（机械制造及其自动化专业论文）数控火焰切割自动编程系统研究与开发.pdf

中文摘要 本文首先分析了中国海洋石油工程( 青岛) 公司目前使用的自动编程软件存 在的不足，引出了数控火焰切割自动编程系统开发问题，并简单介绍了国内外学 者及企业对此问题的研究现状，确定了本文研究目标。然后在系统需求分析的基 础上，选择了系统的开发平台及开发语言，确定了系统功能模块，构建了系统模 型。接着针对自动编程系统的关键问题进行分析，提出了解决方法：( 1 ) 根据切 割信息的特点，利用a u t o c a d 提供的面域对象实现切割信息的识别。对识别过程 中可能出现的问题给出相应的处理方法。( 2 ) 提出了轨迹规划目标，并确定了分 组切割、分步规划的轨迹规划方法，详细阐述了轨迹规划的具体操作步骤。( 3 ) 为 了方便操作、减少操作量，提出了切割轨迹分步手动调整方案，实现了人工经验 与自动轨迹规划的优势互补。对比t q - a u t o c u t - 0 1 系统与企业目前所用编程系统 的运行结果，验证t q - a u t o c u t - 0 1 系统的实际效果。最后对本文工作进行总结， 提出今后的研究方向。 关键词：数控火焰切割轨迹规划轨迹调整自动编程 a b s t r a c t i nt h i sp a p e r ，t h ed e f i c i e n c i e so fa u t o - p r o g r a m m i n gs o f t w a r ec u r r e n t l yu s e di n c h i n an a t i o n a lo f f s h o r eo i le n g i n e e r i n g ( q i n g d a o ) c o r p o r a t i o na r ep o i n t e do u t f i r s t l y a n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e mf o rf l a m en c c u t t i n gb e c o m e sn e c e s s a r y o nt h eb a s eo ft h eb r i e fi n t r o d u c t i o no ft h ed o m e s t i ca n d f o r e i g ns c h o l a r sa n dc o r p o r a t er e s e a r c ha b o u tt h i si s s u e ，t h eg o a lo ft h i sp a p e rh a s b e e ns e t b a s e do nn e e d sa n a l y s i so ft h es y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n tp l a t f o r ma n d d e v e l o p m e n tl a n g u a g eo ft h es y s t e mh a sb e e nc h o s e n t h es y s t e mf u n c t i o nm o d u l e s h a v eb e e nd e t e r m i n e da n dt h es y s t e mm o d e lh a sb e e nb u i l t n e x t ，o nt h ea n a l y s i s a b o u tt h ek e yi s s u e si nt h ed e v e l o p m e n to ft h ea u t o m a t i cp r o g r a m m i n gs y s t e m , a s o l u t i o nh a sb e e np r o p o s e da sf o l l o w ( 1 ) a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so fc u t t i n gi n f o r m a t i o n , t h er e g i o no b j e c tp r o v i d e d b yt h ea u t o c a ds y s t e mh a sb e e nu s e dt od i s t i n g u i s hi t t h ea p p r o p r i a t et r e a t m e n t m e t h o d st or e s o l v et h eq u e s t i o nf o u n d e di nt h ep r o c e s so fd i s t i n g u i s h i n gc u t t i n g i n f o r m a t i o nh a sb e e ng i v e n ( 2 ) t h et r a j e c t o r yp l a n n i n go b j e c t i v eh a sb e e np r o p o s e d d e p e n d i n go ni t , t h es u b c u t a n ds t e p - b y - s t e pp l a n n i n go ft h et r a j e c t o r yp l a n n i n gm e t h o dh a sb e e ni d e n t i f i e d ，a n d t h es p e c i f i cs t e po f t r a j e c t o r yp l a n n i n gh a sb e e nd e t a i l e d ( 3 ) i no r d e rt o f a c i l i t a t et h eo p e r a t i o n , t