（航空宇航制造工程专业论文）二维数控加工自动编程研究.pdf

南京航审航天人学坝1 1 学位论史 摘要 y 3 7 2 9 5 g 本论文总结了作者在对二维数控j j n s _ 自动编程技术的研究中，以及用a r x 为工具在a u t o c a d l 4 0 环境下，进j 5 - z 维数控加工自动编程系统丌发中所做 的工作。在二维环的生成和处理上进行了深入细致的研究，其中包括根据环的 面积判断环的方向，环的等距，互交、自交处理。在对二维环的研究基础上对 常用于环切法加工与行切法加工的算法进行了仔细分析，阅读了多篇国内外的 相关资料，找出了目前这些常用算法的不足之处，提出了环切j j n 中加工余料 的处理方法，提出了以凹点切角范围重复次数最少为根据确定行切法中最优行 切角度的算法。提出了阿基米德螺线形刀轨加工方法，给出了该方法的实现以 及特点，并与环切法和行切法进行了对比。 关键词：c a d c a m ，数控加工，自动编程，环 维数控加丁自动编程研究研究 a b s t r a c t lh l st h e s i ss u m m a r i z e dt h ew o r ka n dt h ea c h i e v e m e n t w h i c hw a sa c q u i r e d d u r i n g t h e p e r i o d o ft h er e s e a r c ho fn ca u t o m a t i c p r o g r a m m i n g a n dt h e c o r r e s p o n d i n gs y s t e md e v e l o p e db ya r xi nt h ea u t o c a d l 4 0e n v i r o n m e n t t h i s t h e s i sr e s e a r c ho nt w o - a x i s l o o p sg e n e r a t i o na n dd i s p o s a l i ti n c l u d ea f l e wa l g o r i t h m b yj u d g i n gl o o pd i r e c t i o na c c o r d i n gt ol o o pa r e a ，a n da l g o r i t h mo fl o o po f f s e t ，l o o p s e l f - c r o s sa n dm u t u a l c r o s s b a s e do nt h er e s e a r c ho ft w o a x i sl o o pa n di n v o l v e d p a p e r ，t h i st h e s i sn o to n l yc a r r i e do u ts o m ec o m p a r i s o n ，a n a l y s i sa n di m p r o v e m e n to n t h eo l da l g o r i t h m s ，b u ta l s od e v i s e do t h e rn e w a l g o r i t h m s s u c ha sa l la l g o r i t h mt o d e t e r m i n et h eb e s td i r e c t i o no f z i g z a gm a c h i n i n gu s i n g t h el e a s tr e p e a t i n gt i m eo ft h e r a n g eo f p i t sa n da na l g o r i t h mo nr e m a i n i n gm a t e r i a ld i s p o s a l t h i st h e s i si m p l e m e n t s t h es p i r a lm a c h i n i n gt o o lp a t hg e n e r a t i o na n dc o m p a r e si tw i t ht h ez i g z a gm a c h i n i n g a n dc o n t o u r d a r a n e lm a c h i n i n g k e y w o r d s ：c a d c a m ，n cm a c h i n i n g ，a u t o m a t i cp r o g r a m m i n g ，l o o p i j 南京航窄航天人学倾 学位论文 1 1 数控编程及其发展 第一章绪论 数控编程是目前c a d c a p p c a m 系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在 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面发挥着 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。由于生产实际的强 烈需求，国内外都对数控编程技术进行了广泛的研究，并取得了丰硕成果。