（机械设计及理论专业论文）印制板钻铣加工软件系统的研究与开发.pdf

摘要 摘要 随着计算机和电子技术的迅速发展，印制板加工在机械行业中得到了广泛的 应用，印制板机械加工是印制板制造过程中不可缺少的重要环节。传统的应用于 印制板机械加工软件没有优化钻孔走刀路径，在生成加工代码之前，还需要借助 剐的软件进行检查异形孔和边缘是否正确，存在着机械加工效率比较低等缺点。 本课题针对当前印制板机械加工软件的现状，对印制板钻铣加工程序生成进 行了分析和研究。课题是在w i n d o w s 平台上，采用v i s u a lc 十+ 6 0 开发工具， 利用面向对象语言开发了本软件系统。在研究与开发过程中，采用面向对象的开 发观念和模块化与组合化的设计思想。主要工作包括： ( 1 ) 对p r o t e l 输出较为复杂的数据文件进行分析，总结数据文件的信息特 点，采用数据结构的链表形式和m f c 的模板集合类，准确地完成了源数据的转换 和传递，并通过视图以图形方式显示数据，检验数据是否正确。 ( 2 ) 在优化钻头运动路径的研究过程中，比较了当前流行的先进的优化算法， 选用遗传算法，结合孔加工数据的自身特点，设计出合适的编码方法和遗传操作 算子，对i l 加工钻头运动路径进行了有效地优化，使遗传算法理论与印制板机械 加工有机地结合起来，缩短了加工时间，提高了生产效率，具有很强的实际应用 价值和现实意义。 ( 3 ) 利用计算机图形学的基本图形生成算法，讨论了印制板异形孔和边缘加 工轮廓数据进行排序和确定预钻孔的加工位置，并生成相应的铣刀加工走刀路 径。 ( 4 ) 结合现代数控编程知识和印制扳机械加工特殊的工艺要求，生成印制板 孔、异形孔和边缘加工i s 0 代码。 ( 5 ) 在动态模拟走刀轨迹研究过程中，讨论刀具半径补偿的原理和方法，采 用矢量分析方法，用软件设计方法实现刀具半径补偿功能，从而动态模拟刀具走 刀轨迹，以验证生成的加工程序代码的正确性。 关键词 印制板；数控编程；遗传算法；刀具半径补偿：v i s u a lc + + 北京工业大学工学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e r a n de l e c t r o n i c t e c h n o l o g y ，p c b m a n u f a c t u r i n g ，t h ei n d i s p e n s a b l es t e pi ni t sm a n u f a c t u r i n gp r o c e s s ，i sw i d e l yu s e d i n m e c h a n i c a li n d u s t r y o w i n gt oh a v i n gn o to p t i m i z a t i o no fb o r i n gt o o lp a t h ，a n d c h e c k i n gt h a tw h e t h e rp c b a b n o r m a lh o l ea n de d g ep r o f i l ei sc o r r e c to rn o tb e f o r e c r e a t i n gm a c h i n i n gc o d e ，t r a d i t i o n a lp c bm a n u f a c t u r i n gs o f t w a r e sr e s u l t i nm a n y s h o r t c o m i n g ss u c ha sl o we f f i c i e n c yo f m e c h a n i c a lm a n u f a c t u r i n g b a s e do nt h i ss t a t u s ，t h ep r o g r a m m i n gp r o d u c t i o ns y s t e mo fp c bb o r i n ga n d m i l l i n gi sa n a l y z e da n dr e s e a r c h e di nt h i sp a p e r b yu s i n gp r o g r a m m i n gl a n g u a g e v i s n a ic + + t h i ss o f t w a r es y s t e mi se s t a b l i s h e di nt h ee n v i r o n m e n to fw i n d o w s t h e d e v e l o p i n gc o n c e p t o f o b j e c t - o r i e n t e d i s a d o p t e d i nt h e s y s t e m ，a n d t h e m o d u l a r i z a t i o n ，c o m b i n a t i o nd e s i g np h i l o s o p h yi sa l s op r o p o s