（机械电子工程专业论文）大型数控绘图机自动编程系统的研究与开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 大型平板数控绘图机是飞机、船舶、汽车等制造中的关键设备，其绘图精度和速 度对飞机和船舶等的制造质量和效率有重要影响，因此开展大型平板数控绘图机的软 硬件的研究开发具有理论与实践意义。 大型数控绘图加工处理的是从c a d 到完成放样模板的全过程，涉及到d 文件识 别与转化，绘图加工轨迹的生成与优化，加工速度的优化等相关问题本文对这些问 题进行了深入研究。 1 、分析了d x f 文件的总体结构及具体的数据记录格式，在此基础上提出了文件 识别与转化的通用性模块化方法。 2 、研究了绘图孰迹的生成方法及以轨迹空行程最小为优化目标豹轨迹优化算法， 并给出了一种轨迹优化的数学模型和具体实现步骤。经验证，这些方法改善了曲线绘 制的质量提高了效率。 3 、分析了进给伺服系统动态特性对加工精度的影响，以此为基础，研究了绘图 速度的优化方法，提出了一种基于曲线曲率半径和进给伺服系统动态特性相结合的进 给速度优化算法。此外，本文给出了一种能减少或消除机床在启动、停止和速度突变 时所产生的冲击、超程和振荡等动态误差的加减速控制方法。 4 、在上述研究成果、本课题组已有研究成果及有关理论的基础上，开发了一个 以制造过程管理器为核心具有开放平台的通用性数控加工自动编程系统。 关键词：轨迹生成与优化进给速度优化，插补，加减速控制d x f 识别转化 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h el a r g en cg r a p h - p l o t t e ri st h ek e ye q u i p m e n ti n m a n u f a c t u r i n go fa i r p l a n e ， w a t e r c r a f ta n d a u t o m o b i l e ，e r e u s i n gt h i se q u i p m e n t t om a c h i n ew i t hh i g hs p e e da n d h i g l l p r e c i s i o n h a san o t a b l ei n f l t t e n e eo i lt h e m a n u f a c t u r i n g o fa i r p l a n e , w a t e r c r a f t , e r e t h e r e f o r e ，i th a sg r e a tt h e o t e t i e a la n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c et or e s e a r c ha n dd e v e l o pt h e h 卸f d w 舡a n d $ o f t w a l eo f i , a r g en c g r a p h - p l o t t e r b a s e do nt h ea n b l y s e so ft l a ee u z r c n ta p p l i c a t i o ns i t u a t i o na n dm a c h i n i n gc o n d i t i o nf o r t h ed r a “n ge q u i p m e n t ，i nt h i st h e s i s ，s e v e r a la s p i c 5a sf o l l o w i n g 辩s t u d i e d 1 b a s e do i la n a l y z i n gt h ep r i n c i p l eo fd x ff i l es t r u c t u r e ，t h eg e n e r a lm e t h o df o r i d e n t i f y i n ga n dc o n v e r t i n gd x f f i l ei sp r o v i d e d 2 t h ep a t hg e n e r a d o nw a yi sp r e s e n t e di nt h i st h e s i s m o r e o v e r , am a t h e m a t i c a lm o d e l o f p a t ho p t i m i z a t i o ns a t i s f y i n gt h ec o n d i t i o no f t h ei d l er u n n i n gd i s t a n c em i n i m i z a t i o ni s a l s o g i v e n i np r a c t i c e , u s i n g t h e s em e t h o d s 锄i m p r o v et h em a c h i n i n g q u a l i t ya n d i n c r e a s e