（检测技术与自动化装置专业论文）激光切割雕刻系统加工路径算法的研究.pdf

摘要 摘要 激光是2 0 世纪6 0 年代初期兴起的一项新技术，由于激光的高方向性、高单色性、 高相干性等优点，使激光的应用得到了广泛的发展，对各个技术领域产生了巨大的影响。 而近年来的基于计算机数控系统的激光切割雕刻机作为一种高科技产品也在市场上出 现，其应用相当广泛。 激光切割雕刻系统的设计采用主从式结构，p c 机c a d 软件负责图形图像处理和数据 的传送，控制系统d s p 接收数据后，通过插补计算执行切割和雕刻加工。文中首先介绍 了激光切割雕刻系统上位机c a d 软件设计的具体方法与过程，从软件界面与功能需求出 发，采用面向对象技术和文档视类结构进行软件结构设计。使用v c + + 6 0 设计了清晰 简洁、易于操作的用户界面，具有丰富的功能菜单，可灵活设置各种切割和雕刻参数， 具有绘制雕刻区、加工预览等激光切割雕刻系统特有的功能。其次对激光加工中常用的 矢量图形及位图图像文件格式及其数字图像编辑处理的方法进行研究。着重对激光切割 雕刻过程及方法进行分析研究，提出了一套适合于激光切割和雕刻需求的优化的加工路 径算法。根据图论原理将激光切割过程加工路径优化问题归结为广义旅行商问题 【g t s p ) ，提出了先按照轮廓位置关系构造树形结构，然后以加工起点为基准点按照从内 向外的顺序遍历树形结构的优化算法。通过对激光雕刻加工路径的分析，根据该项目激 光加工的大幅面、复杂轮廓、1 6 级灰度图像的特点，确定了双向扫描雕刻的基本算法， 并给出其具体软件实现过程。 课题所研究的激光加工c a d 软件具有界面友好、功能强大、与下位机硬件配合良好 等优点。通过算法分析及对模拟加工路径的数据分析结果表明，文中提出的图像处理方 法与加工路径算法对于提高激光切割雕刻加工速度、效率和质量有一定的作用，取得了 提高软件性能的预期效果。 关键词：激光切割雕刻，图形图像处理，加工路径，优化算法 a b s t r a c t a b s t r a c t l a s e r 9r i s i n gi ne a r l ys i x t i e so f2 0c e n t u r y , h a sa f f e c t e dm a n yt e c h n i q u ef i e l d s b e c a u s e o ft h es p e c i a lc h a r a c t e r so fe x c e l l e n td i r e c t i o n , e x c l u s i v em o n o c h r o m a t i ca n di n t e n s e c o r r e l a t i o n , l a s e ri sa p p l i e dm o r ea n dm o r e i nr e c e n ty e a r s ，l a s e rc u t t i n ga n de n g r a v i n g m a c h i n e ) a sah i g h - t e c hp r o d u c tb a s e do nc o m p u t e rn u m e r i c a lc o n t r o l ，e m e r g e si nm a r k e t w h i c hh a sa b r o a da p p l i c a t i o na n dn u m e r o u sr e q u i r e m e n t t h el a s e rc u t t i n ga n de n g r a v i n gs y s t e md e s i g n e db yt h i sp r o j e c ta d o p t e dap r i n c i p a la n d s u b o r d i n a t es t r u c t u r e t h ec a ds o f t w a r ei np ci sr e s p o n s i b l ef o rg r a p ha n di m a g ed i s p o s e a n dd a t at r a n s m i s s i o n a f t e rc a l c u l a t i n gt h ei n t e r p o l a t i o no fr e c e i v e dd a t a , d s pi nc o n t r o l s y s t e me x e c u t e dt h ec u t t i n ga n dc a r v i n gm a c h i n i n g i nt h i sp a p e r , f i r s ti n t r o d u c e dt h e t e c h n i q u ea n dp r o c e s so fc a d s o f t w a r ed e s i g nf o rl a s e rc u t t i n ga n dc a r v i n gs y s t e m s t a r t i n g w i t hs o f t w a r ei n t e r f a c ea n df u n c t i o nr e q