（机械制造及其自动化专业论文）基于matlab的cadcam技术研究.pdf

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p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y ，t h eh y d r a u l i cp r e s s u r e a n d a i r - o p e r a t e d t e c h n o l o g ya n dt h em i g h t - m e c h a n i c a l e l e c t r i c a lt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s ，a st h e i n t e m e tt e c h n i q u e r a p i d l yd e v e l o p e d ，i t m e l t si n t ot h en e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g ya n db r e a k st h er e g i o n a ll i m i to ft r a d i t i o n a lp r o c e s s i n g , w h i c hp a v e dt h e w a yf o rt h er e a l i z a t i o no fc o o r d i n a t i n gt h ed e s i g nw i t ht h em a n u f a c t u r ei nd i f f e r e n t p l a c e s ，a tt h es a m et i m e ，i tp u t sf o r w a r dn e wr e q u e s t sf o rt h em a n u f a c t u r ep r o c e s s h o w e v e r , s o m ec u r r e n tc a d c a ms o f t w a r ea l eu s e di ns i n g l ec o m p u t e r ，w h i c ha r e u n a b l et oa c h i e v et h er e q u e s tf o rt h ec o o r d i n a t i o no fd e s i g ni nd i f f e r e n tp l a c e sa sw e l l a st h ei m p l e m e n t a t i o no fn e t w o r k p r o c e s s i n g t h i sa r t i c l et a k e st h ec o m m o nn u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e mf a n u c - 0a n di t ss e r i e s a st h er e s e a r c ht a r g e t s ，t a k i n gt h ea d v a n t a g e so ft h ee m b e d d e ds e r i a li n t e r f a c e r s 一2 3 2 cu s e df o rc o m m u n i c a t i o n ，m a t l a b 7 1f o rd e v e l o p m e n tk i t ，a n da l s oi t c o n d u c t ss e v e r a lr e s e a r c h e sa sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t a k i n gt h em a t l a b 7 1a sd e v e l o pp l a t f o r m ，w ec a r r yo nt h ed e s i g no f c u s t o m e ri n t e r f a c ea n dt h ef u n c t i o n a ls i m u l a t i o no fc a d c a m ，w h e r ew es t r e n g t h e n t h ed r a w i n go fd r a f t ，a n da l s ow