（机械电子工程专业论文）立体雕刻机cnc系统的软件开发.pdf

科技少 、 学硕 l : 研究生毕业论文 抽 超 lllj a b s t r a c t w i t h t h e d e v e ! o p m e n t i v i a g s t a n d a r d， t h e o f o u r e c o n o m y a n d t h e i m p r o v e m e n t o f h u m a n s p e o p l e s n e e d f o r i n t e r i o r d e c o r a t i o n u了1.上 门o lsof e s p e c i a l ! y monot o门( , us h o u s e f u r n i s h i n g s， i s d i v e r s i f y i 门 g。 t r a d i t i o n a l a n d f ur nit ur eb e i n g s u p e r a n n u a t e d a n d r e p l a c e d s u i t e wi t h a l l s o r t sp a t t e r n s 。f u r n i t u r e m a k i n g is one一 h一 x i n d u p i l a r i n d u s t r i e s 3 dc ar vt n g i t i s i m p e r a t i v e m a c h i n e a s c a d / c a m f o r u s t o e x p l o i t t h e c n c e q u i p m e n t t o s e r v e t h e o f x i n d u e c o n o m y . f or 3 dc a r v i n g m a c h i n e h a s a p p e a r e di n i t a l y 、 阵川 s y s t e m f o r d e v e l o p m e n t t h e c n d e r m a n y a n 已 sys t e 印 chi nab u t i t s f u n c t i o n i s s i m p l e r a n d i t s p r i c e h i g h e r rece门t f u r t h e r m o r e , t h e l a s e r c a r v i n g m a c h i n e h a s a l s o a p p e a r e d years b ut i t s r a n g e i s g r e a t l y l i m i t e d 。t h e c n ( ， s t e m f o r 3 d c a r v i n g w o r k i n g m a c hi n et h a t c a n p r o c e s s t h e c o n v e x p a t t e r n s d oes 门 of co me on e x p l o i t e d . i n t h i s p a p e r , n u m e ri c a l c o n t r o l t h e m a r k e t 。t h i s k i n d o f e q u i p m e n t w i l l s o o n e r w ei n t r o d u c e t h e m o d u l e o f c u t t i n g r e m a i n s a n d b . t h e s o f t w a r e f o r 3 d c a r v i n g 一 ; 一 : t h e o w e r p c i s s e p a r a t e l y b e i n g u s e d i n m a c h i n e c a d a n d c n c s y s t e m。 