t h e m a c h i n i n ge f f i c i e n c y 3 a f t e rt h ed i s c u s s i o no ft h ei n t l t t e n e eo nm a c h i n i n gp r e c i s i o nf r o mt h ef e e ds e r v o s y s t e md y n 丑i i l i cc h a r a c t e r i s t i c s ，t h e i d e ao ft h em a e h l n i n gs p e 找t o p d m i z a t i o ni s a l s o p r o p o s e di nt h i st h e s i s f u r t h e r m o r e ，t h ef e e d - r a t eo p t i m i z a t i o na l g o r i t h m i sp u tf o r w a r do n t h eb a s i so ft h ec o m b i n a t i o no fc l i l v ec l i i v a t u i 屯硼i u s l df e e ds e r v os y s t e mc t y n a m i e c h a r a c t e r i s t i c s i na d d i t i o n , t h i st h e s i sg i v e st h ef e e d - r a t ec o n t r o lm 翻h o dt h a t 锄r e d u c eo r e l i m i n a t et h ei m p a c t , o v e r s t e pa n ds u r g eu n d e rt h e s ee i r c 咖e e s o fm a c h i n e ss t a r t u p , s t o pa n ds p e e d m u t a t i o n 4 o nt h eb a s i so ft h ea c h i e v e m e n t sm e n t i o n e da b o v ea n d 如w h o l et e a m s a e h i e v e r a e n t sa n di n t e r r e l a t e dt h e o r i e s , ag e n e r a ln cm a c h i m g a u t o - p r o g r a m m i n g s y s t e m i sd e v e l o p e d 柚o p e n p l a t f o r m - k e y , w o r d s ：p a t hg e n e r a t i o n o p t i m a z a t i o n , f e e d - r a t eo p t i m i z a t i o n , i n t e r p o l a t i o n a c c e l e r a t i o n d e c e l e r a t i o nc o n t r o l ，i ) x 1 7i d e n t i f y i n g & c o n v e r t i n g 【l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 课题来源 1 绪论 本课题来源于华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心与南昌飞机胄4 造集 团的合作项目“g s i 3 2 7 8 数控绘图机的技术更新改造”。 1 1 2 课题的目的和意义 本课题的目的在于通过对大型数控绘图机进行软硬件方面的技术改造，提高绘图 机的绘图精度和速度，从而提高飞机制造过程中各零部件的制造精度，尤其是各零部 件配合边沿的加工精度，在一定程度上打破国外的技术封锁与垄断，以实现高速高精 大型数控绘图机的自主研制与开发。 大型数控绘图机是船舶、飞机、汽车等制造行业中的重要设备，它对船舶、飞机、 汽车制造的其他环节有着决定性影响，例如某大型飞机制造厂进口的大型设备“g s i - - 3 2 7 8 数控绘图机”在该厂飞机制造过程中起着关键作用，放样模板就是根据绘图机 所绘制的飞机模线图经过其他相应处理得到的。 该类设备的价格以及配套的使用部件与设备的价格昂贵( 该设备价值2 0 0 多万元 人民币，绘图用笔价格8 0 0 多元人民币度，绘制胶版是3 0 - - 5 0 元人民币，平方米) 。对 于大多数中小型企业，没有足够的经济能力购买这类昂贵的设备，只能采用付费的办 法由其它拥有该类设备的企业代其绘制成图，其费用以绘图胶版的毛面积计算： 3 3 0 - 3 5 0 元人民币，平方米，所需费用仍然高昂。这类设备对速度和精度的要求很高 在指定的温度和湿度下，1 米长线段的绘制精度误差不超过0 0 0 1 r a m ，笔架的最高运 行速度达到9 1 m r a i n ，因此，这类设备通常以外购的形式获得，如成都飞机制造厂、 上海飞机制造厂、南昌飞机制造厂以及上海造船厂等企业的这类设备全部外购。