u i r e m e n t , d e s i g n e dt h es o f t w a r es t r u c t u r ew i m o b j e c t - o r i e n tt e c h n i q u ea n dd o c u m e n t v i e ws t r u c t u r e n ec a d s o f t w a r ed e s i g n e db yu s i n g v c + + 6 0h a v eas u c c i n c ta n dc l e a ru s e ri n t e r f a c et oo p e r a t e , i n c l u d i n ga na m p l ef u n c t i o n m e n ut os e tm u l t i f o r ma n df l e x i b l ep a r a m e t e rf o rc u t t i n ga n dc a r v i n g , i n c l u d i n gs o m eu n i q u e f u n c t i o nf o rl a s e rc u t t i n ga n dc a r v i n gs y s t e ma sd r a w i n gc a r v i n ga r e a , m a c h i n i n gp r e v i e wa n d s oo n n e x t ，a n a l y z e dt h ef o r m a to ft h ev e c t o rg r a p ha n db i t m a pi m a g e , a n dr e s e a r c h e dt h e d i s p o s i n gt e c h n i q u eo ft h i sn u m e r i ci n l a g e i nt h i sp a p e rie x p o u n d e dt h er e s e a r c ho ft h e t e c h n i q u ea n dp r o c e s so fl a s e rc u t t i n ga n dc a r v i n g , a n dp r o p o s e da s e to f o p t i m a la l g o r i t h m i c s u i t a b l ef o rt h er e q n i r e m e n to fl a s e rc u t t i n ga n dc a r v i n gp a t hi nt h i sp r o j e c t o p t i m i z a t i o no f l a s e rc u t t i n gp a t hc a l lb ef o r m u l a t e da sag e n e r a l i z e dt r a v e l i n gs a l e s m a np r o b l e m ( g t s p ) b y g r a p ht h e o r y p r o p o s c da no p t i m a la l g o r i t h m ：f n s tb u i l d i n ga na r b o r i z a t i o na c c o r d i n gt ot h e u b i c t yo fc o n t o u r s ；t h e nt a k i n gt h em a c h i n i n gs t a r t i n gp o i n ta st h ed a t u mm a r ka n ds e a r c h i n g a l io ft h en o d e so nt h et r e ef r o mt h ei n s i d et ot h eo u t s i d e a f t e rt h ea n a l y s i so fl a s e rc a r v i n g p a t h , a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e ro fl a r g ea r e a , c o m p l e xc o n t o u r sa n d1 6g r e ys c a l e ，ab a s i c a l g o r i t h mo fd o u b l ed i r e c t i o ns c a nc a r v i n gc a nb eu s e d f i n a l l y , t h ep r o c e s so fs o f t w a r e d e s i g n i n ga n dp r o g r a m m i n gi sg i v e n n 圮c a ds o f t w a r eo fl a s e rm a c h i n i n gr e s e a r c h e di n t h i sp r o j e c th a v ef r i e n d l yu s e r i n t e r f a c e p o w e r f u lf u