i t s s o f t w a r e i s p r o g r a m m e d 0 门 t h e h i g h e r p c t h e c o n t r o l o f t h e a u t o c a d r1 4 p l a t f o r m vi cl d e d b y u s i n g c l a n g u a g e . a n d t h e n u m e r i c a l c o n t r o l s o f t w a r e i s t h r o u g h t h e d a t e f i l e . f o r i h e p r o g r a m i s c o m p i l e d i n m u i n l y u s e d t o d e s i g n e n d f u r ni t i l l c t i r i d e r a f t s . t h e v i s u a l process t he c+ al l s a k e o f d e b u g g i n g e a s i l y , +6 . 0。t h i s c n c s y s t e m i s k i n d s o f p a t t e r n s i n t h e k e v w o r d:a d s a r x( 日n g比i t ; e i u i m o l i ( i c o n t r o l s o f t w a r e 电r 科技人学倾 卜 研了 月l hik, 沦文 绪论 数# 1 机床是典型的机 电一体化产品，它综合运用了自动控制、微型计 算机、精密检测、伺服驱动与精密机械等多种技术，是现代制造系统与技 术的必需基础设备，已充分显示了强大生命力和广阔的应用前景。 数控机床一般山计算机系统、伺服系统和机械主体等部分组成。其中 计算机系统是微机数控系统的核心，分为硬件和软件两大部分。而控制软 件则是微机数控系统的灵魂，其t能对系统的整体性能影响很大。生成拧 制软件的数据则需由计算机辅助设计 ( c a d )部分传出。 作为机 电一体化方向的研究生， 本人在导师黄大贵教授的悉心指导下， 在一年多的时间内，编制了采用上、下位机进行图形设计和实时控制、步 巡 电机驱动 、三坐标联动的数控浮雕机 c 5 c系统 中切余料模块及其数控加 下 程序的生成软件。 该部分软件与其他几位同学编写的相关程序联机调试， 取得了令人满意的效果。 该 c n c系统将浮雕实体分为了若干层，在每一层上采用了平面几何图 案的方式来逐步造型。一 6先，生成较为简单的图案，其次，以生成的简单 图案为基础编辑成较为复杂的图案，最后，将生成的复杂图案凸出成三维 实体。通过上述方式大大地减小了软件的开发难度。 i a c n c系统为浮雕设计人员提供了一个自动化程度较高的、基于图形 用户界面的 c a d设计平台、可大大缩短浮雕产品的开发周期。并且该系统 是以 c语 含作为开发语 台，可 自动生成数控加工程序，并以网络通 ii i 的方 式将相应的数控加工程序传送到数控加s中心，从而实现浮雕产品从设计 到加 工 的完全自动化。 i ? c c n c系统只需作少最的修改即可用于一些数控加7 _ 设备如激光雕a ll 扫 l 、，人焰切.! 机等，i t 了 j 较好的通) ) 性。 第 厄k共5 找 页 电j 吮 科技人,r : r q i 十 研究i i 毕业论文 第一+; c系统的软们结构为案 第一章 系统的软件结构方案 为了筋化整个软f 牛的算法， 被加工的浮雕图案分为了若干层， 如图 卜1 所， ; 。具体加1步骤如 厂:首先，沿各层内岛 ( 内环 )边缘开一边沟，以 免切除其间的余料时在各内岛边缘产生 “ 毛刺”现象。其次，将各内岛之 间及内岛与外岛 ( 外环)之间的余料利用该 c n c系统所配备的刀库 包含 有系列成型铣刀)切除掉。最后，可在各内岛之上开槽和沿边缘倒角。 图1 一 1 1 . 1系统的总框图 图 卜2 1 . 2系统的显示界面 第 2页共5 4 页 匕1 科技夕 、 学倾十研究生毕业论文 饥一 党 系统的软利 : 到构为案 系统的v i: 1 , 方式如下: 主 视 区 平血 图 ) 4 助 视 区 ( 轴 测 图 ) 又 j 话 框 ( 弹 出式菜 单 ) 图卜3 主视区和辅助视区可以相互切换。主视区和辅助视区内的图形还可进 行屏幕缩放这样便于动态地观察创建浮雕、升边沟、切余料及开槽、倒 角的过程和结果。在将 a d s 应用程序转变成 a r x应用程序而得到可执行文 件 ( 才 f1 当于 一 个a u t o c a d 命令) 后， 仅需在 a u t o c a d r 1 4 的 c o m m a n d : 命令提 j 符 键入 c a r v e然后回车就会出现如下的建基板命令。 