这类 设备的使用性能好，使用寿命长，但使用过程中设备损耗无法避免，在一定使用期限 华中科技大学硕士学位论文 后，许多相关部件的损耗严重，严重影响加工精度，且损坏的部件一般具有不可修复 性，重新购买费用昂贵。因此，对这类设备进行设计与改造成了解决上述问题的有效 途径，理由是一不用浪费已有的资源：二在不需外购部件的基础上令其重新发挥作用。 上海飞机制造厂以及南昌飞机制造厂相继采用了技术改造这条符合实际的方案，包括 硬件和软件的改造，本文主要完成软件方面的改造工作。 大型数控绘图机完成的工作是从c a d 设计到制作放样模板的整个过程，其中涉及 到c a d 与c a m 的接口问题、c a m 中轨迹的生成与优化问题以及绘图速度的优化问 题等，处理流程图如图l - i 所示。放样模板的制作具有特殊的工艺要求( 如胶舨需要 高压静电吸附) ，要求效率高、绘制速度快、绘制质量好，通常 的c a m 软件不能满足要求，主要表现在：l 、通常的c a m 软 件对曲线采取统一的小直线段离散的方法，没有针对直线、圆 弧以及样条各自的特点进行相应的处理，这样圆弧和样条的绘 制出现微小的波纹状，绘制质量差：2 、由于飞机绘图曲线的线 素很多，通常的c a m 软件一般不具备轨迹空行程的优化功能， 只能按照c a d 设计时的线素顺序进行绘制，效率低下；3 、因 飞机所需绘制的模板图多，而通常的c a m 软件是采用一个恒 定的迸给速度，没有考虑到线素的微观几何特性，存在缺陷。 所以，必须进行相应的满足要求的专用c a m 软件的研究开发， d ) 【f 格式识别与转 化 l 【c a m 系统( 轨迹生 i 成与优化、速度 |优化) - i 图1 - l 绘图处理流程图 主要解决以下问题：l 、分别针对直线、圆弧及样条，考虑到数控系统所具有的的直 线、圆弧以及加工方式中的精确定位方式与连续加工方式，对直线、圆弧以及样条分 别采用不同的方式，用标志位区分直线、圆弧及样条，分别采用不同指令，如g 0 1 ( 直 线) ，g 0 2 或者g 0 3 ( 圆弧) ，对样条采用微小直线离散之后采用连续加工以提高速度 ( 第三章绘图轨迹生成部分) 2 、在专用c a m 中，提出一种轨迹优化方法以减小绘 图空行程，提高绘图效率减少器具磨损( 第三章绘图轨迹优化部分) ；3 、针对常用 c a m 采用恒定绘图速度而忽略线素本身微观特性之不足，采用根据线素微观几何特 点与机床动态特性相结合来确定绘图速度的方法，在误差允许与机床伺服特性允许的 条件下确定每一步长的最大长度与该段绘制的最大进给速度，以提高绘图速度与绘图 华中科技大学硕士学位论文 质量( 第四章绘图速度的优化) 。另外，因c a d 系统产生的数据文件无法有效的直接 用于绘图机的c a m 系统，主要缺点是众多的线素只以数据结构记录带来了空行程的 优化计算烦琐，不利于空行程轨迹优化，大大影响了效率因此有必要开发c a d 与 c a m 之间的接口软件( 第二章d x f 文件格式识别与转化) 。同时为满足盐线的绘制 质量及平滑性要求，根据机床动态特性对进给速度及加工精度的影响，对进给速度的 加减速控制也必须进行研究。 综上所述，对大型绘图机的c a m 系统及相关关键技术的研究有助于绘图机的数 控技术改造顺利进行，有利于提高飞机和船舶等制造业的水平，有利于开展高速高精 进一步研究，有利于提高我们的国民经济与打破国外的技术封锁。 1 2 基于d x f 的大型平板数控绘图机的自动编程系统概况 1 2 1 大型平板数控绘图机概述 平板数控绘图机是典型的机电一体化产品，是计算机图形输出的主要设备之一。 随着c a d 系统的应用，我国对绘图机的需求与日俱增，因此急需研制技术水平高、 系列化的自动绘图机，以满足国民经济各部门的需要。 从第一代自动绘图机诞生至今，经过几十年的发展，绘图机技术取得了重大进展， 目前，其品种齐全，各具特色。但飞机和船舶制造所需的大型平板数控绘图机在国内 并不多见，而且这类设备因其速度精度高，通常依赖于进口，其费用十分高昂，且使 用中损耗的部件，因其专用性只能通过原供应商高价购买，从而使其应用面受到了极 大限制。目前国内拥有的这类大型数控绘图机有限，只在大型飞机、船舶等制造中使 用，一般中小型企业不具备购买能力。因此，对满足高速高精要求的大型数控绘图机 进行研制，以实现国内的自主生产、降低价格有着现实意义。 大型平板数控绘图机是一种典型的数控系统设备，其中包括计算机控制处理部 分、执行部件、传动部件、电源和壳体几个部分f k l ，总体结构图如图1 2 所示。 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一= = 1 2 2 大型平板数控绘图机加工对象的特点 大型平扳数控绘图机主要应用在飞机和船舶等制造领域，用来完成对飞机和船舶 的制造起关键性作用的放样模板的制作其加工对象为线素，绘制特点是高速高精。 绘图机 厂一一一霈葫r 一一隔一一一一 l 一一一 1 i f i l f l i i 图1 2 大型平板数控绘图机整体结构 飞机和船舶等制造中的模扳绘图量极大，并具有线素数目繁多，单条陆线形状复 杂且长度大等特点。