CN109991928A - 用于实现分段变坡加工的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于实现分段变坡加工的方法，其中，在所述的方法中，通过结合用户输入的至机床中的待加工图形的信息，计算出所述的刀轴在各个加工点的刀轴矢量，以此规划刀路实现对需要进行变坡的图形进行加工。采用本发明的实现分段变坡加工的方法，可在不对现有设备进行硬件改进的基础上高效地对有变坡需求的加工工件进行加工，其具备效率高、操作方便、适应性好且成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及数控技术领域，尤其涉及数控机床切割技术领域，具体是指一种用于实现分段变坡加工的方法。
背景技术
在现有技术中的一些数控机床进行加工时，对于不同倾角的图形时，需要额外使用第三方Cam软件生成G代码刀路，再装载到数控系统中进行加工。如：五轴水切割机床需要加工不同倾角的图形时，均需要通过第三方Cam软件(Cam全称为Computer AidedManufacturing，中文名称：计算机辅助制造，其核心是计算机数值控制，可简称为数控编程)生成G代码刀路，且现有技术中的许多Cam软件无法支持在设倾斜角度的同时兼顾加工速度的设置。这种Cam软件价格昂贵，对于操作人员的技术要求高，十分不便。
现有技术中水切割机床中自带的软件本身不支持同一图形不同部分加工倾角和速度的设置，在使用时如果需要对分段变坡的刀路进行设置，需要先采用额外的软件进行刀路的生成设计，再将设计好的刀路拷贝到装有数控系统的电脑中，数控系统装置刀路后才可以加工。
在引进第三方Cam软件协助加工的情况下，不仅大大的增加了生产成本，操作也不方便，因此需要一种更加方便的方法去实现对不同倾角的工件进行加工的五轴水切割机的控制。
发明内容
本发明为了克服至少一个上述现有技术的缺点，提供了一种操作简便、加工效率高的用于实现分段变坡加工的方法。
为了实现上述目的，本发明的用于实现分段变坡加工的方法如下：
该用于实现分段变坡加工的方法，其主要特点是，所述的方法包括以下步骤：
(1)用户将待加工图形的轨迹、所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、待加工工件的厚度H及各个所述的加工段所对应的加工速度输入至机床中，其中，所述的参数包括所对应的加工段的倾斜角度α及倾斜方向；
(2)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定所述的机床加工时，所述的机床中的刀轴在各个加工点时所对应的刀轴矢量；
(3)所述的机床加工时，所述的机床控制所述的刀轴按所述的刀轴矢量及各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工。
较佳地，所述的步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，依次确定所述的待加工图形中的各个节点的刀轴矢量；
(2.2)依次以所述的待加工图形中各段所述的加工段对应的两个节点所对应的刀轴矢量为依据，确定所述的刀轴在对应的加工段对应的刀轴矢量。
更佳地，每个所述的节点均由所述的待加工图形中与该节点对应的两个所述的加工段构成，所述的步骤(2.1)包括以下步骤：
(2.1.1)根据与待求节点对应的两个加工段所分别对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定该待求节点对应的刀轴矢量，所述的待求节点为所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点；
(2.1.2)将所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点作为新的待求节点，并返回上述步骤(2.1.1)，直到完成对所述的待加工图形中全部节点对应的刀轴矢量的求取，继续后续步骤(2.2)。
进一步地，所述的步骤(2.1.1)包括以下步骤：
(2.1.1.1)根据对所述的待加工图形的加工方向为依据，分别将与所述的待求节点对应的两个加工段命名为第一加工段和第二加工段，其中，加工时，先对所述的第一加工段进行加工，再对所述的第二加工段进行加工；
(2.1.1.2)根据所述的用户输入至所述的机床中的待加工图形的轨迹，分别确定所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上对应位置的加工轨迹及对应的两个上表面轨迹方程，将与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程命名为第一上表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程命名为第二上表面轨迹方程；
(2.1.1.3)根据所述的第一加工段所对应的第一上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第一加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；根据所述的第二加工段所对应的第二上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第二加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程
(2.1.1.4)将与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程命名为第一下表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程命名为第二下表面轨迹方程；
(2.1.1.5)求取所述的第一加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第一方向向量；求取所述的第二加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第二方向向量；
