（机械电子工程专业论文）玻璃加工cadcam系统软件的开发.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 玻璃制品越水越受到欢迎，尤其在建材行业得到了广泛的应用，是一种高科技 与艺术十h 结合的产鼎。将数控技术_ ：f i i c a d c a m 技术应j 】到玻璃力：皤亍业可以显著提高 加工效率，降低企业成本，而玻璃加工的c a d c a m 软件开发是其中的关键技术之一。 因此研制玻璃加t c a d c a m 系统软件具有很重要的意义冰 本文在分析玻璃冷加工的研究现状及加工条件的基础上，从玻璃加工c a d c 枷软 件中曲线的光顺、二维轮廓排样、刀位轨迹优化和后置处理这几个关键技术i i 发， 对有关问题进行了如一f _ i i j l 究； 针对b 样条曲线的数学模型和矩阵表示方法，提出了b 样条曲线的多分辨率分解， 在此基础上实现了基于小波分析的曲线光顾算法，并且给出了一种根据光顺容差控 制遇近误差的算法。 对二维异形零件的排样问题进行了分析，解决了多边形( 异形轮廓) 对多边形 ( 矩形) 的最优填充问题，构造了一个异形零件优化排样的拟合算法。 ”论述了二维刀位轨迹的优化算法，根据各种玻璃冷加工的加工特点，提出了满 足不同加工工艺的刀位轨迹计算方法，并根据不同机床的运动配置，论述了各自的 后置处理算法。 ( 在上述理论的基础上，研制并初步形成了一个以制造过程管理器为核心，只有开 放平台的玻璃多轴数控加工自动编程系统。并且得到了实际工程应用，取得了很好 的加工效果。上 关键词t玻璃冷力j r ， 曲线光顺i 、 c a d c a m ，k 二维排样， 小波分析；t 轨迹优猷 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t g l a s sp r o d u c t i o ni sm o r ea n dm o r ep o p u l a r ，w h i c hi sa ni n t e g r a t e dp r o d u c to fh i g h t e c h n o l o g ya n da r t ，a n di t i sw i d e l yu s e di na r c h i t e c t u r ei n d u s t r y n u m e r i c a lc o n t r o l t e c h n o l o g yi ng l a s sp r o d u c t i o nc a ni m p r o v em a n u f a c t u r i n ge f f i c i e n c ya n dd e c r e a s et h e c o s t a n dd e v e l o p i n gc a d c a ms o f t w a r ef o rg l a s sm a n u f a c t u r i n gi so n eo ft h ek e y t e c h n o l o g i e s s o ，t h ed e v e l o p m e n to fc a d c a ms o f t w a r ef o rg l a s sm a n u f a c t u r i n gi s n e c e s s a r y t h ec u r r e n tr e s e a r c hs 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 rg l a s sc o l dw o r k i n gi s a n a l y z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n s e v e r a la s p e c t sa sf o l l o w i n gh a v eb e e ni n v e s t i g a t e di nt h i s d i s s e r t a t i o nf r o mt h ek e yt e c h n o l o g i e si ng l a s sm a n u f a c t u r i n g ，w h i c ha r ec u r v es m o o t h i n g ， t w o d i m e n s i o nl a y o u t ，t o o lp a t ho p t i m i z i n ga n dp o s tp r o c e s s i n g a f t e ri n t r o d u c i n gt h em a t hm o d e lo fb - s p l i n e sa n da n a l y z i n gt h em u l t i r e s o l u t i o no f c u r v e ，t h ec u r v es m o o t h i n ga r i t h m e t i cb a s e do nw a v