CN111037753A - 一种圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面石材的铣削方法，尤其是一种圆盘锯在粗加工异型轮廓曲面时提高材料去除率的方法。首先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，通过非等参数线算法，使得刀路间隔均匀分布，减少重复铣削率，进而在参数空间进行刀具路径规划，提高异形自由曲面石材数控粗加工材料去除率，从而为异形轮廓曲面石材等难加工材料提供一种高效率的材料去除方法，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轮廓自由曲面的铣削方法

技术领域

本发明涉及石材加工领域，特别是指一种圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法。

背景技术

近年来，随着人们生活水平的提高，异形轮廓曲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轮廓曲面石材的铣削加工。但目前，异形轮廓曲面石材的铣削加工效率较低。为了提高异型轮廓曲面石材的铣削加工效率，本发明提出对异形曲面石材加工的路径优化算法，通过非等参数线法，减少圆盘锯铣削加工的重复铣削率，缩短加工时间，实现异形轮廓曲面材料高去除率铣削加工过程。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术中的上述缺陷，提出一种圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，通过对异形曲面石材加工的路径优化算法，通过非等参数线法，减少圆盘锯铣削加工的重复铣削率，缩短加工时间，实现异形轮廓曲面材料高去除率铣削加工过程。

本发明采用如下技术方案：

其技术方案采用以下步骤：1)异形轮廓自由曲面图形表面点云数据信息获取，2)确定异形轮廓自由曲面的u、v参数域，3)离散u、v方向并进行非等参数化，4)非等参数刀具路径的产生，5)计算圆盘锯铣削加工的材料去除率。

具体包括如下步骤：

步骤1、异形轮廓自由曲面图形表面点云数据信息获取

从STL文件中获得三维异形轮廓自由曲面图形表面点云数据，包括曲面表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs；

步骤2、确定异形轮廓自由曲面的u、v参数域

根据点集P_objs构成的三维网格曲面，确定异形轮廓自由曲面的在u、v方向的边界，其曲面较长边为u方向并将其作为产生刀具路径的方向即刀具进给方向，曲面较短边为v方向将其作为产生刀具间隔的方向即工件进给方向；

步骤3、离散u、v方向并进行非等参数化

对于u方向采用圆盘锯下刀最短距离h_min产生的锯切弧区长度即

进行等距离散。对于v方向求取满足圆盘锯厚度a_w所对应的不同△v值，其步骤如下：

1)确定曲面参数域中u参数范围u_min～u_max，v参数范围v_min～v_max；确定工件进给方向的最大间隔△v_max，并初始化参数u_j∈[u_min,u_max](j＝1,2,3,...,n)， v_i∈[v_min,v_max](i＝1,2,3,...,m),△v_j＝△v_max；

2)判断u_j是否在曲面边界范围内，若是，则以△v_j作为刀具路径参数间距；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i＝p(u_j,v_i)；

3)计算刀具进给方向相邻加工起始点的距离。首先保持刀具进给方向参数不变即仍为u_j，工件进给方向以△v_j为增量计算下一个v方向参数点即 v_i+1＝v_i+△v_j；并判断工件进给方向参数v_i+1是否超出其异形轮廓自由曲面边界范围，若是，则在刀路进给方向以△u为增量计算下一条工件进给方向的拟合曲线，同时将△v_j存入集合V＝{△v₁,△v₂,...,△v_j}中并更新参数v_i＝v_imin，u_j＝u_j+△u，返回2)；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i+1＝p(u_j,v_i+1)，并计算p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d；

4)确定非等参数域的参数间隔。判断p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d是否大于圆盘锯厚度a_w，若是，则对刀路参数间隔进行非等参数化，即参数间隔在原有基础上缩小为原来的一半△v_j＝0.5*△v_j，并返回3)；否则，更新参数v_i+1＝v_i， p_j,i+1＝p_j,i，并返回3)。

步骤4、非等参数刀具路径的产生

根据步骤3中集合V的参数间距确定相同△v所对应的u范围，如果△v_k～△v_k+h(k＝1,2,...,j；h＝1,2,...j-k)参数值相同且均为△v_k，则表示在 (u_min+k*△u)～(u_min+(k+h)*△u)的范围内应使用△v_k的参数间距，然后以不同的参数间距所对应的u范围来产生在参数空间的刀具路径。最后将所产生的刀具路径头尾顺序相连接，得到参数空间规划好的非等参数刀具路径。

