}；

步骤2，处理加工目标图形表面数据点

因STL文件以三角面片形式存储数据，表面数据点集P_objs存在重复冗余数据点，通过循环搜索去掉点集P_objs中重复冗余的数据点，得到处理后的表面数据点集P_obj＝{P_obj1,P_obj2,...,P_objm}，完成数据处理；

步骤3，给定初始毛坯工件

根据加工目标图形尺寸，给定适当的初始毛坯工件，所述初始毛坯工件的长度为L_x，宽度为L_y，厚度为L_z；

步骤4，表示凸多面体

粗加工过程中工件的动态凸多面体模型采用多面体的三维建模方法描述，所述三维建模方法为边界表示法B-rep，具体为用点、线和面来描述多面体模型的基本信息；其中顶点集和边界面集相关定义如下：

顶点集P_bp：工件多面体H所有的顶点构成顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp1,...,P_bpk}；

边界面集F(H)：工件多面体H所有的边界面构成边界面集F(H)，边界面集F(H)界定实体的边界，确定实体空间范围，边界面由其平面方程和边界顶点唯一确定；

按照体-边界面-顶点的层次，描述构成实体的几何元素的信息以及其相互之间的拓扑关系，并构建顶点表和边界面表；

步骤5，采用最大材料去除深度搜索算法计算圆盘锯锯切平面

为获取最大材料去除深度锯切平面，取工件顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp2,...,P_bpk}到加工目标图形表面数据点集P_obj的最短距离集合为D＝{D₁,D₂,...,D_k}，获取其中最大值D_max，对应得到目标图形表面数据点P_ci及工件顶点P_outi，构成矢量以其作为锯切平面的正法向量，反之，为负法向量；P_ci为锯切平面上的一点，得到锯切平面π_ci，锯切平面π_ci的平面方程表示为：

A_c·x+B_c·y+C_c·z+D_c＝0 (1)

其中，A_c、B_c、C_c、D_c为锯切平面方程系数；

对于D_max存在多个相同值的情况，分别得到其对应目标图形表面数据点的P_cj、工件顶点P_outj、锯切平面π_cj及其平面方程，从而得到锯切平面集π_c＝{π_ci,π_cj}，用以逐次锯切；

步骤6，更新锯切过程中工件凸多面体

自动化粗加工锯切过程中，工件由初始毛坯工件动态变化为凸多面体工件，每次锯切的工件多面体模型的顶点及边界面更新如下：

61)获取工件切除部分顶点P_bpout：

将所有工件顶点P_bp带入锯切平面方程，采用二叉空间分割算法，如下：

如果f>0，则该工件顶点判断为工件被锯切去除部分的顶点P_bpout；否则，该工件顶点判断为工件剩余顶点。

62)计算锯切平面与工件的交点：利用P_bpout结合步骤4构建的顶点表和边界面表搜索得到求交平面集π_out；π_out为P_bpout所在工件边界面的集合，将π_out中所有相邻的两个边界面分别与锯切平面π_c求交，如下：

其中，A_T1、B_T1、C_T1、D_T1，A_T2、B_T2、C_T2、D_T2分别为π_out中两个相邻边界面的平面方程系数；

求解方程(3)，判断其解是否在工件边界约束之内，满足约束的解即为锯切平面与工件的交点，并存入交点集P_new；

63)更新数据结构：利用交点集P_new更新工件顶点集合P_bp，并去掉其中被锯切去除部分的工件顶点P_bpout；将锯切平面π_c更新到工件的边界面集F(H)，根据边界表示法的规则，实现工件动态凸多面体表示；

步骤7，锯切加工

设置合适的圆盘锯直径按步骤5所得锯切平面设置圆盘锯姿态，由交点集P_new寻找z坐标最大的交点P_newm作为下刀点P_cp；若同时存在两个交点有相同的最大z坐标P_new1(x_new1,y_new1,z_new1)和P_new2(x_new2,y_new2,z_new2)，则取其两交点连线的中点P_mean((x_new1+x_new2)/2,(y_new1+y_new2)/2,z_new)作为下刀点P_cp，实现锯切，并计算每次锯切的锯切深度d_i；

