[发明专利]一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法

权利要求书

1.一种圆盘锯粗加工三维异型石材的锯切方法，包括：

步骤1，获取加工目标图形表面点云数据信息

从STL文件中获得加工目标图形表面点云数据，包括表面数据点的三维坐标，存为点集P_objs＝{P_objs1,P_objs2,...,P_objsn}；

步骤2，处理加工目标图形表面数据点

因STL文件以三角面片形式存储数据，表面数据点集P_objs存在重复冗余数据点，通过循环搜索去掉点集P_objs中重复冗余的数据点，得到处理后的表面数据点集P_obj＝{P_obj1,P_obj2,...,P_objm}，完成数据处理；

步骤3，给定初始毛坯工件

根据加工目标图形尺寸，给定适当的初始毛坯工件，所述初始毛坯工件的长度为L_x，宽度为L_y，厚度为L_z；

步骤4，表示凸多面体

粗加工过程中工件的动态凸多面体模型采用多面体的三维建模方法描述，所述三维建模方法为边界表示法B-rep，具体为用点、线和面来描述多面体模型的基本信息；其中顶点集和边界面集相关定义如下：

顶点集P_bp：凸多面体工件H所有的顶点构成顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp1,...,P_bpk}；

边界面集F(H)：凸多面体工件H所有的边界面构成边界面集F(H)，边界面集F(H)界定实体的边界，确定实体空间范围，边界面由其平面方程和边界顶点唯一确定；

按照体-边界面-顶点的层次，描述构成实体的几何元素的信息以及其相互之间的拓扑关系，并构建顶点表和边界面表；

步骤5，采用最大材料去除深度搜索算法计算圆盘锯锯切平面

为获取最大材料去除深度锯切平面，取工件顶点集P_bp＝{P_bp1,P_bp2,...,P_bpk}到加工目标图形表面数据点集P_obj的最短距离集合为D＝{D₁,D₂,...,D_k}，获取其中最大值D_max，对应得到目标图形表面数据点P_ci及工件顶点P_outi，构成矢量以其作为锯切平面的正法向量，反之，为负法向量；P_ci为锯切平面上的一点，得到锯切平面π_ci，锯切平面π_ci的平面方程表示为：

A_c·x+B_c·y+C_c·z+D_c＝0 (1)

其中，A_c、B_c、C_c、D_c为锯切平面方程系数；

对于D_max存在多个相同值的情况，分别得到其对应目标图形表面数据点的P_cj、工件顶点P_outj、锯切平面π_cj及其平面方程，从而得到锯切平面集π_c＝{π_ci,π_cj}，用以逐次锯切；

步骤6，更新锯切过程中凸多面体工件

自动化粗加工锯切过程中，工件由初始毛坯工件动态变化为凸多面体工件，每次锯切的凸多面体工件模型的顶点及边界面更新如下：

61)获取工件切除部分顶点P_bpout：

将所有工件顶点P_bp带入锯切平面方程，采用二叉空间分割算法，如下：

如果f0，则该工件顶点判断为工件被锯切去除部分的顶点P_bpout；否则，该工件顶点判断为工件剩余顶点；

62)计算锯切平面与工件的交点：利用P_bpout结合步骤4构建的顶点表和边界面表搜索得到求交平面集π_out；π_out为P_bpout所在工件边界面的集合，将π_out中所有相邻的两个边界面分别与锯切平面π_c求交，如下：

其中，A_T1、B_T1、C_T1、D_T1，A_T2、B_T2、C_T2、D_T2分别为π_out中两个相邻边界面的平面方程系数；

求解方程(3)，判断其解是否在工件边界约束之内，满足约束的解即为锯切平面与工件的交点，并存入交点集P_new；

63)更新数据结构：利用交点集P_new更新工件顶点集合P_bp，并去掉其中被锯切去除部分的工件顶点P_bpout；将锯切平面π_c更新到工件的边界面集F(H)，根据边界表示法的规则，实现工件动态凸多面体表示；

步骤7，锯切加工

设置合适的圆盘锯直径按步骤5所得锯切平面设置圆盘锯姿态，由交点集P_new寻找z坐标最大的交点P_newm作为下刀点P_cp；若同时存在两个交点有相同的最大z坐标P_new1(x_new1,y_new1,z_new1)和P_new2(x_new2,y_new2,z_new2)，则取其两交点连线的中点P_mean((x_new1+x_new2)/2,(y_new1+y_new2)/2,z_new)作为下刀点P_cp，实现锯切，并计算每次锯切的锯切深度d_i；

步骤8，计算材料去除量与锯切时间

计算圆盘锯每次锯切去除的工件材料体积，采用凸包顶点算法计算其体积，进而得到总材料去除量dH；

计算完成一定精度粗加工时的锯切时间T_w，如下：

T_w＝d/v_a (4)

其中，d表示完成粗加工时的总锯切深度，v_a表示锯切进给速度；

d的获取方式如下：

其中，k表示完成粗加工过程的锯切次数。