(2.1.1.6)求取所述的第一方向向量在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第一法向矢量；求取所述的第二方向向量在所述的第二加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第二法向矢量；
(2.1.1.7)联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，判断所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面是否存在交点；
(2.1.1.8)若所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面存在交点则继续后续步骤(2.1.1.9)，否则继续后续步骤(2.1.1.11)；
(2.1.1.9)所述的待求节点为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的上表面上的交点命名为上表面交点，联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，计算得出的两个所述的加工段在所述的待加工工件的下表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的下表面上的交点命名为下表面交点；
(2.1.1.10)将所述的下表面交点在三维坐标系中的坐标点减去所述的上表面交点在三维坐标系中的坐标点，得到所述的刀轴在所述的待求节点位置处所对应的刀轴矢量；
(2.1.1.11)求取所述的第二上表面轨迹方程在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第三法向矢量；
(2.1.1.12)计算所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角，所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在该待求节点位置处对应的刀轴调整角度；
(2.1.1.13)获取所述的第一法向矢量旋转所述的刀轴调整角度后得到的矢量，将该矢量命名为第四矢量V，其中，所述的第四矢量V即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在所述的待求节点位置处的加工点所对应的刀轴矢量。
更进一步地，为了使得所述的第四矢量V与计算过程中的其它矢量的规格相同，所述的步骤(2.1.1.13)之后还包括以下步骤：
(2.1.1.14)在确保所述的第四矢量所对应的分量值不变的情况下，选取所述的第一加工段所对应的倾斜角度α及所述的第二加工段所对应的倾斜角度α中倾斜角度值更大的倾斜角度命名为较大倾斜角度β；
(2.1.1.15)求取所述的第一加工段和第二加工段中与所述的较大倾斜角度β对应的加工段在所述的待加工工件的上表面到所述的待加工工件的下表面的距离，将该距离命名为最大投影长度L，所述的最大投影长度L可通过以下公式求得：
L＝H×tan(β)；
(2.1.1.16)求取与所述的最大投影长度L对应拉伸矢量V’，其中，拉伸矢量V’的坐标为(Vx×L，Vy×L，H)，其中，Vx和Vy分别为所述的第四矢量V在X轴和Y轴上的分量。
更进一步地，在所述的步骤(2.1.1.3)中，对于所述的第一下表面轨迹方程的求取或对于所述的第二下表面轨迹方程的求取均包括以下步骤：
(a1)根据加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，计算得出该加工段在所述的待加工工件的上、下表面的加工轨迹的偏移总量δL，其中，偏移总量δL为：
δL＝H×tan(α)；
其中，由所述的倾斜方向决定上述式中所述的倾斜角度α取值的正负；
(a2)根据所述的偏移总量δL及所述的上表面轨迹方程，求取与所述的偏移总量对应的在X轴方向的偏移分量δX及在Y轴方向的偏移分量δY；
(a3)根据所述的上表面轨迹方程结合所述的偏移分量δX及偏移分量δY，确定所述的加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；
其中，所述的加工段为所述的第一加工段或所述的第二加工段；
当所述的加工段为所述的第一加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程；
当所述的加工段为所述的第二加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程。
较佳地，所述的步骤(3)后还包括以下步骤：
(4)所述的用户在所述的机床完成对所述的待加工工件加工后，判断按当前所述的机床内设置的各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工时，是否能够满足对所述的待加工工件中所有加工段的加工需求；
(5)若按当前所述的机床内设置的所述的加工速度对对应的加工段进行加工时，能够满足对所述的待加工工件的全部加工段的加工需求，则确定按当前所述的机床内设置的加工速度对所述的待加工工件进行加工，能够满足对所述的待加工工件的加工需求，完成加工；否则，用户对各个所述的加工段所对应的加工速度中不能满足对应加工段加工需求的加工速度进行修改；
(6)将修改后的加工速度代替当前所述的机床内设置的对应加工段的加工速度，并返回上述步骤(2)，对所述的待加工工件重新进行加工。
较佳地，所述的待加工图形中每两个相邻节点之间的线段为一段所述的加工段，用户每次至少选中所述的待加工图形中的一端所述的加工段，并将与选中加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至所述的机床中，当用户一次选中二条或二条以上加工段进行设置时，所选中的加工段必须是依次连接的加工段。
更佳地，用户逐一将所述的待加工图形中的各个所述的加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至机床中
较佳地，所述的机床为五轴水切割机床。