而且放样模板是飞机制造精度的决定性因素，其精度需通过显徽 镜下的严格检验，如绘制的圆弧和样条在显微镜下必须是光滑的，随后的飞机零部件 的制造均以模扳精度为基准。不仅如此，由于图纸量太大，绘制的速度与效率对整个 飞机和船舶等制造的周期有着决定性影响。 因此，对项目“g s i 3 2 7 8 数控绘图机的技术更新改造”的研究主要是高速高精的 4 华中科技大学硕士学位论文 研究。 1 2 3 接口的目的和意义 近年来，随着电子技术和计算机技术的发展，出现了各种不同的c a d 系统。但 不同企业研究开发的系统各异，且具有各自的标准与格式。随着社会化分工的不断细 化，各企业之间、企业内部各部门之间的分工协同变得愈来愈密切，因此不同系统之 间的相互转化成为必要而且必须。接口的研究开发能够减少重复劳动、提高资源利用 率、实现优化配置、提高软件应变能力以及扩大c a d c a m 技术应用范围等。 目前，大多商用c a m 系统都已具备接口导入和导出功能( 如m a s t 日c a m 、u g 、 p r o l e 等具有d x f 文件，】g e s 文件等常用接口功能) ，而且这将成为c a d c a m 系统 的一种必然趋势，是其不可缺少的组成部分。 大型数控绘图机处理的是大量的多部门合作而成的放样图纸，因此其软件应能处 理常用的标准数据文件格式。因此本文对d x f 文件接口的研究开发旨在提高软件通 用性以扩大其应用范围。 1 1 2 4 数控编程技术及其发展糍况 如同计算机的软硬件关系一样，在数控加工中，数控机床是加工系统的硬件，数 控编程系统是加工系统中的应用软件。数控加工技术的应用水平不仅取决于数控机床 的精度、速度等硬件性能，更取决于数控程序的质量和效率，囡此，生成高效优质的 数控代码一直是数控技术研究中的重要课题。一些复杂零件的加工必须借助于 c a d i c a m 软件进行数控自动编程，因此，从数控机床诞生之初数控编程技术就受 nt 广泛关注，成为c a d c a m 系统的重要组成部分。 概括地说，数控编程的主要内容包括：分析加工要求并进行工艺设计- 以确定加 工方案；选择合适的机床、刀具、夹具，确定合理的走刀路线及切削用量等；计算加 工过程中刀具相对工件的运动轨迹或机床运动轨迹；按照数控系统可接受韵程序格式 生成零件加工程序，并进行验证和修改，直到生成合格的加工程序 根据问题复杂程度的不同，数控加工程序可通过手工编程或计算机自动编程获 华中科技大学硕士学位论文 = 目；= = = 口= = = 2 = = = = = = = = ；g = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = ；= = = = ；= = = = ；= = = = = = 得。手工编程是指编制零件数控加工程序的上述各步骤均由人工来完成，这种加工方 式只能解决点位加工或几何形状不太复杂的零件编程问题。自动编程即是计算机辅助 编程，它借助数控自动编程系统由计算机来辅助生成零件加工程序，对这种加工方式， 编程人员一般只需借助数控编程系统提供的各种功能对加工对象、工艺参数及加工过 程进行简要的描述后，即可由编程系统自动完成其余的数控加工程序编制。 数控编程软件也称为c a m 软件，从二十世纪6 0 年代出现到目前工业领域中的广 泛应用，其发展过程大致经历了三个阶段0 - 7 1 ： 第一代是以a f t 为代表的语言编程系统。它使用专用语句书写源程序，并输入计 算机，由a p t 处理程序经过编译运算，输出刀具中心轨迹，再经过后置处理，将通用 刀位数据转换成数控机床能识别的n c 指令格式。其代表是由m i t 组织研制的a p t i 、 a p t i i ，a p t i i i ta p 了、a p t - a c 和a p t i v s s 。但a p t 是一个难以掌握的庞大的系 统，各国在此基础上又发展了带有一定特色且专用性更强的a p t 衍生语言，如美国的 a d a f r ，德国的e x a p t ，日本的h a f t 和f a p t 。 第二代是交互式图形编程系统。它沿两条路线发展，其一是专用c a m 系统 ( d e d i c a t e dc a mp a c k a g e s ) 。其成功典范是美国c n cs o t t w a r e 公司开发的 m a s t e r c a m 。与m a s 把 r c a m 同时发展起来的c a m 系统还有s u r t c a m ，s m a r t c a m ， 这种c a m 系统的特点是简单、实用，特别适用于广大中小型企业；其二是作为 c a d c a m 系统中的c a m 模块或子系统是同c a d c a m 集成系统一起发展的。其 代表有a p p l i c o n 公司的b r a v o 系统c o m p u t e r v i s i o n 公司的c a d d s 5 系统，d a s s a u l t 公司的c a t i a 系统，e d s 公司的u g h 系统，h p 公司的p e 系统，m a t r ad a t a v i s i o n 公司的e u c l i d 系统以及p t c 公司的p r o e n g i n e e r ，这些系统都是基于工作站u n i x 平 台的c a d c a m 集成系统，功能上各有特色。