ed e v e l o pa u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs o f t w a r eo f n u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n g ( 2 ) w ed e v e l o pt h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nc o m p u t e ra n df a n u c - 0 n u m e r i c a lc o n t r o ls y s t e m ；t r a n s p o r tt h en u m e r i c a lc o n t r o lc o d ef i l e b y j a v a s o c k e tt e c h n i q u e ， ( 3 ) t r a n s f o r mt h e 黟a p h i cf i l ep r o d u c e db yo t h e rc a ds o f t w a r ei n t ot h ed x f , t h e np u ti n t ot h em a t l a bv a r i a b l es p a c eb yj a v ai n p u t s t r e a m ，s ow ec a ns h a r et h e e x i s t i n gr e s o u r c e s ( 4 ) b yt h en u m e r i c a lc o n t r o lp r o c e s s i n gs i m u l a t i o nw i t hc a m ，w ed e a lw i t ht h e c a dg r a p h i c sa n dg e n e r a t et h en u m e r i c a lc o n t r o lc o d e t h e ns a v et h ec o d ei n t ot e x t b yj a v ao u t p u t s t r e a m ，w h i c hi sp r e p a r e df o rt h el o n g d i s t a n c et r a n s m i s s i o n a b s t r a c t f i n a l l y ，a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ha c h i e v e m e n t ，w ed e v e l o ps u c c e s s f u l l yt h e a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mb a s e do nn e t w o r k ，a n dg i v ea na p p l i c a t i o ne x a m p l et o p r o v et h ec o r r e c ta n df e a s i b i l i t yo fd e s i g na l g o r i t h m k e yw o r d s ：m a t l a bc a d c a mg r a p h i c si m p o r tj a v an e t w o r km a n u f a c t u r e 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第1 章绪论1 1 1 数控技术的历史与发展1 1 1 1 数控技术的发展过程1 1 1 2 数控技术的现状与发展趋势2 1 2 数控加工技术国内外研究情况4 1 2 1 数控技术国内发展情况4 1 2 2 数控技术国外发展情况5 1 3 基于m a t l a b 的数控编程系统研究意义及课题来源5 1 3 1 基于m a t l a b 的数控编程系统研究意义5 1 3 2 基于m a t l a b 的c a d c a m 系统课题来源6 i 3 3 论文的组织结构7 1 3 4 课题的创新点8 第2 章基于m a t l a b 的c a d c a m 系统体系结构：1 0 2 1c a d c a m 集成系统理论分析与设计思想1 0 2 1 1c a d c 埘集成系统理论分析1 0 2 1 2c a d c a m 集成系统设计思想：1 l 2 2 