CN110516373A - 一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法，分析并建立圆盘锯数控粗加工铣削过程的数学模型，在STL点云数据的基础上，通过微小线段插值算法和刀具路径偏置算法，计算两条由微小线段所构成曲线的交点，进而进行刀具路径规划，提高异形平面石材数控粗加工的加工效率，从而为异形石材等难加工材料提供一种高效率的粗加工方法，实现异型石材自动化的高效数控粗加工过程。

Description

一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法

技术领域

本发明涉及圆盘锯在异型石材数控粗加工阶段提高铣削加工的领域，特别是指一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高，异形平面石材产品越来越广泛地被应用于家居装饰品。市场对异型石材制品的种类、形状以及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。此外，根据磨具特性知，圆盘锯相较于其他刀具拥有更深的切削深度和更快的切削线速度，因此，利用圆盘锯的优势能更高效地完成异形平面的铣削加工。

发明内容

本发明的主要目的在于提出一种提高异型平面石材的铣削加工效率的圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法。

本发明采用如下技术方案：

一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.从STL文件中获得异形三维曲面图形表面点云数据，将该三维曲面图形投影至平面后获取该异形平面图形的二维坐标点，并存为点集P_f；

步骤2.通过异形平面的特征循环搜索去掉点集P_f中冗余的数据点，得到处理后的两组平面边界数据点集；

步骤3.将步骤2得到的两组平面边界数据点集进行异形平面边界偏移，得到两组偏移曲线数据点；

步骤4.对两组偏移曲线数据点采用微小线段插值优化方法进行处理，得到最终加工路径；

步骤5.根据加工路径计算圆盘锯铣削加工时间：

其中l₀为圆盘锯空走距离，l_M为圆盘锯单次进退距离，l_ij为每一条微小线段的长度，m为单条加工路径曲线中微小线段数量，∑l_ij为第i条加工路径长度，n为加工路径总数量，v_a、v_b、v_c为进给速度、空走速度及进退刀速度。

优选的，步骤3中，所述异形平面边界偏移具体为：用一系列小线段连接所有点构成微小线段，将两条边界线中的每一条微小线段以一定宽度分别向中心进行偏移，得到下一条曲线数据点，循环进行上述操作，直至偏移后两组曲线的某一端点坐标间距小于等于圆盘锯厚度，停止偏移，得到两组偏移曲线数据点。

优选的，步骤4中，所述微小线段插值优化方法包括：

步骤4.1插值微小线段

以两组偏移曲线数据点作为插值区域的两条边界曲线坐标点，获取二维异形平面图形底部一系列坐标点并存为点集P_b；将点集P_b中的每一个点作为插值曲线的第一个点，以间隔为40mm的距离依次获取插值曲线的后续点坐标，并将求取的每组插值坐标点存为点集P_Linf1和P_Rinf2；以点集P_Linf1和P_Rinf2为基础，采用偏移方法获取插值区域的所有组点坐标，并存为点集P_Linf和点集P_Rinf；

步骤4.2插值路径曲线取交点

用一系列小线段分别连接点集P_Linf和点集P_Rinf中的所有点，构成微小线段；将由点集P_Linfi中第i个点和第i+1个点连接成的线段与点集P_Rinfi中所有点依次连接成的线段求交：

其中x，y为所求交点的横、纵坐标，y_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点坐标的纵坐标，A_i、B_i、C_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点和第i+1个点连接成的微小线段方程系数，A_ij、B_ij、C_ij为点集P_Rinfi或P_Linfi中所有点依次连接成的每一微小线段方程系数，求解方程，判断其解是否在其约束之内，满足约束的解即为两曲线的交点，并存入交点集P_p中；

步骤4.3插值路径曲线的处理

根据交点集中的交点坐标，将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中所有高于相应交点坐标的点数据除去，最后将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中剩余点坐标依次以微小线段连接即可得到插值区域的最终加工路径。

优选的，所述步骤4.1中，若某微小线段长度不足40mm，则以下一条微小线段为基准求取插值坐标点。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的方法，提出对异形平面的微小线段插值优化法，通过等距偏移方法，计算圆盘锯铣削加工的最短距离，缩短加工时间，实现异形平面高效率铣削加工过程。

