（机械制造及其自动化专业论文）电火花线切割cadcam集成系统关键技术研究.pdf

浙江人学硕上学位论文 摘要 电火花线切割加工自诞生以来，获得了迅速的发展。特别是近十年来，由于 数控技术、脉冲电源、机床设计等方面的不断进步，线切割机的加工功能及加工 指标均比以前有较大的提高。近年来随着模具工业的飞速发展，电火花线切割加 工在机械、电子、电机、仪表、汽车等大中型企业中得到了更加广泛的应用，被 誉为“带动八十年代机床工业发展的先导机种”。 然而，目前应用的电火花线切割自动编程软件还存在很多缺陷，如几何造型 的功能不够强大、兼容性差、应用程序适应的操作系统比较落后和对复杂二维封 闭图形的处理存在困难以及加工仿真方面功能不足等等问题，严重制约了线切割 加工生产效率的提高。 本文针对国内电火花线切割加工的现状，研究了电火花线切割中的 c a d c a m 集成的关键技术问题，主要包括：电火花线切割加工中基于图形和图 像的零件建模技术、自动编程中的若干关键技术和加工仿真技术等，利用 c a d c a m 集成技术和a u t o c a d 的二次开发工具一- - o b j e c t a r x 2 0 0 0 研究开发 了一套应用软件，该软件充分利用了a u t o c a d 2 0 0 0 强大的几何造型功能，通过 命令和菜单的定制，达到了以a u t o c a d 内部命令的方式实现电火花线切割自动 编程和加工仿真功能的目的，解决了当前电火花线切割自动编程软件存在的缺 陷，能够满足当前制造业迫切的应用需求，又可为新一代标准化的c a d c a m 集 成系统在设计方法和关键技术上进行有益的探索。 目前，该软件已经投入到浙江大学工程培训中心的使用中，作为浙江大学电 火花线切割二维创新设计d n c 平台的重要组成部分，将原有的普通线切割实验 集成为深受学生欢迎，具有系统性、综合性和创新性的二维创新设计数控线切割 工艺实验，在教学实习中得到了充分的应用，其实用价值在实践中得到了强有力 的证明。 关键词：电火花线切割自动编程c a d c a m 仿真 浙江大学硕上学位晓史 w e d mh a sb e e nd e v e l o p e dr a p i d l ys i n c ei t sb e g i n n i n g a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to f n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g y , p u l s ep o w e rs u p p l y a n dm a c h i n ed e s i g n t e c h n o l o g y , t h e f u n c t i o na n dc a p a b i l i t yo fw e d mh a sb e e nd e v e l o p e dg r e a t l ys i n c et h ep a s tt e ny e a r s a st h e m o u l di n d u s t r yd e v e l o p i n ga tav e r yf a s ts p e e d ，w e d m ，w h i c hh a sg o te x t e n s i v ea p p l i e st o t h ei n d u s t r yo fm a c h i n e - d r i v e n ，e l e c t r o n i c ，m o t o r ，i n s t r u m e n ta n da u t o m o b i l e ，i sp r a i s e dt ob e t h ef o r e r u n n e ro fm a c h i n e t o o li n d u s t r yi n1 9 8 0 s h o w e v e r , t h e r ea r em a n yf l a w si nt h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs o t t w a r ea p p l i e dn o w , t h ef u n c t i o no ft h e i rg e o m e t r yf o r m a t i v et e c h n i q u ei s n tp o w e r f u le n o u g h ，a n dd e p e n d ss t i l l o nb a c k w a r do p e r a t i o ns y s t e m ，f u r t h e r m o r e ，i t sd i f f i c u l tf o rt h e mt od e a lw i t hi m a g e ，a n dt h e f u n c t i o no fs i m u l a t i v ec u t t i n gi s n tp o w e r f u le n o u g ht o o ， b a s e do nt h er e s