喻聲頻 古文偉 黃 河

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川宜賓 644003

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線切割加工碼后處理算法研究

喻聲頻 古文偉 黃 河

宜賓職業(yè)技術(shù)學(xué)院 四川宜賓 644003

通過(guò)對(duì)線切割加工碼數(shù)據(jù)的分析，總結(jié)出一種多次加工碼生成的方法，并提出了快速進(jìn)行工件內(nèi)外切割的判斷方法和對(duì)定義對(duì)于平面集上直線和圓弧的偏移算法以及支撐余量的變換方法。

線切割；后處理；多邊形；偏移

數(shù)控電火花加工是利用電腐蝕作用原理，對(duì)金屬工件進(jìn)行加工的一種工藝方法。電火花加工形式很多，其中電火花成形加工(簡(jiǎn)稱電火花加工)和電火花線切割加工(簡(jiǎn)稱線切割加工)的應(yīng)用最為廣泛。目前線切割加工采用的編碼一般采用G代碼或3B代碼，其中3B代碼為我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的程序格式，其針對(duì)性強(qiáng)，通俗易懂，為我國(guó)絕大多數(shù)快走絲線切割機(jī)床生產(chǎn)廠家采用。

當(dāng)前線切割加工趨于經(jīng)多次切割而獲得較高精度表面，且第一次加工時(shí)，加工速度較低，放電波形穩(wěn)定，每個(gè)加工脈沖放電能量基本穩(wěn)定，在后續(xù)加工時(shí)能降低表面粗糙度值，在多次加工中根據(jù)加工次數(shù)選擇不同的電參數(shù)和走絲速度，從而達(dá)到多次加工、提高加工精度的目的。在此加工過(guò)程中根據(jù)加工件是凸?；虬寄６x擇不同的切割方法。目前有兩種方法，即往復(fù)切割與重復(fù)切割法。往復(fù)切割是在加工一件凸?；虬寄r(shí)，先設(shè)定工件某一段暫不切割，作為支撐臂，然后讓電極絲在設(shè)定的起切點(diǎn)和返回點(diǎn)之間往復(fù)切割，每切一次都可按設(shè)定的偏移量進(jìn)行偏移，一直達(dá)到加工要求的尺寸。重復(fù)切割法則是不留支撐臂，電極絲按一個(gè)方向?qū)ぜM(jìn)行加工。這就要求對(duì)線切割加工碼進(jìn)行相應(yīng)的后處理以滿足不同切割的需要。

線切割一次加工碼的后處理首先是對(duì)加工碼的分析，得出穿絲孔位置、加工形式、加工方向等信息，按實(shí)際加工的需要設(shè)置加工次數(shù)、分配每次加工量、設(shè)計(jì)支撐余量、加特定控制參數(shù)，生成多次處理加工碼。其中加工形式判斷、加工碼的偏移、支撐余量的處理是關(guān)鍵性問(wèn)題。本文側(cè)重研究如何有效利用原有一次加工碼，按往復(fù)切割與重復(fù)切割法對(duì)其進(jìn)行變換，自動(dòng)分析與處理該碼并生成合格的多次加工碼的方法與步驟，重點(diǎn)探討了原有加工碼的內(nèi)外加工識(shí)別、對(duì)象偏移、支撐處理方法。通過(guò)此研究開(kāi)發(fā)出了一套通用的一次加工碼后處理軟件，并已投入使用。

1 內(nèi)外加工判斷

對(duì)于一次加工3B代碼(見(jiàn)表1)，其有穿絲孔位置和引線，對(duì)凸?；虬寄Ｒ话愣即嬖?。在一般情況下，作為通用的判斷方法，單通過(guò)加工碼無(wú)法事前知道工件的形狀，工件邊界的構(gòu)成是直線、圓弧或曲線，或者說(shuō)工件的構(gòu)成是由曲線所圍成的封閉區(qū)域。內(nèi)外加工判斷依據(jù)為穿絲孔位置是在該封閉區(qū)域之內(nèi)還是之外。對(duì)于點(diǎn)與多邊形的關(guān)系問(wèn)題現(xiàn)已提出了很多判斷方法。針對(duì)多邊形或多邊形與圓弧或圓弧所圍成的區(qū)域進(jìn)行判斷點(diǎn)與其位置關(guān)系問(wèn)題，提出一種簡(jiǎn)潔、快速的判斷方法。

表1 線切割3B文件代碼

設(shè)穿絲位置點(diǎn)為P0(X0，Y0)，如果加工工件區(qū)域?yàn)槎噙呅危瑒t可定義其頂點(diǎn)為P1(X1，Y1)，P2(X2，Y2) ，…，PN(XN，YN)及多邊形的各邊P1P2，P2P3，…，PNP1。并構(gòu)造線段P0Pi，其中Pi為臨時(shí)二維點(diǎn)，即Pi(X，Y)。

