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石材數(shù)控加工的自動編程論文
【摘要】本文針對石材加工的特殊工藝，研究了回轉(zhuǎn)體石材的粗加工和半精加工自動編程技術(shù)，并基于此開發(fā)了回轉(zhuǎn)體石材數(shù)控加工的計算機(jī)輔助編程軟件，同時集成了加工過程仿真模塊，能夠驗證NC代碼的正確性，大大提高了數(shù)控編程的效率和質(zhì)量。
【關(guān)鍵詞】石材加工；數(shù)控加工；自動編程；加工仿真
石材是一種典型的硬度高、脆性大的難加工材料，可加工性十分特殊[1]。當(dāng)今世界各國石材加工企業(yè)廣泛采用數(shù)控技術(shù)，以提高加工能力和加工水平，增強(qiáng)對市場的動態(tài)響應(yīng)[2-3]。本文針對石材加工的特性，研究石材數(shù)控加工NC代碼的自動生成技術(shù)，并開發(fā)相應(yīng)自動編程軟件。
1加工工藝分析
與一般的金屬切削加工相比，石材有著高強(qiáng)度、高硬度和脆性大的特性，而且一般石材加工余量比較大。這些特點決定了石材的加工工藝與金屬加工工藝存在差異，石材加工工具以金剛石工具為主[6]。石材產(chǎn)品多用于建筑業(yè)和裝飾業(yè)，對于加工精度的要求并不像金屬加工那樣嚴(yán)格，本文針對回轉(zhuǎn)體石材（石球、石柱）的粗加工過程和半精加工過程進(jìn)行自動編程技術(shù)的研究。本文加工工藝是控制刀具在機(jī)床的軸平面內(nèi)走一條二維曲線（石材型面的母線），同時機(jī)床工作臺旋轉(zhuǎn)，從而獲得回轉(zhuǎn)型面。整個加工過程包括：（1）鋸片粗加工，毛坯切片；（2）將多余的片狀石片去除；（3）砂輪半精加工，磨削粗加工后的表面；（4）獲得成品。加工過程如圖1所示。粗加工工藝采用鋸片加工[4]。考慮到鋸片厚度較小，如果多余的部分全用鋸片切除，勢必會增加加工時間、降低效率，且加劇磨損，降低鋸片的使用壽命。而且石材是一種脆性材料，粗加工后的片狀部分容易斷裂去除。在半精加工階段主要的任務(wù)是為最后的拋光做準(zhǔn)備。經(jīng)粗加工后的石材表面呈一些階梯形狀，這是由于將粗加工殘留切片去除后所形成的。半精加工是利用砂輪磨削，沿著外型面的母線輪廓將多余的部分去除。
2總體方案設(shè)計
本文使用C++Builder2010作為開發(fā)工具，在WindowsXP以上操作軟件可運行�？紤]到石球、石柱是軸對稱的幾何體，用二維模型就可以進(jìn)行詳盡描述，本文采用體素法來描述加工對象，將待加工石材的外型面分解為常見的幾何要素，然后通過人機(jī)交互界面輸入幾何信息，軟件功能包括：（1）加工工藝參數(shù)的添加、修改和刪除功能，設(shè)定常用石料的默認(rèn)加工工藝參數(shù)；（2）自動生成石柱、石球、石座、石帽等回轉(zhuǎn)體的粗加工，半精加工的NC代碼，加工直徑范圍200～2000mm；（3）能夠進(jìn)行加工過程的模擬仿真，對NC代碼進(jìn)行驗證；（4）允許打印輸出，屏幕顯示NC代碼，并以文本格式輸出；（5）有完備的幫助功能。軟件流程如圖2所示。
3主要功能模塊
3.1工件信息和刀具參數(shù)輸入