e d t h em a i nr e s e a r c h w o r ki sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h ec o m p l i c a t e dd a t af i l e sm a d ef r o mp r o t e l a r ea n a l y z e d ，t h ec h a r a c t e r s o fd a t af i l e sa r es u m m a r i z e da n dt h ep h i l o s o p h yo fd a t as t r u c t u r ec h a i na n dm f c t e m p l a t ec o l l e c t i o n c l a s s e sa r ea d o p t e d ，w h i c hc o r r e c t l ya c h i e v et h e o r i g i n a l d a t a t r a n s i t i o na n dt i 丑n s f e r ( 2 ) i nt h er e s e a r c ho fo p t i m i z a t i o no ft h ea i g u i l l em o t i o np a t h ，c o m p a r i n gw i t h t h ef a s h i o n a b l ea d v a n c e d o p t i m i z ea l g o r i t h m g e n e t i ca l g o r i t h m i s a d o p t e d a c c o r d i n gt o t h ec h a r a c t e ro ft h eh o l em a n u f a c t u r i n gd a t ai t s e l f , t h e a p p r o p r i a t e c o d i n gm e t h o da n dg e n e t i co p e r a t i o na r ed e s i g n e d ，w h i c he f f e c t i v e l yo p t i m i z e st h e a i g u i l l em o t i o np a t h ，o r g a n i c a l l yc o m b i n e sw i t ht h e o r yo fg e n e t i ca l g o r i t h ma n d m a n u f a c t u r i n gt e c h n i c so f p c b a l lo ft h e s ew i l ls h o r t e nt h em a n u f a c t u r i n gt i m ea n d i m p r o v ep r o d u c t i o ne f f i c e n c y , w h i c hh a v es t r o n ga p p l i c a t i o nv a l u ea n dp r a c t i c a l m e a n i n g ( 3 ) m a k i n gu s eo ft h e b a s i c g r a p h i ca l g o r i t h m i n c o m p u t e rg r a p h i c s ，p c b a b n o r m a lh o l ea n d e d g ep r o f i l e d a t ai s o r d e r e d ，t h em a n u f a c t u r i n gl o c a t i o n i s c o n f i r m e da n dt h e t o o l i n gp a t ho f i t sr e l e v a n t m i l l i n gc u t t e ri sc r e a t e d ( 4 ) b a s e do nt h em o d e mn cp r o g r a m m i n gk n o w l e d g ea n dt h es p e c i a lt e c h n i c s d e m a n df o rp c b m a n u f a c t u r i n g ，i s oc o d eo f p c bh o l e ，a b n o r m a lh o l ea n de d g eh o l e a r ee r e a t e d ( 5 ) i nt h er e s e a r c hp r o c e s so fd y n a m i cs t i m u l a n tt o o l i n gt r a c k s id i s c u s st h et o o l c o m p e n s a t i o nt h e o r y , a n dc a r r yo u