e a r c ho ne x i s t i n gs i t u a t i o n ，t h i s t h e s i sh a sr e s e a r c h e dt h e k e y t e c h n o l o g ya p p l i e di nt h ei n t e g r a t e dc a d c a ms y s t e mo f w e d m t h em a i nc o n t e n ti sa s f o l l o w i n g ，t h em o d e l i n gt e c h n o l o g y o fm a c h i n ep a r t sb a s e do nd r a w i n ga n di m a g e ，s o m ek e y t e c h n o l o g yo f a u t o m a t i cp r o g r a m m i n gi nw e d m ，a n ds i m u l a t i v ec u t t i n gt e c h n o l o g y , u s i n g t h ei n t e g r a t e dc a d c a mt e c h n o l o g ya n dt h et o o lo fv c + + a sw e l la so b j e c t a r xi n t h e p l a t f o r mo f a u t o c a d t od e v e l o pas e to fs o f t w a r e ，t h i ss o f t w a r ec u s t o m i z e das e r i a lo f m e n u a n dc o m m a n d sw h i c hc a l lb eu s e di na u t o c a d a si t si n t e r n a lc o m m a n d s ，s e t t l e dt h ep r o b l e m s i na u t o m a t i c p r o g r a m m i n g s o f t w a r e a p p l i e d n o wa n d m e tt h e m a c h i n i n gi n d u s t r y f u r t h e r m o r e ，t h i st h e s i sh a s a l s o e x p l o r e dt h ed e s i g nm e t h o da n dk e yt e c h n o l o g yo f n e w s t a n d a r d i z a t i o no f i n t e g r a t e d c a d c a m s y s t e m - t h es o w a r eo fw e d mh a sb e e np u ti np r a c t i c ea st h ep l a t f o r mo f2 di n n o v a t i v e d e s i g ni nw e d mo f z h e j i a n gu n i v e r s i t y i ti n t e g r a t e s t h ef o r m e rn o r m a lw e d m e x p e r i m e n t i n t oaw e l c o m e d2 di n n o v a t i v ed e s i g ne x p e r i m e n ta n dp r o v e dt o b eg o o ds o f t w a r ew i t h a p p l i e dv a l u e k e y w o r d s ：w e d ma u t o m a t i cp r o g r a m m i n g c a d c a m s i m u l m i o n 4 浙江人学硕上学位论文 第一章绪论 1 1 论文研究的背景 电火花线切割加工技术白诞生以来，以其新奇的加t t 艺和独特的加工能力在制造领域 引起_ ：r 一场技术革命，对制造业的生产模式和人才知识结构等产生了重大影响【1j 。因为它町 以用较软的材料来加工任何硬、脆、韧、软、高熔点的导电材料，如果采用特殊方法还可用 来加r 半导体、甚至非导电体。据统计，我国数控电火花线切割机床的拥有量为8 万余台， 居世界第一，从业人员近1 0 万人( 含操作人员) ；2 0 0 2 年的年生产量为1 5 万台，年总产值 高达8 亿元，年对外出口额达2 0 0 0 万美元。电火花线切割机床在日本被视为“三大战略品 种之一”，说它是“带动八十年代机床t 业发展的先导机种”，1 这并不过分。 有人认为：在第二次世界大战后出现的新的金属加工方法中，没有一项能象电火花线 切割加工那样被迅速、广泛地推广应用，甚至很难估价这种加工方法对当代机器、仪器制造、 无线电及宇航等工业的发展所起的巨大作用，它能几十倍地提高劳动生产率并改善劳动条 件：成倍地缩短模具制造周期和消除笨重的体力劳动。