步骤5、计算圆盘锯铣削加工的材料去除率

计算圆盘锯铣削去除体积，铣削加工所用总时间得到异形轮廓自由曲面加工的材料去除率：

其中V为圆盘锯铣削体积，T为圆盘锯铣削加工总时间，a_w为圆盘锯厚度， a_p为圆盘锯加工深度，L_i为单条加工路径长度，m为加工路径总数量，v_f为圆盘锯进给速度，n为进(退)刀次数，t为单次进(退)刀的时间。

由上述对本发明的描述可知，与现有技术相比，本发明提出的圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，通过对异形曲面石材加工的路径优化算法，通过非等参数线法，减少圆盘锯铣削加工的重复铣削率，缩短加工时间，实现异形轮廓曲面材料高去除率铣削加工过程，圆盘锯粗加工铣削线速度大，铣削深度深的特点，相较于金刚石砂轮进行磨削粗加工，圆盘锯的铣削粗加工材料去除率和加工效率可以明显提高。

附图说明

图1是本发明的处理流程图；

图2圆盘锯的锯切弧区特征；

图3待加工异形轮廓曲面模型；

图4是圆盘锯铣削粗加工仿真效果图。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细描述。

具体实施方式

如图1所示，本发明涉及一种圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，尤其是一种圆盘锯在异型轮廓曲面石材数控粗加工阶段提高材料去除率的方法。

包括如下步骤：

步骤1、异形轮廓自由曲面图形表面点云数据信息获取

从STL文件中获得三维异形轮廓自由曲面图形表面点云数据，包括曲面表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs；

步骤2、确定异形轮廓自由曲面的u、v参数域

根据点集P_objs构成的三维网格曲面，确定异形轮廓自由曲面的在u、v方向的边界，其曲面较长边为u方向并将其作为产生刀具路径的方向即刀具进给方向，曲面较短边为v方向将其作为产生刀具间隔的方向即工件进给方向，如图3 所示；

步骤3、离散u、v方向并进行非等参数化

对于u方向采用圆盘锯下刀最短距离h_min产生的锯切弧区长度即

(如图2所示)进行等距离散。对于v方向求取满足圆盘锯厚度a_w所对应的不同△v值，其步骤如下：

1)确定曲面参数域中u参数范围u_min～u_max，v参数范围v_min～v_max；确定工件进给方向的最大间隔△v_max，并初始化参数u_j∈[u_min,u_max](j＝1,2,3,...,n)， v_i∈[v_min,v_max](i＝1,2,3,...,m),△v_j＝△v_max；

2)判断u_j是否在曲面边界范围内，若是，则以△v_j作为刀具路径参数间距；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i＝p(u_j,v_i)；

3)计算刀具进给方向相邻加工起始点的距离。首先保持刀具进给方向参数不变即仍为u_j，工件进给方向以△v_j为增量计算下一个v方向参数点即 v_i+1＝v_i+△v_j；并判断工件进给方向参数v_i+1是否超出其异形轮廓自由曲面边界范围，若是，则在刀路进给方向以△u为增量计算下一条工件进给方向的拟合曲线，同时将△v_j存入集合V＝{△v₁,△v₂,...,△v_j}中并更新参数v_i＝v_imin，u_j＝u_j+△u，返回2)；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i+1＝p(u_j,v_i+1)，并计算p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d；

4)确定非等参数域的参数间隔。判断p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d是否大于圆盘锯厚度a_w，若是，则对刀路参数间隔进行非等参数化，即参数间隔在原有基础上缩小为原来的一半△v_j＝0.5*△v_j，并返回3)；否则，更新参数v_i+1＝v_i， p_j,i+1＝p_j,i，并返回3)。

步骤4、非等参数刀具路径的产生

根据步骤3中集合V的参数间距确定相同△v所对应的u范围，如果△v_k～△v_k+h(k＝1,2,...,j；h＝1,2,...j-k)参数值相同且均为△v_k，则表示在 (u_min+k*△u)～(u_min+(k+h)*△u)的范围内应使用△v_k的参数间距，然后以不同的参数间距所对应的u范围来产生在参数空间的刀具路径。最后将所产生的刀具路径头尾顺序相连接，得到参数空间规划好的非等参数刀具路径。

步骤5、计算圆盘锯铣削加工的材料去除率

计算圆盘锯铣削去除体积，铣削加工所用总时间得到异形轮廓自由曲面加工的材料去除率：

其中V为圆盘锯铣削体积，T为圆盘锯铣削加工总时间，a_w为圆盘锯厚度， a_p为圆盘锯加工深度，L_i为单条加工路径长度，m为加工路径总数量，v_f为圆盘锯进给速度，n为进(退)刀次数，t为单次进(退)刀的时间。