输入基板型号: i,i u l t i - t h r e a d e d ( 对 d e b u g使用 d e b u g b 1 u i t i 一 t h r e a d e d ) p r e p r o c e s s o r p r e p r o c e s s o r d e f i n i t i o n s - 将 a c r x a p p , r a d p a c k ”加入列表 叫 a d d i t i o n a l i n c l u d e d i r e c t o r i e s - 指定 a r x i n c所在的 目录和 其它必需路径 选择 l i n k 标签项进行链接设置。下面是要设置的项目和对应的值。 g e n e r al o u t p u t p i l e n a m e - 输入输出的文件名，文件名后缀应该是. a r x o u t p u t b a s e a d d r e s s 一 o x i 0 0 0 0 0 0 0 e n t r y 一 p o i n t s y m b o l 一 d i i e n t r y p o l n t ) l 2 现在所有的设置工作都完成了，单击 o k按钮，就可以使用 b u i l d 菜单中的目录来创建后缀为. a i? x 的文件了。 创建完成后，可以在 a u l o c a d中调用 a r x 应用程序。 在 a ti t o c a d图形编辑器中的命令提示 卜 输入 a r x ,出现如 卜 提示: ?/ l o a d 八i n o a d / c o m m o n d s / o p t i o n s : 选抒 ( 选项， 用户可以从出现的对i i fi ll ， i , 的文件列表选择要加载的 i, x义件， 中。 们 1 1 就 以了. ( 6 ) !g j 用一个 a r x 应用程序 第 2 0页共5 4 页 电i . 科技人广 川io ! _ 研究生毕业论文 第_ _ 党a d s 私 a r x 介绍 i i 1 1 i ii 以通过 以 f (y j 方式 il l 1 1 1一 个 a r x应用积j 犷: 在初始化模块文件 a c a d . r x i 指定应用程序。这个文件包含所有在 a u t o c a d启动时要加载的应用程序名。文件的每一行包含一个程序名 ( 如 果j 、 了 :a u t o c a d f l勺 搜索路径中，节 肠要指定路径 ) 。a c a d . r x文件必须了 a u t o c a i) 的搜索路径中。 在另一个八 r x 应用程序中通过a c r x d y n a m i c l i n k e r : : l o a d m o d u l e o 函数发出调用请求。 使用在 a u t o c a d 优惠程序 l o a d a p p . a r x中定义的 a p p l o a d对话框。 使用 a u t o l i s p的w i 数 a r x l o a d o 使用 a r x 或者 a d s中的函数 a d s _ a r x l o a d 0. 在 a u t o c a d命令行中键入 a r x命令。 ( 了 )卸载 a r x 应用程序 用户可以使用如下的方法卸载 a r x应用程序: 在另一个 a r x程序中使用函数 a c r x d y n a m i c l i n k e r : : l o a d m o d u l e ( ) 发出卸载请求 。 使用由a u t o c a d 支持文件 l o a d a p p . a r x 定义的 a p p l o a d对话框来卸 载 a r x程序。这个文件定义了一个用户界面来执行 a u t o l 丁 s p a r x l o a d和 a r x u n l o a d 函数。 使用 a u t o l i s p的 a r x u n l o a d函数。 使用 a r x 或 a d s的 a d s _ a r x u n l o a d ( ) 函数。 在 a u t o c a d命令行中键入 a r x 命令并使用 u n l o a d 选项。 第 2 1 页共 5 负 电厂 科技人学硕 i 丁 研究生毕业论文 第三章 切余料模块的程序设计 第三章 切余料模块的程序设计 3 . 1 切余料加工路线的选择 j 所开发的 c n c 系统中，浮雕图案被分为了若干层，而每一层又山若 干内岛 ( 内环)组成。与浮雕的创建过程相反，浮雕的加工采用了由上到 卜 逐层切除的方法。在切除相邻两层之间的余料时，刀具的运动轨迹有多 种方式可供选择。如果选择不当，不仅将增加系统的开发难度，而且会影 响加工的质量和生产的效率。因此我们有必要对此问题进行认真的研究。 3 . 1 . 1水平面 ( x o y 平面)内加工路线的选择 川队x 卞工 在水平面 ( x 0 y平面)内浮雕 的加工路线有两种方式，如图 3 - 1 和图 3 - 2 所示。 