n c t i o na n dc o o p e r a t i n gw e l l 谢t hh a r d w a r e ma n a l y z e dr e s u l to f a r i t h m e t i ca n dm a c h i n i n g - p a t hs i m u l a t i o ns h o w st h a tt h ei m a g ed i s p o s i n gm e t h o da n dt h e m a c h i n i n g - p a t ha r i t h m e t i cp r o p o s e d i nt h i sp a p e rh a v ea l le f f e c to ni m p r o v i n gs p e e d , e f f i c i e n c ya n dq u a l i t yo fl a s e rm a c h i n i n g , a n dt h ep r e d i c t i v ed e s i g no b j e c ta r ea t t a i n e d e s s e n t i a l l y k e y w o r d ：l a s e rc u t t i n ga n dc a r v i n g ；g r a p ha n di m a g ed i s p o s a l ；m a c h i n i n gp a t h ；o p t i m i z e a l g o r i t h m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，除了文中特另, j j j n 以标注和致谢之处外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨盗墨兰盘至 或 其他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已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：多汤签字日期：矽0 7 年月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 叁盗垄墨盘堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权墨盗垄兰盘垒 可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：孝为0 签字日期：硼年l - 1 f 目 导师牦歇砷 签字日期：力矽年月易日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 激光加工技术的发展与应用 激光是2 0 世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。激光因具有单色性、相 干性、平行性和高能量密度等特点，为材料加工提供了一种经济效益十分显著而生产效 率又相当高的生产技术，被誉为“万能加工工具”。激光加工是激光应用最有发展前途 的领域之一，其应用已遍及各行各业，在航空、航天、电子、舰船、兵工、汽车、机械 和轻工等部门均占有重要地位。目前探索的激光应用技术有2 0 多种，已成熟的激光加 工技术包括：激光快速成形技术、激光焊接技术、激光打孔技术、激光切割技术、激光 打标技术、激光蚀刻技术、激光微调技术、激光存储技术、激光刻线技术、激光清洗技 术、激光热处理和表面处理技术等“。 近2 0 年来中国的改革开放和迅速发展着的市场经济，极大地推动着高技术的研发 和应用。激光和激光加工是一门发展极快的高新技术，已成为发展我国新兴产业，改造传 统制造业的关键技术之一。各种激光系统、设备，已经或正在进入各个工业领域，为我国 传统工业的技术改造，新兴工业领域以及制造业的现代化提供先进的技术装备。从2 0 世纪6 0 年代起，经过4 0 多年来的努力，我国激光技术取得了长足发展。我国科技部 提出的“十五”激光项目设想是，把握激光技术发展中的新机遇，利用产业结构调整和 科研体制改革带来的有利条件，以激光加工技术为重点，在“攻关键技术、抓示范应用、 建推广体系”这三个有机结合的层次上，重点解决激光产业化的关键技术、重点制造业 中急需的激光加工集成装备以及激光技术推广应用的服务体系等，使我国激光加工朝高 稳定、整体化、智能化、柔性化方向发展，进而促进传统产业技术升级和激光产业的发 展0 1 。目前，我国的激光行业加工机械主要包括各类激光打标机、焊接机、切割机、划 片机、雕刻机、热处理机以及三维成型机等。 现在激光加工技术已从特殊用途的加工技术变成通用的具有多种加工能力的精加 工技术。激光对加工对象的材质、形状、尺寸、加工环境的自由度都很大，其空间控制 性( 射束的方向变化、旋转、扫描等) 和时间控制性( 开、关、脉冲间隔) 优异，特别适用 于自动化加工“1 。激光加工系统与计算机数控技术相结合构成的高效自动化加工技术， 已成为企业实行实时生产的关键技术，为优质、高效、低成本的加工开辟了广阔的前景。 激光在制造领域的应用标志着- n 跨学科、跨行业的新型科学的诞生。 随着我国国民经济的飞速发展，加快了激光产业在我国发展的迅猛步伐。