tt o o lr a d i u sc o m p e n s a t i o nb ym e a n so fv e c t o r a n a l y s i sm e t h o da n ds o f t w a r ed e s i g n t h ed y n a m i cs i m u l a n tt o o lt r a c k sa r er e a l i z e dt o v e r i f yt h ec o r r e c t n e s so f m a c h i n i n gc o d ep r o d u c e d k e y w o r d s ：p c b ；n cp r o g r a m m i n g ；g e n e t i ca l g o r i t h m ；t o o l sr a d i u s c o m p e n s a t i o n ； s u a i c + + - i i 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：丝五丝日期：地2 生鎏至旦 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：至& 纠玺导师签名：签趣日期：z 幽肇习 第1 章绪论 1 1 课题背景 第1 章绪论 印刷电路板( p r i mc i r c u i tb 。a r d ，简称p c b ) 【1 1 已有相当长的发展历史，随 着半导体微电子技术的发展，与其相适应的p c b 也层出不穷。1 9 3 6 年工业化 的电路板制作在美国诞生，到现在不过短短60 余年，但其进步之神速俨然已 成为文明进步的一个标志。p c b 的每一个发展时期，都有相应的代表性产品 推出，从2o 世纪4o 年代刚刚诞生时应用于各秘无线电设备，到2 0 世纪5 0 年代日本s o n y 公司生产的便携式晶体管收音机，再到使用环氧树脂板材的 2 0 世纪6 0 年代的军事应用和2 0 世纪7 0 年代电话交换机、计算机的出现， 引发了多层板技术的兴起，当时日本就可以加工多达60 层的m l b ( m u l t i l a y e rb o a r d ) ，用在自行开发的大型计算机上，进入2 0 世纪8 0 年代表面贴 装技术s m t ( s u r f a c em o u n tt e c h n o l o g y ) 导致的布线密集化出现了实用性的 移动电话和超大型计算机的开发，到20 世纪9 0 年代至今方兴未艾的h d i ( h i g hd e n s i t yi n t e r c o n n e c t i o n ，高密度互连) 技术潮流带给我们的精致手机、 高难度的i c ( i n t e g r a t e de l e c t r o n i c s ，集成电路) 载板、小巧强大的笔记本电脑。 所以，有人说p c b 是电子产业的基石川”。 印制板的技术发展水平，一般以印制板上的线宽、孔径和板厚e f l 径比值为 代表，其发展历程和未来发展水平如表1 1 所示1 4 j 。 表1 - 1印制电路的技术发展水平 项目7 0 年代8 0 年代9 0 年代 孔径r n m1 0 o 80 6 04o3 0 2 线宽m m03 0 2 50 2 0 1 50 1 0 0 5 扳厚7 l 径比 1 5 2 55 1 02 0 4 0 孔密度，孔数c m4 7 51 5 2 54 0 5 5 有关人士认为：印制电路板生产技术向高密度、高精度、细线、细间距、高 可靠、多层化、轻型、薄型方向发展，在生产上，同时向提高生产率、降低成本、 适应多品种、小批量生产的方向发展。 我国的印制电路工业生产起步于6 0 年代，从8 0 年代中期开始得到迅速发展。 回顾几十年来的发展，主要反映在以下几个方面： ( 1 ) 队伍迅速壮大，企业规模迅速扩大在8 0 年代末，印制电路生产企业 北京工业大学工学硕士学位论文 主要是生产规模和能力较小的国有集体，合资企业刚起步。1 9 8 8 年，国内p c b 最大生产企业的销售额只有九千万元。到现在，全国印制电路生产企业数量和规 模均成倍增长。已有二十多个大规模的企业生产双面、多层板，年产量均达三、 五十万平方米，年产6 0 万平方米以上的有十家左右。而且已有几家p c b 厂商成 为上市股份公司，并开始组建包括单、双、多层板生产原辅材料、设备制造企业 为一体的集团公司，如汕头超声印制板公司。 ( 2 ) 印制电路的总产量和总产值成倍增长在8 0 年代末，全国印制电路总 产量约5 0 0 万平方米总销售额不足5 0 亿元。到1 9 9 7 年底，全国印制电路总产 量超过22 1 0 万平方米，销售额超过1 4 4 亿元。1 9 9 8 年中国印制电路行业调查结 果表明我国p c b l 9 9 8 年年产量为2 6 7 0 2 2 万平方米，产值为1 9 1 3 9 亿人民币。 近十年中产量增加5 倍，产值增加4 倍。预计1 9 9 9 年产量28 9 6 8 3 平方米，产 值2 2 3 2 8 亿人民币。