如p r o e 、id e a s ，实体建模功能强大， 编辑修改方便；e u c l i d ，曲面功能较强；c a d d s 5 、c a t i a 、u ( 3 i i ，曲面功能和加工 功能均较强等。 第三代是基于特征的c a m 系统。一类是直接面向加工的特征c a m 系统，如 b r i d g e p o r tm a c h i n e 公司推出的f e a t u r e m i l l 系统，该系统将加工对象定义为一系列具 有加工含义的加工特征，并设计了对应的加工策略，系统结合所有的加工知识库刀 6 华中科技大学硕士学位论文 具库，材料库以及切削参数数据库等自动进行工艺规划，生成从毛坯到零件的整个加 工工艺过程；另一类是基于特征的c a m 系统，该系统建立在参数化特征造型系统之 上，如g s s l 公司的c a m w o r k s 是一个与s o l i d w o r k s 无缝集成的基于特征的2 5 dc a m 系统，s o l i d w o r k s 9 7p l u s 是s o l i d w o r k s 公司推出的基于w m d o w s 9 5 和w m d o w sn t 的 参数化造型系统是第一个基于微机平台的高度商品化的参数化特征造型系统并具 有独特的特征管理器。c a m w o r k s 采用先进的特征识别技术a f r ，直接从s o l i d w o r k s 特征实体造型中提取加工特征，并采用加工自动构造技术构造加工体对被构造加工 体的特征加工工艺知识库中给定的加工策略自动进行工艺规划，以生成加工轨迹和加 工指令。 此外，c i m a t r o n 公司结合自动化n c ( a u t o m a t i cn u r a e f i c a ic o n t r 0 1 ) 和基于知识 的加t ( k n o w l e d g eb a s e dm a n u f a c t u r i n g ) 提出了智能n c ( i n t e l l i g e n t n u m e r i c a l c o n t r 0 1 ) 的概念。该公司的产品c i m a t r o n i t 近来已发布了1 2 0 版本。智能n c 加工与基于特征 的加工的不同之处在于：基于特征的加工局限于设计者造型时的几何特征，这些几何 特征与零件该采用何种优化方法进行加工毫无关系：智能n c 加工则可以利用毛坯信 息进行优化，并产生相应的刀具轨迹。此外该方法还可以处理如斜面、水平区域、 曲率以及有无边界范围等面向加工的技术特征。 我国对数控加工及编程技术的研究起步相对较晚，七十年代后期的研究主要是以 a p t 为蓝本研制了一些数控加工自动编程语言系统，进入八十年代首先在航空工业 开始集成化的数控编程系统的研究与开发工作经过近2 0 年的不懈努力，坚持自主 开发与技术引进并行，在硬件系统、支撑软件、应用软件方面已经取得了较大成就。 特别是微机c a d c a m 系统在我国许多行业得到广泛的应用和推广。在理论和实践上， c a d c a m 集成技术取得了大量成果。在编程理论的研究方面，西北工大、浙江大学、 北航、华中科技大学等也取得了相当的成绩。此外，国内企业在引进系统的应用和二 次开发上亦取得了较大的成就。但整体上看，我国c a d c a m 技术在基础研究和商品 化方面与国际先进水平仍存在着较大的差距。特别是近几年来一些新技术的出现和计 算机应用技术的迅猛发展，如特征造型、参数化驱动、面向对象技术和智能n c 等等。 这方面我国仍处于初期研究阶段，许多研究工作有待进一步开展。 华中科技大学硕士学位论文 同时，由于数控编程技术具有潜在j 军事意义，国外厂家在出口技术上进行了封 锁，因此数控编程技术的进步研究开发具有重要的理论和实际意义。 1 3 本文的主要工作 本文结合华中科技大学国家数控系统工程技术研究中心与南昌飞机制造集团的 合作项目“g s l 3 2 7 8 数控绘图机的技术更新改造”，针对大型数控绘图机的特点，对 大型数控绘图机中相关问题进行了研究，本文的主要工作为： 1 、分析了d x f 数据文件的总体结构及数据记录格式，提出了d x f 格式的识别 方法与通用的模块化转化方法。 2 、对绘图轨迹的生成方法进行了探讨，给出了种轨迹的生成算法。为提高绘 制精度与效率，给出了绘图轨迹的优化方法，分两个方面：一是对整个绘图轨迹，提 出了使轨迹空行程最小为优化耳标模型的算法，并给出了一种使得抬笔次数最少的优 化方法：二是对绘制元素，提出了等误差逼近的走刀步长优化思路，并给出了具体的 算法步骤。 3 、分析了进给伺服系统特性对加工耪度的影响。针对传统加工过程中采用恒定 进给速度而忽略迸给伺服系统特性的影响所存在的不足提出了一种基于盐线曲率与 伺服特性相结合的进给速度优化算法。