CN113741349B - 一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置 - Google Patents

一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置，该方法包括根据待切割工件的试切速度与间隙关系曲线，计算切割间隙补偿量；根据切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算五轴水刀的z轴调整量；最后，控制所述五轴水刀以预设的切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据z轴调整量，控制五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。本发明能在不降低切割速度的情况下，有效地控制五轴水刀对工件进行间隙均匀的切割，解决了五轴水刀切割速度的变化而引起的切割缝隙不均匀及其导致的拼花效果不理想的问题。

Description

一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置
技术领域
本发明属于高压水射流切割技术领域，特别涉及一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置。
背景技术
五轴水切割又称五轴水刀，近年来，越来越多的五轴水刀用于陶瓷、石材等材料的拼花加工中。五轴水刀有众多的优点，比传统的三轴水刀增加了两个旋转轴来实现水柱的角度控，可以控制水流与切割平面的角度，实现任意角度的切割，解决了三轴水刀在切割过程中的切割斜度的问题，使得加工工件拼接的平面间隙更小，实现更好的拼花工艺。
在现有的方案中，由于进行五轴水刀切割时需要控制切割的角度，所以在原有三轴水刀的基础上增加了两个旋转轴来实现切割水柱的角度控制。但在曲线路径加工的工程中会存在以下的问题：
1、曲线路劲切割过程中由于各个部位的曲率半径的大小并不完全相同，所以在切割曲率半径越大的区域时，其水柱角度的变化则越小，即两个旋转轴的角度变化量就越小；在切割曲率半径越小的区域，其水柱角度的变化则越大，即两个旋转轴的角度变化量就越大。在旋转轴的最大速度一定的条件下时，旋转轴的角度变化量小的路径，加工切割的速度越快；而旋转轴的角度变化量越大的路劲，加工切割的速度越慢。而进行水刀切割的速度快慢会影响工件被切割的量，即其切割工件的缝隙，现有技术切割出来的工件示意图如图1所示。因此在切割速度一定的情况下时，其切割的曲线路径缝隙不均匀，导致其存在较大的切割误差。
2、为了使水刀切割的缝隙均匀，可以使整个切割的过程中基本按设定的低速度进行匀速切割，但这样会影响水刀切割作业的效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，在不改变五轴水切割速度的条件下，解决水刀速度变化引起的切割缝隙不均匀及其导致的拼花效果不理想的问题，并提高切割效率。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种五轴水切割的间隙补偿方法，包括：
根据待切割工件的试切速度与间隙关系曲线，计算五轴水刀的切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得；
根据所述切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量；
控制所述五轴水刀以预设切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
进一步地，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：
控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，建立所述试切速度与切割间隙关系曲线；
其中，所述试切工件与所述待切割工件的材料相同。
进一步地，所述试切速度与切割间隙关系曲线为：l＝f(v)；
其中，l为切割间隙，v为试切速度。
进一步地，所述根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量，具体为：
根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，由下式计算出切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-f(vn)；
其中，v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。
进一步地，所述结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量，具体为：
根据五轴水刀进行作业的切割坡度，以及间隙补偿量和z轴调整量的关系，进而由下式计算出z轴调整量：dz＝dl/tan(Q)；
其中dz为z轴调整量，dl为间隙补偿量，Q为切割坡度。
进一步地，所述待切割工件包括多个子工件，所述多个子工件包括至少两种材料类型；
每种材料类型的子工件分别对应一个试切速度与间隙的关系曲线。
相应地，本发明实施例还提供了一种五轴水切割的间隙补偿装置，包括：间隙补偿量计算模块、z轴调整量计算模块和控制模块；
其中，所述间隙补偿量计算模块用于根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得；
所述z轴调整量计算模块用于根据所述切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量；
所述控制模块用于控制所述五轴水刀以预设切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
进一步地，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：
控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，建立所述试切速度与切割间隙关系曲线；
其中，所述试切工件与所述待切割工件的材料相同。
进一步地，所述试切速度与切割间隙关系曲线为：l＝f(v)；
其中，l为切割间隙，v为试切速度。
进一步地，所述间隙补偿量计算模块用于根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量，具体为：