1 9 9 8 年实际产量和产值超过了我们的预计数字。目前，中 国内地的印制电路工业年产量和产值列世界第四位，仅次于美国、日本和中国台 湾地区。 ( 3 ) 生产技术提高，产品结构优化十年前，我国印制电路产品主要是单 面印制板，约占总产量的8 0 。至今，技术含量低的单面板产量下降到低于6 0 的比例，而技术含量高的双面和多层板( 主要是四、六层板) 产量的比例大幅 上升，已超过4 0 ( 产值约占8 5 ) 。1 9 9 7 年起多层板产量已超过双面板产量， 多层板增长速度逐年加快。p c b 生产已由插装技术( t h t ) 走向以s m t 为主阶 段。另外，刚挠性印制板已开始批量生产，有数家挠性板生产厂年产已达数万平 方米的规模。产品档次向高密度、高精度发展，如在批量生产上，线条宽度和间 距从o 3 0 2 r a m 提高到0 1 5 0 1 0 m m ，贯通孔径从0 8 0 6 m m 提高到o 4 0 3 r a m 。 ( 4 ) 产品市场扩大，出口增多在十年前，印制板产品市场主要是国内家电 产品及自动化控制设备等。目前，印制板市场除上述领域外，主要进入了通信、 计算机领域。另外，原来我国印制电路产品的9 0 以上是国内市场，现在国际 市场比重越来越大，一些大企业均有6 0 以上印制板产品出口，有的甚至9 0 1 0 0 出口。因此，我国印制电路出口总量估计超过生产总量的5 0 。 总而言之，中国的印制板产业形势依然严峻，但仍以1 0 2 0 的速度发展。 兼并重组将会使中国的印制板产业结构发生一次巨大变化。二十一世纪，中国将 会成为全世界印制板产业中心，世界印制板价格的激烈竞争将在中国爆发 5 1 6 1 。 1 2 印制板机械 j n t 技术发展现状 印制板机械加工是印制板制造过程中不可缺少的重要环节，印制板机械加工 第 章绪论 按照加工零件的形状可分为： ( 1 ) 孔加工孔加工又可分为圆孔加工和异形孔加工，圆孔加工主要有冲 孔和钻孔两种方法，异形孔加工主要有冲孔和铣孔等方法。 ( 2 ) 外形加工外形加工分为粗加工和精加工，粗加工一般采用锯和线切 割等方法，精加工用于印制板成品外形加工，一般有手工加工和机加工，机加工 一般采用数控铣床加工；按照机械加工工具、设备可分为：手工加工、手动仿形 加工和数控加工【1 6 】。 印制板已经发展到很高的阶段，传统的手工加工和单面板的冲孔加工方法 已经不能很好地满足印制板机械加工的需求，为了适应印制板工业发展的需要， 数控钻床和数据铣床已经成为印制板机械加工的主流设备，甚至出现了印制板机 械加工的专用设备。 1 21c n c 钻铣床技术的现状 关于c n c 机床，一般泛指两大类：一是用于金属切削加工的机床( 如c n c 车 床、冲床、铣床、磨床、铿床等) ，一是用于p c b 工业的机床( 主要是指c n c 钻铣 床等) 。用于p c b 工业中的c n c 钻铣床技术具有诸多的优势与特点： ( 1 ) 采用较先进的控制技术当今p c b 产业中，使用的c n c 钻铣床普遍采用 的是较先进的主从结构的多微计算机c n c 技术。从c p u 在主c p u 的控制下分控某 些特定的功能与部件，使之与主c p u 保持高度的一致性。 ( 2 ) 具有自检自控功能c n c 钻铣床，一般都具有较强的自检自控功能。发 现问题及时在显示器上显示出来，为了保护机器，甚至能自动停止机器运转，使 之处于待命状态，以保护机器不出大的问题。同时每个主轴都安装激光测试径 向跳动装置，使每个主轴处于最佳状态。c n c 钻铣床在主轴上都安装了断钻检测 装置，钻头断了机床会自动停机，告知断钻的位置；并更换新钻头，自动检测钻 头直径后，再重新钻i l 。 ( 3 ) 电主轴头数多、幅面大为了提高生产效率，适应大规模自动化生产的 需要：如今的c n c 钻床一般都是4 6 个钻主轴。主轴增加以后，台面尺寸就要相 应地增加。x 轴和y 轴的编程也要随之扩大，轴行程增加则钻孔面积也都要相应地 增加。 纵观c n c 钻铣床技术的现状其具体表现如下： ( i ) 精度高采用激光干涉测量仪严格地检测其几何形状和位置精度，c n c 钻铣床一般每个电主轴都安装有z 铀控制深度测旦装置，z 铀独立驱动，电主轴 用气浮轴承，大大地减少了摩擦；使加速和减速的时阃缩短，位置反馈采用线性 磁尺或直线光栅，从而确保机床的系统精度，使钻孔定位精度可达o 0 0 3 m m ， 北京工业大学工学硕士学位论文 重复定位精度可达o 0 0 2 m m 。采用回转或双阵列刀具库，可更换多达3 6 0 个钻 头，从而避免了在装配过程中造成的断钻机会，提高了钻孑l 精度。 f 2 ) 速度快c n c 钻铣床一般每个电主轴都安装有z 铀控制深度测量装置， 能够实时检测出p c b 叠层与电主轴压力脚之间的距离，并使之控制在一个合适 的范围内，使电主轴移动距离最佳，钻孔速度最高。使用高动态伺服马达，只需 若干毫秒就能使电主轴加速到最高速度。目前电主轴的最高运转时速能达到1 2 0 0 0 0 m i n 。钻孔直径o 1 m m 小孔。铣床因工艺需要一般人为地控制在5 5 0 0 0 ；m i n 以下，太快了反而不好【”。 