为消除机床在启动、停止、轨迹突转或速度突 变时产生的动态误差，本文分析比较了常用的线性加减速控制与指数加减速控制的优 缺点，并给出一种线性指数加减速控制算法。 4 、在上述研究成果、课组已取得成果及有关理论的基础上，研制并开发了一个 以制造过程管理器为核心的通用性数控加工自动编程原型系统，该系统实现了本文中 所提出的算法。 华中科技大学硕士学位论文 = = ；= ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ；一 2 d x f 文件格式识别与转化 摘要本文在剖析d x f 文件整体结构和几何图形的数据记录格式基础上，提出了1 ) x f 数据文件的 识别与转化的一般性方法，采用c + + 语言编程成功地实现了i ) x f 数据文件的识别与转化。 2 1 引言 随着计算机技术和微电子技术的发展，计算机辅助设计( c a d ) ，计算机辅助制造 ( c a m ) 在现代制造业中的作用和地位日益显著。目前企业中已广泛使用c a d c a m 系统，不同企业之间的分工合作关系也愈来愈密切，而不同企业可能采用不周的c a d 系统，因此开发不同c a d 系统所生成的数据文件之间的接口软件成为必要，它不仅 是减少重复劳动提高资源利用率，实现优化配置的必要手段和措施，而且这种转化 也是实现c a d c a m 系统通用性的必不可少的组成部分。 d x f 文件是由a m o c a d 生成的数据文件，其文件格式是c a d 领域的工业标准 之一，在现代企业中有着广泛的应用，因此，对d x f 数据文件进行识别与转换具有 重要的意义i ”到。 2 , 2d x f 文件结构剖析 为了从d x f 文件格式中提取有用的几何图形信息，实现d x f 文件的成功识别与 转化，首先必须对d x f 文件结构进行割析。分析可知，d x f 文件主体由顺序出现的 6 大段组成，分别为标题段( h e a d e rs e c t i o n ) 、类段( c l a s s e ss e c t i o n ) 、表 段( t a b l e ss e c t i o n ) 、块段( b l o c k ss e c t i o n ) 、实体段( e n t i t i e s s e c t i o n ) 、 对象段( o b l e c t ss e a o n ) 。 其中标题段( h e a d e rs e c t i o n ) 主要包含了几何图形的常量信息，以及 a u t o c a d 数据库版本号和大量的系统变量信息：类段( c l a s s e ss e c t i o n ) 主要包 含了应用类的信息，这些类的实例出现在块、实体以及对象数据库中；表段( t a b l e s 9 华中科技大学硕士学位论文 s e c t i o n ) 主要包含了线型表、层表、字型表等多个表：块段( b l o c k ss e c t i o n ) 主要记录了图形中块的定义信息以及块中的实体信息；实体段( e n t i t i e ss e c t i o n ) 主要记录了图形中所有几何实体的几何图形信息；对象段( o b _ 瑾c t ss e c t i o n ) 主 要记录了图形中非几何实体的信息。 组是d x f 文件的最小单位，每个组占两行，第一行为组码( g r o u p c o d e ) ，第 二行为组值( g r o u p 、虬u e ) ，两者结合起来则表示一个组的含义和它的值，因此， 读取文件时，必须从文件第一行开始成对读取，否则，无法正确进行文件识别。注意： 在完整描述一个实体时，有些组是一定要出现的，而有些组只在其组值不同于缺省值 时才出现。 2 3d x f 文件格式识别与转化 2 3 1d x f 文件格式识别与转化的总体框架 根据上述的d x f 文件结构剖析，d x f 文件可以划分成6 大模块，其识别的总体框 架流程图如图2 1 所示。需要说明的是d x f 文件包含着丰富的信息，其中与几何图 形有关的几何信息包含在实体段和块段中，因此，应着重处理实体段与块段的识别。 图2 - 1d x f 格式识别的总体框架程序漉程圈 保存文件转化的所有几何实体信息的数据结构采用如图2 - 2 所示的双向链表( 设 华中科技大学硕士学位论文 有n 个几何体) 。 匝亟虱朔巫垂虱丑垂亟虽仁j 匝垂鄄 图2 - 2 文件转化全部几何体记录数据结构 2 3 2 实体段( e n t i t i e s ) 几何信患的识别 d x f 文件中有用的信息主要在实体段部分，所以对实体段信息的识别处理成了 d ：文件识别转化的关键，但实体段部分也并非每条信息都有用，因此需要对有用的 信息进行筛选。 实体段中的实体主要包括：点、直线、圆弧、圆、样条、多义线、多线、文本、 块插入等，其中几何信息的记录具有规律性，因此对实体段几何信息识别采用模块化 结构，其流程图如图2 3 所示。 图2 3 提取实体段信息的程序框图 图2 - 4 提取块段信息的程序框图 一 l i 华中科技大学硕士学位论文 2 3 3 块段( b l o c k s ) 几何信息的识别 块段中实体记录与实体段类似，因此对块段几何信息处理可采用与实体段类似的 流程。