尤其是电火花线切割c a d c a m 集 成系统，大大提供了企业的生产效率，是二十一世纪生产力发展的必然所求，也将是二十一 世纪最先进的制造技术之一。l j l 1 1 1 电火花线切割加工原理和应用 电火花线切割的起源 1 9 4 3 年前苏联拉扎连柯夫妇和古雪夫几乎同时分别发明了电蚀加工( e l e c t r o e r o s i o n m a c h i n i n g ) 和阳极机械加工( a n o d e m a c h i n i n g ) ，1 9 5 5 年，前苏联提出了电火花线切割加j _ = ( w i r e c u t e d m ，简称w e d m ) 方案并于次年生产出第一台电火花线切割机床；我国于1 9 5 8 年开始着手设计制造简易电火花线切割机床，并于t 9 6 0 年首次展出电火花线切割机样品j 。 二：电火花线切割加工颞理 电火花线切割是在电火花加工基础上发展起来的一种新的_ t 艺形式，是在一定介质中 ( 通常为皂化液或专用加工液) ，利用两个电极( 一极是工具电极，另一极则为工件) 之间 产生脉冲火花的电蚀效应来达到蚀除被加工工件材料目的的加工技术，在两极放电的过程 中，放电通道瞬时产生大量的热，足以使电极材料表面局部融化或气化，并在定条件r ， 融化或气化的部分能抛离电极表面，形成放电腐蚀的坑穴。故称为电火花线切割，有时简称 线切割，它已获得广泛的应用，目前国内外的电火花线切割机床己占电加工机床的6 0 以 上。 电火花线切割加工设备一般由脉冲电源、自动控制系统、机床床身和工作液及其循环 系统组成。脉冲电源为电火花加工提供放电能量；自动控制系统的作用是使电极与工件间 维持适当的间隙距离( 通常为数微米到数百微米) ，防止发生短路和拉弧烧伤等异常情况发 生；机床的作用是给加工过程提供支撑，并使电极与工件的相对运动保持一定的精度：工 作液有助于脉冲放电，并起冷却作用及间隙消电离( 及通道中的带电粒子恢复为中性粒子) ， 其循环过滤系统保证蚀出产物的有效排出，以防止工作液中的导电微粒过多而减小绝缘强 度，导致脉冲放电转变为破坏电弧放电，使加工无法正常进行。 电火花线切割加工方法是一种与机械加工性质完全不同的新工艺、新技术，由于它不 同于普通车削等机加工靠比工件材料更硬的刀具来切除工件上多余的部分，而是靠两电极 间脉冲放电时产生电腐蚀( 包括热融化、气化，液动力、电子轰击等造成的工件及电极的 腐蚀) 而对材料进行去除加工，因而可以用较软的材料来加工任何硬、脆、韧、软、高熔 浙江人学硕士学位论文 点的导电材料，如果采用特殊方法还可用来加r y - - 导体、甚至非导电体。因此，短短几十 年内，电火花线切割加工在全世界范围内得到了极为广泛的应用。另外，它的工具电极制 造容易，适应面广，也促成了电火花线切割加t 的推j “，尤其在模具加工行业，全世界约 有7 0 的w e d m 机床是用来加_ 丁模具的。1 4 1 根据电极丝的运行速度，电火花线切割机床通常分为两大类：一类是高速走丝线切割 机床( w e d m - h s ) ，这类机床的电极丝作高速往复运动，一般走丝速度为8 1 0 m s ，这是 我国生产和使用的主要机种，也是我国独创的电火花线切割加工模式；另一类是低速走丝 电火花线切割机床( w e d m - l s ) ，这类机床的电极丝作低速单向运动，一般走丝速度低丁 0 2 m s ，这是国外生产和使用的主要机种。这两类机床都采用了数控技术，可以加工复杂 图形。 三电火花线切割加工的应用范围 随着科学技术的发展，人们对生活品质的不断追求，对产品的生产周期和质量提出了 越来越高的要求。这促使科技人员不断地进行技术革新、发明、创造、综合，对于新型材 料、传统冷 3 1 1 - e 困难的材料和复杂型腔等情况，人们自觉不自觉地转向线切割加工，寻求 解决方法。线切割加工技术就是在这样的内在技术进步和社会推动力下发展而日臻成熟， 由初期的靠模仿形控制发展为自动编程，d n c 控制，步进机脉冲当量也减少到了 o 0 2 5 9 m p u l s ，加工精度也由初期的+ 2 0 - t i n 提高到4 - 0 5 1 a m ，“1 为加工新产品试制、精密零件 加t 及模具制造开辟了一条新的工艺途径，其主要应用丁- 以下几个方面。 ( 1 ) 加工模具适用于各种形状的模具。调整不同的间隙补偿量，只需一次编程就可以 切割凸模、凸模固定板、凹模及卸料板等，模具配合间隙、加工精度通常都能达到要求。此 外还可加t 挤压模、粉末冶金模、弯曲模、塑压模等通常带锥度的模具。 ( 2 ) 加工电火花成形加工用的电极一般穿孔加工用的电极和带锥度型腔加工用的电 极，以及铜钨、银钨合金之类的电极材料，用电火花线切割加工特别经济，同时也适用于加 上微细复杂形状的电极。 ( 3 ) 加t 零件在试制新产品时，j = j 电火花线切割在坯料上直接割出零件，例如试制切 割特殊微电机硅钢片定转子铁心，由于不需另行制造模具，可大大缩短带4 造周期、降低成本。 另外修改设计、变更加工程序比较方便，加t 薄件时还可多片叠在一起加工。在零件制造方 面，可用于加上品种多，数量少的零件，特殊的、难加工材料的零件，材料试验样件，各种 犁孔、特殊凸轮、样板、成型刀具。