在图 :卜1 中，刀具首先沿各内 岛边缘开一边沟，然后将边沟之间 及边沟与外环之间的余料沿铅垂方 同 ( 也可选择沿水平方向)切除掉 这种方式仅需求出刀具运动轨迹的 中心线与各内、外环的交点即可得 出刀具切入的起始点和切出的终止 点，因而算法简单，程序易于实现 减小了系统软件开发的难度。 在图 3 - 2中，刀具沿各内岛边 缘呈辐射状切除内环之间及内环和 外环之间的余料。这种方式算法复 杂，尤其是当内环数增多时，难于 求出刀具在各内环之间的运动轨 迹 。 囚此，该 c n c系统在水平面 x o y平而)内选择选择了图 3 一 f r 】 粗 图 3 一 1 ( 注 :o u t为外环，工 n为内环 ， i n i 为开边沟刀具中心线。 ) ( 月 图 3 一 2 ( 注:o u t为外环 ，i n为内环 i n i 为i f 边沟刀j 毛 中心线 。 ) 所小的加 路线 。 3 . 1 . 2高度方向 ( z 方向)加工路线的选择 如图 3 - 3所示，在切除浮雕相邻两层之间的余料时，山于事先己在被 第 2 2页共 5 4 页 电j 吮 科技人学硕 一 研究/ i ;. l 7: 业论义 第三牵 切余州模块的程序设c 1 / 阶 。 团()仁 日 d” 印 “ 团团 hg 切i; ， ( 如第 ); : ) 勺 各个0 l 环 门干 出一边沟，囚此仅i 7. 将 刀j 工 l9 ) 至边沟中心线即可 ，否 则当边沟底 部有形状要求时会 将其破坏另 一方面 ，为了保 留所=x的浮雕实体，在将刀具 从一个切削点快速移至另一个 切削点时刀尖至少应高出浮雕 的顶平面 2 . 0 。 二 。该c n c系统 在 z方向采取了如下的走刀路 线 : c o n c ni g 0 0 g 0 0 一测/r c/ /印一 图3 一 3 ( 注:1 , 1 1 为相邻的两层 c g n为刀具的开边沟中心线) g o 1 g 01 g o o a一b一c一de一f一9一h 3 . 2切余料模块的程序编写 3 . 2 . 1读入各层的高度及刀具的数据表 在浮雕的创建 ( 建岛)的过程中，其各层高度均己自动写入数据文们 h i g h b . d a t o实现读入浮雕各层高度的函数 r e a d _ h p l a t e ( h p l a t e )的程序 框图如下: 图 3 一 刁 饥 2 3页j 七 5 4 页 电t 科技人学硕十研究生毕业论文 第-章 切余料模块的程序设1 1 刀具的数据农参数 包括刀具号、类 , 1 号、亡 l 径 d及系数 k )牛光存 放f j数据文f 1_ c : c a r v f , ( 川、 . d n t 。实现 读入刀1 i . 的数州表的函数 f u r dt o o 、 ( i 卜 研究生毕业论文 第_ 几 帝 切余料模块的程序设( i 输 入 系统 的 w c s h a n d x及( i x i 坐 标 线 句 柄 f l 码 g r o u p 找出句柄 w c s h a n d x 指定的实体 s l 6 . 图形数据库 中杏找实体 s l 的以 结 果缓冲链表形式返回的数据 n 链表指针 卜 移 读 入 链 表 的r e s v a l . r l o n g (或 r e s v a l . r s t r i n g ) 变量井将其赋给层 数 n p l a t e ( 或句柄数组 s t r p l 4 0 0 ) 3 . 2 . 4 内、 又 结 束 图 3 一 6 外环的偏置 在刀具切入的起始及终止 位置，其外形轮廓始终与内、 外环相切 ( 此处的内环 己为开 边沟刀具中心线) ，如图 3 - 7 月 1 ， ; 。】 天 此可将内、外环i句外 偏胃叨余料刀具半径 ， ，从 d u 求 出刀具的加 i 轨迹 。 在图 3 一 9中，规定外环为 i )p i i id 钊方向，内环为顺时针方ic i 3 一 7 第 2 5页共5 4 页 墓 守 、 电j 二 科技人j货 硕 一 研究月t p 业论文 第三章 切h 料 iq 块的6 y 序设l i 向。现以外环为例 说明内、外(注:i n 为内环，o u ! 为外环， 1 q . 足如何偏供 的。( i勺 环则与此1 , 2分别为刀1 1 切入的起始 炎似 ) 。