如图3为待加工异形轮廓曲面模型。使用VeriCut软件搭建的五轴机床，生成G代码仿真加工异形曲面，取圆盘锯粗加工的进给速度v_a为2250mm·min^-1，每一条加工路径宽度为3.6mm(略大于a_w)，其铣削加工时间约为136min，材料去除率约为162cm³·min^-1。采用常规金刚石砂轮进行磨削粗加工，取其进给速度v_a为5000mm·min^-1，单次磨削深度a_p为1mm，加工宽度为22.5mm，则其磨削加工时间约为196min，材料去除率约为112.5cm³·min^-1。图4所示为圆盘锯铣削粗加工异形轮廓曲面仿真效果图。圆盘锯粗加工铣削线速度大，铣削深度深的特点，相较于金刚石砂轮进行磨削粗加工，圆盘锯的铣削粗加工材料去除率和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轮廓自由曲面的铣削方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、获取异形轮廓自由曲面图形表面点云数据信息；

从STL文件中获得三维异形轮廓自由曲面图形表面点云数据，包括曲面表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs；

步骤2、确定异形轮廓自由曲面的u、v参数域；

根据点集P_objs构成的三维网格曲面，确定异形轮廓自由曲面的在u、v方向的边界，其曲面较长边为u方向并将其作为产生刀具路径的方向即刀具进给方向，曲面较短边为v方向将其作为产生刀具间隔的方向即工件进给方向；

步骤3、离散u、v方向并进行非等参数化；

步骤4、非等参数刀具路径的产生；

步骤5、计算圆盘锯铣削加工的材料去除率。

2.根据权利要求1所述的圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，其特征在于，所述步骤3中离散u、v方向并进行非等参数化，具体对于u方向采用圆盘锯下刀最短距离h_min产生的锯切弧区长度即

进行等距离散，对于v方向求取满足圆盘锯厚度a_w所对应的不同△v值，包括如下步骤：

1)确定曲面参数域中u参数范围u_min～u_max，v参数范围v_min～v_max；确定工件进给方向的最大间隔△v_max，并初始化参数u_j∈[u_min,u_max](j＝1,2,3,...,n)，v_i∈[v_min,v_max](i＝1,2,3,...,m),△v_j＝△v_max；

2)判断u_j是否在曲面边界范围内，若是，则以△v_j作为刀具路径参数间距；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i＝p(u_j,v_i)；

3)计算刀具进给方向相邻加工起始点的距离，首先保持刀具进给方向参数不变即仍为u_j，工件进给方向以△v_j为增量计算下一个v方向参数点即v_i+1＝v_i+△v_j；并判断工件进给方向参数v_i+1是否超出其异形轮廓自由曲面边界范围，若是，则在刀路进给方向以△u为增量计算下一条工件进给方向的拟合曲线，同时将△v_j存入集合V＝{△v₁,△v₂,...,△v_j}中并更新参数v_i＝v_imin，u_j＝u_j+△u，返回2)；否则记录该点的u、v参数坐标p_j,i+1＝p(u_j,v_i+1)，并计算p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d；

4)确定非等参数域的参数间隔，判断p_j,i和p_j,i+1两点间的距离d是否大于圆盘锯厚度a_w，若是，则对刀路参数间隔进行非等参数化，即参数间隔在原有基础上缩小为原来的一半△v_j＝0.5*△v_j，并返回3)；否则，更新参数v_i+1＝v_i，p_j,i+1＝p_j,i，并返回3)；

3.根据权利要求2所述的圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，其特征在于，所述步骤4中非等参数刀具路径的产生，具体实现为：根据步骤3中所述集合V的参数间距确定相同△v所对应的u范围，如果△v_k～△v_k+h(k＝1,2,...,j；h＝1,2,...j-k)参数值相同且均为△v_k，则表示在(u_min+k*△u)～(u_min+(k+h)*△u)的范围内应使用△v_k的参数间距，然后以不同的参数间距所对应的u范围来产生在参数空间的刀具路径，最后将所产生的刀具路径头尾顺序相连接，得到参数空间规划好的非等参数刀具路径。

4.根据权利要求1-3之一所述的圆盘锯粗加工异形轮廓自由曲面的铣削方法，其特征在于，所述步骤5中计算圆盘锯铣削加工的材料去除率，具体实现为：计算圆盘锯铣削去除体积，铣削加工所用总时间得到异形轮廓自由曲面加工的材料去除率：

其中V为圆盘锯铣削体积，T为圆盘锯铣削加工总时间，a_w为圆盘锯厚度，a_p为圆盘锯加工深度，L_i为单条加工路径长度，m为加工路径总数量，v_f为圆盘锯进给速度，n为进(退)刀次数，t为单次进(退)刀的时间。

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