下面就 对数控编程及其发展作一些介绍。 1 1 1 数控编程的基本概念 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 1 2 数控编程技术的发展概况 为了解决数控加工中的程序编制问题，5 0 年代，m i t ( 美国麻省理工学院) 设计 了一种专门用于机械零件数控加工程序编制的语言，称为a p t ( a u t o m a t i c a l l y p r o g r a m m e dt 0 0 1 ) 。其后，a p t 几经发展，形成了诸如a p t i i 、a p t i i i ( 立体切削用) 、 a p t ( 算法改进，增加多坐标曲面加工编程功能) 、a p t a c ( a d v a n c e dc o n t o u r i n g ) ( 增加切削数据库管理系统) 和a p t s s ( s c u l p t u r e ds u r f a c e ) ( 增加雕塑曲面加工编程 功能) 等先进版。 采用a p t 语言编制数控程序具有程序简炼，走刀控制灵活等优点，使数控加工 编程从面向机床指令的“汇编语言”级，上升到面向几何元素a p t 仍有许多不便之 处：采用语言定义零件几何形状，难以描述复杂的几何形状，缺乏几何直观性；缺 少对零件形状、刀具运动轨迹的直观图形显示和刀具轨迹的验证手段；难以和c a d 数据库和c a p p 系统有效连接；不容易作到高度的自动化，集成化。 针对a p t 语言的缺点，1 9 7 8 年，法国达索飞机公司开始开发集三维设计、分 析、n c 加工一体化的系统，称为为c a t i a 。随后很快出现了象e u c l i d ，u g i i ， i n t e r g r a p h ，p r o e n g i n e e r i n g ，m a s t e r c a m 及n p u g n c p 等系统，这些系统都 有效的解决了几何造型、零件几何形状的显示，交互设计、修改及刀具轨迹生成， 走刀过程的仿真显示、验证等问题，推动了c a d 和c a m 向一体化方向发展。到了 8 0 年代，在c a d c a m 一体化概念的基础上，逐步形成了计算机集成制造系统 l _ 二维数摔加t 自动编程研究 ( c i m s ) 及并行工程( c e ) 的概念。目前，为了适应c i m s 及c e 发展的需要，数 控编程系统正向集成化和智能化方向发展。 在集成化方面，以开发符合s t e p ( s t a n d a r df o rt h ee x c h a n g eo fp r o d u c tm o d e l d a t a ) 标准的参数化特征造型系统为主，目前已进行了大量卓有成效的工作，是国 内外开发的热点；在智能化方面，工作爿刚刚丌始。 1 2n c 刀具轨迹生成方法研究发展现状 数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产 生数控加工程序。下面就刀具轨迹产生方法作一些介绍。 1 2 1 基于点、线、面和体的n c 刀轨生成方法 c a d 技术从二维绘图起步，经历了三维线框、曲面和实体造型发展阶段，一直 到现在的参数化特征造型。在二维绘图与三维线框阶段，数控加工主要以点、线为 驱动对象，如孔加工，轮廓加工，平面区域加工等。这种加工要求操作人员的水平 较高，交互复杂。在曲面和实体造型发展阶段，出现了基于实体的加工。实体加工 的加工对象是个实体( 一般为c s g 和b r e p 混合表示的) ，它由些基本体素经 集合运算( 并、交、差运算) 而得。实体加工不仅可用于零件的粗加工和半精加工， 大面积切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的数控编程系统的研究与 丌发，是特征加工的基础。 实体加工般有实体轮廓加工和实体区域加工两种。三维实体加工的实现方法 中的层切法( s l i c e ) ，即用一组水平面去切被加工实体，然后对得到的交线产生等 距线作为走刀轨迹。其加工基础也是二维的环。 1 2 2 基于特征的n c 刀轨生成方法 参数化特征造型已有了定的发展时期，相应也产生了基于特征的刀具轨迹生 成方法，虽然这方面的研究才刚刚丌始，但代表了一种方向。特征加工使数控编程 人员不在对那些低层次的几何信息( 如：点、线、面、实体) 进行操作，而转变为 直接对符合工程技术人员习惯的特征进行数控编程，大大提高了编程效率。这种方 法的工作原理是：零件的每个加工过程都可以看成对组成该零件的形状特征组进行 加工的总和。那么对整个形状特征或形状特征组分别加工后即完成了零件的加工。 而每一形状特征或形状特征组的n c 代码可自动生成。 特征加工的基础是实体加工，是更高级的实体加工。但特征加工不同于实体加 工，实体加工有它自身的局限性。特征加工与实体加工主要有以下几点不同：从概 念上讲，特征是组成零件的功能要素，符合工程技术人员的操作习惯，为工程技术 南京航窄航天人学顺i ：学位论史 人员所熟知；实体是低层的几何对象，是经过一系列布尔运算而得到的一个几何体， 不带有任何功能语义信息：实体加工往往是对整个零件( 实体) 的一次性加工。