根據(jù)射線交叉法，如果線段P0Pi與上述多邊形的邊分別相交，如果有偶數(shù)個(gè)交點(diǎn)，則說(shuō)明穿絲點(diǎn)在多邊形外，如果有奇數(shù)個(gè)交點(diǎn)則說(shuō)明穿絲點(diǎn)在多邊形內(nèi)。

過(guò)穿絲點(diǎn)P0作射線P0Pi，選擇多邊形中頂點(diǎn)Pi，判斷線段P0Pi與線段P1P2，P2P3，…，PNP1是否有交點(diǎn)。由于Pi是多邊形上的點(diǎn)，所以P0Pi在與多邊形求交的過(guò)程中已與線段PiPi+1有一個(gè)交點(diǎn)了(取一條線的一端點(diǎn))，則只要求與其他線段是否有交即可，如果有交點(diǎn)數(shù)目和為奇數(shù)，則說(shuō)明穿絲點(diǎn)P0在內(nèi)部，在進(jìn)行后處理時(shí)，無(wú)論是幾次加工，鉬絲都向內(nèi)部偏移；反之，則只能向外進(jìn)行偏移。所以問(wèn)題的關(guān)鍵是判斷兩線段是否有交點(diǎn)。

設(shè)PmPl為構(gòu)成多邊形中的一段，P0Pi為過(guò)穿絲點(diǎn)P0所作的線段，假如線段PmPl和線段P0Pi所在直線相交，交點(diǎn)為Pk(Xk，Yk)，如果兩線段是延長(zhǎng)相交〔如圖1(a)所示〕，Pk則為虛交點(diǎn)，則∣Xk∣＜∣X0∣和∣Xi∣，或者∣Xk∣＞∣X0∣和∣Xi∣ ；如果兩線段是實(shí)相交〔如圖1(b)所示〕，Pk則為實(shí)交點(diǎn)，則∣X0∣＞∣Xk∣＞∣Xi∣，或者∣X0∣＜∣Xk∣＜∣Xi∣。只要判斷Pk與 P0和Pi的坐標(biāo)位置關(guān)系就可判斷兩線段是相交還是不相交。對(duì)于直線處于特殊位置則更易判斷是否相交。

圖1 兩線段相交判斷

綜上所述，遍列 P1P2，P2P3…，PNP1各邊，得出實(shí)相交點(diǎn)數(shù)目，即可判斷內(nèi)外加工的類型。前面主要論述了工件是多邊形的情況，如果工件的邊中含有圓弧則可利用將圓弧分解為折線的方法構(gòu)建新的多邊形，按上述方法同樣可以判斷出穿絲點(diǎn)在其內(nèi)部還是外部。

2 加工碼的偏移算法

2.1 直線圓弧的偏移算法

在線切割加工碼中只有兩類線型：直線和圓弧。直線是通過(guò)方向和終點(diǎn)來(lái)定義的，而圓弧則是終點(diǎn)、起點(diǎn)相對(duì)圓心的坐標(biāo)值、計(jì)數(shù)長(zhǎng)度和加工碼來(lái)定義的。對(duì)于單段直線的偏移是其起點(diǎn)和終點(diǎn)垂直于加工方向(與原直線平行)在上述多邊形外側(cè)或內(nèi)側(cè)偏移δmm(偏移量)得到；對(duì)于單段圓弧是其起點(diǎn)和終點(diǎn)沿著徑向向內(nèi)或外側(cè)偏移δmm(偏移量)得到(如圖2所示)。

圖2 直線和圓弧外偏移

在圖2中，直線偏移的結(jié)果是與其等長(zhǎng)且平行的線段，圓弧偏移后也是圓弧，該圓弧是原圓弧的同心圓弧，起點(diǎn)和終點(diǎn)、圓心、原起點(diǎn)和終點(diǎn)同線。這樣偏移的結(jié)果會(huì)造成如圖2所示的加工掉段現(xiàn)象，也可能出現(xiàn)圖3所示直線與直線、圓弧與直線、圓弧與圓弧偏移后相交的情況，為解決此問(wèn)題則需對(duì)其進(jìn)行補(bǔ)線處理或截線求交點(diǎn)處理(如圖4所示)。對(duì)于補(bǔ)線的情況，一般采用補(bǔ)直線的方法；對(duì)偏移后相交則求出偏移后兩線段的交點(diǎn)，以該交點(diǎn)代代替偏移后的兩個(gè)交點(diǎn)。對(duì)于補(bǔ)線在進(jìn)行逐條線段偏移過(guò)程中應(yīng)進(jìn)行排序處理，以避免加工順序混亂。