中国国 内激光加工应用市场也因中国加入w t o 以来国内正在迅速形成的“全球制造基地”而 获得快速增长。海外投资者和海外激光同行正在抢滩这一市场。因此中国的激光加工技 术急需有一个大的突破，激光加工技术产业化急需有一个大的发展。国内从事激光器和 激光加工技术系统研发、生产的企业正面临极好机遇和挑战”1 。近年来，我国激光市场 以1 5 左右的年平均发展速度增长。目前，国内激光产业主要集中在北京、上海和武汉 三个地区，全国从事激光器和激光应用产品生产的厂家已有5 0 0 多家，其中有5 个国 家级的激光技术研究中心、1 0 多个研究机构，全国有2 1 个省、市、地区生产和销售 激光产品。其中从事激光加工系统开发和生产的较有影响的企业单位有大恒科技、华工 第一章绪论 科技、电子十一所、湖北楚天、上海激光( 集团) 总公司、大族公司等。 国际上工业发达国家都把激光加工技术作为提高生产效率和竞争能力的手段之 一，将激光加工技术列为重点发展的高技术产业，希望能在光技术全盛时代的2 1 世纪 初期处于领先地位。2 0 0 0 年，激光在工业应用方面飞速前进，激光系统设备市场销售 额突破3 0 亿美元，其中工业激光超过1 0 亿美元，比上年增加2 3 ，激光在金属加工 市场应用领域比上年增长1 0 。目前全球有超过4 0 0 0 家的激光加工站，按其销售量分， 美国、日本和欧洲约各占1 3 。 1 2 激光切割雕刻系统 激光切割雕刻是九十年代兴起的- - f l 集光学、机械、电子、计算机等多门学科于一 体的新兴学科领域，在各行各业得到了越来越广泛的运用。它是一种非接触性加工手段， 不存在刀具磨损问题，同时对环境无任何污染，是一种很值得推崇的高科技“绿色”加工 手段。激光切割加工是激光加工的一个重要领域，它是将激光束照射到物体表面，利用 热能或材料融化时产生的化学热能熔化材料，以达到切割和雕刻物体表面的目的，具有 加工速度快、精度高、没有机械力、加工材料不变形、材料受损小等特点。该方法逐 渐取代传统方法，被广泛应用在金属、塑料、纸张、服装等生产领域的切割和雕刻加工。 1 2 1 激光雕刻的化学原理 激光雕刻是利用激光束在材料表面产生的三种作用：熔融、汽化以及光化学反应， 使材料表面烧蚀几微米到几十微米的深度。熔蚀区材料的表面质地、颜色和反射率均会 发生变化，从而造成可以识别的符号标记。激光熔融就是利用激光束的高能量密度的聚 焦，打断材料中的化学键，导致表面材料熔融与重新流布，造成目视反差效果。汽化工 艺可以去除如印刷在纸张上的油墨、烧蚀铝基片上的阳极氧化膜等等。这两种作用通常 都是相互伴随发生的。光化学反应主要是发生在塑料以及其它有机化合物上。很多材料 在紫外光波段具有极高的吸收系数，吸收一般发生在0 1 微米到0 5 微米厚度的范围之 内。这种高光子能量能够有效的断裂有机材料中的结合键。当结合键的断裂超过某一个 临界值时，材料就会开始烧蚀并且逐渐分解，形成碎片，并且会高速的飞发，这也就是 我们通常所说的光致烧蚀作用( p h o t o a b l a t i o n ) 。通过分子分解，可以产生颜色变化的 图案，如果使用有限的添加剂，则能提高标志的对比度。 1 2 2 激光切割雕刻机发展现状 到目前为止激光切割雕刻机已经发展到了第三代，第三代二氧化碳激光雕刻机分为 两大分支，一种是计算机控制的二氧化碳激光雕刻机，另一种是基于嵌入式控制的二氧 化碳激光雕刻机，其中电机的选择主要是直流伺服和步进电机两种。计算机控制的激光 雕刻机，每台雕刻机都需要配备一台计算机，它通常是采用计算机串口、并口，或在计 算机的p c i 插槽上插入控制卡，外接控制电机的控制柜，由于计算机的存储量很大，因 此这种系统不受存储量的限制，可以雕刻复杂的图像、图形、文字等，而且由于这种计 算机控制系统是专机专用，使得系统稳定。所以计算机控制的二氧化碳激光雕刻机以其 定位精度高、存储容量大、稳定性高等优点成为现在及今后的发展趋势“”。国内从事激 光雕刻切割设备研发和生产的主要有北京开天、广东粤铭、浙江博业和安徽力字等单位。 这些激光切割雕刻机的控制系统多采用主从式结构，个人计算机负责图形处理和数据的 2 第一章绪论 传送，下位机接收数据后，通过插补计算进行切割和雕刻加工。 目前国内加工厂商使用的激光雕刻切割机主要依赖从美国、日本和台湾地区进口， 主要有宙斯、威特、悍马等公司开发此类产品，虽然在机床的加工速度、加工精度和稳 定性方面有技术优势但是仍存在着机床的加工面积小、应用领域窄和价格昂贵的缺点。 主要的几家国内厂商生产的激光雕刻切割机床虽然在价格上具有优势，但基于c o s 的激 光雕刻机系统仍处于低端的状态，在加工速度、加工精度和稳定性三方面无法与进口机 床媲美，主要存在以下问题： 1 上位机软件图形编辑功能不够强大、图形数据处理速度较慢。 2 激光加工软件对于加工路径的算法还在不断改进中，没有形成标准的最优算法。 3 硬件方面设计还不成熟，存在运算能力不足、机床内存存储容量小、机床对上位机的 接口不丰富、机床内存只能存储单一图像、文件传输速度受限等缺陷。 4 系统整体设计还存在机床控制面板操作繁琐、智能化不足、没有对操作人员的适当的 保护措施和占地面积大等明显的缺点。 1 2 3 激光雕刻切割机的工作原理 基于d s p 的激光雕刻切割数控系统使用d s p 控制c t h 激光器和步进电机实现对非金 属材料按照预先设计的图案进行切割、雕刻等加工处理。