1 2 2 印制板机械加工软件应用现状 目前采用p r o t e l 软件进行印制板设计已经成为主流，印制板机械加工根 据加工形状不同，读取不同格式的p r o t e l 数据文件，对于孔加工，读取钻i l 表报表文件，对于外形加工，读取g e r b e r 格式报表文件。目前应用于机械加工 过程的软件主要v i e w2 0 0 1 、c a m 3 5 0 和r o u t 等软件，一般用v i e w2 0 0 1 或 c a m 3 5 0 软件来检验生成的g e r b e r 文件是否正确，最后用生成数控代码的专用 软件，如r o u t 软件生成相应的加工代码，以外形加工为例说明印制板从 p r o t e l 设计到印制板机械加工的流程如图1 一l 所示。 p r o t e l 相应的图层 i 生成g e r b e r 文件 i v i e w 2 0 0 1 或c a m 3 5 0 检验g e r b e r 文件 i r o u t 软件生成数控 加工代码 图1 - 1印制板从p r o t e l 到印制扳机械加工的流程 通过上面的分析不难发现，钻孔加工过程没有优化钻头运动路径，p r o t e l 软件生成的g e r b e r 文件还需要借助别的软件进行检查。 第l 章绪论 i 2 3 印制板加工流程 p c b 的生产过程较为复杂，它涉及的工艺范围较广，从简单的机械加工到 复杂的机械加工，有普通的化学反应还有光化学电化学热化学等工艺，计算机辅 助设计等多方面的知识。而且在生产过程中会遇到许多问题，由于其生产过程是 一种非连续的流水线形式，任何一个环节出现问题都会造成全线停产或产品报废 的后果，印刷电路板一旦报废，就无法回收再利用。通常单面、双面印制线路板 及普通多层板的制作工艺如下： ( 1 ) 单面刚性印制板单面覆铜板一下料一( 刷洗、干燥) 一钻孔或冲孔 一网印线路抗蚀刻图形或使用于膜一固化检查修板一蚀刻铜一去抗蚀印料、干燥 一刷洗、干燥一网印阻焊图形( 常用绿油) 、固化一网印字符标记图形、固化一 预热、冲孔及外形一电气开、短路测试一刷洗、干燥一预涂助焊防氧化剂( 干燥) 或喷锡热风整平一检验包装一成品出厂。 ( 2 ) 双面刚性印制板双面覆铜板一下料一叠板一数控钻导通孔一检验、 去毛刺刷洗一化学镀( 导通孔金属化) 一( 全板电镀薄铜) 一检验刷洗一网印负 性电路图形、固化( 干膜或湿膜、曝光、显影) 一检验、修板一线路图形电镀一 电镀锡( 抗蚀镍金) 一去印料( 感光膜) 一蚀刻铜一( 退锡) 一清洁刷洗一网 印阻焊图形常用热固化绿油( 贴感光干膜或湿膜、曝光、显影、热固化，常用感 光热固化绿油) 一清洗、干燥一网印标记字符图形、固化一( 喷锡或有机保焊膜) 一外形加工一清洗、干燥一电气通断检测一检验包装一成品出厂。 ( 3 ) 贯通子l 金属化法制造多层板工艺流程内层覆铜板双面开料一刷洗一 钻定位孔一贴光致抗蚀干膜或涂覆光致抗蚀剂一曝光一显影一蚀刻与去膜一内 层粗化、去氧化一内层检查一( 外层单面覆铜板线路制作、粘结片、板材粘结片 检查、钻定位t l ) 一层压一数控制钻孔一孔检查一孔前处理与化学镀铜一全板镀 薄铜一镀层检查一贴光致耐电镀干膜或涂覆光致耐电镀剂一面层底板曝光一显 影、修板一线路图形电镀一电镀锡铅合金或镍金镀一去膜与蚀刻一检查一网印 阻焊图形或光致阻焊图形一印制字符图形一( 热风整平或有机保焊膜) 一数控铣 外形一清洗、干燥一电气通断检测一成品检查一包装出厂。 1 3 数控加工编程技术的发展与现状 现代数控机床是按照事先编制好的加工程序自动地对工件进行加工的高效 自动化设备。理想的加工程序不仅应保证加工出符合图纸要求的合格工件，同时 应能使数控机床的功能得到合理应用与充分的发挥，以使数控机床能安全可靠及 高效的工作。 北京工业大学工学硕士学位论文 数控加工编程技术就是生成加工刀位点源程序的技术。自从数控技术出现以 后，该技术发展也相当迅速。纵观数控历史，加工编程技术发展大体上可分为三 个阶段：手工编程阶段，自动编程阶段及图形交互式编程阶段峰。“a 手工编程阶段；手工编程阶段是数控编程技术发展的初级阶段，在加工程序 的编制过程中，包括制定工艺，刀具运动轨迹的计算，编写程序单，制各程序介 质如穿孔带、磁带、磁盘，以及程序的校验及修改等全部或主要由人工完成a 显 然，这种编程技术只适用形状不太复杂，坐标计算简单，加工程序不长的工件a 此时，加工程序的编制时间长生产效率很低。 自动编程阶段：随着计算机技术及自动编程语言( 如a p t ) 的发展，自动 编程技术应运而生。在此阶段，编程人员根据零件图的要求，用种直观、易懂 的自动编程语言进行产品的儿何定义和工艺定义，先手丁编写一个简短的零件源 程序。输入计算机后刀具运动轨迹的计算，切削用量的选择，工步的划分以及 程序的编制、打印，穿孔带的制作等都是由计算机屏幕或自动绘图机等设备进行 图形检查，若程序有错误或不完善的地方可在讣算机上进行相应的修改。自动编 程由于很多计算、处理等环节由计算机自动实施，所以可加工比较复杂的零件。 同时，数控程序的制作时问短，程序可靠性高，图形的数学关系便于描述，而且 便于用户进行二次开发。