但 实际上一个零件不太可能仅用一把刀次加工完，往往要经过粗加工、半精加工、 精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具进行加工；有时一个零 件既要用到车削，也要用到铣削。因此实体加工主要用于零件的粗加工及半精加工。 而特征加工则从本质上解决了上述问题；特征加工具有更多的智能。对于特定的特 征可规定某几种固定的加工方法，特别是那些已在s t e p 标准规定的特征更是如此。 如果我们对所有的标准特征都制定了特定的加工方法，那么对那些由标准特征够成 的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若c a p p 系统能提供相应的工艺特征，那 么n c p 系统就可以大大减少交互输入，具有更多的智能。而这些实体加工是无法实 现的；特征加工有利于实现从c a d 、c a p p 、n c p 及c n c 系统的全面集成，实现信 息的双向流动，为c i m s 乃至并行工程( c e ) 奠定良好的基础：而实体加工对这些 是无能为力的。 1 2 3c a d c a m 系统中的n c 刀轨生成方法 目前c a m 的构成及主要功能： 当前比较成熟的c a m 系统主要以两种形式实现c a d c a m 系统集成：一体化 的c a d c a m 系统( 如：u g i i 、e u c l i d 、p r o e n g i n e e r 等) 和相对独立的c a m 系 统( 如：m a s t e r c a m 、s u r f c a m 等) 。前者以内部统一的数据格式直接从c a d 系统获 取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它c a d 系统获取产品几何模型。然 而，无论是哪种形式的c a m 系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、 刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。 下面列出一些c a d ，c a m 系统的n c 加工方法 p o i n tt op o i n t ：完成各种孔加工： p a n a r m i l l ：平面铣削。包括单向行切，双向行切，环切以及轮廓加工等； f i x e dc o n t o u r ：固定多轴投影加工。用投影方法控制刀具在单张曲面上或多张曲面 上的移动，控制刀具移动的可以是已生成的刀具轨迹，一系列点或一组曲线； v a r i a b l ec o n t o u r ：可变轴投影加工； p a r a m e t e rl i n e ：等参数线加工。可对单张曲面或多张曲面连续加工： z i g - z a gs u r f a c e ：裁剪面加工： r o u g h t od e p t h ：粗加工。将毛坯粗加工到指定深度； c a v i t ym i l l 多级深度型腔加工。特别适用于凸模和凹模的粗加工； s e q u e n t i a ls u r f a c e ：曲面交加工。按照零件面、导动面和检查面的思路对刀具的移动 提供最大程度的控制。 ， p r o f i l et o o l p a t h ：轮廓加工： 维数控自l l t 自动编程研究 a r e a c l e a rt o o l p a t h ：平面区域加工： s o l i d p r o f i l et o o l p a t h ：实体轮廓加工； s o l i d a r e a c l e a rt o o l p a t h ：实体平面区域加工； s o l i d f a c et o o l p a t h ：实体表面加工； s o l i d s l i c et o o l p a t h ：实体截平面加工： l a n g u a g e b a s e dt o o l p a t h ：基于语言的刀具轨迹生成。 所有的c a d c a m 软件，如u g i i 、e u c l i d 、p r o e n g i n e e r 、e u c l i d ，c i m i t r o n ，c v , c a t i a 等的n c 功能各有千秋，但其基本内容大同小异，没有本质区别。 1 2 4c a m 系统刀轨生成方法的主要问题 按照传统的c a d c a m 系统和c n c 系统的工作方式，c a m 系统以直接或间接 ( 通过中性文件) 的方式从c a d 系统获取产品的几何数据模型。c a m 系统以三维 几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位 文件的形式经后置处理，以n c 代码的形式提供给c n c 机床，在整个c a d c a m 及c n c 系统的运行过程中存在以下几方面的问题： c a m 系统只能从c a d 系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几 何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个c a m 过程必须在经验丰富 的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象 ( 点、线、面或实体) 、约束条件( 装夹、干涉和碰撞等) 、刀具、加工参数( 切削 方向、切深、进给量、进给速度等) 。