在p c 中上位端软件功能即读 取常用的d x f 、p l t 、b m p 等格式的图形、图像文件，根据图形和加工材料的不同设定不 同的加工参数。再把设定好参数的加工数据通过t c p 网络或者其他通信接口发送到控制 板的d s p 中，由d s p 进行进一步的解析并处理生成最终的加工数据，驱动步进电机并控 制c 0 。激光器进行加工“。 1 2 4 控制系统软硬件总体设计 图1 1 是激光切割雕刻系统具体组成示意图，它主要是由光学系统、机械系统、计 算机控制系统组成。图中可以看出激光雕刻机的加工主要是通过激光头相对工件运动来 完成，光学系统为激光头提供加工所需的激光，x ，y 轴步进电机由计算机通过直线插补 方法控制激光头进给，在进给过程中随着激光电源的开、关在工件上雕刻出文字、图形、 图像。计算机控制系统由d s p 微处理器的运动控制主板、p c 机和人机界面单元三部分组 成。 _ 叫人机界面 一计 个 萎蒌 人数 i c o ：激光器 计控 件￥ 算板 o 机 叫步进电机 图卜l 激光加工系统 f i g 1 一il a s e rm a c h i n i n gs y s t e m 控制系统中计算机c a d 系统软件主要用于完成图形加工数据的读取、编辑并设定相 应参数，最终下载到d s p 数控板中。在激光雕刻切割机上待加工的图形主要有两种格式， 3 第一章绪论 位图和矢量图，两种图形格式特点不一致，加工方法也不同，所以，可以对矢量图形和 位图分别定义加工数据格式。这样上下位机便遵循统一的数据格式，在c a d 软件设定加 工参数后，即可通过r j 4 5 接口( t c p i p ) 或者其他通信口传输至d s p 的数控系统。在整 个硬件控制系统中，d s p 主控板是数控系统的核心，主控板用来完成了数控系统中的插 补运算、步进电机输出脉冲的分配，发挥d s p 高速计算性能，解决雕刻切割机运动控制 过程中的高速信息问题。另外，d s p 主控板还需对其它外部设备进行控制，如机床各轴 的限位信号、风机和冷却水位等模拟信号，并根据不同的外部信号完成相应的控制操作。 人机界面是机床和操作人员的一个纽带，主要完成操作按键的扫描和加工状态及参数的 显示。 1 3 选题背景与主要研究内容 激光加工系统与计算机数控技术相结合可构成高效自动化加工设备，已成为企业 适时生产的关键技术，为优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。天津鼎森 激光设备科技发展公司通过长期的市场调查分析，委托天津理工大学张宝峰教授领导项 目组设计开发一套高性能的激光雕刻切割系统。随着应用领域的拓展，不但切割和雕刻 的图形越来越复杂，对切割和雕刻的速度和精度也提出了更高的要求。这就需要不断改 进与提高软件和硬件的性能以满足要求。激光雕刻系统上位机c a d 软件的主要功能就是 将预加工的不同格式的图形经过计算机的处理生成合理的加工指令并传输至硬件系统。 在快速成型加工过程中，加工路径的整体规划是决定加工速度、效率和质量的关键因素。 本论文旨在设计激光雕刻系统的上位机c a d 软件的过程中，对切割和雕刻的加工路径算 法进行分析与优化，提高激光雕刻系统的上位机软件性能，从而提高激光加工的速度、 效率和质量。主要研究内容包括： 1 分析激光切割雕刻机专用c a d 软件的特点，完成界面设计与功能设计。图形信息处 理是该c a d 软件的主要功能，也是优化加工路径算法的前提。主要完成p l t 、d x f 、 b m p 等矢量格式和位图文件格式的读取、保存，以及对图形的平移、放缩、删除、 复制、粘贴、镜像、阵列，雕刻区域的绘制等编辑功能。最终将图形文件按照用户 设定的参数生成相应的数据。 2 根据激光头空程路径最短的原则，结合激光加工的特点，应用算法设计与分析理论 设计一套优化的加工路径算法，合理规划切割雕刻路径。 3 使用v i s u a l c + + 6 0 为算法编写代码。生成模拟加工路径显示在c a d 系统中。生成实 际加工指令通过接口发送指令，下位机系统通过加工控制程序，读取每条加工指令、 控制激光头的运动、激光能量的变化及保护气体的起停。 4 与硬件系统联合调试检测，完善软件功能并试制出样机。 4 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 2 1c a d 软件设计概述 2 1 1c a d 技术及其原理 c a d ( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ) 是一种用计算机硬、软件系统辅助人们对产品或工程 进行设计的方法与技术，包括设计、绘图、工程分析与文档制作等设计活动，它是一种 新的设计方法，也是一门多学科综合应用的新技术。 传统c a d 涉及以下一些基础技术： ( 1 ) 图形处理技术，如自动绘图、几何建模、图形仿真及其它图形输入、输出技术。 ( 2 ) 工程分析技术，如有限元分析、优化设计及面向各种专业的工程分析等。 ( 3 ) 数据管理与数据交换技术，如数据库管理、产品数据管理、产品数据交换规范 及接口技术等。 ( 4 ) 文档处理技术，如文档制作、编辑及文字处理等。 ( 5 ) 软件设计技术，如窗口界面设计、软件工具、软件工程规范等。 