需要说明的是，块段中有用的几何信息最终全部变换到实体段中，其流程图如 图2 4 所示。 2 3 4 块插入( i n s e r t ) 的处理 文件记录中含有块( 没有打散) 的插入，尤其是块与插入块存在嵌套关系时，块 与块插入之间的关系复杂，因此，块的插入处理成为了实体段与块段中几何信息识别 转化的难点。 定义紧接着出现在0 ，b l o c k 组之后的块称为原始块，原始块的有用凡何信息只出 现在块段中，最终需要变换成实体段或块段的其他信息故该几何信息是暂时信息。 原始块链表结构和原始块数据结构分别如图2 5 、图2 - 6 所示。 图2 - 5 原始块链表结构 定义紧接着出现在0 i n s e r t 组之后的块的插入称为插入块。插入块可能出现在 块段或实体段中，通过对原始块的几何图形进行插入操作变换( 如比例、旋转、平移 等) 即得到插入块的几何图形，出现在实体段中插入块的几何信息是最终所需要的几 何信息。插入块的链表结构图与原始块的链表结构图( 图2 5 ) 类似，插入块数据结 构如图2 - 7 所示。 由原始块类和插入块类的数据结构可以看出，根据原始块在块段中出现的顺序将 所有的原始块连成一个块段链表，根据插入块在文件中出现的顺序连成一个插入块链 表。 华中科技大学硕士学位论文 c l a s s c b l o c k p u b 缸： c b l o c k 0 ；# 构造函数 v 衲瑚l ( = b l o c l 咄，晰构函数 l 块 c s 矗窜日心妇 绷曩始块自身基点 d o u b l eo d g m k d o u b l eq 龟i 咖 d o u b l eo i 姚 块中数据生成的实体巯隈 日叮y u s t 翱蛐 上个块和下个块指针 c b l o c k + m p p t e v , m p n e x t ； h a d d ( 日叮胛即吐 ) ； ， 一+ 一一一一。，一，一、j 图2 6 原始块类数据结构 c l a s sc i m e t t b l o c k p u ： 口艘衄础o ；悄造函数 谊咖 洳啦毋】啪；脯| 亍构函数 鸭蝴入基点坐标 d o u b l e 骂x 写 比例变换因子 d o u b l es c a l c x , s c 峨s c a l u ； 牖妇融的块名 c s 啦h 倒瑚 l 僻章化成的插入块实体歹l 婊 ! 日叮y u s t 伽峨 | | t _ 令帮焉一令疆n 炎 c h 酬b b c i 【+ 啦姗* m _ p n e x t ； h a d d a n + 弧) ； l ； 图2 7 插入块类数据结构 现在问题的关键是如何处理插入块与原始块之间的关系。插入块与原始块关系的 处理存在两个方面的问题，其一：对已经存在的原始块进行插入操作，在读取块的插 入时记录了相关的信息，如插入基点、比例变换、旋转变换以及平移变换等，通过获 取相应原始块实体列表中的实体并进行上述相应变换，即得到该插入块的实体列表； 其二：对一个已经过变换的插入块再次进行插入操作，此时的插入处理和原始块的插 入处理方法相同。如果插入块的插入操作在块段中，刚该插入块实体列表中的全部几 何实体必须变换到包含该插入块的原始块实体列表中。 需要强调的是，每个原始块或者插入块在进行其他操作之前，块中几何信息必须 全部由最基本的实体( 铡如线段、圆弧以及样条等) 组成，这些实体按其在文件中记 录的先后顾序形成一个实体列表。进行插入操作时，插入块的各种变换只能通过原始 块中实体列表的备份列表进行，其原因是该原始块可能还有其他操作，因此必须保持 原始块的实体列表的基本属性不变。 华中科技大学硕士学位论文 2 3 5 几何元素的数据记录格式剖析 在d x f 文件中，有用的几何元素信息记录在块段和实体段中，其中实体主要包 括点、直线、圆弧、圆、椭圆、样条、多义线、多线、文本等，而常用的几何实体是 点、圆弧、圆、椭圆、样条、多义线等，下面分别说明d x f 文件的段格式以及各种 常用几何实体在d x f 文件中的数据记录格式【1 4 】。 d x f 文件格式中的6 大段的记录格式是： 0 s e c t i o n 段开始标志组，z h e a d e r 标题段开始组，标题段中具体信息， 0 e n d s e c 标题段结束组；0 s e c t i o n 段开始标志组，z c l a s s e s 类段开始组，类 段中具体信息，o 门烈d s e c 类段结束组：0 s e c t i o n 段开始标志组，z t a b l e s 表段 开始组，表段中具体信息，0 es e c 表段结束组；0 s e c t i o n 段开始标志组 2 ，b l o c k s 块段开始组，块段中具体信息，o 门孙d s e c 块段结束组；0 s e c t i o n 段开 始标志组2 e n t i t i e s 实体段开始组，实体段中具体信息，0 e n d s e c 实体段结束组； 0 s e c t i o n 段开始标志组，z o b j e c t s 对象段开始组，对象段中具体信息，0 e n d s e c 对象段结束组；o e o f 文件结束组。 下面列出了几种常用几何实体的数据记录格式。 