整个系统的自动化程度较低。 在c a m 系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息( 直线和圆弧的 几何定位信息) ，以及少量的过程控制信息( 如进给率、主轴转速、换刀等) 。因此， 下游的c n c 系统既无法获取更高层的设计要求( 如公差、表面光洁度等) ，也无法 得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。须经后置处理方可生成加工指令。 c a m 系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只 记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉 与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。 c a m 系统是一个独立的系统。c a d 系统与c a m 系统之间没有统一的产品数据 模型，即使是在一体化的集成c a d c a m 系统中，信息的共享也只是单向的和单一 的。c a m 系统不能充分理解和利用c a d 系统有关产品的全部信息，尤其是与加工 有关的特征信息，同样c a d 系统也无法获取c a m 系统产生的加工数据信息。这就 给并行工程的实施带来了困难。 1 3 论文的选题 目前，国内数控加工技术的应用已经越来越普及，从八十年代后期以来，我国 从国外陆续进口了不少的数控机床，与此同时，国内也研制并开发出了一些比较先 4 南京航守航人人学坝 学位论文 进的数控机床，使我国的机械加工机床的数控化率有了大大的提高。但是，由于在 机床数控化的推广过程中，只重视数控机床的引进与推广，而忽视了自动编程技术 的研究与发展，使德国内许多数控机床的使用还停留在手工编程的基础上，因此不 能充分发挥数控机床的作用，造成了很大的浪费。 鉴于这种情况，在各企业中大力推广数控加工自动编程技术，已显得十分有必 要。目前，国际上有不少很先进的数控加工自动编程软件，它们采用图形交互式的 自动编程方法，使设计与制造一体化，具有很强的数控编程能力，但是它们的价格 昂贵，一般的企业难以承受。而国内开发出的一些数控编程软件，由于在适应性以 及可靠性方面存在不足，因此不能成为商业化的应用软件在市场上推广，只能作为 科研成果。所以，在这种情况下，根据我国目前机械加工的现状，开发出一个可靠 性高，加工能力强，易于普及推广，具有良好的性能价格比的数控加工自动编程软 件很有意义。在我国乃致整个世界，微机拥有大量的市场，特别是中小企业，所拥 有的计算机资源中绝大部分是微机。然而，真正在微机上开发的c a d ，c a m 集成软 件很少，虽然微机的数量多，但它的优势、功能却没有真f 发挥出来。现在，微机 更新换代很快，性能价格比越来越高；内存容量加大，速度在不断提高，这样就为 实现低成本的微机c a d c a m 集成系统提供了可能。因此，在微机上开发一个实用 性强，功能较为完善，有一定商品化程度的c a d c a m 系统具有很重要的意义。它 能解决这一领域的生产实践问题，减少了重复劳动，缩短制造周期，从而提高工厂 的技术经济效益。 基于以上思想，我们选在微机上丌发c a d c a m 集成系统。然而开发一个完整 的c a d c a m 系统是一项庞大的系统工程，需要大量的人力、物力投入，开发 c a d c a m 系统涉及到人机界面、几何造型核心、图形管理、数据库设计、软件接 口和数控编程及后置处理等许多方面。如果在已有的c a d 平台上开发数控系统，则 能减少重复投入。缩短软件开发周期，使软件较快地应用于生产实践当中去。 在众多的c a d 平台中，a u t o c a d 格外引人注目。a u t o c a d 是美国a u t o d e s k 公 司开发的用于个人计算机的辅助绘图设计系统。1 9 8 2 年推出第一个版本后，经过数 次更新版本，己成为全世界使用最广泛的c a d 系统。据有关资料介绍，a u t o c a d 的用户近几百万户，在全世界五万多所院校使用，以a u t o c a d 为平台进行二次开发 的注册开发商达4 0 0 0 余家，丌发出近万多种应用软件，广泛应用于各个工程领域。 在工程设计领域中a u t o c a d 已成为设计人员的常规工具，不管是以a u t o c a d 为平 台开发的专业软件，还是自开发图形平台的结构软件，都要使用a u t o c a d 完成最后 成图。a u t o c a d 采用开放式体系，用户、二次开发商可以在a u t oc a d 平台上开发 应用程序。a u t o c a d 针对不同的丌发要求，提供不同的开发工具，极大地扩展了 a u t o c a d 的应用领域，为a u t o c a d 的广泛应用提供了有力保证。越来越多的用户 加入开发行列，是和a u t o c a d 提供的良好的开发环境分不开的。可以说a u t o c a d 平台暂时在充当着工程设计行业的通用图形平台。