e l e t sa n dt h ea l g o r i t h m st oc o n t r o l a p p r o x i m a t i n ge r r o r sb a s e do na n yg i v e ne r r o rt o l e r a n c ei sp u tf o r w a r d t h ei s s u et h a to p t i m a lp o l y g o nf i l l e di nas h e e ti ss o l v e da f t e ra n a l y z i n gt h ep r o b l e m o fi r r e g u l a rs h a p ep i e c e sl a y o u t a n dt h i sd i s s e r t a t i o n a l s oc o n s t r u c t sa no p t i m a ll a y o u t f i t t i n ga l g o r i t h mf o ri r r e g u l a rs h a p ep i e c e so nas h e e t t h et w o d i m e n s i o nt o o l sp a t ho p t i m i z i n ga l g o r i t h m si sa d d r e s s e d b a s e d o nt h e d i f f e r e n tg l a s sc o l dw o r k i n g sc h a r a c t e r i s t i c s ，t o o lp a t h sg e n e r a t i o nm e t h o d st om e e tt h e f e a t u r eo fd i f f e r e n tm a n u f a c t u r i n gp r o c e s sa r ep u tf o r w a r d a n dd i f f e r e n tm a c h i n et o o l s ， p o s tp r o c e s s i n gm e t h o d sb a s e do nt h e i rm o v e m e n ts t a t i o na r ed i s c u s s e d o nt h eb a s i so ft h ea b o v e m e n t i o n e dt h e o r i e s ，am u l t i a x i sn cm a c h i n i n g & a u t o p r o g r a m m i n gs y s t e mf o rg l a s sc o l dw o r k i n gi sd e v e l o p e do na no p e np l a t f o r m i ti s a p p l i e di ne n g i n e e r i n g ，a n di tg a i n sg o o dm a n u f a c t u r i n ge f f e c t k e yw o r d s ：g l a s sc o l dw o r k i n g ， c u r v es m o o t h i n g ， c a d c a m t w o - d i m e n s i o nl a y o u t ， w a v e l e t s ， t o o lp a t ho p t i m i z i n g i l 华中科技大学硕士学位论文 1 1 课题概述 i i i 课题的来源 第一章绪论 本课题来源于中山市迪威玻璃机械股份有限公司与华中科技大学国家数控系统 工程技术研究中心的合作研究项目：“全自动异形磨边机”、“四轴玻璃刻花机”及“异 形玻璃自动切割机”。 1 。i 2 课题的目的和意义 在很多行业，特别是在建筑行业，对玻璃的需求增长很快，同时对玻璃的j 1 l i ；e 质量和加工效率也有了很高的要求。j e t 玻璃加j 【巾冷) j i l 1 ：般包括：玻璃切削、 轮廓磨边、玻璃刻花等等。玻璃切割即按设计要求将玻璃切割成方形、圆形、椭圆 形或任意形状的异形；轮廓磨边即是自动检测玻璃毛坯的外形，w 按要求i 动完成 直磨、斜磨或者磨出不同的边缘轮廓；玻璃刻花即在玻璃上“雕尼刻风”或完成j 它各式各样的图案，如花卉、藤蔓、枝叶、几何图形、祥禽瑞兽等等。经过冷加工 后的玻璃产晶高雅别致、光沽| 】亮，既反应了玻璃枷：l ：技术的进步，) 己渗透衍k 问 文化的传统风格。设计师常用于制作大型屏风、豪华型玻璃大门以及家j 的柜j ， 桌面和装饰镜系列产品等。提高了室内装饰制品的艺术品位和档次，从而身价- f i ( f f 。 传统的玻璃冷j | l ：r 方法都足靠于一r 操作，h l l ；l - 质量不易受到保证，废 红较黼， 成本也比较高。比如传统的排样方法全凭工人的直觉和想象来判断、试验，所以这 利一方法的排料效率和材料利用率都比较低；至于磨边机，牛要是人。