步骤8、计算材料去除量与锯切时间

计算圆盘锯每次锯切去除的工件材料体积，采用凸包顶点算法计算其体积，进而得到总材料去除量dH；

计算完成一定精度粗加工时的锯切时间T_w，如下：

T_w＝d/v_a (4)

其中，d表示完成粗加工时的总锯切深度，v_a表示锯切进给速度；

d的获取方式如下：

其中，k表示完成粗加工过程的锯切次数。

本发明的有益效果如下：

本发明一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，通过分析并建立圆盘锯数控粗加工锯切过程动态模型，在STL点云数据的基础上，通过最大材料去除深度搜索算法和二叉空间分割算法，计算切削点和锯切平面法向量得到锯切平面，进行刀具路径规划，提高三维异型石材数控粗加工材料去除效率，从而为石材等难加工材料提供一种高效的粗加工方法，实现异型石材自动化的高效数控粗加工过程。

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三维异型石材的锯切方法不局限于实施例。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2是待加工路障球与毛坯工件；

图3是锯切平面计算过程示意图；

图4是圆盘锯锯切粗加工仿真效果图。

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。

如图1所示，本发明一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，包括如下步骤：

步骤1，获取加工目标图形表面点云数据信息

从STL文件中获得加工目标图形表面点云数据，包括表面数据点的坐标，存为点集P_objs＝{P_objs1,P_objs2,...,P_objsn}；

步骤2，处理加工目标图形表面数据点

因STL文件以三角面片形式存储数据，表面数据点集P_objs存在重复冗余数据点，通过循环搜索去掉点集P_objs中重复冗余的数据点，得到处理后的表面数据点集P_obj＝{P_obj1,P_obj2,...,P_objm}，完成数据处理；

步骤3，给定初始毛坯工件

根据加工目标图形尺寸，给定适当的初始毛坯工件，其长度L_x，宽度L_y，厚度L_z，如图2所示；

步骤4，表示凸多面体

粗加工过程中工件的动态凸多面体模型采用多面体的三维建模方法描述：边界表示法(B-rep)，它的基本思想是用点、线、面来描述多面体模型的基本信息。其中顶点集、边界面集相关定义如下：

顶点集P_bp：工件多面体H(亦描述初始毛坯工件)所有的顶点构成顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp1,...,P_bpk}。

边界面集F(H)：工件多面体H所有的边界面构成边界面集F(H)，边界面集F(H)界定实体的边界，确定实体空间范围，边界面可由其平面方程和边界顶点唯一确定。

按照体-边界面-顶点的层次，描述构成实体的几何元素的信息以及其相互之间的拓扑关系，并构建顶点表和边界面表；

步骤5，计算圆盘锯锯切平面

最大材料去除深度搜索算法：为获取最大材料去除深度锯切平面，取工件顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp2,...,P_bpk}到加工目标图形表面数据点集P_obj的最短距离集合为D＝{D₁,D₂,...,D_k}，如图3所示，获取其中最大值D_max，对应得到目标图形表面数据点P_ci及工件顶点P_outi，构成矢量以其作为锯切平面的正法向量，反之，为负法向量。P_ci为锯切平面上的一点，得到锯切平面π_ci，其平面方程表示为：

A_c·x+B_c·y+C_c·z+D_c＝0 (1)

其中，A_c、B_c、C_c、D_c为锯切平面方程系数。对于D_max存在多个相同值的情况，分别得到其对应目标图形表面数据点的P_cj、工件顶点P_outj、锯切平面π_cj及其平面方程，从而得到锯切平面集π_c＝{π_ci,π_cj}，用以逐次锯切；