系统总体结构设计1 4 2 2 1 系统总体结构框架图及工作流程1 4 2 2 2 主要功能模块介绍及其功能1 7 2 3c a d c a m 集成系统开发平台2 0 2 3 1 系统开发语言2 0 2 3 2 系统辅助技术和软艘f ；，| ：设备2 6 2 1 本章小节2 7 i v 第3 章基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的技术研究2 8 3 1c a d 图形学理论算法及模型转换2 8 3 1 1c a d 图形学理论及算法2 8 3 1 2 三维到二维模型转换3 3 3 2 数控加工代码结构分析及编程流程3 3 3 2 1 数控加工代码结构分析3 3 3 2 2 数控编程流程3 5 3 3d x f 文件结构格式及分析预处理3 7 3 3 1d x f 文件结构格式3 7 3 3 2d x f 文件预处理4 0 3 3 3d x f 文件图元排序4 1 3 4 微机与客户端通信模块设计4 3 3 4 1 网络通讯的结构选择与配置4 3 3 4 2 基于s o c k e t 网络通讯机制4 3 3 4 3 服务器端与客户端通信的实现过程4 5 3 5 数控机床与计算机的通讯接口4 7 3 5 1 串行通讯技术原理4 7 3 5 2 串行通讯编程实现4 8 3 6 本章小节4 9 第4 章系统界面的设计与开发5 0 4 1 系统总体界面视图5 0 4 2 菜单栏结构和各部分功能5 l 4 3 工具栏结构和各部分功能：5 2 4 4 绘图区和代码输出区。i 5 2 4 5 本章小节5 3 第5 章系统运行及仿真实验5 4 5 1 实验环境设置5 4 5 2 实验流程及实验结果5 6 5 3 软件使用方法及注意事项6 4 5 4 系统l 三维零件加工的扩j 芝6 5 v v l 盯 骝 鹋鹋 n 他 他 绪论 第1 章绪论 1 1 数控技术的历史与发展 1 1 1 数控技术的发展过程 自第一台电子计算机出现后不久，美国p a r s o n s 公司与麻省理工大学合作研 制了世界上第一台数控机床。经过半个多世纪的发展，根据数控系统的不同， 数控技术发展经历了以下五个阶段：电子管时代、晶体管时代、小规模集成电 路时代、大规模集成电路时代和微处理器时代。上个世纪九十年代以后，计算 机技术飞速发展更快的推动了数控机床技术的更新换代。数控系统生产产家利 用p c 的丰富软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统，目标是使数控 系统有更好的通用性、柔性、适应性和扩展性。 零件数控加工程序的编制是数控；b n - r 的基础，国内外数控加工统计表明， 造成数控设备空闲的原因大约有2 0 - 3 0 是由于数控编程引起的。数控加工程 序编制技术到目前大致经历了三个发展阶段： 第一个阶段是手工编程：数控机床的应用初期使用手工编程。工程师根据 零件的形状手工编制数控加工代码，使用数控穿孔带控制机床。一般手工编程 只能处理一些简单零件的平面加工和点位加工。 第二个阶段是数控语言自动编程：通过专门用于机械零件加工的自动编程 语言，对零件的几何形状进行定义，并且指出切割路径，由计算机自动生成数 控加工程序，然后使用数控穿孔带输入数控系统。商用的数控编程语言很多， 其中美国a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o l s ) 系统影响最大，它是5 0 年代 中期m i t 开发的自动编程系统。最初的版本是a p ti t ，而后经过了几次大的改 进，a p t 系统已经成为一种功能非常丰富、通用性强的系统，获得了广泛的应 用。在a p t 语言自动编程系统的基础上，各个国家又先后开发出了许多的数控 编程系统，以适应不同的需要，例如美国的a d a p t 系统、a u t o s p o t 系统， 德国的e x a p t 系统，日本的f a p t 系统以及日本德国合作的m i n i a p t 系统等 等。以a p t 为代表的自动编程语言虽然解决了手 ：编程的一些缺点，并得到了 一定范围的应用，但这类语言式或是符合式的自动编程语言还足存在着许多缺 绪论 点，如对硬件支持环境要求较高、用户学习困难、零件信息输入和编程过程复 杂且不直观等等。其中最庞大、最复杂的部分是零件的加工轨迹描述语句，为 了能够实现对各种复杂图形进行描述，a p t 定义了各种形式的点、线、面以及 列表曲线等( 如坐标定义点、两线相交定义点、两点定义直线、空间描述定义 直线等) 。