在STL点云数据的基础上，通过微小线段插值算法和刀具路径偏置算法，计算两条由微小线段所构成曲线的交点，进而进行刀具路径规划，实现异型石材自动化的高效数控粗加工过程。

附图说明

图1是本发明的处理流程图。

图2是待加工异形平面模型。

图3是圆盘锯铣削路径示意图。

图4是圆盘锯铣削粗加工仿真效果图。

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详述。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步的描述。

如图1所示，本发明涉及一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法，尤其是一种圆盘锯在异型石材数控粗加工阶段提高铣削加工效率的方法。包括如下步骤：

步骤1.异形平面图形表面点云数据信息获取

输入STL图像文件，从STL文件中获得异形三维曲面图形表面点云数据，将该三维曲面图形投影至平面后获得异形平面图形，如图2所示，将获得的该异形平面图形的二维坐标点存为点集P_f。

步骤2.异形平面图形表面数据点处理

因投影后得到的异形平面数据点集P_f存在冗余数据点，通过异形平面的特征循环搜索去掉点集P_f中冗余的数据点，得到处理后的两组平面边界数据点集P_L1＝{P_L11,P_L12,...,P_L1m}和P_R1＝{P_R11,P_R12,...,P_R1m}，完成数据处理。

步骤3.异形平面边界偏移方法

利用步骤2得到的异形平面边界数据点，用一系列小线段连接所有点构成微小线段，将两条边界线中的每一条微小线段以一定宽度(圆盘锯厚度)分别向中心进行偏移，得到下一条曲线数据点P_L2＝{P_L21,P_L22,...,P_L2m}和P_R2＝{P_R21,P_R22,...,P_R2m}，循环进行上述操作，直至偏移后两组曲线的某一端点坐标间距小于等于圆盘锯厚度，停止偏移，得到两组偏移曲线数据点P_Loffset＝{P_L1,P_L2,...,P_Ln}和P_Roffset＝{P_R1,P_R2,...,P_Rn}。

步骤4.微小线段插值优化方法

步骤4.1插值微小线段

以最后一次偏移即步骤3得到的两组曲线数据点P_Ln＝{P_Ln1,P_Ln2,...,P_Lnm}和P_Rn＝{P_Rn1,P_Rn2,...,P_Rnm}分别作为插值区域的两条边界曲线坐标点，根据插值区域两条边界曲线的端点，将异形平面图形的底部以间隔为圆盘锯厚度的距离循环获取平面底部一系列点坐标，并存为点集P_b。

将点集P_b中的每一个点作为插值曲线的第一个点，以间隔为40mm的距离依次获取插值曲线的后续点坐标，若某微小线段长度不足40mm，则以下一条微小线段为基准求取插值坐标点，并将求取的每组坐标点存为点集P_Linf1和P_Rinf2。再次采用偏移方法获取插值区域的所有组点坐标，并存为点集P_Linf＝{P_Linf1,P_Linf2,...,P_Linfm}和点集P_Rinf＝{P_Rinf1,P_Rinf2,...,P_Rinfm}。

步骤4.2插值路径曲线取交点

用一系列小线段分别连接点集P_Linf和点集P_Rinf中的所有点，构成微小线段。将由点集P_Linfi中第i个点和第i+1个点连接成的线段与点集P_Rinfi中所有点依次连接成的线段求交：

其中x，y为所求交点的横、纵坐标，y_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点坐标的纵坐标，A_i、B_i、C_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点和第i+1个点连接成的微小线段方程系数，A_ij、B_ij、C_ij为点集P_Rinfi(或P_Linfi)中所有点依次连接成的每一微小线段方程系数，求解方程，判断其解是否在其约束之内，满足约束的解即为两曲线的交点，并存入交点集P_p中。其中，约束是指y_i＜y＜y_i+1。

步骤4.3插值路径曲线的处理

根据交点集中的交点坐标，将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中所有高于相应交点坐标的点数据除去，最后将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中剩余点坐标依次以为小线段连接即可得到插值区域的最终加工路径，如图3所示。

步骤5.计算圆盘锯铣削加工时间

计算圆盘锯加工路径长度，空走长度以及圆盘锯的进退刀长度得到异形平面加工总时间：

其中l₀为圆盘锯空走距离，l_M为圆盘锯单次进退距离，l_ij为每一条微小线段的长度，m为单条加工路径曲线中微小线段数量，∑l_ij为第i条加工路径长度，n为加工路径总数量，v_a、v_b、v_c为进给速度、空走速度及进退刀速度。