1 ：靠模，劳动强 度人，j j i l 工效率低；传统的玻璃刻7 e 川氢氟酸等酸液腐蚀，矗：i , 卜| i 利川，1 i 浓 度的酸液浸蚀的次数、时间长短的不同，来取得花纹i 訇案的深浅、i j 暗4 ；卜司的盘体 效果，但酸液极易挥发，不仅污染环境，而r l 火人损害t 人健康，i ! 三彳j i 】p l c 编程， 但只能加工一些简单的花形，局限性太大。而且玻璃加工对形状的要求很严格，传 统的手工操作难以满足要求。所以市场迫切需要将数控技术和c a d c a m 技术应用 到玻璃加工行业。 国外对玻璃加工行业中的数控技术和c a d c a m 技术作了较多的研究，也有成 熟的产品；而国内在此领域的研究：r 作在近几年才开始，所以玻璃加工机械直以 华中科技大学硕士学位论文 _ = t t _ _ _ _ - _ - _ - - _ - - - 目= 目_ = = 耸i = = ；= = = = ；= = ；= = j = = ；= _ _ _ ；# 篁= = = = = ；= = ：= = = = ；= e = _ 自= 米鄢被瑚外的j 商所垄断。此外进ii 的i r | 动化玻璃肌i ：机械f i 仪价格偏撕( 堆 台价格在1 5 0 万元先彳i ) ，i n i il ：l ：人婴经过长i l f f i 的培训以熟悉英文操作界面，这将 人人增加玻璃加：f q k 的成本。f l 从t i ，l i i l l i 迪威玻璃机械股份有限公哪j 挣t ，科技 人学吲家数控系统：i ：氍技术研究i i i 心合作，发r 玻璃j j h ：i ：l ! j l l 成衍，州类的进设 备j 需8 ( 】万元左右。因此，f 发拥有f 1 ：l i 知识产权的适合奉旧困情的玻璃加l ：自动 化机械具有很强的现实意义，它人大增强同内玻璃机械，i 三产厂家的f k l 际竞争j 。同 n i ，本文小的玻璃加：cc a d c a m 系统软件还可以方便的应川到陶瓷、人理彳i 等材 料的雕刻上，因而具有广阔的应用前景。 1 2 数控编程技术及玻璃加工c a d c a m 系统的发展概况 1 2 1 数控编程技术 生成用数控机床进行零件加工的数控程序的过程，称为数控编程( n c p r o g r a m m i n g ) ，1 f l l 4 也称为零件编稚( p a r tp r o g r a m m i n g ) 。 根据问题复杂程度的刁i 同，数控j l l ：l ：程序可通过于：l ：编稚或计算机f i 动编程来 获得。手工编程( m a n u a lp r o g r a m m i n g ) 是指编制零件数控加工程序的各步骤均由人 工米完成，只能解决点位加：i j 或几何形状1 ；太复杂的零件编稚问题。e i 动编程也即 是计算机辅助编程，它是借助数控e i 动编程系统l | 计算机米辅助生成零f t ? j hi ：程序。 此时，编程人员一般只需借助数控编程系统提供的符种功能对加t 对象、：i ：艺参数 及加工过程进行较简便的描述后，即可i l l 编程系统f j 动完成数控加i ：张序编i f ；i j 的j e 余内容。现代数控编程软件主要分为以批处理命令方式为主的各种类型的a p t 语言 和以c a d 软件为基i i i l ；的交t 式c a d c a m n c 编程集成系统。 ( 1 ) 数控编程的内容及步骤 概括地说，数控编程的。j ! 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岿0 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； 分 析 零 件 图 样蠢h 蓁h ；| ；h 霎h | 萎 罔i i 数托编袱过雅 改 数 控 机 床 2 华中科技大学硕士学位论文 按照数控系统可接受的程序格式，生成零件加工程序，然后对其进行验证和修改， 直到得到合格的加工程序。 一般来说，数控编程过程主要包括：分析零件图样、工艺处理、数学处理、编 写程序单、输入数控系统及程序检验。( 由图1 1 说明) ( 2 ) 数控编程的方法 数控编程的分类方法有多种，大致可归纳为： 根据编程地点进行分类：办公室和年m ； 根据编程计算机进行分类：c n c 内部计算机，个人计算机( p c ) 或j ：作站； 根据编程软件进行分类；c n c 内部编程软件，a p t 语言或c a d c a m 集成数控 编程软件。数控编程是目前c a d c a p p c a m 系统p 最能明显发挥效益的环1 i 之一，j 在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方l 自l 发挥 着重要作用。在诸如航空工业、汽车工业等领域有着大量的应用。数控编程是从零 件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点 ( c u t t e rl o c a t i o np o i n t 简称c l 点) 。