根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，由下式计算出切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-f(vn)；
其中，v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。
实施本申请实施例，具有如下的有益效果：
与现有技术相比，本发明能够对五轴水刀切割作业进行切割间隙补偿，以在不降低切割速度来进行匀速切割的条件下，在高速切割时向上调整z轴高度，补偿由于高速切割引起的少切割量，在低速切割时向下调整z轴高度，补偿由于低速切割引起的多切割量，达到均匀切割的效果。解决五轴水刀切割速度的变化而引起的切割缝隙不均匀及其导致的拼花效果不理想的问题。本发明无需以较低的切割速度来进行匀速切割，就达到均匀切割的目的，显然切割的效率更高。
附图说明
图1是现有技术未经过调整z轴高度和切割量补偿的五轴水刀切割工件拼花效果示意图；
图2是本发明一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中的步骤流程图；
图3是本发明一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中水刀切割速度与切割间隙的关系曲线图；
图4是一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中水刀切割工件示意图；
图5是一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中水刀切割补偿量与z轴调整量的三角函数关系；
图6是一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中经过补偿后的工件拼花效果示意图；
图7是一种五轴水切割的间隙补偿方法及其装置实施例中模块流程图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下将结合本发明中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行进一步详细说明。显然，此所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部实施例，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所用其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，其是本发明实施例提供的一种五轴水切割的间隙补偿方法中的步骤流程图，该包括步骤101至步骤103，各步骤具体如下：
步骤101：根据待切割工件的试切速度与间隙关系曲线，计算五轴水刀的切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得。
在本实施例中，试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，并对得到各组数据进行曲线拟合，最终得到所述试切速度与切割间隙关系曲线：l＝f(v)，如图3所示；其中，l为切割间隙，v为试切速度。
进一步地，所述试切速度与切割间隙关系曲线l＝f(v)中的试切速度范围，应由五轴水刀设备实际切割工件材料所支持的最小可切割速度和最大可切割速度综合确定，各切割速度间步长相等。
进一步地，所述试切工件与所述待切割工件的材料相同，所述试切速度与切割间隙关系曲线为对应该种切割工件材料。所述待切割工件包括多个子工件，所述多个子工件包括至少两种材料类型，每种材料类型的子工件分别对应一个试切速度与间隙的关系曲线。
优选地，在本实施例中，试切速度与切割间隙的关系曲线通过使用五种试切速度进行切割得到其对应的切割间隙，五种试切速度分别为v0，v1，v2，v3，vmax，切割后得到对应的切割间隙l0，l1，l2，l3，lmax，并对其对应的五组数据进行曲线拟合，最终得到所述关系曲线l＝f(v)。
进一步地，根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量，具体为：根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，由下式计算出切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-f(vn)；其中，v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。
所述水刀切割时的当前速度根据当前切割路径曲率大小等因素而变化的。
步骤102：根据所述切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量。
在本实施例中，根据步骤101计算所得到的切割间隙补偿量dl＝f(v0)-f(vn)，和切割工件时所需要的切割坡度，利用其存在的切割坡度关系，计算得出z轴补偿量dz＝dl/tan(Q)；其中dz为z轴调整量，dl为间隙补偿量，Q为切割坡度。
请参阅图4与图5，五轴水刀在切割工件时总存在一个切割坡度，而所述切割坡度与切割间隙和z轴高度存在三角函数的关系，使得其间隙补偿量与z轴补偿量之间为正切关系，即可计算出z轴补偿量。
步骤103：控制所述五轴水刀以预设的切割路径来切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
请参见图6，相比于未经过间隙补偿切割出来的工件，如图1，经过调整z轴高度，对间隙进行补偿后，切割工件的拼花间隙更加的均匀，拼花的效果得到了提升。
请参见图7，本实施例提供的一种五轴水切割的间隙补偿装置，该装置包括：间隙补偿量计算模块201、z轴调整量计算模块202和控制模块203。
其中，间隙补偿量计算模块根据待切割工件的试切速度与间隙关系曲线，计算五轴水刀的切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得。
进一步地，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，建立所述试切速度与切割间隙关系曲线，其中所述试切工件与所述待切割工件的材料相同。
进一步地，参见图2，为所述试切速度与切割间隙关系曲线为：l＝f(v)，其中，l为切割间隙，v为试切速度。