线段数据记录格式：0 l i n e 线段节开始，1 0 ，线段起点x 坐标，2 线段起点y 坐 标，3 肌线段起点z 坐标，i i 线段终点x 坐标，2 1 线段终点y 坐标，3 l 线段终点z 坐 标，线段的线型、层等其他信息。 圆弧数据记录格式：0 a r c 圆弧节开始，1 0 圆弧圆心x 坐标2 0 圆弧圆心y 坐 标，3 0 ，圆弧圆心z 坐标，4 0 圆弧半径，5 0 圆弧起始角度，5 1 圆弧终止角度t 圆弧的 线型、层等其他信息。 圆数据记录格式：o c i r c l e 圆节开始，1 0 圆心x 坐标，2 0 圆心y 坐标t3 0 圆心 z 坐标，4 0 圆半径，圆的线型、层等其他信息。 点数据记录格式：0 p o i n t 点节开始，l 叫点x 坐标，2 0 点y 坐标，3 0 点z 坐标， 点其他信息。 椭圆数据记录格式：0 e l l i p s e 椭圆节开始，1 0 ，椭圆圆心x 坐标，2 0 ，椭圆圆心y 华中科技大学硕士学位论文 坐标，3 0 椭圆圆心z 坐标，1l 椭圆长车田端点相对于圆心的x 坐标，2 1 椭圆长轴端点 相对于圆心的y 坐标，3 l ，糖圆长轴端点相对于圆心的z 坐标，4 0 椭圆长短轴比率， 4 l ，椭圆起始角度，4 2 ，椭圆终止角度，椭圆的线型、层等其他信息。 多义线数据记录格式：o f o l y l i n e 多义线节开始，0 v e r t e x 构成多义线的顶 点，l o 厂顶点x 坐标，2 0 ，顶点y 坐标，3 0 ，顶点z 坐标，多义线的线型、层等其他信息。 样条数据记录格式：0 s p l i n e 样条节开始，样条线型、颜色等信息。7 0 样条曲 线特征标志值，7 1 样条曲线的阶，7 2 样条曲线结点数，7 3 样条曲线控制点数，7 4 样条曲线拟合点数( 如果存在拟合点) ，4 2 样条曲线结点公差4 3 ，样条曲线控制点公 差，4 4 样条曲线拟合点公差，1 2 ，曲线起始正切方向x 分量，2 2 曲线起始正切方向y 分量，3 2 曲线起始正切方向2 分量，1 3 1 抽线结束正切方向x 分量，2 3 ! 拦1 线结束正切 方向y 分量，3 3 ，盘线结束正切方淘z 分量，4 8 潜点值，4 1 ，权僮，l 彰控制点x 值，2 饼 控制点y 值，3 0 控制点z 值，1 l ，拟合点x 值，2 l ，拟合点y 值3 l ，拟合点2 值样条 的线型、层等其他信息。 2 3 6d x f 文件格式转化 根据d x f 文件的总体结构剖析和d x f 段中几何图形信息分析可知，采用以上方 法在某特定的造型平台下即可实现d x f 图形的再现，从而为绘图轨迹的生成与优化 提供可操作的几何载体。 在某特定的造型平台下，可实现d x f 格式识别转化，其程序结构如下： c l a s sc d x f c o n v e r t v o i ds u b r e a d h e a d e r ( 参数) ；标题段读取与处理的子函数 v o i ds u b r e a d c l a s s e s ( 参数) ；类段读取与处理的子函数 v o i ds u b r e a d t a b l 髂( 参数) ；，表段读取与处理的子函数 v o i ds u b r e a d b l o e k s ( 参数) ；燃段读取与处理的子函数 v o i ds u b r e a d e n t i t i e s ( 参数) ；，实体段读取与处理的子函数 v o i ds u b r e a d o b j e c t s ( 参数) ；- x 寸象段读取与处理的子函数 v o i ds u b f u n c m a k e b l o c k ( 参数) ；，块数据处理子函数 i5 华中科技大学硕士学位论文 e n t l l r yl i s t * s u b f u n c m a k e i n s e r t b l o c k ( 参数) ；块的插入处理子函数 e n t i t yl i s t * s u b f u a c m a k e l w p o l y l i n e ( 参数) ；生成优化多义线 e n t i t yl i s t * s u b f u n c m a k e p o l y l i n e ( 参数) ；生成多义线 e d g e * s u b f t m c m a k e s p l i n e ( 参数) ；h 生成样条 e d g e * s u b f u n c m a k c c i r e l e ( 参数) ；胜成圆 e d g e * s u b f u n c m a k e a r e ( 参数) ；生成圆弧 e d g e * s u b f t m e m a k e l i n e ( 参数) ；生成直线 e d g e * s u b f u n c m _ a k e e u i p s e ( 参数) ；生成椭圆 a p o i n t * s u b f u n e m a k e p o i n t ( 参数) ；生成点 ，其他几何信息处理子函数 ! ： 2 4 应用实例