同时还可进行微细加工，异形槽、窄槽和标准缺陷的加 工等。 目前以对电火花线切割需要最大的模具行业为例，根据国内的有关统计：汽车制造业的 产品中有6 0 8 0 的零件需要冲压加工；仪器、仪表中有7 0 8 0 ；电子工业有8 5 ； 8 0 9 0 的塑料制品和6 0 7 0 以上的日用小五金和耐用消费品都需要有模具来生产 2 1 。由此可见，产品的生产离不开模具，提高和发展电火花线切割加工水平对产品的生产意 义极为重大。 1 1 2 电火花线切割c a d c a m 技术的发展概况 所谓c a d c a m 一体化，是指从产品的设计到加工完全由计算机完成。它包括三个方 面：m 是数学模型的一体化，c a d 系统输出的加工表面的数学模型必须是c a m 系统所能 识别和接受的模型，其数学模型必须统一；其次是信息的一体化，c a d 系统不仅要向c a m 系统提供几何信息，而且要提供加工信息，如切削参数、换刀信息等等，其信息流必须统一； 第三是硬什的一体化，c a d 系统与c a m 系统应通过硬件接口连成一体，以便进行信息的 传输、反馈与控制”j 。 2 浙江人学硕士学位论文 自5 0 年代末开始，c a d 、c a m 技术分别独立地发展，至7 0 年代末，国际上已出现许 多性能优良的、商品化的c a d 或c a m 系统。自7 0 年代开始发展以来，至今国内外均已推 出了一些独立的、商品化的c a p p 系统。但由于现有的c a d c a p p 、 c a m 系统是从 生产过程的不同侧面分别发展起来的，实际上，他们只是分别独立的自动化“孤岛”，各自 在信息处理过程都存在着特殊性，彼此间的类型定义、实现手段和存取方法均有差异，信息 难以交换，资源不能共享。这样，不仅造成了物资和时间上的浪费，影响了工程设计的效率， 而且在数据传递和转换过程中还可能造成错误，降低产品数据的可靠性。因此，自7 0 年代 起人们就开始研究c a d 、c a p p 和c a m 之间的数据和信息的自动化传递与转换问题，即 c a d c a p p c a m 集成技术，8 0 年代以后，由于生产发展的需要，c a d c a p p c a m 集成技 术的研究已成为一个十分突出的问题，国前这一技术在国内外均已取得了很大的进展，有些 技术已达到了实用的水平。 我国是从1 9 5 8 年开始研制电火花线切割机床在研制与推广、使用电火花线切割机床 方面应得相当人的成绩。电火花线切割加： 中的c a d c a m 技术集中体现在数控加工程序 的编制中。控制电火花线切割机床加工的数控软件和程序编制系统的发展也非常迅速，人致 经过了手工编程、数控语言自动编程和交互式图形编稃三个阶段。 起初的程序编制手段比较落后，一般使用手工编程，穿孔纸带输入方式。人们只能借助 丁i 数学用表与台式计算机等，根据图纸要求进行数据的计算，并按规定的指令代码手工编制 零件加工程序及手t 制作控制介质，因此编程效率低下、精度差。手工编程时，编程人员必 须对所片j 机床和数控装置以及对编程中所用到的各种指令、代码都非常熟悉。这在编制单台 数控机床的程序时，矛盾还不突出，可以说不大会出现代码弄错的问题。但在一个编程人员 负责几台数控机床的程序编制工作时，由于各机床所用的指令格式、程序段格式以及其它一 些编程规定往往不一样，所以就给编程工作带来了易于混淆而出错的可能性。 为了提高编程的效率，降低编程人员的劳动强度，随着计算机技术的发展和算法语言的 出现，人们开始采用电子计算机来代替手工编程的工作。这种借助于电子计算机来编制零件 加工程序并自动制备穿孔纸带的方法，称为自动编程。 5 0 年代麻省理工学院研制开发了用于机械零件数控编程的专用编程语言a p t 语言。因 为它具有语言直观、制各介质快、加工精度高等优点，很快得到了广泛的接受和应用，成为 使用最广的自动编程语言。其后，a p t 语言又经过了多次改进，推出了数个版本，功能日 趋完善。在a p t 语言的影响f ，一些发达国家又相继开发了带有一定特色和应用性更强的 数控编程语言，如m d s i 公司的c o m p a c t ，i b m 公司开发的适用于小型计算机的a s a p t 等， 我国也在7 0 年代以后，以a p t 为蓝本开发了一些自动编程语言系统， c a m 2 5 1 ( 参数曲 面定义与加。j ：) 以及微机上使用的e a p t 、h z a p t 、m a p t 等。 随着c a d c a m 技术的发展，电火花线切割加上编程系统也从a p t 语言编程过渡到 交互式图形编程。交互式图形系统进行零件的数控编程是在c a d c a m 集成系统的支持 下，在图形终端上进行数控加工编程。数控编程系统所需的几何定义方式和数据不必专门设 计，可以从c a d 生成的几何图形信息中直接读取，省去了很大一部分重复工作最，编程时 有关刀具的信息也可以从c a d c a m 系统中直接读取。与批处理的语言型数控加工编程系 统相比，这样的系统能够提供单一准确的产品j l 何模型，几何信息的产生和处理手段灵活： 引入参数化设计功能以后，通过成组编码和特征建模技术，使得c a d 环节易于和工艺过程 设计及数控加工自动编程相衔接9 p 【l q 。 