c a d 技术是通过计算机和c a d 软件对设计“产品”进行分析、计算与仿真、产品结 构和性能的调整与优化以及绘图，把设计人员所具有的最佳特性( 创造性思维、形象思 维与经验知识、综合判断与分析的能力) 同计算机的强大记忆与检索信息能力、大量信 息的高速精确计算与处理能力、易于修改设计、工作状态稳定且不疲劳的特性结合起来， 从而大大提高了设计速度与效率，提高了设计质量，降低了设计成本。这里的“产品” 一词，是指各行业中一切需要设计的对象，如航空航天飞行器，汽车等地上行走的交 通工具，机械与电子产品，水利水电工程、土木工程、建筑与城市规划工程，家具产品， 服装产品，甚至是化学药品的分子结构等等“”。 采用c a d 技术能大大缩短设计周期、提高设计质量、降低生产成本。同时把设计 人员从设计计算和手工绘图等繁重劳动中解脱出来，使他们有更多的时间去从事创造性 的工作。计算机辅助设计是崭新技术，又是活生生的生产力，它已经并将进一步给人类 带来巨大的影响和利益。 c a d 技术作为电子信息技术的一个重要组成部分，是促进科研成果的开发与转化， 实现设计自动化，增强企业创新能力和竞争能力，加速国民经济发展及其现代化的一项 关键性高新技术，也是进一步向现代集成制造系统( c i m s ) 发展的重要技术基础。 2 1 2 激光切割雕刻机专用c a d 软件开发特点 随着计算机性能的不断提高和c a d 技术的应用推广及普及，市场上出现了许多商品 化c a d 软件，其中大多数是由软件公司开发的通用c a d 支持软件。为了争取更多的用户， 要求这些c a d 软件适用性宽、通用性好，但难以满足具体使用单位特定产品的要求。因 此，无论这些通用c a d 支持软件功能如何强大，设计人员都必须根据自己行业的实际情 况，或编写专用程序，或利用通用c a d 支持软件提供的开发手段进行修改和扩充，进行 二次开发。c a d 软件开发在整个项目研发中占有十分重要的地位。软件的功能和性能决 定了本项目产品的功能能否得到充分发挥，能否针对不同行业提供专业化、个性化的功 5 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 能，将直接影响到产品的销售业绩。 该项目中所开发的激光切割雕刻机c a d 系统作为一种专用c a d 软件，除具有一般c a d 软件的特点外，还具有其独特的开发特点，同一般软件相比具有以下特点： ( 1 ) 对用户的待加工图形图像进行转化，编辑处理。 ( 2 ) 可以自行定义不同形状的雕刻区。 ( 3 ) 可以生成模拟加工路径。 ( 4 ) 对图形运算处理后，生成加工消息，发送到下位机。 2 2 软件功能特性分析 2 2 1 界面特性分析 操作界面的设计应该使其具有以下几个特性： 1 可使用性 这是界面设计中最重要也是最基本的目标。一般包括： ( 1 ) 使用简单性界面应能够方便地处理各种经常进行的交互对话，并且操作简单 方便。 ( 2 ) 界面中使用的术语标准化在输入输出说明中，同一术语的涵义应该完全相同。 ( 3 ) 快速的系统响应和低廉的系统成本。 2 复杂性和可靠性 ( 1 ) 复杂性操作界面的规模和组织的复杂程度就是界面的复杂性。在完成预定 功能的基础上，应当使操作界面越简单越好。但也不能把所有的功能和界面排成线性队 列就肯定简单，应该对控制系统的功能和界面按照相关性质和重要性进行逻辑分类，以 树型结构表示，一个一个模块地加以区分。 ( 2 ) 可靠性主要是指无故障使用的间隔时间。操作界面应能保证用户在操作时 正确、可靠地使用系统，保证程序和数据的安全性。 从操作人员和计算机交互的角度来分析，界面的设计类型主要有数据表格、图形、 图像、菜单、对话框以及窗口等。在设计界面时，应根据以下几个方面的实际需要和各 种类型的优缺点进行设计： ( 1 ) 使用的难易程度：对于没有经验的操作人员，该界面的使用难易程度有多大。 ( 2 ) 操作速度：在完成一个指定操作时，该界面的操作步骤，击键和反应时间等方面 效率是否满足激光切割雕刻机的实时性要求。 ( 3 ) 开发的难易程度：该界面设计难度有多大，工作量有多大等。 本系统程序界面大致可分为五个区域，依次为：标题栏、菜单栏、工具栏、工作区、 状态栏。系统启动后的主界面如图2 一l 所示： 6 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 2 1 软件界面 f i g 2 - 1s o f t w a r ei n t e r f a c e 标题栏：标题栏中显示打开的文件名称、系统名称。 工具栏：显示菜单中常用的工具，光标移动到每一个图标按钮上不动，系统自动为该图 标提供功能说明，同时在状态栏的左边显示该图标的功能说明。 工作区：图形显示操作区，左上角为图形的显示原点。 状态栏：显示操作状态及光标相对原点的坐标。 菜单栏：单击菜单栏中的任何一项，将出现一个下拉菜单。