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点， 多轴加工中还要给出刀轴矢量。 1 2 2 数控编程技术发展概况卟5 1 如同计算机的软硬件关系一样，柜数挖加t 中数控机床足加t 系统的硬f ”i 数控编程系统是加j 亡系统一 1 的应用软件。数控) j i t ：r 技术的应用水x f 不仅取决j ：数控 机床的精度、速度等硬件性能，更取决于数控程序的效率和质量。因此，t - 成商效 优质的数控代码一直是数控技术研究【| 】的重要课题。一些复杂零件的j j i l _ l ：必须借助 于c a d c a m 软件进行数控自动编程。因此，从数控机床诞生之仞，数控编稚技术 就受到了广泛的关注，成为c a d c a m 系统的重要组成部分，各工业发达国家也投 入了大量的人力物力。 数控编程软件从二f ! 上纪6 0 年代 l 现到二二i - 一l 址纪卡j l ：业领域一i 的j “泛应川， 其发展过程已经经历了三代： 第一代是以a p t 为代表的语言编程系统。它f 】争j 语句书写源程序，将j e 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，然后再经后置处理， 把通用刀位数据转换成数控机床所要求的n c 指令形式。由m i t 组织研制了a p t i 、 a p t l l 、a p t i i i 、a p t i v 、a p t - a c 和a p t i v s s ，各国在此基础上又发展了带有一 华中科技大学硕士学位论文 定特色和孥，b 性更强的a p t 女w _ i - 语亩，如荚幽的a d a p t ，德心的e x a p t _ 】奉的 h a p 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，一条足专用c a m 系统 ( d e d i c a t e dc a mp a c k a g e s ) j e 成功兆范足荚旧c n cs o f t w a r e 公i 日) f 发的 m a s t e r c a m 。与m a s t e r c a m 州时发腱起米的c a m 系统逊f rs u r l c a m ，s m a r t c a m ， 这种系统的特点是简单、实用，适用于广大中小企q k ；另一条是和c a d c a m 集成 系统一起发腮，足c a d c a mr i 一的c a m 模块或f 系统。j e 代表彳fa p p l i c o n 公i i l f l j b r a v o 系统，c o m p u l c 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 l l 系统，a p 公i d 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 ( p r ( ) e n g i n e e r ) ，这些系统郜足站。i ：作站u n i x ，严台的 c a d c a m 集成系统，功能上各有千秋。如p r o e ，i d e a s 的实体建模功能强人， 编辑修改方便；e u c l i d ，c a t i a ，c a d d s 5 ，u g i i 的曲l n i 功能较强；c a d d s 5 ，c a t i a ， u g l l 的加工功能较强。 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 l x ) r tm a c h i n e 公司推f f 的f e a t u r e m i l l 系统，弱一类足越j ：特征的c a m 系统 是建立在参数化特征造型系统之上的，如g s s l 公铷的c a m w o r k 足- 个! j s o l i d w o r k 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 公司十 l t t i 的基于w i n d o w sn t 的参数化造型系统，足第一个艰j 二微机、l ，俞的黼度商 品化的参数化特征造型系统。 此外，c i m a t r o n 公州结合f 1 动化n c ( a u t o m a t i cn u m e r i c a lc m t r 0 1 ) 和基1 - 女1 1 识 的加工( 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- r 智能n c ( i n t e l l i g e n tn u m e r i c a l c o n t m l ) 的概念。该公司的产品c i m a t r o n i t 已经发布丫1 2 0 版本。智能n cb 丛j 二 特征的) j l l ：e 的不同之处在f ：基f 特征的加、r 只能局限j 二设计肯造j i ! l l , t i j 几似特征， 这些儿似特征与零件该采i j f , , f $ 1 优化方法米加j i ：! 