采用本发明的实现分段变坡加工的方法，可根据用户输入至机床中的待加工图形的轨迹、待加工图形中的各个加工段所对应的参数、待加工工件的厚度H，计算出对各个加工点进行加工时，所述的刀轴对应的刀轴矢量，从而得到机床中的刀轴所对应的刀路，机床加工时，所述的刀轴按所述的刀路对待加工工件进行加工，即可实现对加工坡度变化的图形进行加工，采用该用于实现分段变坡加工的方法，即可高效地对有变坡需求的加工工件进行加工，又无需对现有设备进行硬件改进，本方法具备效率高、操作方便、适应性好及成本低的特点。
附图说明
图1为本发明一实施例中实现分段变坡加工的方法的流程图。
图2为本发明一实施例中的刀轴矢量的计算流程图。
图3为本发明一实施例中用户使用的一参数输入界面示意图。
图4为本发明一实施例中的待加工图形的轨迹示意图。
图5为本发明一实施例中的加工图形的示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地描述本发明的技术内容，下面结合具体实施例来进行进一步的描述。
如图1所示，本发明公开的一种用于实现分段变坡加工的方法包括以下步骤：
(1)用户将待加工图形的轨迹、所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、待加工工件的厚度H及各个所述的加工段所对应的加工速度输入至机床中，其中，所述的参数包括所对应的加工段的倾斜角度α及倾斜方向；
具体的刀轴矢量的计算流程可参阅图所示，其中，图中的保存的刀路与参数指的是上述步骤(1)中用户输入至系统的数据；
(2)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定所述的机床加工时，所述的机床中的刀轴在各个加工点时所对应的刀轴矢量，具体包括以下步骤：
(2.1)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，依次确定所述的待加工图形中的各个节点的刀轴矢量，其中，每个所述的节点均由所述的待加工图形中与该节点对应的两个所述的加工段构成，该步骤具体包括以下步骤：
(2.1.1)根据与待求节点对应的两个加工段所分别对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定该待求节点对应的刀轴矢量，所述的待求节点为所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点，具体包括以下步骤：
(2.1.1.1)根据对所述的待加工图形的加工方向为依据，分别将与所述的待求节点对应的两个加工段命名为第一加工段和第二加工段，其中，加工时，先对所述的第一加工段进行加工，再对所述的第二加工段进行加工；
(2.1.1.2)根据所述的用户输入至所述的机床中的待加工图形的轨迹，分别确定所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上对应位置的加工轨迹及对应的两个上表面轨迹方程，将与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程命名为第一上表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程命名为第二上表面轨迹方程(用户输入到机床中的加工段的轨迹即为该加工段在所述的待加工工件的上表面上对应位置的加工轨迹)；
(2.1.1.3)根据所述的第一加工段所对应的第一上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第一加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；根据所述的第二加工段所对应的第二上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第二加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程
(2.1.1.4)将与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程命名为第一下表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程命名为第二下表面轨迹方程；
(2.1.1.5)求取所述的第一加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第一方向向量；求取所述的第二加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第二方向向量(即图2中计算第一加工段与第二加工段的方向向量)；
(对于加工段为直线线段的情况下，该加工段的节点处与该加工段的其它加工点的方向向量是相同的，而如果加工段为圆弧段的话，该加工段中各个加工点的方向向量均是不同的。由于需要求取节点处的刀轴矢量(即两个线段交点处的刀轴矢量)，所以这里求取的是第一加工段与第二加工段在节点(即交点)处的方向向量。)
(2.1.1.6)求取所述的第一方向向量在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第一法向矢量；求取所述的第二方向向量在所述的第二加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第二法向矢量(即图2中根据第一加工段的倾斜角度与倾斜方向，计算第一加工段的法向向量1，同理计算第二加工段的法向矢量2)；
(2.1.1.7)联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，判断所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面是否存在交点；
(2.1.1.8)若所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面存在交点则继续后续步骤(2.1.1.9)，否则继续后续步骤(2.1.1.11)；