应用举例：

使用VeriCut软件搭建五轴机床，加工图2所示的异形平面图形，取圆盘锯粗加工的进给速度v_a为2250mm·min^-1，铣削深度a_p为20mm，加工宽度为3.6mm，其铣削加工时间约为14min。若采用常规金刚石砂轮进行磨削粗加工，取进给速度v_a为5000mm·min^-1，磨削深度a_p为1mm，加工宽度为22.5mm，则其磨削加工时间约为20min。

图4所示为圆盘锯锯切粗加工异形平面仿真效果图。圆盘锯粗加工铣削线速度大，铣削深度深的特点，相较于传统的采用金刚石砂轮进行磨削粗加工，圆盘锯的铣削粗加工效率可以明显提高。

上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (4)

1.一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法,其特征在于，包括如下步骤：

步骤1.从STL文件中获得异形三维曲面图形表面点云数据，将该三维曲面图形投影至平面后获取该异形平面图形的二维坐标点，并存为点集P_f；

步骤2.通过异形平面的特征循环搜索去掉点集P_f中冗余的数据点，得到处理后的两组平面边界数据点集；

步骤3.将步骤2得到的两组平面边界数据点集进行异形平面边界偏移，得到两组偏移曲线数据点；

步骤4.对两组偏移曲线数据点采用微小线段插值优化方法进行处理，得到最终加工路径；

步骤5.根据加工路径计算圆盘锯铣削加工时间：

其中l₀为圆盘锯空走距离，l_M为圆盘锯单次进退距离，l_ij为每一条微小线段的长度，m为单条加工路径曲线中微小线段数量，∑l_ij为第i条加工路径长度，n为加工路径总数量，v_a、v_b、v_c为进给速度、空走速度及进退刀速度。

2.如权利要求1所述的一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法,其特征在于，步骤3中，所述异形平面边界偏移具体为：用一系列小线段连接所有点构成微小线段，将两条边界线中的每一条微小线段以一定宽度分别向中心进行偏移，得到下一条曲线数据点，循环进行上述操作，直至偏移后两组曲线的某一端点坐标间距小于等于圆盘锯厚度，停止偏移，得到两组偏移曲线数据点。

3.如权利要求1所述的一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法,其特征在于，步骤4中，所述微小线段插值优化方法包括：

步骤4.1插值微小线段

以两组偏移曲线数据点作为插值区域的两条边界曲线坐标点，获取二维异形平面图形底部一系列坐标点并存为点集P_b；将点集P_b中的每一个点作为插值曲线的第一个点，以间隔为40mm的距离依次获取插值曲线的后续点坐标，并将求取的每组插值坐标点存为点集P_Linf1和P_Rinf2；以点集P_Linf1和P_Rinf2为基础，采用偏移方法获取插值区域的所有组点坐标，并存为点集P_Linf和点集P_Rinf；

步骤4.2插值路径曲线取交点

用一系列小线段分别连接点集P_Linf和点集P_Rinf中的所有点，构成微小线段；将由点集P_Linfi中第i个点和第i+1个点连接成的线段与点集P_Rinfi中所有点依次连接成的线段求交：

其中x，y为所求交点的横、纵坐标，y_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点坐标的纵坐标，A_i、B_i、C_i为点集P_Linfi或P_Rinfi中第i个点和第i+1个点连接成的微小线段方程系数，A_ij、B_ij、C_ij为点集P_Rinfi或P_Linfi中所有点依次连接成的每一微小线段方程系数，求解方程，判断其解是否在其约束之内，满足约束的解即为两曲线的交点，并存入交点集P_p中；

步骤4.3插值路径曲线的处理

根据交点集中的交点坐标，将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中所有高于相应交点坐标的点数据除去，最后将点集P_Linfi和点集P_Rinfi中剩余点坐标依次以微小线段连接即可得到插值区域的最终加工路径。

4.如权利要求3所述的一种圆盘锯粗加工异形平面的铣削方法,其特征在于，所述步骤4.1中，若某微小线段长度不足40mm，则以下一条微小线段为基准求取插值坐标点。