优选地，在本实施例中，试切速度与切割间隙的关系曲线通过试切工件的方式得到，使用五种试切速度进行切割得到其对应的切割间隙，并对五组数据进行曲线拟合，最终得到所述关系曲线。
所述试切速度与切割间隙关系曲线l＝f(v)中的试切速度范围，应由五轴水刀设备实际切割工件材料所支持的最小可切割速度和最大可切割速度综合确定，各切割速度间步长相等。
进一步地，结合预设的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-f(vn)；其中v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。所述水刀切割时的当前速度根据当前切割路径曲率大小等因素而变化的。
z轴调整量计算模块根据所述切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量。
进一步地，根据所得到的切割间隙补偿量dl＝f(v0)-f(vn)，和切割工件时所需要的切割坡度，利用其存在的切割坡度关系：五轴水刀在切割工件时总存在一个切割坡度，而所述切割坡度与切割间隙和z轴高度存在三角函数的关系，使得其间隙补偿量与z轴补偿量之间为正切关系；即可计算出z轴补偿量dz＝dl/tan(Q)；其中dz为z轴调整量，dl为间隙补偿量，Q为切割坡度。
控制模块实现控制所述五轴水刀以预设切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
实施本发明实施例，具有如下效果：
本发明实施例提供了一种基于五轴水切割的间隙补偿方法，通过对工件试切得到的试切速度和切割间隙关系曲线，计算其间隙补偿量从而计算其z轴补偿量，控制调整z州的高度则能够得到够对五轴水刀切割作业进行切割间隙补偿，达到均匀切割的效果。解决五轴水刀切割速度的变化而引起的切割缝隙不均匀及其导致的拼花效果不理想的问题。本发明无需以较低切割速度来进行匀速切割，就达到均匀切割的目的，显然比现有技术的切割效率更高。
以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种五轴水切割的间隙补偿方法，其特征在于，包括：
根据待切割工件的试切速度与间隙关系曲线，计算五轴水刀的切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得；
根据所述切割间隙补偿量，结合待切割工件所需的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量；
控制所述五轴水刀以预设的切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
2.如权利要求1所述的一种五轴水切割的间隙补偿的方法，其特征在于，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：
控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，建立所述试切速度与切割间隙关系曲线；
其中，所述试切工件与所述待切割工件的材料相同。
3.如权利要求2所述的一种五轴水切割的间隙补偿的方法，其特征在于，所述试切速度与切割间隙关系曲线为：l＝f(v)；
其中，l为切割间隙，v为试切速度。
4.如权利要求3所述的一种五轴水切割的间隙补偿方法，其特征在于，所述根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量，具体为：
根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，由下式计算出切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-(vn)；
其中，v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。
5.如权利要求4所述的一种五轴水切割的间隙补偿方法，其特征在于，所述结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量，具体为：
根据五轴水刀进行作业的切割坡度，以及间隙补偿量和z轴调整量的关系，进而由下式计算出z轴调整量：dz＝dl/tan(Q)；
其中dz为z轴调整量，dl为间隙补偿量，Q为切割坡度。
6.如权利要求1至5任意一项所述的一种五轴水切割的间隙补偿的方法，其特征在于，所述待切割工件包括多个子工件，所述多个子工件包括至少两种材料类型；
每种材料类型的子工件分别对应一个试切速度与间隙的关系曲线。
7.一种五轴水切割的间隙补偿装置，其特征在于，包括：间隙补偿量计算模块、z轴调整量计算模块和控制模块；
其中，所述间隙补偿量计算模块用于根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算五轴水刀的切割间隙补偿量；其中，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得；
所述z轴调整量计算模块用于根据所述切割间隙补偿量，结合五轴水刀的切割坡度，计算所述五轴水刀的z轴调整量；
所述控制模块用于控制所述五轴水刀以预设的切割路径切割所述切割工件，并在切割过程中，根据所述z轴调整量，控制所述五轴水刀的z轴高度，以实现切割过程的间隙补偿。
8.如权利要求7所述的一种五轴水切割的间隙补偿装置，其特征在于，所述试切速度与间隙的关系曲线是所述五轴水刀经过工件试切后而计算获得，具体为：
控制所述五轴水刀的不同试切速度对试切工件进行试切，并记录不同试切速度对应产生的切割间隙，建立所述试切速度与切割间隙关系曲线；
其中，所述试切工件与所述待切割工件的材料相同。
9.如权利要求8所述的一种五轴水切割的间隙补偿装置，其特征在于，所述试切速度与切割间隙关系曲线为：l＝f(v)；
其中，l为切割间隙，v为试切速度。
10.如权利要求9所述的一种五轴水切割的间隙补偿装置，其特征在于，所述间隙补偿量计算模块用于根据待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，计算切割间隙补偿量，具体为：
根据所述待切割工件的试切速度与间隙的关系曲线，由下式计算出切割间隙补偿量：dl＝f(v0)-(vn)；
其中，v0为最小试切速度，vn为水刀切割时的当前速度。
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