(2.1.1.9)所述的待求节点为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的上表面上的交点命名为上表面交点，联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，计算得出的两个所述的加工段在所述的待加工工件的下表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的下表面上的交点命名为下表面交点；
(2.1.1.10)将所述的下表面交点在三维坐标系中的坐标点减去所述的上表面交点在三维坐标系中的坐标点，得到所述的刀轴在所述的待求节点位置处所对应的刀轴矢量(即图2中的求第一加工段与第二加工段上表面方程的交点与下表面方程的交点，有交点时，下表面交与上表面连线所得的向量，即该节点的刀轴矢量)；
(2.1.1.11)求取所述的第二上表面轨迹方程在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第三法向矢量；
(2.1.1.12)计算所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角，所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在该待求节点位置处对应的刀轴调整角度；
(2.1.1.13)获取所述的第一法向矢量旋转所述的刀轴调整角度后得到的矢量，将该矢量命名为第四矢量V，其中，所述的第四矢量V即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在所述的待求节点位置处的加工点所对应的刀轴矢量(即图2中的没有交点时，分别求出第一加工段与第二加工段的方向向量，使用第一加工段的倾斜角度，计算两段的法向矢量，求第一加工段与第二加工段法向矢量的转角，将第一加工段的法向矢量旋转转角的一半，即该节点的刀轴矢量)；
(2.1.1.14)在确保所述的第四矢量所对应的分量值不变的情况下，选取所述的第一加工段所对应的倾斜角度α及所述的第二加工段所对应的倾斜角度α中倾斜角度值更大的倾斜角度命名为较大倾斜角度β；
(2.1.1.15)求取所述的第一加工段和第二加工段中与所述的较大倾斜角度β对应的加工段在所述的待加工工件的上表面到所述的待加工工件的下表面的距离，将该距离命名为最大投影长度L，所述的最大投影长度L可通过以下公式求得：
L＝H×tan(β)；
(2.1.1.16)求取与所述的最大投影长度L对应拉伸矢量V’，其中，拉伸矢量V’的坐标为(Vx×L，Vy×L，H)，其中，Vx和Vy分别为所述的第四矢量V在X轴和Y轴上的分量；其中，拉伸矢量V’的计算是为了使得所述的第四矢量V与计算过程中的其它矢量的规格相同进行的计算；
(2.1.2)将所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点作为新的待求节点，并返回上述步骤(2.1.1)，直到完成对所述的待加工图形中全部节点对应的刀轴矢量的求取，继续后续步骤(2.2)(即图2中的判断图形全部节点计算是否完成的判断步骤)；
(2.2)依次以所述的待加工图形中各段所述的加工段对应的两个节点所对应的刀轴矢量为依据，确定所述的刀轴在对应的加工段对应的刀轴矢量；
(3)所述的机床加工时，所述的机床控制所述的刀轴按所述的刀轴矢量及各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工(即图2中的根据刀轴矢量与当前机床刀头结构生成带旋转角度的刀路)；
(4)所述的用户在所述的机床完成对所述的待加工工件加工后，判断按当前所述的机床内设置的各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工时，是否能够满足对所述的待加工工件中所有加工段的加工需求；
(5)若按当前所述的机床内设置的所述的加工速度对对应的加工段进行加工时，能够满足对所述的待加工工件的全部加工段的加工需求，则确定按当前所述的机床内设置的加工速度对所述的待加工工件进行加工，能够满足对所述的待加工工件的加工需求，完成加工；否则，用户对各个所述的加工段所对应的加工速度中不能满足对应加工段加工需求的加工速度进行修改；
(6)将修改后的加工速度代替当前所述的机床内设置的对应加工段的加工速度，并返回上述步骤(2)，对所述的待加工工件重新进行加工。
其中，在上述步骤(2.1.1.3)中，对于所述的第一下表面轨迹方程的求取或对于所述的第二下表面轨迹方程的求取均包括以下步骤(即图2中的假设H(厚度)固定，求第一加工段的上表面直线方程，跟据法向矢量1，求得偏移量，根据第一加工段的起始节点与终止节点分别加上偏移量求得下表面直线方程1，同理求出第二加工段的上下表面直线方程2)：
(a1)根据加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，计算得出该加工段在所述的待加工工件的上、下表面的加工轨迹的偏移总量δL，其中，偏移总量δL为：
δL＝H×tan(α)；
其中，由所述的倾斜方向决定上述式中所述的倾斜角度α取值的正负；
(a2)根据所述的偏移总量δL及所述的上表面轨迹方程，求取与所述的偏移总量对应的在X轴方向的偏移分量δX及在Y轴方向的偏移分量δY；
(a3)根据所述的上表面轨迹方程结合所述的偏移分量δX及偏移分量δY，确定所述的加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；
其中，所述的加工段为所述的第一加工段或所述的第二加工段；
当所述的加工段为所述的第一加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程；
当所述的加工段为所述的第二加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程。
