面向回轉體石材數控加工的自動編程

麻娟 楚滿福 劉儼后

【摘 要】本文針對石材加工的特殊工藝，研究了回轉體石材的粗加工和半精加工自動編程技術，并基于此開發了回轉體石材數控加工的計算機輔助編程軟件，同時集成了加工過程仿真模塊，能夠驗證NC代碼的正確性，大大提高了數控編程的效率和質量。

【關鍵詞】石材加工；數控加工；自動編程；加工仿真

中圖分類號：TP311 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）18-0096-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.18.043

【Abstract】The processing of rough machining and semi-finishing of revolving body stone is studied， according to the particularity of stone machining. Based on the study of processing， the system of computer aided programming and simulation for the revolving body stone is mainly researched. This system integrates the NC code automatic generation module and numerically controlled machining simulation module， and this system is able to verify the pre-existing NC code. Thus greatly improves the efficiency and raises the quality.

【Key words】Stone machining； NC machining； Automatic programming； Machining simulation

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]。當今世界各國石材加工企業廣泛采用數控技術，以提高加工能力和加工水平，增強對市場的動態響應[2-3]。本文針對石材加工的特性，研究石材數控加工NC代碼的自動生成技術，并開發相應自動編程軟件。

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]。石材產品多用于建筑業和裝飾業，對于加工精度的要求并不像金屬加工那樣嚴格，本文針對回轉體石材（石球、石柱）的粗加工過程和半精加工過程進行自動編程技術的研究。

本文加工工藝是控制刀具在機床的軸平面內走一條二維曲線（石材型面的母線），同時機床工作臺旋轉，從而獲得回轉型面。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是為最后的拋光做準備。經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 總體方案設計

本文使用C++Builder 2010作為開發工具，在Windows XP以上操作軟件可運行。

考慮到石球、石柱是軸對稱的幾何體，用二維模型就可以進行詳盡描述，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，然后通過人機交互界面輸入幾何信息，軟件功能包括：（1）加工工藝參數的添加、修改和刪除功能，設定常用石料的默認加工工藝參數；（2）自動生成石柱、石球、石座、石帽等回轉體的粗加工，半精加工的NC代碼，加工直徑范圍200～2000mm；（3）能夠進行加工過程的模擬仿真，對NC代碼進行驗證；（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體，它們主要是由一條母線沿著其圓導線生成的。所以將石柱進行分段處理，各段只有單一的體素，然后采用體素法進行石柱幾何形狀的描述[5]。基本體素主要包括：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、工藝參數等工藝信息，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，供人機交互輸入各體素幾何參數，軟件自動累計體素數目。各基本體素都提供出錯處理部分，供人機交互修改。最終軟件會自動生成結構示意圖并進行圖紙顯示，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成的形狀。在進行NC代碼生成、圖形顯示和加工模擬時用各自相應的程序分別進行處理。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，用戶在人機交互界面輸入的信息儲存在程序設定的幾個形狀特征數組中：

（1）兩個數組來儲存石柱各段首尾坐標參數，兩個數組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值。

（2）一個數組儲存石柱各段的形狀參數，數組A[]儲存石柱各段的形狀參數：直線段時，數組賦值-1；凹圓弧段時，數組賦值0；凸圓弧段時，數組賦值1。

（3）一個數組儲存石柱各段的半徑值，數組R[]儲存石柱各段的半徑。如果是直線線段（即形狀參數為-1）時，則數組取默認值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。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點，只需將每段輪廓的形狀和尺寸參數輸入，然后依據數控編程原則編程。

3.3 加工過程仿真

本軟件的加工仿真的優勢在于，不占用機床的使用時間，在自動編程的同時采用計算機來模擬NC代碼可以大大提高數控設備的使用率。

通過對NC代碼字符串進行分析，依據不同的G功能字將程序段劃分子段；然后根據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組；最后根據各個數組提供的形狀參數重生成零件圖，并以圖形方式進行加工過程仿真。

4 總結

（1）本軟件以回轉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行自動數控編程。根據設計要求，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，通過人機交互界面與操作者進行互動。

（3）軟件能對自動生成的NC代碼進行加工過程的模擬仿真，也可以對外部導入的NC代碼進行仿真。NC代碼輸出如圖4所示。

【參考文獻】

[1]張進生，張旭強，王志.面向異型石材加工的開放式數控軟件開發[J].機床與液壓，2003（3）：218-219.

[2]王炳源.石材加工機械的現狀及發展[J].石材，2004（1）：21-24.

[3]王晶，黃身桂，黃輝，等.CAM在石材數控雕刻中的應用[J].制造業自動化，2018（1）：95-102.

[4]屈娟.切割石材用鋸片的滲透檢測方法探究[J].科技視界，2013（10）：125-126.

[5]方憶湘，楊鐵男，孫輝輝，等.基于造型歷史過程的零件三坐標測量信息獲取[J].現代制造工程，2014（4）：7-12.