步骤6，更新锯切过程中工件凸多面体

自动化粗加工锯切过程中，工件由初始毛坯工件，动态变化为凸多面体工件，每次锯切的工件多面体模型的顶点及边界面更新如下：

61)获取工件切除部分顶点P_bpout：

将所有工件顶点P_bp带入锯切平面方程，采用二叉空间分割算法：

如果f>0，则该工件顶点判断为工件被锯切去除部分的顶点P_bpout；否则，该工件顶点判断为工件剩余顶点。

62)计算锯切平面与工件的交点：利用P_bpout结合步骤4构建的顶点表和边界面表搜索得到求交平面集π_out。π_out为P_bpout所在工件边界面的集合，将π_out中所有相邻的两个边界面分别与锯切平面π_c求交：

其中，A_T1、B_T1、C_T1、D_T1，A_T2、B_T2、C_T2、D_T2分别为π_out中两个相邻边界面的平面方程系数。求解方程，判断其解是否在工件边界约束之内，满足约束的解即为锯切平面与工件的交点，并存入交点集P_new。

63)更新数据结构：利用交点集P_new更新工件顶点集合P_bp，并去掉其中被锯切去除部分的工件顶点P_bpout；将锯切平面π_c更新到工件的边界面集F(H)，根据边界表示法的规则，实现工件动态凸多面体表示；

步骤7、锯切加工

设置合适的圆盘锯直径φ，按步骤5所得锯切平面设置圆盘锯姿态，由交点集P_new寻找z坐标最大的交点P_newm作为下刀点P_cp；若同时存在两个交点有相同的最大z坐标：P_new1(x_new1,y_new1,z_new1)、P_new2(x_new2,y_new2,z_new2)，则取其两交点连线的中点：P_mean((x_new1+x_new2)/2,(y_new1+y_new2)/2,z_new)作为下刀点P_cp，实现锯切，并计算每次锯切的锯切深度d_i。

步骤8，计算材料去除量与锯切时间

计算圆盘锯每次锯切去除的工件材料体积，采用凸包顶点算法计算其体积，进而得到总材料去除量dH。

计算为完成一定精度粗加工时的锯切时间T_w，如下：

T_w＝d/v_a (4)

其中，d是完成粗加工时的总锯切深度：

其中，k为完成粗加工过程的锯切次数，v_a为锯切进给速度。

利用MATLAB仿真平台验证圆盘锯数控粗加工材料去除过程，加工目标图形为直径400mm的实体路障球，设置初始毛坯工件为440×440×400mm的石材，假定已预留50mm工件固定部分。取圆盘锯直径为1000mm，以40mm作为粗加工精度，通过本发明方法材料去除量dH达到3.824×10⁷mm³，考虑花岗岩锯切，取进给速度v_a为120mm·min^-1，锯切时间T_w约为41min。在近似相同材料去除量的条件下，若采用常规砂轮进行磨削粗加工，取进给速度为5000mm·min^-1，磨削深度a_p为1mm，径向加工宽度为22.5mm，其磨削时间约为340min。图2所示为加工目标路障球和毛坯工件，图4所示为圆盘锯锯切粗加工仿真效果图。圆盘锯粗加工每次锯切可以切除大量体积的毛坯工件，相较于传统的采用砂轮进行层磨削粗加工，圆盘锯粗加工的材料去除效率可以明显提高。

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三维异型石材的锯切方法，包括：

步骤1，获取加工目标图形表面点云数据信息

从STL文件中获得加工目标图形表面点云数据，包括表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs＝{P_objs1,P_objs2,...,P_objsn}；

步骤2，处理加工目标图形表面数据点

因STL文件以三角面片形式存储数据，表面数据点集P_objs存在重复冗余数据点，通过循环搜索去掉点集P_objs中重复冗余的数据点，得到处理后的表面数据点集P_obj＝{P_obj1,P_obj2,...,P_objm}，完成数据处理；

步骤3，给定初始毛坯工件

根据加工目标图形尺寸，给定适当的初始毛坯工件，所述初始毛坯工件的长度为L_x，宽度为L_y，厚度为L_z；

步骤4，表示凸多面体

粗加工过程中工件的动态凸多面体模型采用多面体的三维建模方法描述，所述三维建模方法为边界表示法B-rep，具体为用点、线和面来描述多面体模型的基本信息；其中顶点集和边界面集相关定义如下：