苫尤火系；钾能n ci ) q i , f 以；f i j f l l 毛 坯信息优化随后产生的刀具轨迹，它还可以处理如斜面，水平区域，曲率，有无边 界范【均等而向加工的技术特征。 我心对数控肌”i ：及编牲披术f f j _ | 0 d 7 , 起步较晚，lh i j f 究l i 婴足以a v f 为监 奉开发研制了一些数控加工自动编裎语言系统，进入八卜年代，汀先拒航空一i ：、i k ) f 始集成化的数控编稚系统的研究与开发。r 作，经过近3 0f l ：- f f l f i 懈努，j ，f 1t ) f 发与 技术引进并行，已在硬件系统、支撑软件、应川软件方面取得丫较人成就。特别足 微机c a d c a m 系统在我国许多行业得到广泛的推广和应用，在c a d c a m 集成技 术方面，无论是在理论上，还是在实践上，都取得了大量成果。西北工大、浙江犬 4 华中科技大学硕士学位论文 学、北航、华中科技火学等在编程理论的研究【+ 都取得r 一定的成绩。北航海尔北 航海尔软件有限公司的c a d c a m 一体化软件c a x a 系列已经移j 步实现了商 刖j 二， 其最新推i j 的c a x a 数控铣2 0 0 0 ( c a x a - m i l l 2 0 0 0 ) 能够实现2 3 轴加1 ：的f l 动 编：f f i ! 。，j 外，团内企, j k f e g l 进系统的, q - l j 机：次) f 发i ：亦取得了棚_ 人的成就。f i l 从整体上看，我国c a d c a m 技术存基础研究和商品化方丽同因际先进水平仍存在 较大的差距。特别是近几年来 现的一螳新技术年n i , i - 算机应川技术突飞猛进的发展， 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，仍有大量工作要做。 t _ + 同时，山1 二数控编程技术_ 彳j 潜征的军对意义，l 目外厂家侄【l 技术l ：进行了 定程度的封锁。因此，为解决各类复杂曲面的加工与测量问题，我国必须走自力更 生的道路。数控编程技术的进一步研究，具有十分重要的意义。 1 2 3 玻璃加工c a d c a m 研究现状及问题【6 - 9 i 国内外玻璃加工c a d c a m 系统的概况： 玻璃加工是一种特种加工，有其特殊的加： 工艺，因此通只j 的c a d c a m 系统 满足不了要求，必须使用专用的c a d c a m 系统。 国内的玻璃机械生产的厂家搬多：t i i l f 富【i i 玻璃机械有限公t n 的f z m l 4 掣玻 璃直线磨边机，该机链板采 j 尤链条轴承滚动结构，前后梁为箱体武铸件，) f 镶仃 淬硬钢轨道主传动电气无级调速；前梁装有直滑武电位器，移动距离准确：采h jp l c 控制液晶显示，能准确反映前梁位置，) i l l ：e 速度及累i t - ) j n ：t ：量，具有卡l l 精磨及抛光 一次完成的特点。该设备可对玻璃的直线底边及两棱边粗磨、精赡、研磨、抛光的 磨f l i l j j n 工一次完成，广泛应用于建筑、制镜、汽车、灯饰及装饰玻璃、玻璃制品的 磨削j j l i 。i ：。该设备加：l ：柑度撕，玻璃朋1 - i l i _ fj f 达镜l f | f 比沾度。陔公卅f i q j 种j “i f g t 3 8 2 5 a 玻璃切割生产线，可对平板玻璃进行直线和异形切割，采川i b m 通川汁 算机j 1 1 火控制，具有多利，输入方式和高级的排样方法，翻片、切j ，掰片整个过程 实行全“动控制，l 三产效率胁，劳动强叟低。另外，新 f f 岸玻璃机械j 的b x m 9 3 1 9 型玻璃斜边磨边机采用二轮磨削，一轮修底边。三轮精磨，三轮抛光的没计。尢级 变速顺调枢加：i ：速度，气动抛光。此设街操作容易，检修方便。f ! i 形玻璃磨边机 主要还是人工靠模，这种加： 方法工作强度人，婴求经验：# 富的一r 人操作，技术要 求高，因而成本很高。 对于玻璃磨削刻花系统，比如上海爱 ) 科技有限公司的d k k - - 2 1 x z 3 旋轴式电 华中科技大学硕士学位论文 控玻璃刻花机，该机的基本功能：不仅可对任何形状的平面玻璃专门进行各种星形、 球形和线性等剐案的加l ：，还可以进行i ：述i | 案的复合绑l 成加l ：。1 日内的机器锯p l c 编程，只能设计比较简单的花形，较复杂的花形无法就无能为力，有很人的局限性， 真正比较完善的c a d c a m 系统软件还有待开发。 困外的玻璃加：【= c a m 系统经历比较长时间的发腱，f ij l l ) 。l 也比较成熟。德旧 的a l b a t 年w i r s a m 公司的是一家专门从事玻璃加工系统软件开发的公司。其产品 包括a l f a k 2 0 0 0 ( 一种玻璃采购管理系统软件) 、x o p t 2 0 0 0 ( 玻璃排样系统软件) 、 s h a p i n g n e s t i n g ( 玻璃加：l ：的c a d c a m 系统软件) 等等。