因此，我们选择a u t o c a d 作为本 s 一维数托抓t 白功编程叫究 系统的支撑平台。 因此，在a u t o c a d 平台上，进行数控加工自动编程系统的研究与开发，是一个 非常好的想法。首先，a r x 开发环境所具有的强大的二次开发功能，可以保证数控 加工自动编程的实现，而且，由于a u t o c a d 软件本身是一个功能强大的交互式的绘 图软件，因而在该平台上丌发出的数控加工自动编程软件，必然是图形交互式的， 这一点也符合数控编程技术的发展趋势；其次，由于是二次开发，对于系统底层的 东西，已出a u t o c a d 软件本身来保证，而) 1 = 发人员只需要进行数控编程算法上的研 究与实现，这样既减轻了丌发人员的负担，又增强了系统的可靠性；另外，由于所 1 ：发出的数控编程软件是模块化的，具有很强的针对性，和较好的性能价格比，因 此，非常适合于我国目前数控加工行业的现状；再有，借助于a u t o c a d 软件的高市 场占有率，丌发出的软件也容易在市场上推广。 总而言之，在a u t o c a d 平台上，进行数控加工自动编程系统的研究与开发，是 可行的，并且非常具有实用价值，所以选择了该课题。 1 4 论文的内容及安排 本论文是围绕着二维数控加工自动编程系统的研究与丌发而展开的。其中不仅 对数控加工刀位轨迹的自动生成算法进行了较为深入全面的研究，还在一些方面提 出了一些新的方法和算法。 本论文具体内容安排如下： 第一章是绪论部分，介绍了数控加工技术概况以及论文的选题以及论文的内容 和安排。 第二章对数控加工中的自动编程技术进行了介绍，其中包括自动编程的概念、 分类以及各自的特点，最主要的是对环的概念、环的数据结构定义、环的方向判断、 坏的等距处理、环的互交处理、环的自交处理进行了详细的阐述。数控加工刀位轨 迹自动生成算法的核心是环的处理，本论文算法研究的重点就是环的处理，其中不 仅对以往的一些算法进行了分析和改进，而且在某些方面提出了自己的新算法。 第三章主要论述内槽加工中的环切法刀具轨迹自动生成算法，以及加工余料的 处理方法。 第四章主要论述内槽加工中的行切法刀具轨迹自动生成算法，及其刀位轨迹的 优化方法。 第五章介绍了阿基米德螺线形刀轨内槽加工方法研究，主要论述了其加工的特 点及实现。 第六章是总结与展望，其中不仅对本论文所做的工作，进行了概括与总结，还 对今后的工作提出了几点要求，而且对目前在整个二维数控加工自动编程领域的研 究情况也做了介绍。 6 塑塞堕! 堕丕苎兰竺! ：兰垡堡苎 第二章二维环的算法研究 2 1 二维零件轮廓的描述及自动编程 如何准确描述二维零件轮廓边界是二维数控加工自动编程的首要问题。自动编 程方法也由于对零件轮廓的描述方法不同而分为两类方法。其一是以语言为基础的 自动编程方法，编程人员用语占的形式描述要加工的零件，表达出加工的全部内容， 然后再把这些内容输入到计算机中进行处理，编译生成可以直接用于数控机床的加 工代码。其中最著名的是美国的a p t ( a u t o m a t i c a l l yp r o g r a m m e dt o o ls ) 语言式 自动编程系统，该系统出现于1 9 5 5 年，后来又发展了a p ti i 、a p ti i i 和a p ti v 。 现在，a p t 系统的功能已经很强，具有丰富的词汇和几何模型，能够适应多坐标数 控机床加工曲线曲面的需要，并配有多种后置处理程序，是一种应用广泛的数控编 程软件。与此同时，世界上其他一些发达的工业国家也都开展了自动编程的研究工 作，开发出了自己的数控编程语言。这些数控编程语言大多借助于a p t 系统的思想 体系，它们在语法格式上基本类似，而在应用上又各具特色。如德国的e x a p t ，英 国的2 c l ，同本的f a p t ，法国的i f a p t 。我国也先后开发出了s k c 、z c x 等自动编程 系统，并在生产中得到了应用。 随着计算机技术的发展，计算机的图形处理能力有了很大的加强，因此产生了 可以直接将零件的几何图形信息自动转化为数控加工程序的计算机自动编程技术， 既图形交互式自动编程技术产生了。它以计算机辅助设计软件为基础，利用c a d 软 件的图形编辑功能将零件的几何图形绘制到计算机上，形成零件的图形文件，然后 调用计算机辅助制造的数控编程模块，采用人机交互的方式在计算机屏幕上指定零 件被加工的部位，再输入相应的加工参数，计算机便可自动进行必要的数学处理， 并生成数控加工代码，同时在计算机屏幕上动态地显示出刀具的加工轨迹。可以说 图形交互式自动编程是一种全新的编程方法，与手工编程及a p t 语言编程相比，有 以下优点： 这种编程方法既不象手工编程那样需要人为的进行复杂的数学计算算出各节点 的坐标数据，也不象a p t 语言编程那样，用数控编程语言去编写描绘零件几何形状、 加工走刀过程及后置处理的源程序，而是在计算机上直接面向零件的几何图形，以 光标指点、菜单选择及交互对话的方式进行编程，其编程结果也以图形的方式显示 在计算机上。所以该方法具有简便、直观、准确、便于检查的优点。 通常图形交互式自动编程软件和相应的c a d 软件是有机的联系在一起的，是一 体化的软件系统，既可用来进行计算机辅助设计，又可以直接调用设计好的零件图 进行交互编程，对实现c a d c a m 一体化极为有利。 