但当产品的形状比较复杂时，对产品的几何定义和工艺 定义就比较困难，同时该方法的直观性还不是很好 9 】 图形交互式编程阶段：计算机辅助设诗( c a d ) 技术的日益完善和成熟促使 数控编程向图形交互式方向发展。它利用c a d 系统的强大图形功能将零件的几 何图形绘制在计算机上，形成零件的图形文件，然后调用数控编程模块，采用人 机交互的方式在计算机屏幕上指定被加工的部位，再输入相关的d h i 参数，计算 机便可进行必要的数学处理并编制出相应的数控加工程序，同时在计算机屏幕上 动态地显示出刀具的加工轨迹。这种编程方式的显著特点是：速度快。直观性好、 使用简便、便于检查。这是目前多数商业c a m 软件使用的编程方式。 1 4 课题研究的意义 由于印制板行业的蓬勃发展，印制板无论在市场领域、应用数量和技术水 平等各个方面都占有重要的位置并在快速发展。 通过印制板制作工艺流程可以看出，无论是单面、双面印制线路板还是普 通多层板机械d n m 部分主要包括：孔d 【l - r 和外形j m - r ，孔加工只是圆孔的加工， 不规则的孔( 异形孔) 的加工在加工过程中一般很少涉及到，但是为了满足用户 的特殊需求，需要对印靠4 板设计的一些异形孔，在印制扳机械加工过程中应该具 有异形孔机械加工能力。虽然目前对于印制板机械加工已经有比较成熟的软件， 第1 章绪论 但是还有很多不够完善的地方，主要表现在：孔加工模块中，钻头运动路径没有 得到有效的优化，尤其在印制板机械加工的孔的数据很多的情况下，这种加工方 法效率比较低。 因此，我们研究具有优化功能并能自动生成相应的加工代码的印制板机械加 工软件具有很强的现实意义，具体表现如下：有利于提高印制板行业的技术水平， 增强企业的竞争力，对p r o t e l 生成的c a d 文件进行优化可以缩短加工时间， 在日益加剧的市场竞争的情况下，提高企业生产效率，从而增强了企业的竞争力。 1 5 课题来源 本课题来源于北京凯奇数控设备成套有限公司的“新型制造设备的控制系统 研制”中的“印制板钻铣加工程序生成软件”项目，该项目的功能要求： ( 1 ) 输入：o r c a d 、p r o t e l 等e d a 软件生成的印制板数据文件，特殊工 艺数据： ( 2 ) 输出：i s o 代码加工程序； ( 3 ) 核心算法：钻头运动路径优化，边缘( 异形孔) 铣削程序的生成。 1 6 课题研究的主要内容 本课题研究的内容涉及到从p r o t e l 软件生成的数据文件到印制板机械加 工代码的自动生成这整个过程，包括孔加工、异形孔加工和边缘加工。课题研 究涉及以下几个方面：p r o t e l 软件生成的c a d 文件的图形信息数据的转化和 传递；为了提高加工效率，对刀具路径进行优化，尤其是孔加工过程中钻头运动 路径的优化；生成机械加工代码及输出：走刀轨迹模拟等部分。 本课题研究的内容包括以下几个方面： ( 1 ) 设计与p r o t e l 软件生成的数据文件( 包括孔、异形孔和印制板边缘 数据文件) 的图形信息接口，完成数据转换，获得零件图形几何信息。 ( 2 ) 对于孔加工，运用遗传算法对钻头运动路径进行优化。 ( 3 ) 对于异形孔和印制板边缘加工轮廓数据进行排序，生成刀具走刀路径。 ( 4 ) 根据数控加工工艺的要求和刀具走刀路径，生成和输出相应的数控机械 加工程序。 ( 5 ) 对自动生成的加工代码进行动态模拟，以验证其正确性。 本课题运用当前先进的理论知识，结合印制板机械加工工艺的自身特点，对 具有钻头运动路径优化功能的印制板钻铣加工软件系统序进行详细深入的研究。 北京工业大学工学硕士学位论文 第2 章总体设计 本系统应用于印制电路板加工行业中，p r o t e l 等e d a ( e i e c t r o n i c sd e s i g n a u t o l t l a t i o n 即电子设计自动化技术) i o l 软件生成的印制板数据文件与钻铣数控 机床加工之间的中间环节。软件系统的目标是设计开发出一个高效、快速、方便 和易于使用的具有钻头运动路径优化功能的印制板钻铣自动生成机械加工代码 的软件系统。 2 1 软件环境的选择 当前比较流行的操作系统主要有d o s 、w i n d o w s 、u n i x 、l i n u x 和o s 2 等 系统，尤其是w i n d o w s 操作系统应用最为普遍，占国内市场的9 0 以上。因此， 本系统采用w i n d o w s 作为操作系统。在软件系统的开发中，采用了面向对象o o p ( o b j e c to r i e n t e dp r o g r a m m i n g ) 的开发观念，面向对象的思想容易解决大型复 杂的问题，把复杂的大型问题继续分解，从而使得一个复杂的问题的求解变成了 许多小型问题的求解；软件维护变得更加容易，可以在不破坏原有程序的情况下， 用更新后模块替代旧模块：软件开发效率明显提高。c + + 语言是当前比较流行 面向对象的程序设计语言，v c + + 6 0 包含了微软提供的一整套封装好用于 w i n d o w s 编程的基础类库m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) ，它对w i n d o w s 中 大部分对象进行封装，用户只需从这些类集中直接生成实例，而不用与底层的 a p i 函数打交道【1 2 1 。 