庞大的命令系统不仅难记难学，而且对硬件要求很高。所有这些都限 制了其进一步的发展。 第三个阶段是图形交互式自动编程： 图像交互自动编程是一种计算机辅助编程技术，它是通过专用的计算机软 件来实现的，图所示为图形交互式编程的流程图。这种计算机软件通常以计算 机辅助设计( c a d ) 软件为基础，首先进行计算机辅助零件、毛坯设计，形成 零件的图形文件，然后调用数控编程模块，以c a d 生成的零件几何信息为基础， 分析零件加工工艺，采用图像交互的方式，在计算机屏幕上指定被加工的部位， 定义相关参数，计算机便可自动进行必要的数学运算，计算出刀具运动轨迹， 即刀具位置数据( c l d a t a ) ，经后置处理生成数控加工程序并动态显示加工路 径和模拟加工环境，检验程序的合理性和正确性，修正错误，对程序进行优化， 最后输出数控加工程序( n c 代码) 。这种编程方法具有速度快、精度高、直观 性好、使用方便、便于检查等优点，是目前国内外先进的c a d c a m 软件所普 遍采用的数控程序编制方法。国内著名的有北京北航海尔软件有限公司的 c a x a m e 2 0 0 0 制造工程师系列软件，华中科技大学的开目c a d 软件，广州红 地信息产业有限公司的金银花软件，武汉天喻公司的i n t e c a d 软件，i n t e s o l i d 软件。北京博思凯宏计算机应用工程有限公司的p e d 2 0 0 0 ，p i n c 数控加工编 程系统等。 1 1 2 数控技术的现状与发展趋势 。 ， - ，。、j + 一 一， 目前，先进的数控系统具有以下几个共同特点： 1 采用3 2 位以上微处理器，大大提高了数据处理能力； 2 采用模块化结构，提高系统可靠性和性能价格比； 3 采用实时多任务操作系统，可以对多个不同任务进行并行处理； 4 具有强大的网络通讯能力及图形能力，采用开放式的结构体系。 数控技术的主要发展趋势有以下几个方面： 绪论 1 高精度、高速度 数控装置要求能够高速处理输入的指令数据，同时要求伺服电机能够高速 的做出反应。目前由于微处理器计算能力的极大提高，使得数控机床在分辨率 为0 1 衄、0 0 1 比m 时仍然可以保持很高的进给速度。精密级的数控机床加工精 度已经由原来的0 0 0 5 m m 提高到0 0 0 1 5 m m 。高速主轴单元转速已经达到 1 5 0 0 0 - 1 0 0 0 0 0 r m i n 以上。进给运动部件速度已经达到6 0 m m i n 以上。 2 柔性化开放式的体系结构 传统数控系统采用专用的封闭式体系结构，组成系统的硬件模块和软件结 构都是专用的，互相不兼容。这种专用体系结构的数控系统，虽然具有结构简 单、技术成熟、产品批量大、生产成本低等优势，但是系统的封闭性使得对数 控系统的修改和扩充十分困难。专用的软硬件结构限制了系统本身的持续开发， 使得系统的开发投资大，周期长，更新换代慢，维护困难，不利于数控产品的 技术进步，同时使用户在人员培训和设备维护方面都要投入大量的精力和资金。 模块化、可重构、可扩充的开放式数控系统改变了过去专用的软硬件系统，采 用了模块化的软硬件结构，提供用户扩展功能的软硬件接口以及良好的系统可 移植性和与其它应用软件良好的交互操作性。开放式数控系统已经成为数控技 术发展的潮流。 。 3 多功能化 数控系统除了具有一般通常的数控加工功能以外，现代数控系统已经具有 很强的和计算机通讯和联网的能力。系统不仅具有很强的图形功能，而且数控 系统自身的故障诊断和实时监控功能不断完善，机床可以同时完成多个独立加 工任务，可以控制多台或者是多种机床， 物料搬运等功能。 在系统中还能够集成刀具破损检测和 。o ： ，14 网戳，f + ，_ 又一。一 一 。 随着信息技术的飞速发展，现代数控机床的网络功能已经大大加强了。数 二 一 控系统不仅仅具备与底层现场设备通讯的能力，。伺时能够与更上层的计算机进 行数据交换与共享，与c a m 俨d m e r p 等系统进行无缝的集成，能够支 持基于网络的各种远程数控服务，包括远程在线编程、远程数控加工仿真、远 程加工检测、远程数控加工控制以及远程故障诊断等。 5 智能化 随着人工智能在计算机领域的发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系 3 绪论 统和神经网络的控制机制，数控设备的智能化程度不断提高。数控系统具有自 动编程、前馈控制、模糊控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数 动态补偿等功能，人机界面友好，引入故障诊断专家系统使得自诊断与故障检 测功能更加完善。