7 这种编程方法的整个过程是交互式的，而不象a p t 语言编程那样，事先用数控 7 维数控劫 丁臼曲编程研究 语言编好源程序。然后由计算机以批处理的方式运行，生成加工代码。所以这种方 法简单易学，在编程过程中可以随时发现问题并进行修改。 编程过程中，图形数据的提取、节点数掘的计算、程序的编制及输出都是由计 算机自动进行的，因此，编程速度快、效率高、可靠性好。此类软件都是在通用计 算机上运行的，不需要专用的编程机，所以非常便于普及和推广。 基于这些优点，可以说图形交互式自动编程技术是一种先进的数控编程技术， 是数控编程软件的发展方向。因此，图形交互式自动编程已经成为国内外先进的 c a d c a m 软件所普遍采用的数控编程方法。目前，国际上比较知名的c a d c a m 数控 编程软件有：法国d a s s a u l t 公司的c a t i a 软件，美国c n c 软件公司的m a s t e rc a m ， 美国e d s 公司的u gi i 软件，等等。国内也有不少的单位直从事这方面的研究工 作，并取得了不少的科研成果，开发出了具有自主版权的软件。 随着微电子技术的发展，特别是微型计算机技术的高速发展，数控加工自动编 程技术的发展趋势是：在图形输入方面，趋向于快速、方便、可靠；在系统的处理 能力方面，系统的几何造型功能更强大，算法更先进，理论更完善，误差更小；在 加工性能方面，系统的工艺处理能力加强，使加工过程处于最优化；在系统结构方 面，趋向于模块化，根据用户不同，选择不同的模块组成专用系统，使效率更高， 实用性更强；在程序的可靠性方面，应具有动念仿真，干涉检查与修正功能：在后 胃处理方面，应具有通用的后置处理程序，以适应多用户的需要：在输出形式方面， 系统中应具有通用的机床数据通讯软件，使计算机直接与机床通讯；在总体设计方 面，应使c a d 、c a m 、c a p p 一体化，使产品从设计到制造的全过程更系统、更科学。 2 2 二维环的相关处理 2 2 1 环的定义 所谓环就是由首位相连的一系列基本几何元素构成的一条曲线。基本几何元素 包括直线、圆弧、圆、和平面曲线。环的起点和终点重合称为闭环，环的起点和终 点不重合称为开环。环是两坐标刀位轨迹自动生成算法的核心与基础。在数控编程 软件中，环是有方向的，而且出直线段和圆弧段组成，对环的处理一般有等距、自 交、互交这三种形式。在数控编程软件中，不论是采用环切的加工方式，还是采用 行切的加工方式，都要通过一系列的环的运算来生成数控加工的刀位轨迹。通常， 坏的数学定义为：p = c 墨，。其中， 段既可以是直线段，也可以是圆弧段， p 代表了一个环，它由1 1 个曲线段组成，曲线 c 代表了环中第i 个的曲 南京航夺航天人学坝i 学位论史 线段。如图2 一l 所示为环的一个典型例子，它出4 个直线段和4 个圆弧段组成，直 线段与圆弧段头尾相连，形成个封闭的环，环的方向为顺时针方向。 在平面型腔加工中，型腔的定义如图2 - 2 所示，它由边界轮廓( b o u n d a r y 9 r o f i l e ) 、岛屿轮廓( i s l a n dp r o f i l e ) 和型腔的底面组成。在数控编程软件中， 环的最初作用就是用来描述边界轮廓和岛屿轮廓。可以看出，边界轮廓与岛屿轮廓 的意义是不同的数控加工中，只有边界轮廓以内的材料彳能被切除，而对于岛屿 c 3 c 图2 1 环的定义 轮廓只有轮廓线以外的材料才能被切除。因此，在本文沿用惯例，用逆时针的环柬 代表边界轮廓，而用顺时针的环来代表岛屿轮廓，这样，通过给环定义方向，就可 以将不同性质的轮廓区分丌来。不仅如此，在后面的内容中，可以看到，环的方向 性，对于环的等距、自交以及互交都是十分重要的。 对于平面轮廓加工类的零件，例如凸轮、靠模等，它们在数控编程软件中的数 学处理，与平面型腔加工相似，同样需要用到坏，不同之处在于，此时只需考虑岛 屿轮廓的处理，而不用考虑型腔轮廓，因为，在这里是将凸轮、靠模这类零件直接 看作型腔中的岛屿来处理的。这类零件与岛屿轮廓之间有一个共同特点，就是只有 轮廓线以外的材料才能被加工掉。 型 图2 - 2 型腔的定义 廓 在刀位轨迹自动生成的算法中，环是由一些直线段和圆弧段组成的，而不是零 二维数控自l l t 自动编程研究 件中的任意曲线段。这样定义环的原因是由数控机床的插补功能所决定的，一般数 控机床只能对直线段和圆弧段进行插补，因此，在对零件进行数控编程时，需要将 零件的轮廓曲线，用直线段和圆弧段来进行拟合。拟合的进行可以有两种方法，一 种是先按零件的轮廓曲线束计算出刀位轨逃，然后再用直线段和圆弧段来拟合，采 取这种方法时，需要对组成环的各种曲线进行考虑，因而，软件丌发的工作量很大， 而且，对于保证零件的加工精度，也并没有什么帮助。另一种是先将零件的轮廓曲 线用直线段和圆弧段进行拟合，然后再计算出刀位轨迹，采用这种方法对软件开发 是非常有利，因为，此时只需要考虑由直线段和圆弧段所组成的环，因此，算法上 可以得到大大地简化，而且对零件的加工精度没有影响，所以，通常都采用这种方 法。 2 2 2 用环定义二维零件轮廓及其处理 基于坏的环切法( c o d t o u f p a r a l l e l ) 加工和基于环的行切法( d i r e c t i o n p a r a l l e l ) 加工是二维数控铣削加工自动编程中常用的两种方法，它们各有特色， 下面将分别介绍。 