圖3 直線和圓弧內(nèi)偏移

圖4 補(bǔ)線與截線處理

2.2 偏移次數(shù)的奇偶性

當(dāng)偏移次數(shù)等于1時(shí)，產(chǎn)生的偏移碼與原碼一致，沒(méi)有發(fā)生變化；當(dāng)偏移次數(shù)大于等于2，加工次數(shù)為偶數(shù)時(shí)，加工偏移對(duì)象與原加工碼順序相反；加工次數(shù)為奇數(shù)時(shí)，加工偏移對(duì)象與原加工碼順序一致。如圖5所示，當(dāng)偏移次數(shù)為奇數(shù)時(shí)，偏移順序由“指令1”開(kāi)始，到“指令N”結(jié)束；在進(jìn)行下一次偏移時(shí)，偏移次數(shù)為偶數(shù)，偏移順序由“指令N”到“指令1”結(jié)束。

圖5 偏移次數(shù)奇偶性

對(duì)于不需支撐余量的多次加工碼變換，按原加工順序進(jìn)行偏移變換，順序由“指令1”“指令2”“指令3”……“指令N”，又從“指令1”開(kāi)始，此時(shí)加工偏移對(duì)象與原加工碼順序一致(重復(fù)切割)；對(duì)于有支撐余量的多次加工碼變換，支撐余量寬度應(yīng)從“指令N”開(kāi)始，按所需長(zhǎng)度量從“指令N”截取，若“指令N”所代表線段長(zhǎng)度不夠，則應(yīng)從“指令N-1”進(jìn)行累截，直到所截長(zhǎng)度與支撐寬度相等為止。奇次變換結(jié)束部分不再是“指令N”所在位置了，而應(yīng)在被截線段位置開(kāi)始作為起點(diǎn)進(jìn)行偶次指令偏移變換(如圖6所示)。

圖6 支撐余量對(duì)偏移變換位置的影響

2.3 支撐余量處理

對(duì)于有支撐余量的多次變換，在進(jìn)行變換以后還需要對(duì)支撐部分〔圖7(a)中虛線所在位置〕進(jìn)行多次切割。切割順序應(yīng)根據(jù)變換的次數(shù)和余量構(gòu)成進(jìn)行，圖7中所示是進(jìn)行4次切割加工變換，4次加工完成后，鉬絲在如圖7(b)所示“進(jìn)行支撐余量切割”位置，處理時(shí)應(yīng)對(duì)支撐部位絲轉(zhuǎn)折點(diǎn)進(jìn)行位置確定，并按圖示序號(hào)進(jìn)行多次切割。如果切割次數(shù)是奇數(shù)，“進(jìn)行支撐余量切割”位置應(yīng)在右則，加工方向應(yīng)與圖示相反。

圖7 支撐余量處理

3 結(jié)束語(yǔ)

線切割一次加工碼的構(gòu)成較簡(jiǎn)單，但是對(duì)其進(jìn)行多次加工變換涉及的問(wèn)題相對(duì)較多，除應(yīng)注意本文所述變換的關(guān)鍵要素之外，還應(yīng)注意加工方向、過(guò)切保護(hù)、支撐余量跨線段多次變換等問(wèn)題，本文所述設(shè)計(jì)思路與相應(yīng)解決方法已在實(shí)際工程中得以應(yīng)用，并開(kāi)發(fā)出了一套有效的變換軟件，變換結(jié)果如圖8所示。

圖8 一次加工碼變多次加工碼

[1] 劉潤(rùn)濤.一種簡(jiǎn)單多邊形凸包的新線性算法[J].工程圖學(xué)學(xué)報(bào),2008,2:89-92.

[2] 鄧建華,梁麗萍.高速走絲線切割機(jī)床多次切割技術(shù)[J].模具工業(yè),2006,32:11:58-66.

[3] 盛國(guó)成.數(shù)控編程加工軌跡的確定及算法實(shí)現(xiàn)[J].廣西輕工業(yè),2006,5:81-83.

Research algorithm of WEDM code post-processing

Yu Shengpin, Gu Wenwei, Huang He
Yibin vocational and technical college, Yibin, 644003, China

Based on analysis of WEDM code data, a new method is proposed to transform one code to multiple code, and put forward a method to judge the work inside and outside, and the line and arc in the def nition above the plane offset algorithm, and support part of the transformation method.

wire-cutting; post-process; polygon; offset

2011-05-26

喻聲頻，副教授。