l ；r ls h a p i n g n e s t i n g 是一种交互式基- - t w i n d o w s 图形界面的系统软件，它的t 要功能有：对任意仡形进 行输入、数据处理、后置处理操作；可单独输入钻孔、刻花、磨边等加1 ：几何体信 息；输入相关的参数定义特定的制造：l 艺；d x f ，v d a f s ，i g e s 图形格式按f1 ； 提供i n t e r m a cm a s t e re d g e 或者b a v e l l o n ia l p a 玻璃机械加工中心接口。 意大利i n t e r m a c 公司c n c 刻花机和c n c 加t 中心，可以生产各种卫浴镜、 车花玻璃、家具台面、钟表面、灶台等，并可自n 工各种复杂的、异形的磨边、刻花、 抛光、写字、钻孔等。采用真空将玻璃吸附在吸盘上，抛磨n , j _ ( f q , f l e 意选择，内、 外置的大功率电机可使机床进行高速、高精的玻璃加一l ：，操作简啦方便，性能稳定 可靠。随系统售的c a d c a m 软件( i n t e r m a c ) 功能i ! 王比较强火，l | 1c a d 模 块，c a m 模块，刀具管理，i o 接口，文档管理几火功能模块组成。它的c a m 部 分可以订很多的加工办式组成：磨花( g r i n d i n g ) 、直线切割( s t r a i g h tc u t t i n g ) 、外轮 廓切割( o u t l i n ec u t t i n g ) 、雕刻( e n g r a v i n g m i l l i n g ) ，也提供丁很多不同的加1 ：线型 供用户选择。选择好加工方式、加工刀具、加工几何体和一系列加工参数之后，用 户还可以动态仿真刀位轨迹。另外，它还有一些辅助功能，比如用数字编号表示刀 位轨迹路径的加：i ：顺j 卜及加1 ：办向，刀化轨迹的总长度，顺汁的枷。i i i , j i l j 锋等。总 之，这是一套很好的玻璃加工的c a d c a m 系统软件，但电存住些缺点，例如： 对线素的加工顺序和加工方向不能人工修改，而在生产加工巾，这一功能很彳r 实际 应用。而且，由于它是与数控系统捆绑销售，价格十分昂贵。这烛一套英文版的软 件( 目前还没有汉化版本) ，对操作人员的要求也比较高；还有，软件的维护和升级 也很不方便。 因此，为发展推广玻璃加工的c a d c a m 系统，我们应做好以。f 方i l i i 的：e f t - ： ( 1 ) 开放。不论是做学问还是做市场，切忌固步自封和闭门造车。对于学术界 来说，应该积极交流，争取和国外的公司、大学进行联合研究。一方面，可以与在 国外从事相关研究工作的中青年留学人员积极联系，相互促进，共同提高；另一方 6 华中科技大学硕士学位论文 面，独立开发的比较成熟的产品，也应该使之商品化，打入国际市场。只有采取开 放的策略，真正同界市场融合，才可能缩短i n i 不是扩火与囤际水，l ，的蔗斟i ，彳 有可能与国外的竞争对手站在同一条起跑线上进行竞争，并取得参与国际国内i h 场 分工的策略。 ( 2 ) 联合。目前我围c a d c a m 领域的一。个突6 d 题足力 l 人过j 二分散。无 论是产业界还是学术界，联合势在必行。课题组的研究成果如果彳i 能直接创造效益， 与其束之高阁不如拿 1 1 来犬家共享，以避免重复劳动。而性质类似的企业电可以进 行资产合并，并以资产为纽带实现组织、产品、人员及ib 场的重纠l 。联合成该足广 泛的和多层次的联合，不仅指产业界与产业界、学术界与学术界的联合，还应包括 学术界与产业界的联合，国内与园外的联合。联合成该足以契约为基础，以! f 惠和 双赢为目标，尊重知识产权的联合。只有这样的联合才可行，才能持久。 1 2 4 玻璃加工c a d c a m 软件的关键技术 玻璃加工c a d c a m 系统软件开发过程中的关键技术有：基于测量数据的曲线 拟合及光顺、异形排样算法等。 一直以来，曲线拟合都足数控编程系统的重要部分，许多倒f 究人，j 对此进 j r 广泛深入的研究，发表了大量行之有效的方法1 1 0 - 1 7 i 。曲线拟合的方法一般有：多项 式的最小二乘曲线拟合，这种方法曲线的阶数选择很关键，如果曲线的阶数选择过 小，拟合效果不好；如果曲线的阶数过高，数据点之间会出现有数据振荡的问题， 而且高阶多项式插值会出现病态问题，所以阶数不宦过高，小i 二5 阶。i 次样条曲 线拟合三次样条使j | j 分段多项式，拟合效果较好，曲线r i 符点光滑、导数连续。 基于遗传算注的曲线拟合，遗传算法( 简称g a ) 作为一种基1 ：选择和自然遗传的全 局优化算法，其主要特点是不依赖梯度信息，特别适用于处理传统搜索方法解决不 了的复杂问题和非线性问题，对采用最小二乘法难拟合的曲线亦能取得较好的拟合 度。 曲线光顺算法一直以来就足曲线理论应用的一个重要问题，许多专家学肯对此 进行了“泛深入的研究。目前，对曲线光顺算法的研究比较全i n j ，提r 人生 【e 较 成熟、h 行之有效的方法。从总体j ：米讲，曲线光顺算法可以分为以卜儿类： ( 1 ) 基于应变能量法的整体光顺方法1 1 8 - 2 7 l 。