一种极坐标数控玻璃磨边系统

谢富珍，陈 萍

（新余学院 机械工程学院，新余 338004）

0 引言

玻璃加工业是一个比较传统的行业。在玻璃深加工中玻璃磨边是一个重要的工序，以前由于对玻璃轮廓的精度要求不是很高，往往采用手工磨边的方法，随着玻璃在国民生活中的大量应用，各种玻璃成品对轮廓的精度要求越来越严格，从而对玻璃加工装备提出了比较高的要求，玻璃深加工装备正经历一个从手工磨削、靠模磨削到数控控制磨削的一个装备全自动化改造过程。早期自动玻璃磨边机采用PLC控制，后来，数控技术发展迅速，出现了数控玻璃磨边机。数控玻璃磨边机一般有两类结构形式。一类是：玻璃不旋转类磨边机，该类磨边机有两个直线轴，玻璃一般用真空吸盘固定于工作台不动，砂轮的中心轨迹由两直线轴进给合成。另一类是：玻璃旋转类磨边机，该类磨边机有一个旋转轴和一个直线轴，玻璃用特定夹具固定于工作台上，由旋转轴带动做旋转运动，砂轮由直线轴带动做直线进给，砂轮中心轨迹由直线轴和旋转轴进给合成。本文从现有的装备基础和加工的特殊性，决定采用极坐标系统。

极坐标型磨边机的刀具一般为磨削砂轮，磨轮在X轴做直线磨削运动，玻璃在C轴做旋转运动。当玻璃的尖角旋转到加工位置时，为避免尖角被磨掉，在控制加工时往往需要进行刀补过渡处理。由于存在旋转轴，刀具中心轨迹的过渡方式有所不同。在讨论过渡方式之前，需要引入矢量夹角的概念。通常把两微直线段在非加工侧的夹角称为矢量夹角。为了减少磨轮的空行程。需要确定刀补过渡的不同形式的角度范围，在直角坐标型铣床上，刀补过渡的临界角一般位于象限轴上。在极坐标型磨边机中，磨轮只做直线运动，刀补过渡临界角并不能简单地沿用直角坐标型铣床的规律。

1 极坐标磨边系统的硬件设计

本极坐标磨边机主要由数控系统和机械执行系统两部分组成，通过数控装置的精确控制达到加工合格玻璃的目的。

1.1 机械执行系统

本数控玻璃磨边机的机床有三个轴，一个旋转轴C轴，两个直线轴，分别为X轴和Z轴。玻璃的磨削过程主要通过C轴、X轴和联动完成，Z轴作为辅助轴便于磨削玻璃的倒角。机床运动功能如图1所示。

加工时，玻璃用气动控制的胶木夹具装夹在C轴上。手工输入C轴旋转中心的机床坐标，循环启动后，C轴带动玻璃自动旋转，磨轮在转动的同时在X轴方向作直线运动靠近玻璃。在起刀点处，磨轮接触玻璃，系统调用数控加工G代码开始磨削玻璃。

玻璃在Z轴方向磨削倒角的工艺流程如图2如示。

磨轮进给磨削玻璃外轮廓，整个过程C轴与X轴联动3.5圈，在Z轴方向玻璃从左边向右边移动；外轮廓磨削完毕后，C轴与X轴继续联动0.25圈，同时玻璃在Z轴方向移动至磨左倒角位置，此时玻璃在Z方向不再移动，C轴与X轴联动1.25圈，倒玻璃右边的倒角；接着C轴与X轴继续联动0.75圈，同时玻璃在Z方向从右向左快速移动到磨右倒角位置，此时C轴与X轴联动1.25圈，倒玻璃左边的倒角。（倒角的大小由玻璃在Z方向左右移动的位置决定，倒角角度由磨轮的成型角决定。）C轴与X轴联动7圈完成一个工作周期，磨削完成后，磨轮与玻璃分开，各轴返回初始加工位置。