电火花线切割加工是c a d c a m 技术中最能明显发挥经济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加丁质量：操作过程容易实现自动化；生产准备周 期短，适宜产品快速更新换代的需要。生产对象的几何形状越复杂，加工精度要求越高，生 产批量越小，线切割加工的优越性就越能得到发挥。 浙江大学硕士学位论文 国内电火花线切割c a d c a m 软件的研究与开发起源于航空航天领域，目前已经历j ， 研究、起步、发展三个阶段，逐步形成了拥有自主知识产权的主流产品，如北京北航海尔软 件有限公司开发的c a x a 线切割软件，深圳市立先科技开发有限公司开发的y c u t p r o 软什 等。 1 1 3 电火花线切割c a d c a m 技术存在的问题 在电火花线切割加_ 领域，国内已有不少企业对电火花线切割c a d c a m 的计算机辅 助单项应用技术已经比较成熟，如市场上流行的“b a n d 5w e d m 绘图式线切割自动编程系 统”、“北航海尔软件公司的c a x a 线切割软件”等。综合分析目前在线切割加工车间j 泛 应用的自动编程软件，其中还存在着许多不足之处，不能满足生产单位自动化生产的要求。 这些问题主要体现在一f 几个方面： ( 1 ) 目前仍然有一人部分线切割自动编程软件系统运行在d o s 系统下，而d o s 系统 有先天性的缺陷，只能访问6 4 0 k 内存，且用户界面不够友好； ( 2 ) 即使目前推出了许多基于w i n d o w s 的自动编程软件，但因为其兼容性和版本的问 题，常常不能兼容目前流行的操作系统，造成使用和推，“的困难； ( 3 ) c a d 平台的兼容性问题。有的公司推出的c a d c a m 软件建立在自主开发的c a d 平台上，如国内市场主流产品北京北航海尔软件有限公司开发的c a x a 线切割软件然而， a u t o c a d 软件在全球的市场占有率高达6 7 ，并且其c a d 功能极其强大，许多企业和从 业人员都已经习惯了对该软件的使用，耍让他们弃优从劣几乎不可能，而不同的c a d 软件 生成的文件还存在不兼容的问题； ( 4 ) 没有图像的矢量化功能，如国内市场主流产品深圳市立先科技开发有限公司开发 的y c u t p r o 软件，无法识别和处理扫描图像，对一些形状复杂的二维图形，如纪念章、工艺 品或者模具器件很难进行自动编程，人工用直线和圆弧拟合编程则非常繁琐，工作量太人， 而且拟合精度较低； ( 5 ) 无法处理渐开线齿廓或拟合精度不高： ( 6 ) 各种软件版本五花八门，往往白成一体，各自为政，兼容性极差。 1 2 论文选题的意义 当前，数控机床的改造成为许多科技t 作者的研究热点。基于机床设备的改造难度大， 成本高，现有的线切割c a d c a m 技术还存在很多不足之处，因此，发展和优化电火花线 切割自动编程和c a d c a m 技术成为改造现有电火花线切割机床工作能力的主要方式。 浙人j 二程培训中心为了顺应时代的要求，培养高素质的工程技术人才，加大了对实习和 实验基地的经费投入，淘汰了一批缺乏反映现代制造技术的传统工艺装备，在已有的4 台电 火花线切割机床的基础上又添加了两台新的电火花线切割机床，分期分批添置了上十台电 脑，利用一块m o x a 智能多串口适配器和一只集线器，组成了一个电火花线切割d n c 加 工系统。新设备的到位和电火花线切割d n c 加工系统的建立，解决了数十名学生面对几台 数控机床的设备资源紧缺问题，学生可以在自己的电脑上编写加工代码，然后将代码通过局 域网传到服务器上，由老师在服务器上对学生上传的代码进行模拟仿真验证，再将正确的代 码传到电火花线切割机床上加工。但整个系统仍然存在许多问题，最突出的是无法处理手绘 图片的自动编程问题，学生只能用c a d 软件设计简单、呆板的图形来练习，无法激起学生 的兴趣和求知欲。 基于当前国内电火花线切割软件的研发情况和浙人工程培训中心以及企业或生产车间 在电火花线切割加_ 中存在的问题，本文确立的研究内容是电火花线切割c a d c a m 集成 系统关键技术的研究。 解决c a d c a m 集成这一问题可以有两个出发点，或者开发新一代的c a x 集成系统， 4 一塑垩查望婴主兰竺堕苎 或者与现有c a d ，c a m 商品化软件结合，建立专用接1 2 1 ，实现系统集成。前者是解决c a x 集成的根本途径，然而，从底层开发一个系统需要相当多的人力及物力，同时，作为c a d 和c a m 之间信息桥梁的c a p p 系统冈其自身的多元复杂性，且随不同企业需求变化的非稳 定性给系统集成带来瓶颈问题，国内外虽然都进行了广泛的研究，但实片j 系统却还较少。因 而利用现有的商晶化软件进行集成成为一条节省资金，缩短开发周期的好方法，能够较快应 用于生产。这种集成方式能够满足当前制造业迫切的应用需求，义可为新一代标准化的 c a d c a m 集成系统在设计方法和关键技术上进行有益的探索。 a u t o d e s k 公司推出的a u t o c a d 绘图软件因其强大的图形输入、编辑功能和具备开放性 的数据文件接口而成为广泛采用的图形输入平台，因而基于a u t o c a d 开发数控自动化系统 有着得天独厚的优势。