整体光顺方法的基本思路是：曲线 生成后，通过定义曲线应变能量表达式，建立起以应变能量最小为目标函数，以一 些物理几何条件为约束的非线性规划问题，通过求解有约束的非线性规划问题，得 华中科技大学硕士学位论文 到拒满足约束条仆一f 心变能 i j = 服小的光顺曲线，这炎力法j i t f 收敛忭灯及易操作锋 优点：但是，由于只考虑了光顺准则i | | 的应变能最小准则，光顺处理后的曲线可能 因为曲率变化不均匀而不具有真正意义上的光顺性能。 ( 2 ) 局； l ；) 匕顺疗法1 2 9 。”i 。硒部光顺a 法f i ，j 艰小 l 路址：以曲率变化均匀作为光 顺准则，先判断曲线上的“最坏点”，而后让“最坏点”沿一定的优化方向进行修改， 使其变为“好点”，依此处理，直到整条曲线上的所有型值节点均满足上述光顺准则。 这类方法对于曲线的局部修改有较好的效果，而且具有计算量较小的优点。但足， 由于每次只能修改曲线上的“最坏点”，要想挫条曲线达到光顺，j l 】户必须经过多次 繁琐的操作才能实现；另外，局部光顺算法也只考虑了光顺准则中的一条，光顺处 理i 乜不全而。 ( 3 ) 基于小波分解的光顺方法 4 0 - 4 5 1 。基：小波分解的光顺方法足一种较新的曲 线光顺方法，其基本思路是：先构造曲线曲面的多分辨率表达式，通过去除表达式 中的高频部分，达到对曲线曲两光顺目的。这类方法较适合于人规模数据点曲线曲 面的光顺处理，其计算量较整体光顺方法要小，还具有数据压缩的优点。但是，由 于目前只建立了区问个数为2 次方的准三次均匀b 样条曲线曲f | i 的小波分珩 技术， 对区间个数不为2 次方的三次均匀b 样条l 【l l 线i i l l i l ，则通过构造种转换模型转换 为具有2 次方个区间的来处理，对于其它类型的曲线，如n u r b s 曲线则尚没有进 行讨论，这足限n , b 波光顺方法使用的l i 要障碍；见外，小波光顺无法征满足边界 条件的丛础j ：进行光顺处理。 排样问题是复杂的组合优化问题，具有较高的计算复杂度。但足 l | r 乍产实际 的需要。人们迫切需要找到排样问题的较好解决方法。陋i 此许多学肯往返厅l f l l 做丫 大量工作米寻求可以满足生产要求的近似觯【4 4 - 4 6 j ，对二维优化排样f j 题也提出- r 醍 多算法，概括起来主要钉：矩形模块法，即对不同形状的零件求取最小也i i j 矩形， 简化排放时对样件的收i f l j 。如果阁形嘶彤 l j ，4 i 彤i f i i 积之比达到某给定f | 【，就轮流 试用其它较小的样件来填塞矩形的空余块，直至达到给定值：启发式搜索法，对f 所有要排放的样件图形，存在无数个排放顺序，蒙特卡罗法，随机演变法试嘲用计 算机对所有的排股顺j 进j ，搜索，以求甜嫩仆办案，然胁尢限次的搜索牦必r 人世 的计算时间，得到的结果也并非最佳方案。因此，将样件图形的排放顺序提供一定 的导向，对样件图形位置窄问排列做有目的的演变，从而在行限次的反复或循环之 后，得到较满意的结果。 8 华中科技大学硕士学位论文 3 本文酶主要工作 本文结合巾 珏市遮藏玻璃辘械股份有激公蠲与华中摹 按大学隧家数控系绞工稷 技本研究；扣心的合作秘究壤疑：“全爨动舞形黪边搬”、“蹬辘玻璃刻芘枫”及“舞形 玻璃彝动甥割极”，锋对玻璃艇王弱特点，对玻璃蕊工摄拨豹c a d c a m 系统软 遴 撂了磺究。本论文的羔婪i 搏w 搬撬舞l 下： ( 1 ) 搂述了b 样条热线黪数学模型及其熊薄表示方法，挺池了寓教数据点熬样 条麴线拟会、鏊予小波分群熬灼线必蹶、邋近误差灼技划、特惩点麴自动识剐箨法。 ( 2 ) 邀越| 撵耀账的分据，髂决y | $ 撑多边彤麴鲻鄙刿别、填宠方案棚| 搀多 边澎的顶点调熬隽察。是蓑的提裹了联拱欺利耀率。 3 ) 阐述了暇轴联动数控磨4 加王蹶理，提出了加工轨迹饯他的方法，i 技一步 进蟹了走刀方肉的佐化，使加工过程中的窆行程最短，显磐提蕊加工效攀。：v f l 对 玻璃磨燃加工的特点，建立花形的数学模型，选取合适的走刀步长和磨岿4 角，优化 玻璃磨削的加工工艺。最厥论述了三轴- 异形磨边机不同加下方法的刀位轨迹i p 算算、j 法和后置处理方法。 ( 4 ) 在上述研究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 器为核心的玻璃加工数控加工臼动编穰原型系统， 给出了应用实例。 华中科技大学碛士学位论文 。“。- 。m 。一i i ；* = = ；= 。；= ；= 一 第二章基于测量数据点的曲线光顾及特征点的识别 摘要本章公绍了玻璃全国动异形簸边枧的数据处理漉程，描述7b 样条曲线的数学嫫墼， 提出，基于测基数据点的曲线拟台和基于小激分析的b 样条曲线的光顺算法。这孛p 铭法通j | j ： 数据量报大的曲线光顺，还具有数据压缩的功能。小波为曲线的多分辨率表示提供_ ，一个很好 的数学方法，它研以很方便的将曲线分解为高分辨率部分和低分辨率部分，分解后的低分辨率 部分即为光顺后的曲线。率章介绍了基于小波韵b 样条曲线的多分辨率分解，并提出了一种根 据光猴容差来控带l 遥避误菱的箨法。 