在上述实施例中，所述的待加工图形中每两个相邻节点之间的线段为一段所述的加工段，用户每次至少选中所述的待加工图形中的一端所述的加工段，并将与选中加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至所述的机床中，用户可一次选中多条加工段进行相关数据的设定，当用户一次选中二条或二条以上加工段进行设置时，所选中的加工段必须是依次连接的加工段，用户也可逐一将所述的待加工图形中的各个所述的加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至机床中。
所述的机床为五轴水切割机床。用户可以根据加工后各段粗糙程度等条件来提高或降低速度。加工时，刀头姿态是连续变化的，在段内(非节点处)保持倾斜角度不变的情况下，刀头姿态向着下一节点处刀头姿态变化，而不是加工完一段后，调整好角度，继续加工下一段。
上述用于五轴水切割机床的实现分段变坡加工的方法，可以直接在数控系统中生成待加工图形中分段变坡口的刀路，并进行对应的加工操作控制，根据输入的二维的待加工图形的轨迹，结合待加工图形中的各个加工段所对应的倾斜角度α及倾斜方向，实现对待加工工件的三维切割效果，对于图形中的分段变坡口位置，也能进行对应的加工，例如，根据所述的待加工图形对待加工工件进行加工时，如果两条相邻的加工段中一条加工段中的倾斜角度为5°，另一条加工段中的倾斜角度为15°，那么这两条线段的节点位置就被称为分段变坡口位置。利用本方法可实现对同一工件加工时，可一次性对用户希望得到的不同坡度及形状的加工段进行加工，无需在加工过程中进行反复的繁复调节，操作更为方便。
在上述实施例中，用户对于待加工图形各个参数的输入可通行以下方式进行执行：
首先，用户可通过鼠标捕获待加工图形中的节点，直线与直线、直线与圆弧、圆弧与圆弧、圆弧与直线的交点均可称为节点，用户可通过图3中的界面对节点与节点间的段进行设置，其中，节点与节点间的段指的就是所述的加工段，用户可通过鼠标选定一个或几个加工段(当一次选中多个加工段时，被选取的加工段之间必须是连续的)，并通过图3中的界面对待加工图形中的参数进行设置。如采用一些常规的数控系统对待加工图形进行捕获节点操作时，当光标位置与图形中节点位置接近时，节点位置使用方框进行标记，通知当前点是节点，可以当做选取点。具体操作为：选择图形中一个节点作为当前选取加工段的起始点，沿着加工方向，选择起始点后面的一个节点做为当前选取加工段的终止点，为两个点间的加工段设置倾斜角度α、加工速度与倾斜方向。同时，用户还将待加工工件的厚度H输入至所述的机床中，每一所述的待加工工件均包括了它的上表面及下表面，而用户输入至机床中的待加工图形的轨迹为对待加工工件加工时，位于待加工工件上表面的加工轨迹，位于待加工工件下表面的加工轨迹需要根据上表面的加工轨迹结合输入的倾斜角度α及倾斜方向进行计算得到。机床加工过程中，对于待加工工件的加工，其上、下表面的加工是一次加工成型的，通过调节刀轴的工作角度，完成对待加工工件的加工，如当所述的机床为五轴水切割机床时，采用的就是一种水切割技术，水切割实际是一种水射流混磨料加工技术，专业称AWJ，使用射流加工，所述的刀具即为水射流的圆柱体，对于刀轴的控制即为对水柱入射角度的控制。
如图4所示，图4为本发明一实施例中的待加工图形的轨迹示意图，即图4中的矩形即为导入至机床中的待加工图形的轨迹，图中的数值(如1.2、1.2、45.0及1.2)分别表示对应加工段的倾斜角度，而与待加工图形的加工段边界相邻的短虚线段即为该加工段在待加工工件上的倾斜方向，以图4中的轨迹示意图为例，可以用节点的形式描述出图4中的待加工图形的形状和加工方向，首先，它的形状可以采用(0，0)，(100，0)，(100，100)，(0，100)，(0，0)进行描述，如果只想加工图形中的一部分图形进行加工时，可选择一节点作为加工的起始点，沿着加工方向，选择起始点后的一点作为加工的终止点，如起始点选择(100，0)，终止点选择(0，100)。根据加工方向，可以知道选择的是(100，0)→(100，100)之间的段和(100，100)→(0，100)之间的段。沿着加工方向，系统可以知道选择的起点与终点在整个图形的位置。可以选择的点只能是节点，选择段的形状为原图形中该加工段的形状。
在设置时，其中各个加工段的倾斜角度α及倾斜方向可根据用户想要达到的切割效果进行设置的，而加工速度则是根据待加工工件的材料的种类、需要实现的倾斜程度、切割面的粗糙程度等条件，由用户进行自行设定。机床可根据在机床中的待加工图形的轨迹，确定各个加工段的起始点及凸度，即上表面轨迹就是在系统中绘制或导入的图形轨迹，要先加载到系统中，凸度描述的是曲线的弯曲状况，凸度值是导入或者绘制图形后系统计算。在本即本发明中，上述至均为由用户输入至机床的已知条件。
下面结合实施例，进一步对根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定所述的机床加工时，所述的刀轴在所述的待加工图形中各个所述的节点位置处的加工点所对应的刀轴矢量的求取进行说明，为了更便于理解下面仅对一个节点的求取过程进行说明，其他节点的求取方式与之相同：
第一加工段与第二加工段交点处刀轴矢量，使用线段偏移求交，点点连线的方式进行求取，即已知相邻的两个节点构成一条直线，每一加工段根据对应的倾斜角度与方向，求出其对应的偏移总量，计算出对应的下表面，然后求出下表面交点处的矢量，具体方式如下：
采用已有的机床空间坐标系XYZ，根据第一加工段和第二加工段的信息(包括起点、终点、凸度，如果加工段为直线，则凸度为0)，可以将第一加工段和第二加工段用方程标识出来：如加工段为直线，则对应的方程为：AX+BY+C＝0，如加工段为圆弧，则对应的方程为：(X-X0)2+(Y-Y0)2＝R2，将两个加工段在待加工工件上表面上对应轨迹的方程分别记做第一上表面轨迹方程及第二上表面轨迹方程。
假设工件厚度为H，如果，倾斜方向为左倾时，则可将第一加工段的倾斜角度α记为为正的，倾斜方向为右倾时，则可将第一加工段的倾斜角度α记为为负的。根据厚度H、倾斜角度α，求得偏移总量δL，进而将第一加工段位于待加工工件下表面的加工轨迹对应的线段方程求出来。同理，第二加工段的对应的上表面轨迹方程及上表面轨迹方程也可以采用同样的方式进行求取。联立分别与第一加工段及第二加工段对应的两个下表面轨迹方程，求得刀轴在待加工工件的下表面处，两个加工段的交点的矢量N(Xn，Yn，-H)，如果将上表面的Z轴的坐标定为0时，下表面处Z轴的坐标就为-H。