1.2 数控系统

本文的极坐标型数控玻璃磨边机的数控系统采用华中数控公司的华中世纪星数控系统。“世纪星”HNC-21系列数控装置（HNC-21T、HNC-21M）采用先进的开放式体系结构，内置嵌入式工业PC机，高性能32位中央处理器，配置7.5”彩色液晶显示屏和标准机床工程面板，集成进给轴接口、主轴接口、手持单元接口、内嵌式PLC接口、远程I/O板接口于一体。世纪星系统还可以支持硬盘、电子盘等程序存储方式以及软驱、DNC、以太网等程序交换功能，主要适用于数控车、铣床和加工中心的控制。具有高性能、配置灵活、结构紧凑、易于使用、可靠性高的特点。在华中世纪星系统基础上，进行二次开发对磨边机机械系统进行控制加工的软件系统。

用户设定好待加工的起始参数，并将CAD生成的DXF格式文件拷贝至华中数控系统的PROG目录下，经过用户操作华中数控系统软交互接口，最终生成控制磨削的G代码文件。

2 极坐标磨边系统的软件设计

数控玻璃磨边机的软件系统集成了CAD/CAM，软件系统可以根据读取包含CAD图形的DXF文件，并生成包含一系列拟合曲线的多微直线段离散点列文件，点列文件进行后置处理就生成了用于加工的数控G代码文件。

整个过程大概主要包括如下七个部分：

1）读取CAD的DXF格式文件，提取玻璃轮廓的几何特征。

2）几何特征的顺序化及到工件直角坐标系的转换。

3）几何特征的离散，生成离散点列文件。

4）读取点列文件进行后置处理，生成在逻辑直角坐标系中磨轮的刀位加工轨迹。

5）根据磨轮刀位加工轨迹计算机床C、X轴瞬时联动增量。

6）Z轴联动增量处理及磨轮速度计算。

7）生成加工G代码程序。

数控软件系统通过读取DXF文件的实体段中的图形信息获得的玻璃轮廓信息是散乱的。因此，有必要对图元进行就几何特征的顺序化。所谓图元特征顺序化就是对散乱的绘图图元重新排序，使之成顺时针或者逆时针的统一走向。排序后的CAD图形图元信息以顺时针顺序记录。对于排序的过程，由于C轴旋转中心一般都在玻璃上，因此主要可以通过两个步骤来进行：第一步，转换起始点，通过判断起始点的象限角度来调整所有图元走向为顺时针或者逆时针。第二步，一般把CAD软件存储的第一个图元作为起始图元，从第一个图元起，顺次读取存储图元并判断与第一个图元的起始点是否衔接，一旦得到衔接图元就停止读取，将刚得到的衔接图元作为第二个图元存储，然后依次循环第二步操作，直到结束。读取后的图形信息仍然是基于CAD坐标系统的，出于实际加工的需要，必须将获取的CAD坐标系中玻璃轮廓坐标信息转换为实际加工中工件坐标系中的坐标。

3 加工实验及结果分析

如图3所示为一相机的玻璃显示屏幕的CAD图形，该玻璃轮廓由三个大圆弧边，四个圆角和一条直线边组成，图形保存为DXF格式文件。

要加工该相机玻璃，需要经过以下几个步骤：

1）在CAD软件中绘制该图形，并保存为DXF格式文件；

2）在华中数控系统中用户先在磨削参数菜单中设定合适的参数后，点选菜单DXF文件离散，在DXF文件列表中选取该文件，回车生成G代码；

3）在世纪星数控系统下，点选图象显示菜单，可以得到磨轮中心轨迹仿真；

4）校正无误后，按下循环启动按钮，数控机床自动控制机械系统进行玻璃的磨削，加工的玻璃成品如图4所示。

[1] 蔡小林,周会成,陈吉红.新型数控玻璃磨边机的开发[J].机械设计与制造,2007(12):103-105.

[2] 赵金伟.基于PLC的模糊控制的实现与分析[J].机电工程技术,2009,38(10):65-66.

[3] 赵毅忠,祝本明.新型玻璃磨边机数控系统[J].兵工自动化,2010,29(8):85-86.

[4] 许海峰,唐伟强,聂世涛,周靖.一种玻璃磨边机及其多功能夹具的设计[J].机械设计与制造,2010(3).