一種極坐標數控玻璃磨邊系統

謝富珍，陳 萍

（新余學院 機械工程學院，新余 338004）

0 引言

玻璃加工業是一個比較傳統的行業。在玻璃深加工中玻璃磨邊是一個重要的工序，以前由于對玻璃輪廓的精度要求不是很高，往往采用手工磨邊的方法，隨著玻璃在國民生活中的大量應用，各種玻璃成品對輪廓的精度要求越來越嚴格，從而對玻璃加工裝備提出了比較高的要求，玻璃深加工裝備正經歷一個從手工磨削、靠模磨削到數控控制磨削的一個裝備全自動化改造過程。早期自動玻璃磨邊機采用PLC控制，后來，數控技術發展迅速，出現了數控玻璃磨邊機。數控玻璃磨邊機一般有兩類結構形式。一類是：玻璃不旋轉類磨邊機，該類磨邊機有兩個直線軸，玻璃一般用真空吸盤固定于工作臺不動，砂輪的中心軌跡由兩直線軸進給合成。另一類是：玻璃旋轉類磨邊機，該類磨邊機有一個旋轉軸和一個直線軸，玻璃用特定夾具固定于工作臺上，由旋轉軸帶動做旋轉運動，砂輪由直線軸帶動做直線進給，砂輪中心軌跡由直線軸和旋轉軸進給合成。本文從現有的裝備基礎和加工的特殊性，決定采用極坐標系統。

極坐標型磨邊機的刀具一般為磨削砂輪，磨輪在X軸做直線磨削運動，玻璃在C軸做旋轉運動。當玻璃的尖角旋轉到加工位置時，為避免尖角被磨掉，在控制加工時往往需要進行刀補過渡處理。由于存在旋轉軸，刀具中心軌跡的過渡方式有所不同。在討論過渡方式之前，需要引入矢量夾角的概念。通常把兩微直線段在非加工側的夾角稱為矢量夾角。為了減少磨輪的空行程。需要確定刀補過渡的不同形式的角度范圍，在直角坐標型銑床上，刀補過渡的臨界角一般位于象限軸上。在極坐標型磨邊機中，磨輪只做直線運動，刀補過渡臨界角并不能簡單地沿用直角坐標型銑床的規律。

1 極坐標磨邊系統的硬件設計

本極坐標磨邊機主要由數控系統和機械執行系統兩部分組成，通過數控裝置的精確控制達到加工合格玻璃的目的。

1.1 機械執行系統

本數控玻璃磨邊機的機床有三個軸，一個旋轉軸C軸，兩個直線軸，分別為X軸和Z軸。玻璃的磨削過程主要通過C軸、X軸和聯動完成，Z軸作為輔助軸便于磨削玻璃的倒角。機床運動功能如圖1所示。

加工時，玻璃用氣動控制的膠木夾具裝夾在C軸上。手工輸入C軸旋轉中心的機床坐標，循環啟動后，C軸帶動玻璃自動旋轉，磨輪在轉動的同時在X軸方向作直線運動靠近玻璃。在起刀點處，磨輪接觸玻璃，系統調用數控加工G代碼開始磨削玻璃。

玻璃在Z軸方向磨削倒角的工藝流程如圖2如示。

磨輪進給磨削玻璃外輪廓，整個過程C軸與X軸聯動3.5圈，在Z軸方向玻璃從左邊向右邊移動；外輪廓磨削完畢后，C軸與X軸繼續聯動0.25圈，同時玻璃在Z軸方向移動至磨左倒角位置，此時玻璃在Z方向不再移動，C軸與X軸聯動1.25圈，倒玻璃右邊的倒角；接著C軸與X軸繼續聯動0.75圈，同時玻璃在Z方向從右向左快速移動到磨右倒角位置，此時C軸與X軸聯動1.25圈，倒玻璃左邊的倒角。（倒角的大小由玻璃在Z方向左右移動的位置決定，倒角角度由磨輪的成型角決定。）C軸與X軸聯動7圈完成一個工作周期，磨削完成后，磨輪與玻璃分開，各軸返回初始加工位置。