例如，在第一加工段和第二加工段均为直线的情况下，第一加工段的在待加工工件的上表面处的起点坐标为S(x1，y1)，终点坐标为E(x2，y2)，加上偏移总量δL后，即可得到在待加工工件的下表面处的起点坐标为S’(x1+δX，y1+δY)，终点坐标为E’(x2+δX，y2+δY)，其中，δX和δY分别为与偏移总量δL对应的偏移分量，其中，以所述的加工段为直线为例，对于已知一偏移总量δL可通过以下方式求取其对应的偏移分量，假设所述的加工段的上表面直线方程AX+BY+C＝0，求与该直线方程对应的垂线，并根据倾斜角度确定方向。可得偏移的方向向量P(1，B/A)。根据向量P与δL，可求偏移分量δX和δY。最终求得偏移量O(δX，δY)，这种根据偏移总量求相应的偏移分量的方式是一种常规的数学手段，对于其它形状的加工段的加工分量的求取也可结合常规的初等数学公式进行对应的求取。
根据待加工工件的下表面处的起点坐标及终点坐标，可求出第一加工段的在待加工工件的下表面处的下表面轨迹方程，可采用同样的方式求出第二加工段的在待加工工件的下表面处的下表面轨迹方程，如采用A1X+B1Y+C1＝0和A2X+B2Y+C2＝0表示这两条加工段的下表面轨迹方程时，可联列这两条加工段的下表面轨迹方程，求出刀轴在待加工工件的下表面处，两个加工段的交点的矢量N(Xn，Yn，-H)，联列这两条加工段的上表面轨迹方程，可求出刀轴在待加工工件的上表面处，两个加工段的交点的矢量M(Xm，Ym，0)，相应的刀轴矢量就可采用以下公式求出：
刀轴矢量IJK_NM＝N-M；
但上述求刀轴矢量的方法仅适用于刀路下表面处存在交点时的计算方式，如果无交点则上述方式并不能适用。
首先，下面先对有交点无交点进行一些说明：
由于待加工图形为一连续的图像，因而对于任何一个节点而言，位于待加工工件上表面的位置处均有交点，有无交点仅是对于两个加工段在待加工工件下表面是否存在交点进行说明的，两条相交的直接求得的下表面直线也是不平行的直线，一定存在交点。直线与圆弧间，或者圆弧与圆弧间，下表面轨迹可能会出现一个圆弧在另一个圆弧内部的情况，或者直线在圆弧的外侧的情况，这些情况下是没有交点的。如图5所示，粗黑线代表上表面轨迹，细灰线代表下表面轨迹，对于图5中的直线段而言，其中，粗黑线到细灰线之间的最短距离就为该加工段在待加工工件上表面与下表面之间的偏移距离，即偏移总量。倾斜方向为左倾，直线的倾斜角度为2°，圆弧的倾斜角度为30°，它们的上表面存在交点，而下表面没有交点。
在无交点时，第二加工段使用第一加工段对应的倾斜角度，得到相应的法向矢量B’，计算第一法向矢量与法向矢量B’间的夹角а，第一法向矢量旋转а得到矢量V，在一实施例中，也可使用第一加工段及第二加工段的倾斜角度，分别计算出与第一加工段和第二加工段相对应的第一法向矢量、第二法向矢量，计算由第一法向矢量以逆/顺方向旋转到第二法向矢量较小的旋转角。取旋转角的一半，旋转第一加工段的法向矢量得到矢量V，该矢量V即为刀轴矢量。取旋转角的一半让旋转过程变的均匀，使切割效果更好，计算两个矢量间的角度时取较小的旋转角度，顺时针旋转时角度为正，逆时针旋转时角度为负。
为了可以使得整个计算过程中得到的矢量规格相同，可在保证矢量V的分量值X、Y不变的情况下，取第一加工段所对应的倾斜角度α及第二加工段所对应的倾斜角度α中较大的倾斜角度命名为较大倾斜角度β，根据β与工件厚度H，求出最大投影长度L，其中，最大投影长度L指的是两条相交的加工段中，上、下表面距离较大的一个加工段所对应的偏移距离，将后面计算用的矢量变成统一的规格，可将计算得到的第四矢量V转换为拉伸矢量V，最终得交点处矢量IJK＝(Vx×L，Vy×L，H)，Vx和Vy分别为所述的矢量V在X轴和Y轴上的分量。
继而将求得的刀轴矢量按照现有刀头结构转换成带角度的刀路。
以加工段为直线为例，对于加工段对应的法向矢量可采用下述方法进行计算：
首先计算加工段在待加工工件上表面的轨迹的方向向量，若将该加工段对应的上表面轨迹方程记为AX+BY+C＝0，可以求出它的方向向量P(B，-A)，为了便于说明，可将方向向量P(B，-A)表示为P(x，y)，根据加工段对应的倾斜角度а与倾斜方向，求出与加工段对应的法向矢量Q，当加工段左倾时，该法向矢量Q在三维坐标系中的各个分量可分别表示为Qx＝-Py，Qy＝Px，右倾时Qx＝Py，Qy＝-Px，其中，Qx、Qy及Qz分别为法向矢量Q在X轴、Y轴及Z轴上的分量。
采用上述实施例中的方法对待加工工件进行加工时，用户可在加工过程中随时根据相应的加工情况，对输入的加工速度进行调整，一般而言，速度调整的以及为切割面长度切割角度α不一样时，切割面长度是不一样的。角度较大时，切割面长度变大，切割L大的边需要更长的时间，速度要相应降低。如果切割效果不理想，使用者可以根据切割效果调整各段的速度。
上述实施例中的方法，可直接市面上一些常规的数控机床中进行应用，如可直接在已在市面上得到应用的NcEditor中导入对应的本发明中的方法，就可执行对应的操作功能，根据不同边，不同倾角，将二维刀路转换成具有三维切割效果的刀路。机床工作过程为：由用户绘制或导入刀路文件，选中图形，为选中图形的所有边设置对话框中的倾斜角度、倾斜方向、加工速度。或者不选中对象，鼠标捕获同一个图形的两个节点，终止节点必须沿着加工方向在起点后面，为起点与终点间的所有边设置倾斜角度、倾斜方向、加工速度，然后根据上述方法机床执行相应的操作获取对应的刀路，执行对应的操作。
切割不同倾斜角度的图形时，可以直接在水切割系统中编辑各条边的加工倾角和加工速度，降低了生产成本和技术要求。
采用上述实施例中的用于实现分段变坡加工的方法进行加工相交于现有技术具备以下优点：
1、节约成本。采用本发明中的方法进行操作的数控系统，无需购买额外的买CAM软件，就可进行刀路规划及操作，能够很好的节约成本；
2、减少操作步骤。带分段变坡功能的刀路可直接在数控系统中生成，生成后可直接开始加工。无需操作人员进行一步步的操作。
3、提高操作效率。采用通用切割方式处理这种分段变坡的刀路，只能采用，单段加工，多次执行。软件增加此功能后，可支持连续加工，效率显著提高。