因此，本系统采用的开发环境：w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l 操作系统和v i s u a l c + + 6 0 开发工具。 2 2 功能模块设计 软件系统主要功能是对印制板机械加工中钻头运动路径进行优化，钻孔加 工代码的生成以及异形孔和印制板边缘铣削加工代码的生成。根据这些要求，本 系统主要分为三大部分：( 1 ) 孔加工；( 2 ) 异形孔加工：( 3 ) 边缘加工。每个部分 又包括以下模块： ( 1 ) 数据信息接口模块包括孔、异形孔和印制板边缘图形数据的接e l 模 块，根据各自数据的自身特点，数据接口模块必须保证数据传递的准确性和完整 性。 ( 2 ) 图形显示模块 印制板数据文件经过图形接口转换后，通过图形显示 模块，把转换的数据在视图中以图形方式显示出来，以检验其有效性和正确性。 第2 章总体设计 ( 3 ) 功能处理模块对于孔加工模块，功能处理模块主要是指钻头运动路 径优化模块，该模块以同一孔径的孔为对象，以钻刀的空行程最短为目标函数， 求出加工孔的走刀顺序；对于异形孔加工模块，功能模块主要包括异形孔轮廓 是否封闭的判断、轮廓数据进行排序、判断排序后的曲线排序方向、根据加工 方向的要求，按顺时针或逆时针排序、预钻孔模块、铣削走刀路径模块等；对 于印制板边缘加工模块，功能模块主要包括轮廓是否封闭的判断、轮廓数据进 行排序、判断排序后的曲线排序方向、根据加工方向的要求，按顺时针或逆时 针排序铣削走刀的路径模块等模块。 ( 4 ) 生成加工代码模块根据优化后的孔、排序后异型t l $ o 边缘数据，确 定走刀路径，以此为基础自动生成i s o 加工代码，并以t x t 文件格式输出。 ( 5 ) 动态模拟加工模块为了直观的检查数据处理的有效性和正确性，通 过动态模拟刀具运动轨迹，显示加工过程。 2 3 数据类型设计 面向对象程序设计的优越性通过对象、类和继承来体现。类的继承与多态 简化了程序的开发过程，类是创建对象的样板，是数据结构和函数的结合体， 它包含着所创建对象的状态描述和方法的定义，类的完整描述包含了外部接口 和内部算法以及数据结构的形式，对象是由类来创建的，是类的实例化，对于 面向对象程序设计的数据设计就是类及其相互关系的设计。 2 3 i 课题中用到的m f c 简介 m f c ( m i c r o s o f tf o u n d a t i o nc l a s s ) 是一套扩展的c + + 类，它封装了w i n d o w s a p i ，结合本课题所用到的m f c 基础类库，简要地介绍一下m f c ” ： ( 1 ) 应用程序结构类是组成应用程序的骨架，包括应用程序类、窗口支 持类、文档类等，c d o c u m e n t 类与c v i e w 类成为文档视图结构的主角，应用 程序结构是m f c 进行w i n d o w s 程序设计的主体，是m f c 应用程序框架的主体， 本软件系统的开发就是通过c + + 可视化工具a p p w i z a r d 生成单文档视图的程序 结构，由c d o c u m e n t 类和c v i e w 类继承的文档类和视图类分别是 c e d a t o c a m d o c 和c e d a t o c a m v i e w 类。 ( 2 ) 文件服务类c f i l e 类不仅直接支持非缓冲二进制文件的输入输出， 还支持文本文件的输入输出，本软件系统的孔加工、异形孔加工和印制板边缘 加工模块读取p r o t e l 数据文件，生成的孔、异形孑l 和边缘加工代码就是通过 c f i l e 类派生的c s t d i o f i l e 类生成的对象来进行输入和输出： ( 3 ) 图形处理类最根本的类是c d c 类，它的派生类c c l i e n t d c 类、 北京工业大学工学硕士学位论文 c p a i n t d c 类用来在用户区域绘制图形，本软件开发中通过c d c 类和c c l i e n t d c 类来显示图形： ( 4 ) 集合类包括数组类、列表类和映象类，它们分别支持数组、列表和 散列表数据结构，本软件中主要用到的集合类是指针型数组c t y p e d p t r a r r a y 和 c s t r i n g a r r a y 类型； ( 5 ) 对话框类对话框由c d i a l o g 类来描述，对话框分为模式对话框和无 模式对话框两种，是用户实现人机交互的一种有效方式，从c d i a l o g 类中派生 出c p r o p e r t y p a g e 类可以创建属性表对话框，在程序设计过程中人机交互的数据 通过属性表和对话框来实现的。 2 3 ，2 数据设计 本软件系统主要包括图形接口模块、功能处理模块、代码生成模块、图形 显示模块和模拟加工模块，在进行数据设计时应根据其具体要求设计相应的数 据结构。 