1.2 數控系統

本文的極坐標型數控玻璃磨邊機的數控系統采用華中數控公司的華中世紀星數控系統。“世紀星”HNC-21系列數控裝置（HNC-21T、HNC-21M）采用先進的開放式體系結構，內置嵌入式工業PC機，高性能32位中央處理器，配置7.5”彩色液晶顯示屏和標準機床工程面板，集成進給軸接口、主軸接口、手持單元接口、內嵌式PLC接口、遠程I/O板接口于一體。世紀星系統還可以支持硬盤、電子盤等程序存儲方式以及軟驅、DNC、以太網等程序交換功能，主要適用于數控車、銑床和加工中心的控制。具有高性能、配置靈活、結構緊湊、易于使用、可靠性高的特點。在華中世紀星系統基礎上，進行二次開發對磨邊機機械系統進行控制加工的軟件系統。

用戶設定好待加工的起始參數，并將CAD生成的DXF格式文件拷貝至華中數控系統的PROG目錄下，經過用戶操作華中數控系統軟交互接口，最終生成控制磨削的G代碼文件。

2 極坐標磨邊系統的軟件設計

數控玻璃磨邊機的軟件系統集成了CAD/CAM，軟件系統可以根據讀取包含CAD圖形的DXF文件，并生成包含一系列擬合曲線的多微直線段離散點列文件，點列文件進行后置處理就生成了用于加工的數控G代碼文件。

整個過程大概主要包括如下七個部分：

1）讀取CAD的DXF格式文件，提取玻璃輪廓的幾何特征。

2）幾何特征的順序化及到工件直角坐標系的轉換。

3）幾何特征的離散，生成離散點列文件。

4）讀取點列文件進行后置處理，生成在邏輯直角坐標系中磨輪的刀位加工軌跡。

5）根據磨輪刀位加工軌跡計算機床C、X軸瞬時聯動增量。

6）Z軸聯動增量處理及磨輪速度計算。

7）生成加工G代碼程序。

數控軟件系統通過讀取DXF文件的實體段中的圖形信息獲得的玻璃輪廓信息是散亂的。因此，有必要對圖元進行就幾何特征的順序化。所謂圖元特征順序化就是對散亂的繪圖圖元重新排序，使之成順時針或者逆時針的統一走向。排序后的CAD圖形圖元信息以順時針順序記錄。對于排序的過程，由于C軸旋轉中心一般都在玻璃上，因此主要可以通過兩個步驟來進行：第一步，轉換起始點，通過判斷起始點的象限角度來調整所有圖元走向為順時針或者逆時針。第二步，一般把CAD軟件存儲的第一個圖元作為起始圖元，從第一個圖元起，順次讀取存儲圖元并判斷與第一個圖元的起始點是否銜接，一旦得到銜接圖元就停止讀取，將剛得到的銜接圖元作為第二個圖元存儲，然后依次循環第二步操作，直到結束。讀取后的圖形信息仍然是基于CAD坐標系統的，出于實際加工的需要，必須將獲取的CAD坐標系中玻璃輪廓坐標信息轉換為實際加工中工件坐標系中的坐標。

3 加工實驗及結果分析

如圖3所示為一相機的玻璃顯示屏幕的CAD圖形，該玻璃輪廓由三個大圓弧邊，四個圓角和一條直線邊組成，圖形保存為DXF格式文件。

要加工該相機玻璃，需要經過以下幾個步驟：

1）在CAD軟件中繪制該圖形，并保存為DXF格式文件；

2）在華中數控系統中用戶先在磨削參數菜單中設定合適的參數后，點選菜單DXF文件離散，在DXF文件列表中選取該文件，回車生成G代碼；

3）在世紀星數控系統下，點選圖象顯示菜單，可以得到磨輪中心軌跡仿真；

4）校正無誤后，按下循環啟動按鈕，數控機床自動控制機械系統進行玻璃的磨削，加工的玻璃成品如圖4所示。

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