2 。l 弓f 言 玻璃全皂动异形磨边毒嚏的测量过程巾产生一个包含轮瓣数握点信感熬文件，l 曩 予这些数摄点菸不是轮廓的糙凛撼述，所以要对进锤一定熬处璎：包括特缝点憨 识别，基予三次b 榉条的越线拟含，基于小波公 厅的光顺处理。最后烬兜顺过的姨 线生成至q 位孰逃，赝置处理生成g 代弼文传。洋细过攫见下暇：2 - - l ： 网 、。， 阁2 - - 1 玻璃全自动异形磨边桃的数搬处嫂过艘 厅司 l 生成| 、， 在l 二述 过粳t l ，b 样条曲线锝 到。r 很多的 应用，斫睫 曲线的光顺 没 p l ! 土是其 i ，锹关键的 内容。判断 条f | | | 线光 顺与否，必须有一个客观的光顺准则，通常认为，一条光顺的曲线应满足下i f f i 的几 个条件：二阶几何连续。不存在奇点羽i 多余拐点。曲率变化比较均匀。_ 艇 变能较小。 目前曲线采用的光顺方法有能璧法和闼率法。能鬟法是让样祭的能量在适当的 约束条件下( 如型德点的最大修改鼯 ) 取到极小或优化。能匿法着藿考虑了一| = 述 篇条准则，而对第条准则采加以考虑。经过能量法光顺后，曲线的应变能最小， _ _ 一 i 华中科技大学硕士学位论文 可以粗略的说成足绝对曲率较小，但曲率较, l , j t - 不能保证曲率的变化比较均匀，所 以它没考虑到曲线的曲率变化a 所以光顺的效果总是趋于向直线变化，因而在r 一些 情况下光顺效果仍不能令人满意。而圆率法是通过对控制顶点的定量修正，改变了 不光顺处的控制顶点处的圆率，得到了光顺的三次b 样条曲线。圆率法【1 1 j ：算法简 便，己得到实际的应用。但是圆率法是作了曲率的线性近似计算，产生了一定的误 差。当修改的型值点较多时，修n ! 后的曲线与原曲线产生的偏差较人，) f f l 通常需 要经过粗光顺和细光顺的二次光顺过程，比较费事。 利用小波分析得到的曲线不仅具有较小的应变能，而且曲率变化比较均匀，而 且这种方法在光顺曲线的同时还减少控弗惘；i 点的个数，适j j 予人壁密集数据点的i 1 1 线光顺。小波分析是一种新的时频分析数学方法。用小波基代替传统的b 样条基， 可以使b 样条曲线有很好的多分辨率特性。其中的低分辨率部分为原曲线的逼近曲 线，高分辨率部分为原曲线的细节。因此，保留低分辨率部分，滤掉高分辨率部分， 原曲线就得到了光顺。 2 2b 样条曲线的数学描述 我们知道，以b c r n s t c i n 调年雨数构造的b c z i c r 曲线- 彳r i k 多优越悱，f i l 足f i 两点 1 i 足：其一是特征多边彤的个数决定rb e z i c r 曲线的阶次，j f ：il _ n1 ：1 【较人时，特 征多边形对曲线的控制将会减弱。其二是b c z i c r 曲线不能作局部修改，即改变某一 个挖制点的位置对褴条曲线都彳r 影响。1 9 7 2 年，g o r d o n ，r i c s c n f c l d 等人托扩丫b c z i c r 曲线用b 样条函数代替b e r n s t e i n 函数，从而改进了b c z i e r 特征多边形与b e r n s t c i n 多项式有关。且是整体逼近的弱点。b 样条有如下优良的特性：j l d 部性，连续性， 儿何1 i 变性，变差缩减性，造型f ：i j 灵活性。 2 2 1b 样条曲线的定义 已知n + 1 个控制点c ( f 一0 ，1 ，n ) 为特征多边彤的顶点，k 次b 样条i u l 线的表 达式是： 嘶) 。荟c o ) ( 2 1 ) 华中科技大学硕士学位论文 其中n i k ( “) 是调和函数，也称之为基函数，按照递归公式可定义为： 卟 ：篓“ 。一! 掣十! ! 二坠：掣o t s “s r 。“) c z z ， j 川，l i 足节点值，t d 。，l f + 2 k + 1 1 构成了k 次b 样条函数的节点矢量，其中 的节点是非减序列，且三一疗一k 。当节点沿参数轴足均匀等距分布，即t 。一t ；一常数， 则表示足均匀b 样条函数。 2 2 2 三次均匀b 样条曲线的矩阵表示 设空间n + 1 个顶点的位置矢量只( i = 0 ，1 ，n ) ，其中每相邻四个点可构造 一段三次b 样条曲线： e ( “) - 丢b 3 “2 “1 】 一1 3 3 6 3o 14 31 30 30 10 i 一0 ，1 ，n 一1 ；0 s “s 1 端点位置矢量：c i , 4 ( o ) - ( 只一，+ 4p j + p j + 。) ，c i , 4 ( 1 ) 一( e + 4 只。十只+ ：) 端点一阶导数矢量：c i 。( o ) ；( 只+ 。一只一。) 2 ，c i 。( 1 ) 。( 只+ ：一p , ) 2 二- 阶导数矢墩；c 0 ( ( ) ) - 只一i 一2 只+ 只+ 若只- i 、只、只。三个顶点位于同一条直线 = ，三次b 样条曲线将产! l 三拐点；若 只_ i 只、只+ i 、只+ ：四点共线，则c 。m ) 变成一段点线；特只_ i 、只、只+ ! i 点哐合， 则c 。( “) 过只点。 2 2 3 反求b 样条曲