采用本发明的实现分段变坡加工的方法，可根据用户输入至机床中的待加工图形的轨迹、待加工图形中的各个加工段所对应的参数、待加工工件的厚度H，计算出对各个加工点进行加工时，所述的刀轴对应的刀轴矢量，从而得到机床中的刀轴所对应的刀路，机床加工时，所述的刀轴按所述的刀路对待加工工件进行加工，即可实现对加工坡度变化的图形进行加工，采用该用于实现分段变坡加工的方法，即可高效地对有变坡需求的加工工件进行加工，又无需对现有设备进行硬件改进，本方法具备效率高、操作方便、适应性好及成本低的特点。
在此说明书中，本发明已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以作出各种修改和变换而不背离本发明的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是说明性的而非限制性的。
Claims (10)
1.一种用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的方法包括以下步骤：
(1)用户将待加工图形的轨迹、所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、待加工工件的厚度H及各个所述的加工段所对应的加工速度输入至机床中，其中，所述的参数包括所对应的加工段的倾斜角度α及倾斜方向；
(2)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定所述的机床加工时，所述的机床中的刀轴在各个加工点时所对应的刀轴矢量；
(3)所述的机床加工时，所述的机床控制所述的刀轴按所述的刀轴矢量及各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工。
2.根据权利要求1所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的步骤(2)包括以下步骤：
(2.1)根据所述的待加工图形中的各个加工段所对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，依次确定所述的待加工图形中的各个节点的刀轴矢量；
(2.2)依次以所述的待加工图形中各段所述的加工段对应的两个节点所对应的刀轴矢量为依据，确定所述的刀轴在对应的加工段对应的刀轴矢量。
3.根据权利要求2所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，每个所述的节点均由所述的待加工图形中与该节点对应的两个所述的加工段构成，所述的步骤(2.1)包括以下步骤：
(2.1.1)根据与待求节点对应的两个加工段所分别对应的参数、形状及所述的待加工工件的厚度H，确定该待求节点对应的刀轴矢量，所述的待求节点为所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点；
(2.1.2)将所述的待加工图形中任一个未求出对应刀轴矢量的节点作为新的待求节点，并返回上述步骤(2.1.1)，直到完成对所述的待加工图形中全部节点对应的刀轴矢量的求取，继续后续步骤(2.2)。
4.根据权利要求3所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的步骤(2.1.1)包括以下步骤：
(2.1.1.1)根据对所述的待加工图形的加工方向为依据，分别将与所述的待求节点对应的两个加工段命名为第一加工段和第二加工段，其中，加工时，先对所述的第一加工段进行加工，再对所述的第二加工段进行加工；
(2.1.1.2)根据所述的用户输入至所述的机床中的待加工图形的轨迹，分别确定所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上对应位置的加工轨迹及对应的两个上表面轨迹方程，将与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程命名为第一上表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程命名为第二上表面轨迹方程；
(2.1.1.3)根据所述的第一加工段所对应的第一上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第一加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；根据所述的第二加工段所对应的第二上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求出所述的第二加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程(2.1.1.4)将与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程命名为第一下表面轨迹方程，将与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程命名为第二下表面轨迹方程；
(2.1.1.5)求取所述的第一加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第一方向向量；求取所述的第二加工段在所述的待求节点处对应的方向向量，将该方向向量命名为第二方向向量；
(2.1.1.6)求取所述的第一方向向量在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第一法向矢量；求取所述的第二方向向量在所述的第二加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第二法向矢量；
(2.1.1.7)联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，判断所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面是否存在交点；
(2.1.1.8)若所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面存在交点则继续后续步骤(2.1.1.9)，否则继续后续步骤(2.1.1.11)；