本系统菜单内容设计如图2 2 所示： 7 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 主窗口 ii l 文件 编辑查看设置 运行窗口 新建撤销 工具栏 切割设置 运行l 新建窗口 打开 全选状态栏雕刻设置全部预览l层叠 保存图元粘贴 显示网格位图设置选中预览 i兰塑 另存为图元阵列满屏显示预设切割参数维护文件 关闭图元缩放全版显示预设雕刻参数 激光定位 最近文件图元移动放大视图预设位图参数 退出图元平滑缩小视图 网络设置 删除 选中放大系统设置 排序所有 排序选择 镇定| 璺i 元 解锁图元 矩形雕刻区 多边形雕刻区 椭圆雕刻区 圆形雕刻区 定义雕刻区 解除雕刻区 水平镜像 垂直镜像 图2 2 菜单结构 f i g 2 - 2s t r u c t u r eo fm e n u 2 2 2 系统功能特性分析 该项目激光切割雕刻软件系统设计的功能需求与主要技术性能如下： 友好的用户界面，丰富的功能菜单，可灵活设置各种运动参数，操作简捷； 采用w i n d o w s 后台工作方式，在输出的同时允许用户进行图形编辑，极大提高了工 作效率； 支持p l t 、b m p 、d x f 、d s l 文件格式； 具有图形文件导入功能，可以在一个版面上同时加工多个图形。 支持w i n d o w s 标准的多文档操作； 物理原点和逻辑原点配合使用，可以任意设定逻辑原点； 采用全3 2 位编程技术，实现系统级的直线插补和圆弧插补功能； 灵活的切割和雕刻参数设置，如图2 3 ，可以在同一幅图中为图形不同部分设置不 同的切割和雕刻参数，实现不同的加工要求； 8 第二章激光切割雕刎系统c a d 软件设计 图2 3 参数设置 f i g 2 - 3p a r a m e t e rs e t t i n g 软件设定激光能量，操作更加简捷； 灵活的图形编辑功能，可以修改图形的大小和位置，支持图形文件的无级平滑缩放； 支持图元的部分或者全部复制，整体图形阵列等功能，并且支持无限级的“回退” 功能； 支持多色图形切割，可以对不同颜色图形设置不同切割参数； 采用矢量、点阵或矢量+ 点阵混合工作模式，可以在同一版面上完成雕刻切割工作； 具有图形预览功能，可以模拟真实的加工过程。如图2 4 ： 图2 - 4 加工模拟 f i g 2 - 4 _ l a c h i n i n gs i m u l a t i o n 灵活丰富的修正功能，使雕刻切割图形精确再现； 9 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 精确的数字定位功能( 定位精度0 0 1 n m n ) 可以随心所欲进行精确定位； 自动实现激光能量动态补偿，保证雕刻切割深度的一致性，满足激光雕刻切割的特 殊性； 提供历史记录保存，方便用户查看设备工作情况，保证文件的持久性。 2 3 软件结构设计 在v c + + 6 0 环境下，建立多文档视图( m d i ) 应用程序，采用面向对象技术，采用文 档视类结构来完成程序结构设计。 2 3 1 面向对象技术“” 面向对象技术的基本原理是：对问题求解域实行自然分割，按照通常的思想方式建 立求解模型，设计尽可能直接地、自然地表现问题求解的程序。因此，它采用了“对象 ( o b j e c t ) ”的概念来表现事物，用“消息( m e s s a g e ) ”来传递事物间的联系。 面向对象的编程技术与传统方法完全不同，它把现实世界的问题抽象为“类”的概 念，而解决问题的过程是完成对“类”所生成对象的一系列操作。数据抽象是面向对象 的主要特色之一。实际上，它是一种包含有数据“隐藏”性能的类型。例：c + + 中的用户 定义类型一“类”。就是一种数据抽象。 在方案设计阶段。将系统分解为多个子系统：子系统是类、关联、操作、事件和约束 的集合。子系统通常由其所提供的服务来确定。按照不同的服务分类，c a d c a m 系统可 分解为：用户界面子系统、存储管理子系统、内存管理子系统、几何造型子系统和加工 编程子系统。 采用面向对象的编程技术应用于c a d 系统来操作、管理数据和图形，总的来说，它 有如下优点： ( 1 ) 充分体现面向对象的设计思想并实现应用程序，特别是采用了模式设计思想。 ( 2 ) 充分利用c + + 特性，比如多态、继承和重载。 ( 3 ) 类的抽象合理，特别是把交互操作功能封装在一个交互工具类中，使得类的设计新 颖、灵活、容易扩展。 ( 4 ) 程序结构清晰。 ( 5 ) 程序容易扩展，因为图元和操作都单独设计成类，因此，应用程序可以从图元和操 作这两方面扩展，而对其他部分没有任何影响。 2 3 2 文档视类结构 微软基础类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 e s ) 最重要的一个特性是能够将程序 的数据管理和数据显示分离开来，这种能力由m f c 的d o c u m e n t v i e w 提供。采用m f c 的 d o c u m e n t v i e w 结构，我们将图形和其他数据放在c v i s d r a w d o c 文档类中。在文档类中， 我们为数据创建一个用户接口；在视图类中，采用该接口来处理数据。m f c 中，c d o c l t e m 类是文件项目的基类，文件项目是文档数据的组成部分。c d o c u m e n t 用于数据保存， c d o c u m e n t 类提供了由用户定义文件类的基本功能，文件代表用户通常用f i l e o p e n 命令 打开、用f l i e s a v e 命令存储数据单位。c v i e w 用于表现数据，c v i e w 类提供给用户定义 的视图类的基本功能。