饲服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给饲服装置能够 自动识别负载并且自动优化加工参数。 j 6 高可靠性 数控设备可靠性指标m t b f 已达一万小时以上，当前的数控系统硬件大量采 用高集成度的芯片，新型大规模集成电路采用新型封装技术，这些都大大提高， 了数控系统的可靠性。在提高数控设备平均无故障时间的同时，从设计方面加 强自诊断功能，引入专家系统；对系统潜在故障进行预处理，加入自动排除故 障的自诊断系统，使系统具有高抗干扰能力，以适应严酷的工业现场环境。 1 2 数控加工技术国内外研究情况 1 2 1 数控技术国内发展情况 我国从印年代中期开始数控自动编程方面的研究，7 0 年代以a p t 为蓝本 研制出2 坐标功能的数控加工自动编程系统s k c 系统、z c x 系统、c k y 系统 等。后来研制出具有复杂曲面编程功能的c a d 2 5 1 数控加工绘图语言等系统， 功能从2 维扩大到3 、4 、5 坐标。近年又推出了h z a p t 、e a p t 等微机数控语 言编程系统。图形自动编程系统近年来也有所发展，较著名的商业软件有北京 航空大学的c a x a 、华中科技大学的开目c a m 、清华大学g e m s 和西北工业 大学的n u p _ _ c a d 洲等。 c ：a 。嚣越r 开目c a m 、g e m s 和n u 卜- c a d c a m 是国内发展较好的几款 c a d c 蕊系统，它们都是以自己系统的c a d 模块来进行零件的几何、特征造 型，然后将c a d 模块中的数据传送到后面的c a p p 模块、c a m 模块和c a f a 等进行工艺设计、数控加工和工程分析等。可以看出它们的自动编程系统都是 基于专用图形软件包进行开发的，也就是软件的用户需要在这些软件提供的 c a d 平台上进行零件的设计工作才能使系统的后续模块功能发挥的最好，这主 要是因为这些软件的模块问的数据交换发展都经历了由分散交换形式到文件形 式再到共享形式的过程。所谓共享形式的数据交换是指采用特征造型方式，其 4 绪论 所有模块中的数据都在统一的形式下存储于数据库中，这样可以达到系统中各 个模块的数据自动理解，统一操作的最佳效果。 1 2 2 数控技术国外发展情况 在国外，从1 9 5 3 年就开始了对数控自动编程的研究。早期由于计算机的计 算能力有限，所以国外开发的自动编程软件也是必须用语言来描述几何图形信 息和加工过程，然后再由计算机处理成加工程序，这种自动编程的方法虽然在 手工编程的基础上有所提高，但这种编程直观性差，编程过程比较复杂。近年 来，由于计算机技术飞速发展，计算机图形处理能力有了很大增强。因此，一 种可以将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的全新的计算机自动编 程技术便应运而生。 1 9 5 3 年，美国麻省理工大学研制了a p t 系统，奠定了a p t 语言的基础。 1 9 7 2 年，美国洛克西德加利福尼亚飞机公司首先研究成功采用图像仪辅助 设计，绘图和编制数控加工程序的一体化系统c a d a m 系统，从此揭开了数控编 程的序幕 1 9 7 5 年，法国达索飞机公司引进c a d a m 系统，为已有的二维加工系统 c a l i b r b 增加二维设计和绘图功能，1 9 7 8 年进一步扩充，开发出了满足三维设 计，分析和n c 加工要求的c a t i a 系统 1 9 8 3 年，美国m c d o n n e l ld o u g l a sa u t o m a t i o n 开发出了u gi i 系统，并不断发 展已成为应用最广泛的数控编程系统之一 1 3 基于m a t l a b 的数控编程系统研究意义及课题来源 |。 。： ，： ： 1 3 f 基于m a t l a b 的数控编程系统研究意义 随着信息和网络技术的飞速发展和应用，i n t c r n c t i n t r a n c t 技术正在给制造 业的经营、生产和制造过程带来了一系列的重大变革。基于网络技术的制造全 球化正在影响，甚至在某种程度上正在改变现代制造业的竞争格局。传统数控 技术服务大多集中在c s 模式下，应用在企业内部，受企业资源、知识层次及 绪论 发展前景等因素的制约，并不能利用先进的i n t c r n c t 技术同其它企业共享资源， 从而束缚了企业自身的发展。