采用通用a u t o c a d 作为c a d 平台，这也是种比较经济的方式。 本文利用a u t o d e s k 公司推出的功能强人的二次开发工具一一o b j e c t a r x 2 0 0 0 和 v i s u a l c + + 6 0 为开发平台，开发出的c a d c a m 系统软件以a u t o c a d 为c a d 平台，可适 应于w i n 2 k 的任何版本和a u t o c a d 2 0 0 0 至a u t o c a d 2 0 0 4 各版本，并且根据实际情况定制 用户菜单，形成了用户界面亲切、友好的交互式图形系统。p u j 岬1 对丁那些特殊、复杂的图形或图像，如名家题字，要做成牌匾，要求用电火花线切割机 床切割字体，可将字体扫描进计算机后，c a d 软件无法识别和读取，更谈不上自动编程。 本系统增加了对扫描图像的处理，从而解决了普通的自动化编程系统都很难对付的问题：对 那些从设计的美观性出发随意勾画轮廓的零件，如纪念章、工艺品或者模具器件等进行自动 编程。 目前多数国产机床没有渐开线齿廓电火花线切割程序及相应的数控语言系统。本文提出 的渐开线二点拟合法解决了渐开线齿轮加工参数化的问题，同时其拟合精度比传统的展开法 高十多倍。 同时，本文开发出了数控电火花线切割3 b 格式程序的计算机仿真程序，模拟显示所编 写的3 b 程序的加工轨迹( 走丝路线) ，随时比较加t 结果和设计要求，迅速判断所编写的 3 b 程序的正确性，能及早发现诸多人为因素所造成的错误并及时加以修正，达到降低废品 率、提高生产效率的目的。 1 3 论文研究的内容 通过对目前我国电火花线切割加工存在的问题和相关方面研究形状的分析来展开本论 文的研究工作。本文确立的研究内容是电火花线切割c a d c a m 集成系统关键技术的研究， 针对上面提到的这些问题，本文做了如下主要上作： ( 1 ) 综合分析了目前在我国电火花线切割加工中广泛应用的自动编程软件存在的不足 之处，指出其c a d c a m 集成技术中存在的问题，确立了解决这些问题的出发点：与 现有c a d ，c a m 商品化软件结合，建立专用接口，实现系统集成。这种方式的集成通 过不同c a x 系统数据结构的映射与数据传遍实现异构数据源和分布式环境卜的数据互 操作和数据共享，利用各种各样的接口将c a d c a m 应用程序连接成一个集成化的系 统； ( 2 ) 利用c a d c a m 集成技术和a u t o c a d 的二次开发工具一- - o b j e c t a r x 2 0 0 0 研究 开发了一套应用软件，对电火花线切割数控加工系统进行了改造，开发出的c a d c a m 系统软件以a u t o c a d 为c a d 平台，可适应于w i n 2 k 的任何版本和a u t o c a d 2 0 0 0 至 a u t o c a d 2 0 0 4 各版本，彻底地解决了当前企业使用的电火花线切割软件版本落后和兼 容性的问题，实现了数控系统的c a d c a m 集成； ( 3 ) 针对当前的应用软件无力处理复杂二维封闭图形的问题，本系统增加了图像矢量 化功能，可对扫描得到的二值图像进行灰度化和对轮廓进行细化处理，提取图像的轮廓 5 浙江人学硕士学位论文 信息，最后将轮廓转化为标准的图形交换文件d x f 文件，从而解决了扫描图像和 手绘图片等进行自动编程的问题； ( 4 ) 针对当前的应用软件无法处理渐开线齿廓或拟台精度不高的问题，本文研讨了渐 开线二点拟合法，根据渐开线的性质将理论渐开线齿廓分为若干小段，以每小段渐开线 的两个端点及其曲率半径平均值确定拟台圆弧，解决了渐开线齿轮加t 参数化的问题， 同时其拟台精度比传统的展开法高十多倍。 ( 5 ) 在a u t o c a d 2 0 0 0 环境下，利用o b j e c t a r x 2 0 0 0 专用开发工具开发数控电火花线 切割3 b 格式程序的计算机仿真程序，对程序生成的3 b 代码进行反读，根据代码信息 还原图形实体，对于每个图形实体在同一位置进行多次显示，通过固定显示起点，控制 每次显示的k ：度来模拟该实体的加工轨迹( 走丝路线) ，实现了电火花线切割加t 仿真。 本文的总体结构如幽1 1 所示。 图1 1 论文的总体结构 本论文各章内容如下： 第一章为绪论，介绍了c a d c a m 技术的发展概况和电火花线切割加工原理和应用范 围以及电火花线切割加工的现状，分析了本论文选题的意义，概述了本论文的主要工作。 第二章在对电火花线切割c a d c a m 集成系统需求分析的基础上提出了该集成系统的 方案设计，分析了系统的软、硬件设计方案和各软件模块的功能和原理以及实现系统的关键 技术，并给出了软件系统的运行流程图。 第三章研究了电火花线切割c a d c a m 集成软件基于图形和图像的建模技术。讨论了 在s u a l c + + 6 0 平台上，利用o b j e c t a r x 开发工具对电火花线切割加工零件图形的建模技 术和对手工绘制图像的矢量化处理，为软件的自动编程和仿真奠定了基础。 