基于环的环切法加工刀位轨迹自动生成算法，其基本思路是：首先将边界轮廓 和岛屿轮廓用坏来表示，然后，对这组环进行等距，经过一系列的自交与互交处理 后，得到一组新环，接着，对这组新环进行等距，同样要经过一系列的自交与互交 处理，然后得到另一组新环，就这样反复进行，直到没有新环生成为止，因此在软 件中，最终得到一系列的环，将它们以一定的顺序组合在一起，便形成了环切加工 的刀位轨迹。 基于环的行切法加工刀位轨迹自动生成算法，其基本思路是：首先将边界轮廓 和岛屿轮廓用环来表示，然后，对这组环进行等距，经过一系列的自交与互交处理 后，得到一组新环，与坏切法不同的是，此时不再继续等距，而是用一组平行线来 与这组环相交，得到一组相互平行的直线段，最后，将这组直线段和等距所得的环， 以一定的次序连接起来，便得到了行切加工的刀位轨迹。 其中基于环的环切法对于环的处理以及计算都比基于坏的行切法要复杂的多。 环切法和行切法都离不开对环的处理，其中环的处理主要有等距、自交、互交处理， 在进行这些处理之前，我们首先要确定环的方向。下面将按此过程分别介绍。 2 2 3 环的数据结构定义 在数控自动编程系统中，最主要也是最关键的数据结构定义，是环的数据结构 的定义。在这里，我们给出了两种定义方法。一种是采用c + + 的方法定义一个环类， 该类由c o b l i s t 单向链表类派生而来，该类的成员函数可以实现环的捡取、环的方 向判断、环的等距、环的自交互交处理、环之间的关系等等。 1 0 南京航窄航天人学坝i 。学位论文 c l a s sc l o o p ：p u b l i cc o b l i s t p r i r a t e ： i n tm i a d j u s t f l a g ： i o tm _ i l o o p d i r e c t ： in t m i s e g m e n t c o u n t ： p u b l i c ： c l o o p 0 ： c 1 0 0 p 0 ： it i t g e t a d j u s t f l a g0 ： v o i ds e t s e g m e n t c o u n t ( i n ti s e g m e n t c o u n t ) ：环中的曲线段数 i n t i n i t l o o p 0 ： v o i do f f s e t l o o p ( c s i n g l e l o o p * c o u t l o o p ) ：环的等距 v o i da d j u s t k o o p 0 ： i n ts e l f i n t l p d e a l ( c l o o p l i s t * p s e l f i n t l p l i s t ) ： i n tj u d g e l o o p d i r e c t ( ) ：n 断环的方向 j n t6 e t l o o p d i r e c t 0 ：得到环的方向 v o i ds e t l o o p d i r e c t ( i n ti l o o p d i r e c t ) ：设定环的方向 j t i t j u d g e t w o l o o p r e l ( c l o o p * p j u d g e l o o p ) ：两环的关系判断 ) ： 另外如果是针对a u o c a d 丌发数控加工自动编程系统，可以利用a r x 的功能将环 定义成一个a u t o c a d 中的实体，就象直线实体和圆弧实体一样，因此，对于环的显 示、编辑、存储、以及数据库操作，都可以由a u t o c a d 系统本身来完成。这样环被 定义成一个类，它是从a r x 中的a c d b e n t i t y 类派生出来的。数据结构定义如下所 述，其中为了简便起见，已将部分成员函数的参数以及返回值删除。 c l a s sl o o p ：p u b l i ca c d b e n t i t y 环的父类 p u b l i c ： a c r x d e c l a r e m e m b e r s ( l o o p ) ：有关r u n t i m e 功能的宏定义 l o o p 0 ：环的构造函数 v i r t u a l 、l o o p 0 ：环的析构函数 以下为派生类中所必须具有的函数 w o r l d d r a w 0 ：环的显示函数 d w g l n f i e l d s0 ：环的写文件函数 d w 9 0 u t f i e l d s 0 ：环的读文件函数 e x p l o d e0 ：环的分解函数 f f 一维数控力t 自动编程研究 1 i s t 0 ：环的属性显示函数 g e t o s n a p p o i n t s ( ) ：环的获取捕捉点的函数 g e t g r i p p o i n t s 0 ：环的获取央持点的函数 m o v e g r i p p o i n t s a t0 ：环的移动夹持点的函数 g e t s t r e t c h p o i n t s ( ) ：环的获取拉仲点的函数 m o v