而随着经济的全球化和社会生产力的高度发展， 企业经营战略从以自身为中心转变为以用户为中心，服务逐渐成为各企业的主 要竞争手段，所以如何使制造资源共享，快速响应多变的市场以争取更大的市 场份额是各制造企业单位急需解决的问题。网络化制造也就在这种背景下应运 而生，它是一种在网络经济时代按市场需求进行驱动，具有快速响应机制的全 新制造模式，是一种在制造过程当中充分运用现代网络信息技术以产生更大经 济效益的一种制造模式。企业与企业间的网络化，实现企业间的资源共享、组 合与优化利用；通过网络实现异地制造。它以数字化、柔性化、敏捷化为基本 特征。 c a d 操作的基本单位是各种曲线曲面的集合，这些曲线曲面其轮廓是由许 多线段和圆弧光滑连接起来。归纳起来，大致分为三类：第一类为直线和直线， 直线与圆弧，圆弧与圆弧间用半径已知的圆弧光滑连接( 简称修圆) ；第二类为 圆弧与圆弧间用一公共切线光滑连接( 简称共切线) ；第三类是已知点且与前一 轨迹( 直线或圆弧) 相切的圆弧。所有以上三类情况最后都可以归结为求切点 的问题。在数学上，可以联合几个方程式联合求解，而这最终又可以转化为用 矩阵来求解变量。众所周知，m a t l a b 在矩阵运算方面的速度是其它编程语言 或数学工具不能比拟的，这就为m a t l a b 在g 缸 ( 1 蝴应用占有一席之地。 试想加工一个由成百上千个切点连接的由成千上百个曲线曲面构成的零件，用 m a t l a b 进行计算其优势和效率是显而易见的。 1 3 2 基于m a t l a b 的c a d c a m 系统课题来源 ； 以洛阳一拖集团为首的洛阳地区近2 0 家制造企业，在开展制造业信息化的 进程中，认识到开展网络化制造的重要意义，与“十一五 初组建了洛阳地区 模具制造网络化联盟，动态企业联盟中各个加盟企业之间的数控机床经常需要 协作加工零件。因此，实现一定区域内网络化加工具有实际意义。此外上海市 一所新办的本科层次的独立院校上海师范大学天华学院在上海市政府和市 教委的支持下，筹建了“机电综合技术创新实训基地”，先后投入了6 2 5 万元， 购置了2 0 余台数控加工中心、数控铣床、数控车床和数控电火花机床，该实训 基地也急需有一种能应用于现场又便十教学的自动编程系统。本课题就是在上 绪论 述两家客户的应用需求背景下进行开发的。 1 3 3 论文的组织结构 论文共分为六章，其组织结构如图1 - 1 所示： ： 第1 章绪论：简要介绍了数控技术的现状及发展趋势，以及国内外在数控 技术领域的研究现状，由此引出基于m a t l a b 的c a d c a m 系统在网络化加 工方面的应用意义和课题来源。 第2 章基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的体系结构：阐述了网络化 制造环境下c a d c a m 系统的逻辑体系结构、技术体系结构以及工作流程，并 对系统的实施原则做了详细的说明。 第3 章基于m a t l a b 的q 姐删集成系统的技术研究：针对网络化环 境下c a d c a m 集成系统中的关键部分和关键模块提出了具体技术路线和解决 手段。其中对j a v a 的串口r s 2 3 2 c 编程实现和s o c k e t 技术做了重点研究。 第4 章系统界面的设计与开发：利用m a t l a b 的g u i d e 设计叫渊 软件系统的界面，并实现与其关联的内部或底层操作。 第5 章系统运行及实验分析：结合实例对开发出的系统模型进行试验操 作，并由结果验证最初设计思想的正确性。 第6 章结论与展望：对研究的主要工作和成果进行总结，并且对基于网络 的数控技术进行进一步的探讨和展望。 组织结构如下图1 1 所示： 7 基于m 棚a b 的c a d 脚集成系统的体系结构 第一章绪论 上 第二章基于m a t l a b 的 c a d c a m 寞眸系统的体系结构 0 l第三章基于m a t l a b 的第四章系统界面的设计与 ic a d c a m 集成系统的括术研究 开麓 tt 第五章系统运行及实验分析 上 第六章结论与展望 1 3 4 课题创新点 图1 - 1 论文组织结构图 论文主要以基于网络的远程数控加工为方向，以m a t l a b 作为开发和 运行环境，对洲q 蝴集成系统的实现进行了研究和实现。与其它网络化制 造模式下的远程数控控制系统和其它语言的g 址( a m 系统相比，主要表现在 以下几个方面： 1 系统采用m a t i a b 作为平台，进行图形界面的开发。