第四章详尽的研究了电火花线切割的自动编程技术和加工仿真技术。在分析了系统功 6 浙江大学硕+ 学位论文 能需求后，给出了系统运行流程图，详细的讨论了自动编程中的关键技术， 第五章研究r 电火花线切割c a d c a m 集成系统的实现问题，并介绍了系统的实施方 案和应用实例。 第六章总结了论文工作的内容，指出了今后需要进一步解决的问题。 本文所介绍的电火花线切割c a d c a m 集成系统的关键技术都应用于软件的开发，目 前，该软件作为浙江大学工程培训中心电火花线切割二维创新设计d n c 平台的重要组成部 分，已在我校紫金港校区的：1 ：程培训中心投入工程训练中，将原有的普通电火花线切割实验 集成为深受学生欢迎，具有系统性、综台性和创新性的二维创新设计电火花线切割t 艺实验， 学生可自行随意设计和创作新产品，程序的操作界面义是大家熟悉的a u t o c a d 标准界面， 大人激发了学生的学习热情，收到了良好效果。多所高等院校的同行都对本软件表现出了浓 厚的兴趣。 7 浙江大学硕士学位论文 第二章 电火花线切割c a d c a m 集成系统方案设计 2 1 系统需求计划分析 基于当前国内电火花线切割软件的研发情况和浙人上程培训中心以及企业或生产车间 在电火花线切割加上中存在的问题，本文确立了解决这些问题的出发点：利用c a d c a m 集成技术和a u t o c a d 的二次开发工具一- - o b j e c t a r x 2 0 0 0 研究开发了一套应用软什，对电 火花线切割数控加工系统进行了改造。开发出的c a d c a m 系统软件以a u t o c a d 为c a d 平台，可适应于w i n 2 k 的任何版本和a u t o c a d 2 0 0 0 至a u t o c a d 2 0 0 4 备版本，解决了当前 企业使刚的电火花线切割软件版本落后和兼容性的问题，实现了数控系统的c a d c a m 集 成。经分析，本系统需要有以下功能： 1 ) 从a u t o c a d 的数据库中获取图形实体，依其拓扑关系重新排序； 2 ) 根据工件轮廓加入刀补和放电间隙，获得刀具中心轨迹； 3 ) 根据刀具中心轨迹自动生成3 b 代码，存入片! i 户指定的文件夹中； 4 ) 对二值图像进行灰度化，对其轮廓进行细化处理，提取图像的轮廓信息，最后将轮廓转 化为标准的图形交换文件d x f 文件： 5 ) 将理论渐开线齿廓分为若干小段，其中的每小段以渐开线的两个端点及其曲率半径平均 值确定拟合圆弧： 6 ) 反读3 b 代码，显示刀具中心轨迹，并对该仿真过程进行控制； 7 ) 向服务器或数控机床传输3 b 代码。 2 2 软件开发工具与开发环境 2 2 1 软件开发平台和开发工具的选用 如绪论所述，虽然开发新一代的c a x 集成系统可以从根本上解决c a d c a m 的集成问 题，但从底层开发一个系统需要相当多的人力及物力，同时，作为c a d 和c a m 之间信息 桥梁的c a p p 系统因其自身的多元复杂性，且随不同企业需求变化的非稳定性给系统集成带 来瓶颈问题，国内外虽然都进行了广泛的研究，但实用系统却还较少。因而利用现有的商品 化软件进行集成成为一条节省资金，缩短开发周期的好方法，能够较快应用于生产。 a u t o c a d 系统是美国a u t o d e s k 公司为微机开发的一个交互式绘图软件，a u t o c a d 作 为开发平台还提供了二次开发软件包o b j e c t a r x 。o b j e c t a r x 类库包括了a c r 。x 、a c e d 、 a c d b 、a c g i 、a c g e 等五个极具使用价值的类和函数，提供了一个面向对象的c + + 应用程 序开发界面，应用程序开发者可以方便地利用a u t o c a d 地开放结构对a u t o c a d 数据库结 构、图形系统和本地命令直接访问，使得开发者能够使用、定制和扩展a u t o c a d 。1 6 “ 因此，利用a u t o c a d 作为电火花线切割c a d c a m 软件系统的支撑环境是很适合的。 a u t o c a d 作为系统的图形输入器，充分利用其强大的图形功能、三维实体造型功能以及方 便用户的二次开发功能，可大大提高系统的开发效率及可靠性。 根据实际需要，我们采用的开发平台是v i s u a l c + + 6 0 。此外，它有一个强大的集成开发 工具( i d e ) ，集成了编辑、编译、链接、调试等功能，是一个非常适合开发面向对象程序 的开发工具。另外，它还具有以下特点： 】) 利用m f c 类库，最大限度的减少代码编制而同样实现强大的功能； 2 ) 利用应用程序向导，自动实现应用程序框架，同时开发界面方便； 3 ) 利用类向导，实现类的派生、数据成员和成员函数的管理( 添加、删除、 修改) ，消息映射的管理也很方便。 