及终 1 l 一 位置，c e n为刀具的中 ( 1 ) 线段的偏假处理心线轨迹，e l ( n l , n 2 ) , e 2 ( n 2 , - n l ) 已知线段的起始点p i ( x l , y l )均为单位矢 i ! o ) 及终i i 点 p 2 ( x 2 . y 2 ) ，相应的向外 偏外偏置的两点分别为 p l ( x l , y l ) , p 2 ( x 2 , y 2 ) a 设m l = x 2 一 x l m 2 = y 2 一 y 1 ， 则: m 3 一 v m l + m 2 - , n l =m1 / m3 , n 2=m2 / m3 x l = x l + r * n 2 , y 1 二 y l 一 r * n l ( 3 - 1 ) x 2 = x 2 + r * n 2 , y 2 = y 2 一 r * n l ( 3 一 2 ) ( 2 ) 圆弧的偏置处理 己知圆心p 3 ( x 3 , y 3 ) ， 半径r 1 ，起始点p 4 ( x 4 , y 4 ) 、中i司点p 5 ( x 5 , y 5 ) 和终il 点p 6 ( x 6 . y 6 ) 的圆弧。 相应的向外偏置的各点分别为p 4 ( x 4 , y 4 ) , p 5 ( x 5 , y 5 ) , p 6 ( x 6 , y 6 ) 设。 4 = x 4 一 x 3 , m 5 = y 4 一 y 3 m 6 = x 5 一 x 3 , m 7 = y 5 一 y 3 m 8 = x 6 一 x 3 , m 9 = y 6 一 y 3 ， 则: n 3 =( r + r l ) / r l x 4 = x 3 + n 3 * m 4 , y 4 = j ,3 + n 3 * n 巧 x 5 = x 3 + n 3 * m 6 , y 5 = y 3 + n 3 * m 7 x 6 = x 3 + n 3 * m 8 , y 6 = y 3 + n 3 * m 9 ( 3 ) 相邻两相交轮廓线的偏置处理 如图 3 - 8所示，如果相邻两相交 轮廓线 ( 直线与直线相交、直线与圆 弧相 交或 圆弧 与圆弧相交 )在偏r处 理后没有交点，则 l 两轮1 it 线之问应 添加段圆弧 l ,否则应以其交点 i 竹为_ 1 轮廓线的终点和 卜 一轮廓线 的起点。 第 2 6页 ( 3 一 3 ) ( 3 一 4 ) ( 3 一 5 ) 图 3 一 8 共 5 4页 电r 科技人学4 g ; ho( 究i 尸p 业论文 第二a ll切余料模块的程序设训 ( n ) 内环偏 r l 后的处理 如图 3 - 9所示，偏a ll 后的相邻 两个内环 i 和 ! ! 有可能相交，设 转交 点数为 门 。 。 。必须对它们进行 才 应的处理，否则会产生干涉现 象，在开边沟 ( 或在切余料)时切 除掉需要保留的浮雕实体。原来相 互独立的两个内环 工 和 刊 在偏置 后有三种可能: 当 n u m大于或等于 3时， 两个 内环变成为大的内环 工 n 2里包含有 小的内环 i n i . i n 2 图3 一 9 ( 注:i , i i 为合并前的两个内环 工 n 1 , i n 2为合并后的两个内环 当 。 口 。等于 2 时， 两个内环可以合并为一个内环。 当 n u m等于 0或等于 1 时，两个内环之间的相互位置关系不会发生 变 化 。 3 . 2 . 5求浮雕的最大加工范围 图3 一 l 0图3 一 1 1 id l ( x l , f 1 ) y1) p2( x ,y2)p3 (x3, y3 叼 p 3 ( x 3 ， 3 ) x( 图 3 一 1 2图 3 一 1 3 l 7 卜 p 1 , p 2 , p 3分别为圆弧的起始点、， ， 、 ! 点和终 止点，p点为圆弧与过圆心的水平线和铅直线的交点) 第 2 7页共 5 4 页 电1 科技 、 学硕 日 il l 究/ i 毕业沦文 犯二 il,: 切余料模块的程序设讨 y 1 除浮i l l. i i1 余料i ) ，) j d l f u 水平方 向的走刀次数取决于 其:6 . 大的加一 1 _ 范1 1-1 。0 于构成 浮雕的外环均山线段和圆弧组 d r . , 1n线段的两个端点及圆弧 的起始点、中间点和终止点的 x 、丫坐标值已在 3 . 2 . 4内、外 环的偏置处理时获得，因此只 需将它们用起泡法排序，即可 获得浮雕的最大加工范围。 如图 3 - 1 0至 3 - 1 3所示， p 4 ( x 1 , y 1 ) n3(xl，vlj 1 ( % 1 p 2 ( x 1 , y 1 ) 图 3 一 1 4 ( 注 :点 a , b . c , d为外环在 水平及铅垂方向的极限点) 当h i i 弧与通过圆心的水平或铅垂线无交点时，圆弧上的极限点必为 p l , p 2 或 p 3点之一，否则必为 p l , p 2 , p 3及 p点之一。显然直线上的极限点只 与其端点有关。 如图 3 - 1 4所示， 经过上述沿外环的逆时针方向比较选择之 后即可得其左、