从p r o t e l 读取的孔加工图形信息主要是圆的圆心x 、y 坐标和直径。在 设计保存转换后的数据的数据结构应该能保存原始的圆心的坐标值和直径，另 外，考虑到图形显示模块中要用不同的颜色画图来显示数据，还应该保存画笔 的颜色、线宽和线型等画笔的特征。因此，读取孔加工数据的数据类型设计为： c l a s sc c i r c l e ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： i g 录圆心坐标及半径的变量 d o u b l em _ _ c i r c l e x ； d o u b l er e _ c i r c l e y ； d o u b l e m _ c i r c l e r ； i n tm c o l o r p e n ；，画笔 i n tm l i n e w i d e ；线宽 i n tm _ l i n e t y p e ；线型 p u b l i c ： 构造函数 c c i m l e o ) c c i r c l e ( i n tc o l o r p e n ，i ml i n e w i d e ，i n tl i n e t y p e ， d o u b l ec i r c l e x ，d o u b l ec i r c l e y ，d o u b l ec i r c l e r ) m c i r c l e x = c i r c l e x ； 1 0 第2 章总体设计 m _ c i r c l e y = c i r c l e y ； mc i r c l e r = c i r c l e r ； mc o l o r p e n 5 c o l o r p e n ； m _ l i n e w i d e 3 l i n e w i d e ； m _ l i n e t y p e 2 l i n e t y p e ； ) ) ； 从p r o t e l 读取的异形孔和印制板边缘加工图形数据信息时，由于在生成 的光绘文件中已经把曲线或圆离散成一段段连续的直线，数据信息主要是直线 段，对于线段应该保存两端点的x 、y 坐标值。因此，读取异形孔和印制板边 缘加工图形数的数据类型设计为： c l a s sc n o r c i r c l e ：p u b l i cc o b j e c t p u b l i c ： 记录两端点的坐标 d o u b l em _ n o r c i r c l e x l ； d o u b l e m _ n o r c i r c l e y l ； d o u b l em _ n o r c i r c l e x 2 ； d o u b l em n o r c i r c l e y 2 ； i n tmn o r c o l o r p e n ；，画笔 i n tm _ l i n e w i d e ； 线宽 i n tm _ l i n e t y p e ； 线型 p u b l i c ： 构造函数 c n o r c i r c l e o ) c n o r c i r c l e ( i n tn o r c o l o r p e n ，i n tl i n e w i d e ，i n tl i n e t y p e ， d o u b l e n o r c i r c l e x l ，d o u b l en o r c i r c l e y l ， d o u b l e n o r c i r c l e x 2 ，d o u b l en o r c i r c l e y 2 ) m _ n o r c i r c l e x l = n o r c i r c l e x l ； m n o r c i r c l e y l = n o r c i r c l e y l ： m n o r c i r c l e x 2 = n o r c i r c l e x 2 ； m n o r c i r c l e y 2 = n o r c i r c l e y 2 ； m n o r c o l o r p e n = n o r c o l o r p e n ； m l i n e w i d e = l i n e w i d e ； 北京工业大学工学硕士学位论文 m _ l i n e t y p e 2 l i n e t y p e ； ) ； p r o t e l 的原始数据与软件中设计的数据类型之间建立联系，主要通过下 面设计的类来实现，孑l 加工数据与数据类型实现联系的类： v o i dc e d a t o c a m d o c ：a d d c i r c l e ( i n tc o l o r p e n ，i n tl i n e w i d e ，i n tl i n e t y p e ， d o u b l ec i r c l e x ，d o u b l ec i r c l e y ，d o u b l ec i r c