视图被连接到文件，并且成为文件和用户之间的中介。视图在显 示屏上或打印机上产生文件图像，并且把用户的输入翻译成为文件的操作。视图是程序 1 0 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 中的数据表现，如果数据是文本，则视图将显示文本行；如果数据是图形，则视图将表 示图形；如果数据是一个电子表格，那么视图将显示网格状的数据和文本，文本或数据 存储在文档的成员变量中。 文档视图结构分离的一个好处是对具有多个视图的应用程序更容易表现。例如， 对于一条直线，可以用图形来表现，也可以采用坐标点的值来表现，这两种表现方法采 用的是同一个数据。在m f c 中，文档对象的功能是保存应用程序的数据，这使应用程序 具有清晰的文档概念。c d o c u m e m 在m f c 中实例化，c d o c u m e n t 本身并无实际用途，我 们需要从c d o c u m e n t 派生自己的文档类c v i s d r a w d o c ，c v i s d r a w d o c 从它的基类c d o c m e n t 中继承了许多成员。采用应用向导生成v i s o r a w 时，向导可以为c 、，i s d r a w d o c 类创建一 些成员函数n ”。 2 3 3 开发步骤与类的建立 激光切割雕刻c a d 软件开发所经历的步骤及创建类的功能如下所述： 1 、运行m f c 应用程序向导，创建主干应用程序，应用程序框架类提供给用户构造生成 w i n d o w s 程序的框架，并且提供多数应用程序公用的功能。 2 、构造应用程序的用户界面，创建菜单并映射到相应的处理函数，定义快捷键。 3 、添加鼠标消息响应函数。 4 、从c s c o l l v i e w 派生一个滚动视图类，实现视图滚动、缩放、漫游、坐标设定等功能， 视图类及其派生类用于管理字窗口、程序框架窗口的用户区域、连续文档数据并将数据 在文档和用户区之间传递。 5 、建立开发c a d 系统所用的几何构造类。添加矩形、圆、椭圆、多边形等图元基类 ( c c i r c l e o b j 、c e l l i p s e o b j 、c p o l y o b j 、c r e c t o b j ) ，并添加这些类的必要代码。 6 、实现应用程序文档类，添加保存数据结构的成员变量，完成部分图形编辑功能，添 加不同功能的接口的成员函数，为文档s e r i a l i z e 成员函数编写代码。 7 、对不同的图形文件，构造相应的操作类：c b m p 、c p l t 、c d x f 等。 8 、构建对话框类，完成各种操作参数的设置。 9 、实现图形交互工具，把交互图形操作功能抽象出来，按照切割和雕刻功能分别设计 相应的类。 l o 、实现用鼠标拾取图形，对被拾取图形进行编辑。 1 1 、实现与下位机数据通信，构建并口类，和套接字类。 2 4 图形图像处理技术 数字图像处理( d i g i t a li m a g ep r o c e s s i n g ) 技术从广义可看作是各种图像加工技术 的总称，也叫计算机图像处理，它是一个覆盖面非常广泛的新兴学科。它包括利用计算 机和其他电子设备完成的一系列工作，如图像采集、获取、编码、存储和传输，图像的 合成和产生，图像的显示、绘制和输出，图像的变换、增强、恢复、和重建，特征的提 取和测量，目标的检测和描述，序列图像的校正，图像数据库的建立、索引、查询和抽 取，图像的分类、表示和识别，3 d 景物的重建，图像模型的建立，图像知识的利用和匹 配，图像和场景的解释和理解，以及基于它们的推理、判断、决策和行为规划等等。另 外图像处理技术还包括为完成上述功能而进行的硬件和系统的设计及制作等方面的技 第二章激光切割雕刻系统c a d 软件设计 术。 数字图像处理是从2 0 世纪6 0 年代以来随着计算机技术和v l s i ( v e r yl a r g es c a l e i n t e g r a t i o n ，超大规模集成电路) 的发展而产生、发展和不断成熟起来的一个新兴技术 领域，它在理论和实际应用上都取得极大的成就，引起各方面人士的注意。早期人们在 伦敦和纽约之间成功采用电缆传递数字化报纸图片，计算机出来后处理速度和存储能力 大幅度提高，但如何应用到具有大量数字运算工作的数字图像处理中去一直是人们思考 的问题。 因为自然界中提供的图像是模拟量形式的，而计算机所有运算都是以二进制为基础 进行的，从此角度，计算机不能处理自然界中的图像。幸运的是人们已经发明了将模拟 形式的图像转换到数字形式的图像设备。随着时间的推移，这些设备越来越成熟，制造 和使用成本也很低，目前已经差不多成为了很常见的计算机辅助外设之一，这些硬件的 普及就为利用计算机进行的数字图像处理提供了良好的基础，特别是d s p 处理器的出现， 更容易实现理论到实践的过程。 2 4 1 图形与图像文件格式分析 图形是矢量结构的画面存储形式，是由指令集合组成的描述，这些指令描述构成一 幅图的所有直线、圆、圆弧、矩形、曲线等的位置、维数和大小、颜色、形状。显示时 需要相应的软件读取这些命令。并将其转变为屏幕上所显示的形状和颜色，图形记录的 主要内容是坐标值或坐标值序列，对一般画面内容