e s t r e t c h p o i n t s a t 0 ：环的移动拉伸点的函数 t r a n s f o r m b y ( ) ：环的坐标变换函数 以下为定义环的信息，其中曲线段为直线段或圆弧段 a c g e p o i n t 3 d a r r a ye x t p n t a r r a y ：曲线段的端点 a c g e p o i n t 3 d a r r a ym i d p n t a r r a y ：曲线段的中点 a c d b i n t a r r a ys e g t y p e a r r a y ；曲线段的类型 a c d b i n t a r r a yr e j f l a g a r r a y ；曲线段的合法性 以下为有关环运算的成员函数 d o u b l ea r e a ( v o i d ) c o n s t ：求环的面积 v o i dr e v e r s e ( v o i d ) ：环的反向操作 v o i ds e t b a s e p o i n t ( c o n s ta c g e p o i n t 3 d & ) ：设置环的基点 a d e s k ：b o o l e a n i s r e j e c t ( v o i d ) ：笋, l 断环是否有效 l o o p * o f f s e t p r o c e s s ( c o n s td o u b l e ) c o f l s t ：环的等距处理 v o i ds e l f i n t p r o c e s s ( a c g e p o i n t 3 d a r r a y & a c g e p o i n t 3 d a r r a y & ， a c d h v o id p t r a r r a y & ) ：环的自交处理 a d e s k ：b o o l e a nm u t u a li n t p r o c e s s ( l o o p * ，a c g e p o i n t 3 d a r r a y & ， a c d b v o i d p t r a r r a y & ) ：环的互交处理 a d e s k ：b 0 0 1 e a n i n e l u d e o t h e r l o o p ( l o o p * ) ： 判断t h i s 环是否包含另一个环 a d e s k ：b 0 0 1 e a ni n t w i t h l i n e ( a c g e l i n e 3 d * a c g e p o i n t 3 d a r r a y & ) 求出t h i s 环与直线的有效交点 以下为环运算中要使用的一些私有成员函数 p r i r a t e ： p u r g e s m a l l s e g m e n t 0 ：清除环中的小曲线段 c a l t a n v e c t o r ( ) ：计算环的切矢 c a l n o r v e c t o r0 ：计算环的法矢 c a l l i n e a r e a ( ) ：计算环直线部分的面积 c a l a r c a r e a o ；计算环圆弧部分的面积 c a l l i n e n o r v e c t o r 0 ：计算直线段的法矢 c a l a r c n o r v e c t o r0 ：计算圆弧段的法矢 c a l i n s e r t v e c t o r 0 ；计算等距时的插入矢量 1 2 南京航窄航天人学坝i 学位论义 c a l r e j e c t i n f 0 ：计算等距时插入圆弧段的有效性 c a l s p l i t m i d p o i n t ( ) ：计算圆弧段分裂后的中点 c a l v a l i d i n t p o i n t ( ) ：计算互交时的有效交点和无效交点 从对环的描述信息上，可以看出两种方法的不同。前种是将坏用一个链表来表示 的，链表的节点对应了环中的直线段和圆弧段。而后一种却是对环进行整体描述， 用了四个动态数组来描述一个环，如图2 3 所示。第一个动态数组表示曲线段的端 点p 1 p 9 ；第二个动态数组表示曲线段的中点m l m 8 ，对于圆弧段中点是有用的， 而对于直线段中点则是无用的；第三个动念数组表示曲线段的类型，这罩有两种情 况，一种是直线段，另一种是圆弧段，此时圆弧段不需要再区分为顺圆弧和逆圆弧； 第四个动态数组表示曲线段的合法性，在环的等距和自交处理中要用到，它具有两 种状态，一种是接受( a c c e p t ) ，另一种是拒绝( r e j e c t ) 。 这样表示，可以充分利用a r x 的功能，而且环的算法实现起来也比较容易。另 外，这晕所说的动态数组实际上就是链表，只不过它的功能更强大，使用更方便， a p , x 提供了多种类型的动态数组，常用到的有：表示点的a c g e p o i n t 3 d a r r a y ，表示空 指针的a c d b v o i d p t r a r r a y ，表示整数的a c d b i n t a r r a y 。 h 6 2 2 4 环的方向判断 r 图2 - 3 环的表示 2 在二维数控加工刀具