(2.1.1.9)所述的待求节点为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的上表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的上表面上的交点命名为上表面交点，联立第一下表面轨迹方程和第二下表面轨迹方程，计算得出的两个所述的加工段在所述的待加工工件的下表面上的交点，将所述的在所述的待加工工件的下表面上的交点命名为下表面交点；
(2.1.1.10)将所述的下表面交点在三维坐标系中的坐标点减去所述的上表面交点在三维坐标系中的坐标点，得到所述的刀轴在所述的待求节点位置处所对应的刀轴矢量；
(2.1.1.11)求取所述的第二上表面轨迹方程在所述的第一加工段对应的倾斜角度α上对应的法向矢量，将该法向矢量命名为第三法向矢量；
(2.1.1.12)计算所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角，所述的第一法向矢量与第三法向矢量的夹角即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在该待求节点位置处对应的刀轴调整角度；
(2.1.1.13)获取所述的第一法向矢量旋转所述的刀轴调整角度后得到的矢量，将该矢量命名为第四矢量V，其中，所述的第四矢量V即为所述的第一加工段和第二加工段在所述的待加工工件的下表面不存在交点时，所述的刀轴在所述的待求节点位置处的加工点所对应的刀轴矢量。
5.根据权利要求4所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，为了使得所述的第四矢量V与计算过程中的其它矢量的规格相同，所述的步骤(2.1.1.13)之后还包括以下步骤：
(2.1.1.14)在确保所述的第四矢量所对应的分量值不变的情况下，选取所述的第一加工段所对应的倾斜角度α及所述的第二加工段所对应的倾斜角度α中倾斜角度值更大的倾斜角度命名为较大倾斜角度β；
(2.1.1.15)求取所述的第一加工段和第二加工段中与所述的较大倾斜角度β对应的加工段在所述的待加工工件的上表面到所述的待加工工件的下表面的距离，将该距离命名为最大投影长度L，所述的最大投影长度L可通过以下公式求得：
L＝H×tan(β)；
(2.1.1.16)求取与所述的最大投影长度L对应拉伸矢量V’，其中，拉伸矢量V’的坐标为(Vx×L，Vy×L，H)，其中，Vx和Vy分别为所述的第四矢量V在X轴和Y轴上的分量。
6.根据权利要求4所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，在所述的步骤(2.1.1.3)中，对于所述的第一下表面轨迹方程的求取或对于所述的第二下表面轨迹方程的求取均包括以下步骤：
(a1)根据加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，计算得出该加工段在所述的待加工工件的上、下表面的加工轨迹的偏移总量δL，其中，偏移总量δL为：
δL＝H×tan(α)；
其中，由所述的倾斜方向决定上述式中所述的倾斜角度α取值的正负；
(a2)根据所述的偏移总量δL及所述的上表面轨迹方程，求取与所述的偏移总量对应的在X轴方向的偏移分量δX及在Y轴方向的偏移分量δY；
(a3)根据所述的上表面轨迹方程结合所述的偏移分量δX及偏移分量δY，确定所述的加工段在待加工工件的下表面上对应位置的加工轨迹及相应的下表面轨迹方程；
其中，所述的加工段为所述的第一加工段或所述的第二加工段；
当所述的加工段为所述的第一加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第一加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第一加工段对应的下表面轨迹方程；
当所述的加工段为所述的第二加工段时，选用的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向就是与所述的第二加工段对应的上表面轨迹方程、倾斜角度α及倾斜方向，求得的下表面轨迹方程就是与所述的第二加工段对应的下表面轨迹方程。
7.根据权利要求1所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的步骤(3)后还包括以下步骤：
(4)所述的用户在所述的机床完成对所述的待加工工件加工后，判断按当前所述的机床内设置的各个所述的加工段所对应的加工速度对所述的待加工工件进行加工时，是否能够满足对所述的待加工工件中所有加工段的加工需求；
(5)若按当前所述的机床内设置的所述的加工速度对对应的加工段进行加工时，能够满足对所述的待加工工件的全部加工段的加工需求，则确定按当前所述的机床内设置的加工速度对所述的待加工工件进行加工，能够满足对所述的待加工工件的加工需求，完成加工；否则，用户对各个所述的加工段所对应的加工速度中不能满足对应加工段加工需求的加工速度进行修改；
(6)将修改后的加工速度代替当前所述的机床内设置的对应加工段的加工速度，并返回上述步骤(2)，对所述的待加工工件重新进行加工。
8.根据权利要求1所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的待加工图形中每两个相邻节点之间的线段为一段所述的加工段，用户每次至少选中所述的待加工图形中的一端所述的加工段，并将与选中加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至所述的机床中，当用户一次选中二条或二条以上加工段进行设置时，所选中的加工段必须是依次连接的加工段。
9.根据权利要求8所述的用于实现分段变坡加工的方法，其特征在于，用户逐一将所述的待加工图形中的各个所述的加工段对应的参数及与对应的加工速度输入至机床中。
10.根据权利要求1所述的实现分段变坡加工的方法，其特征在于，所述的机床为五轴水切割机床。
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