一般石柱上各段形狀都是各不像同的，其中最為常見的是一些回轉(zhuǎn)體，它們主要是由一條母線沿著其圓導(dǎo)線生成的。所以將石柱進(jìn)行分段處理，各段只有單一的體素，然后采用體素法進(jìn)行石柱幾何形狀的描述[5]�；倔w素主要包括：圓柱體、錐體、鼓形體、鞍形體等。工藝信息輸入提供了一個交互式用戶界面來輸入刀具參數(shù)、工藝參數(shù)等工藝信息，并通過工藝決策自動確定加工過程，形成工藝信息文件。在用戶輸入工藝信息并確認(rèn)完成以后，軟件自動由石材頂部開始顯示各段體素的輸入窗體，供人機(jī)交互輸入各體素幾何參數(shù)，軟件自動累計體素數(shù)目。各基本體素都提供出錯處理部分，供人機(jī)交互修改。最終軟件會自動生成結(jié)構(gòu)示意圖并進(jìn)行圖紙顯示，校核石材型面信息正確性。
3.2自動生成NC代碼
軟件采用石柱分段的方法，將石柱分成只有一種曲線構(gòu)成的形狀。在進(jìn)行NC代碼生成、圖形顯示和加工模擬時用各自相應(yīng)的程序分別進(jìn)行處理。采用這種分段處理的方法時，石柱各段都有其各自的形狀特征，在石材及刀具信息輸入模塊，用戶在人機(jī)交互界面輸入的信息儲存在程序設(shè)定的幾個形狀特征數(shù)組中：（1）兩個數(shù)組來儲存石柱各段首尾坐標(biāo)參數(shù)，兩個數(shù)組X[]Y[]，X[i]Y[i]和X[i+1]Y[i+1]分別儲存石柱母線各段首尾坐標(biāo)值。（2）一個數(shù)組儲存石柱各段的形狀參數(shù)，數(shù)組A[]儲存石柱各段的形狀參數(shù)：直線段時，數(shù)組賦值-1；凹圓弧段時，數(shù)組賦值0；凸圓弧段時，數(shù)組賦值1。（3）一個數(shù)組儲存石柱各段的半徑值，數(shù)組R[]儲存石柱各段的半徑。如果是直線線段（即形狀參數(shù)為-1）時，則數(shù)組取默認(rèn)值0。粗加工代碼生成部分的程序流程為：切入、停留（保證石柱自轉(zhuǎn)一圈）、退出、鋸片走一個步長。粗加工NC代碼的生成就是這個流程的循環(huán)。而半精加工NC代碼的生成無需像粗加工那樣計算母線上的節(jié)點，只需將每段輪廓的形狀和尺寸參數(shù)輸入，然后依據(jù)數(shù)控編程原則編程。
3.3加工過程仿真
本軟件的加工仿真的優(yōu)勢在于，不占用機(jī)床的使用時間，在自動編程的同時采用計算機(jī)來模擬NC代碼可以大大提高數(shù)控設(shè)備的使用率。通過對NC代碼字符串進(jìn)行分析，依據(jù)不同的G功能字將程序段劃分子段；然后根據(jù)程序子段提取各段石柱的特征，把其值賦給軟件中定義的幾個形狀特征數(shù)組；最后根據(jù)各個數(shù)組提供的形狀參數(shù)重生成零件圖，并以圖形方式進(jìn)行加工過程仿真。
4總結(jié)
�。�1）本軟件以回轉(zhuǎn)體石材為主要加工對象，能對石材二維異型曲面的鋸切粗加工和砂輪磨削半精加工進(jìn)行自動數(shù)控編程。根據(jù)設(shè)計要求，加工石柱的最大直徑范圍200～2000mm，主界面如圖3所示。（2）本軟件在輸入石材幾何信息時采用體素法描述，通過人機(jī)交互界面與操作者進(jìn)行互動。（3）軟件能對自動生成的NC代碼進(jìn)行加工過程的模擬仿真，也可以對外部導(dǎo)入的NC代碼進(jìn)行仿真。NC代碼輸出如圖4所示。
【參考文獻(xiàn)】
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