不仅可以读取外 部其他c a d 图形文件，还可以利用自身的绘图工具进行绘图操作； 2 c a d 图形采用了不同的算法，极大方便了点、线和圆弧的绘制，同时利： j - 用m a t l a b 丰富的图形用户交互功能，指导用户进行绘图。 3 c a d 系统采用了m a t l a b 自带的绘图命令绘点线圆，由其绘图命令返 回的图形句柄可以由g u i d a t a 命令保存，作为函数问调用，因而可以在 m a t l a b 的各个模块间分享数据； 4 软件的工具栏继承了m a t l a b 专有的一些工具如数据察看器，只要用 9 基于m a t i a b 的c a d 脚集成系统的体系结构 第2 章基于m a t l a b 的c a d c a m 系统体系结构 2 1c a d c a m 集成系统理论分析与设计思想 2 1 1c a d c 棚集成系统理论分析 ( ： ) 基于c a d c a m 平台的丌发，此类开发介j 二前两种方式之间，较二 l o 基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的体系结构 次开发更深入核心层，具有开发周期短、见效快、系统稳定性好和功能强等特 点。具有代表性的平台有a c i s 、p a r a s o l i d 、c a s 和c a d e 等。前两种开发 方式在国内较为普遍。 本系统的开发正式采用第一种方法一完全自主版权开发。 2 1 2c a d c a l l 集成系统设计思想 c a d c a m 领域随着全球工业的发展逐渐走向成熟，c a d c a m 所基于的几何模 型也不断推陈出新，从最早的线框几何模型，发展到曲面几何模型，又到了现 在的实体几何模型。本系统采用的是线框几何模型，下面把这种模型详细做个 介绍： 线框结构的几何模型是在c a d 刚刚起步时惯用的几何模型，因为对线框结 构的几何模型研究比较多，所以它是一种比较被广泛采用的模型，现在很多二 维方面的软件都是基于这种几何模型。这种模型描述手段是以线段、圆、弧和 一些简单的曲线为描述对象，通常人们也把线段、圆、弧和一些曲线称为图形 元素。因此对软件来说，特别是二维软件，其实现手段比较简单。随着设计手 段的提高，在线框模型中引进了图元的概念，图元是由线段、圆、弧、文字和： 一些曲线等图形元素和属性元素组成的一个整体。也有一些软件甚至根据人们 的习惯，加入了辅助线、辅助圆、切圆等功能( 如d r a w b a s e 和本软件系统) ， 更加方便和接近了使用人员。但线框结构的几何模型在三维方面的进步处理 上有很多麻烦和困难，如消隐、着色、特征处理等。这就需要用到曲面几何模 型。以最常见的a u t o c a d 软件为例，a u t o c a d 图形文件中记录着图形的几何信 息，可以方便地进行显示、修改和传递。但是，数据表格图形文件( d w g ) 中 的数据无法被后续的造型工序直接采用，而且难以检验其正确与否。若进行人， 工读取或编辑”不仅效率低鬲劳动强度大，而且极容易出错。文中找到一种“，o ： 高效、可靠的方法来读取表中的数据，并将其写入到相应数据文件中。即由计。，： 算机来完成从图形文件( 奎d w g ) 的信息交换文件( 术d x f ) 中读取出所需的表格 数据，将其存放到专门的数据文件中，并以图形直观显示。 与此同时，c a d 采用的几何模型虽然非常完善地描述了零件的几何信息， 却无法表达零件的工艺信息，而c a m 除了要求产品的结构形状，公称尺寸等 几何信息外，还要求一些尺寸公差、形位公差、表面粗糙度、材料及热处理等 基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的体系结构 一系列对产品的功能极为重要的非几何信息工程信息，而c a m 的前序工 作c a d 中却不包括这些工程信息，因此使c a d 和c a m 集成的关键技术 是在两者之间建立一个模型库，其包括刀具选择信息、刀具误差补偿信息，使 其包含零件、部件以至于整个产品在生存周期中各个环节的几何信息和非几何 信息，具备完整性、抽象性和可操作性等特点， 此外，c a d c a m 系统要完成集成并实现功能，必须具备两个方面的保证， 一个是硬件系统，一个是软件系统。硬件系统由计算机及其外围设备组成，包 括主机、显示器、存储器、输入输出设备、网络通讯设备以及生产加工设备； 软件系统通常指程序及相关的文档，包括系统软件、支撑软件和应用软件。硬 件提供了c a d c a m 系统潜在的能力，而软件则是开发、利用其能力的钥匙。 