顶点集P_bp：工件多面体H所有的顶点构成顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp1,...,P_bpk}；

边界面集F(H)：工件多面体H所有的边界面构成边界面集F(H)，边界面集F(H)界定实体的边界，确定实体空间范围，边界面由其平面方程和边界顶点唯一确定；

按照体-边界面-顶点的层次，描述构成实体的几何元素的信息以及其相互之间的拓扑关系，并构建顶点表和边界面表；

步骤5，采用最大材料去除深度搜索算法计算圆盘锯锯切平面

为获取最大材料去除深度锯切平面，取工件顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp2,...,P_bpk}到加工目标图形表面数据点集P_obj的最短距离集合为D＝{D₁,D₂,...,D_k}，获取其中最大值D_max，对应得到目标图形表面数据点P_ci及工件顶点P_outi，构成矢量，以其作为锯切平面的正法向量，反之，为负法向量；P_ci为锯切平面上的一点，得到锯切平面π_ci，锯切平面π_ci的平面方程表示为：

A_c·x+B_c·y+C_c·z+D_c＝0 (1)

其中，A_c、B_c、C_c、D_c为锯切平面方程系数；

对于D_max存在多个相同值的情况，分别得到其对应目标图形表面数据点的P_cj、工件顶点P_outj、锯切平面π_cj及其平面方程，从而得到锯切平面集π_c＝{π_ci,π_cj}，用以逐次锯切；

步骤6，更新锯切过程中工件凸多面体

自动化粗加工锯切过程中，工件由初始毛坯工件动态变化为凸多面体工件，每次锯切的工件多面体模型的顶点及边界面更新如下：

61)获取工件切除部分顶点P_bpout：

将所有工件顶点P_bp带入锯切平面方程，采用二叉空间分割算法，如下：

如果f>0，则该工件顶点判断为工件被锯切去除部分的顶点P_bpout；否则，该工件顶点判断为工件剩余顶点。

62)计算锯切平面与工件的交点：利用P_bpout结合步骤4构建的顶点表和边界面表搜索得到求交平面集π_out；π_out为P_bpout所在工件边界面的集合，将π_out中所有相邻的两个边界面分别与锯切平面π_c求交，如下：

其中，A_T1、B_T1、C_T1、D_T1，A_T2、B_T2、C_T2、D_T2分别为π_out中两个相邻边界面的平面方程系数；

求解方程(3)，判断其解是否在工件边界约束之内，满足约束的解即为锯切平面与工件的交点，并存入交点集P_new；

63)更新数据结构：利用交点集P_new更新工件顶点集合P_bp，并去掉其中被锯切去除部分的工件顶点P_bpout；将锯切平面π_c更新到工件的边界面集F(H)，根据边界表示法的规则，实现工件动态凸多面体表示；

步骤7，锯切加工

设置合适的圆盘锯直径按步骤5所得锯切平面设置圆盘锯姿态，由交点集P_new寻找z坐标最大的交点P_newm作为下刀点P_cp；若同时存在两个交点有相同的最大z坐标P_new1(x_new1,y_new1,z_new1)和P_new2(x_new2,y_new2,z_new2)，则取其两交点连线的中点P_mean((x_new1+x_new2)/2,(y_new1+y_new2)/2,z_new)作为下刀点P_cp，实现锯切，并计算每次锯切的锯切深度d_i；

步骤8，计算材料去除量与锯切时间

计算圆盘锯每次锯切去除的工件材料体积，采用凸包顶点算法计算其体积，进而得到总材料去除量dH；

计算完成一定精度粗加工时的锯切时间T_w，如下：

T_w＝d/v_a (4)

其中，d表示完成粗加工时的总锯切深度，v_a表示锯切进给速度；

d的获取方式如下：

其中，k表示完成粗加工过程的锯切次数。