本软件系统充分利用m i c r o s o f t 的m f c ( m i c r o s o f t f o u n d a t i o nc l a s s ，微软基础类库) 8 塑坚查堂堡主兰些堡兰 的强大功能，米用o o p ( o r i e n t e d o b j e c tp r o g r a m m i n g ，面向对象的编程) 技术，对象之 间通过过程( 消息) 相互通讯，对象具有智能化的结构，它将数据和消息“封装” ( e n c a p s u l a t i o n ) 在一起，对一个对象的存取或修改是通过其外部的接口来完成的，其内部 的实现细节、数据结构以及对它的操作是不可见的即信息隐藏( i n f o r m a t i o nh i d i n g ) 。对 象是主动实体，过程( 消息) 是被动实体，过程和它们的参数一起从一个对象传递到另一个 对象。采用面向对象的开发方法能更自然更直接地反映真实世界的问题空间，对象之间采用 消息传递作为相互通讯的方式。 在应用软件中实现容器和服务器功能可以充分利用其它软件的已有功能，避免许多软件 开发中的重复劳动。a c t i v e x 是实现这一技术的关键。它是o l e 技术在i n t e m e t 上的扩展， 可用来创建丰富的i n t e m e t 应用程序。 a c t i v e x 控什等价于以前的o l e 控什或o c x 。一个典型的控件包括设计时和运行时的 用户界面，唯一的i d i s p a t c h 接口定义控件的方法和属性，唯一的l c o n n e c t i o n p o i n t 接口用于 控件可引发的事什。除此之外，一个控件还可以包含对其整个生命周期的一致性的支持，以 及对剪贴、拖放等用户界面特性的支持。从结构上看，一个控件有大量必须支持的c o m 接 口，以利用这些特性。 面向对象的编程语言( q o p l ) 中，c + + 语言已成为面向对象程序设计的主流语言。许 多公司都开始采用c + + 语言开发软件，如法国的b u c l i d 、美国的u g 、p r o e n g i n e e r 等当今世界著名的c a d c a m 集成软件的新版本均是用c + + 语言开发的。 2 2 2 开发环境的设置 a u t o d e s k 公司为o b j e c t a r x 应用程序开发者提供了嵌入在m i c r o s o f t v i s u a l s t u d i o 中的 用丁 修改o b j e c t a r x 项目的专用工具o b j e c t a r x 嵌入工具。 1 ) 安装o b j t a 砌【2 0 应用程序向导 运行o b j e c t a r x 2 0 0 0s d k 目录中的u t i l s o b j a r x w i z 目录下w i z a r d s ，e x e 自解 压文件，然后，运行解压后文件中的w i z a r d s t e t u p e x e 文件，将o b j e c t a r x 2 0 0 0 应 用程序向导安装到m i c r o s o f tv i s u a l s t u d i o6 0 中。 2 ) 配置o b j e e t a r x 嵌入工具 嵌入o b j e c t a r x ： t o o l s - c u s t o m i z e - a d d i n sa n dm a c r of i l e s 。选择o b j e c t a r x 2 0 0 0a d d - i n 。 设置i n c l u d e 路径和库文件路径： t o o l s - o p t i o n s d i r e c t o r i e s - s h o wd i r e c t o r i e sf o r - i n c l u d ef i l e s ：i n c 安装目录i n c ； t o o l s - o p t i o n s d i r e c t o r i e s s h o wd i r e c t o r i e sf o r - l i b r a r yf i l e s ：l i b 安装目录l i b 。 2 3 菜单的定制 2 3 1 菜单文件的类型和格式 菜单文件的作用是建立起外部设备( 如屏幕、数字化仪等) 的某些区域与a u t o c a d 命 令、选择项或某一预定功能的一一对应关系。通过定义一个菜单选项可以方便地实现一项需 多步才能完成的任务，也可自动地进行复杂的操作。 菜单文件是指一组文件，这些文件共同定义和控制菜单区域的外观和功能，其类型如下： 1 ) m n u 模板菜单文件。它是用户可定义的菜单源文件，为a s c i i 码文件； 2 ) m n c 编译后的菜单文件。该2 2 进制文件包含定义菜单功能和外观的命令字符串 和菜单语法： 3 ) 仆m 菜单资源文件。该二进制文件含有用于图像块菜单、工具栏按钮所使用的 位图资源： 9 浙江大学硕士学位论文 4 ) m 咐s 源菜单文件。该a s c i i 码文件在a u t o c a d 编译m n u 类型的用户菜单文什 时生成，在图形编辑状态下以交互方式定制的 _ 具栏将保存在该类文什中： 5 ) m n l 菜单l i s p 文件。该a s c i i 码文件包含了对l i s p 函数的定义； 6 ) m n t 菜单资源文件。在m n r 文件无效时生成该文件。 2 3 2