c a d c a m 系统的组成如下图2 1 所示： 图2 - 1c a d c a m 系统组成 对于产品设计和制造的全过程而言，c a d 、c a m 技术长期处于独立发展 和使用状态。这些独立的系统不能实现系统之间信息资源的自动传递和交换。 c a d 系统设计的结果，不能直接为c a m 系统所接受，需要人工将c a d 输出 。的图样转换成c a m 所需的数据，不仅影响了效率，而且在人工转换过程中难 免出错。只有当c a d 系统生产的图形信息能自动转换为c a m 所学的信息，才 是最经济的。由此提出了c a d c a m 集成的概念。应该说洲c a m 集成是指 信息的集成，指在c a d 、c a m 各个模块问信息的提取、交换、共享和处理的 集成，是信息流的整体集成。如下图2 2 所示： 基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的体系结构 l c a d 辑口一敦据搿口j c a m 一 n c 代码j l 模型j c a d c a m 集成方案有以下几种： ( 1 ) 通过专用数据接口实现 各个子系统在独立的数据模式下工作，如图所示。专用的数据接口无通用 性，不同的c a d 、c a m 系统问要开发不同的接口。如下图2 3 所示： 图2 - 3 专用数据接口 ( 2 ) 利用数据交换标准格式接口文件实现集成 建立一个与各子系统无关的公用接口文件，建立公用的数据交换标准，如 同所示。当某个系统的数据结构发生变化时，只需要修改此系统的前后处理程 序模块。目前世界上已开发出多个公用数据交换标准，如i e g s ，s t e p 等。如 下图2 4 所示： ， 图2 - 4 标准格式接口文件 ( 3 ) 基于统一的模型和数据库 这是将c a d 、c a m 作为一个整体来规划和开发，从而实现信息高度集中 和共享的方案。如图所示，集成，f ：发模型是实现集成的核心，统一的工程数据 库是实现集成的基础。各功能模块通过公用数据库及统的数据库管理系统实 1 3 基于m a t l a b 的c a d c a m 集成系统的体系结构 现数据的交换和共享，从而避免了数据文件格式的转换，保证了数据的一致性、 安全性和保密性。如下图2 5 所示： 图2 - 5 统一的模型和数据库 从a 虹收i a m 系统的组成中，可以看到，数控加工是c a m 系统中的最终 加工步骤，也是洲c a m 技术中最能明显发挥效益的生产环节之一。它可以 保证产品达到极高的加工精度和稳定的价格质量；操作过程容易实现自动化， 生产效率高；生产准备周期短，可以大量节省专用工艺设备；它与c a d 衔接紧 密，可以直接从图形定义中产生加工指令，保证零件具有精确的协调和互换性。 生成对象的形状越复杂，加工精度要求越高，设计更改越频繁，生产批量越小， 越能显示数控加工的优越性。本系统采用了以上( 2 ) 和( 3 ) 集成方案。 2 2 系统总体结构设计 2 2 1 系统总体结构框架图及工作流程 整个系统的框架结构如图2 6 所示，主要由用户模块、服务模块( 网络层) 、 接口模块和设备层等四大部分组成。本课题研究主要为用户模块c a d c a m 系 1 4 基于m a t l a b 的a c 舢垤集成系统的体系结构 统的开发，兼顾网络模块s o c k e t 技术应用和接口模块的r s 2 3 2 c 接口编程。 图2 - 6 系统总体结构框架 远程数控加工系统的工作流程如图2 7 所示： 1 首先通过系统的c a d 绘图功能或者是从外面文件导入到系统中形成图 形，这个过程中要判断导入的图形文件格式是不是d x f 格式，是d x f 格式就通 过图元整理模块后提取有用的信息，按序排列后在系统c a d 中重新生成，不是 d x f 格式就通过图形格式转换模块转化为d x f 格式后再按照前面步骤进行下一 步处理。 2 在c a m 模块中，把c a d 模块中绘制或生成的图形进行解析，生成相应的 数控代码保存到文件当中。 3 判断当前系统是否和互联网相通，相通就通过s o c k e t 通讯模块把c a m 模块生成的数控代码文件传送到远程数控计算机上，不通就通过可移动存储器 把数控代码文件拷贝到远程数控计算机上。 1 5 图2 7 远程数控加一l ：系统的：l ：作流程 1 6 机 修 基于m a t l a b 的a 址忱j 蝴集成系统的体系结构 2 2 2 主要功能模块介绍及其功能 1 用户层 用户层按功能可分为用户图形界面模块、程序模块、文件输入模块和代码 输出模块等。其相互关系如图2 - 8 所示： 图2 - 8 用户层 用户图形界面模块( g u i ) 是由m a t l