or e d u c et h ev o l u m eo fo p e r a t i o n , t h e s t e p b y - s t e pm a n u a la d j u s t m e n tm e t h o do f t h ec u t t i n gt r a j e c t o r yh a sb e e nd e f m e d i ti s h e l p f u lt oa c h i e v et h ec o m b i n a t i o no ft h ee x p e r i e n c eo fam a n u a la n da u t o m a t i c t r a j e c t o r yp l a n n i n ga d v a n t a g e s t ov e r i f yt h ea c t u a le f f e c to ft h et q a u t o c u t - 01s y s t e m , ac o m p a r i s o nb e t w e e n t h et q - a u t o c u t 01 s y s t e md e v e l o p e di n t h i sp a p e ra n da u t o m a t i cp r o g r a m m i n g s y s t e mc u r r e n t l yu s e di ne n t e r p r i s eh a sb e e nd o n e f i n a l l y ，t h e r ei sas u m m a r ya b o u t t h i sp a p e r a n dt h ed i r e c t i o no ff u t u r er e s e a r c hh a sb e e na d v i s e d k e yw o r d s ：c n cf l a m ec u t t i n g t r a j e c t o r yp l a n n i n gt r a j e c t o r ya d j u s t m e n t a u t op r o g r a m m i n g 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，除了文中特别加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，也不包含为获得苤鲞盘堂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：至于权签字日期：伽罗年月妒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨盗盘堂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印件和磁盘。 ( 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：乏广叔 签字日期：刎尸年多月妒日 聊虢勿 签字同期：序多月么日 天津大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题提出 第一章绪论 能源是人类活动的物质基础，是整个世界发展和经济增长的最基本的驱动 力。能源需求量随经济的增长日益增加，但能源短缺严重制约了经济发展，成为 制约经济发展的瓶颈。为保证经济的持续快速发展，各国都致力于能源的勘探与 开采，开采范围已经由陆地延伸到了广阔的海洋，海洋石油勘探与开采就是其中 的一项重要工作。海洋平台是海洋石油开发的基础设施，海洋石油的开发必然促 进海洋平台的迅速发展【1 卜【2 j 。 海洋平台建造的主要工艺方法是将钢板切割成不同的零件，再将这些零件焊 接到一起形成各种构件，其中零件的形状精度、切割断面质量、切割效率及材料 利用率高低都直接影响到海洋平台的质量和生产成本。为了提高板材切割效率和 切割质量、减轻操作者的劳动强度，建造过程中普遍采用数控火焰切割进行板材 切割下料。数控切割的顺利进行是以数控程序的编制为基础的，数控程序的编制 方法有手动编程和自动编程两种【3 h 6 1 。手动编程时，工艺分析、切割轨迹的确定、 坐标值的计算及程序的编写和程序的输入等工作都是靠手动完成，编程工作量 大，时间长，效率低，容易出错。尤其是需切割零件的数量较多，切割零件形状 复杂时，手工编程的缺点尤为突出。另外切割轨迹的合理性与工作人员的切割经 验水平密切相关，不同工作人员确定的切割轨迹合理性也不同。因此，数控火焰 切割机的数控系统中一般带有自动编程功能，但是功能简单，与手工编程相比， 虽然实现了坐标值的自动计算及程序的自动编写，但切割轨迹还需操作者确定， 切割轨迹的合理性仍不能得到保证，编程效率也比较低，编程过程占用了系统资 源，不能实现全时切割【7 1 ，生产效率受到影响。随着数控火焰切割技术成熟并广 泛应用，与之配套的c a d c a m 一体化自动编程系统的性能越来越受到关注。 中国海洋石油工程( 青岛) 公司目前配备有f a s t c 蛐l 套料软件，能实现自动 编程，但是由于软件版本较早，在目前使用过程中，出现了以下不足： ( 1 ) 套料软件支持共边切划8 】1 1 3 】，但公共边的删除全部需手动完成，当公 共边较多时，手动操作时间长，效率低，易出错。 ( 2 ) 轨迹规划时主要考虑切割路径的长度，对切割的工艺要求考虑不足，切 割轨迹不是十分合理，零件的切割质量不好。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 ( 3 ) 轨迹规划后能进行手动调整，但手动调整时，需调整切割顺序的零件及 以后切割所有零件的切割顺序全部需手动确定，调整工作量大，操作繁琐，效率 低。 这些不足影响了企业的效益和产品质量。为充分发挥数控火焰切割的优势， 开发适合海洋平台建造工程的数控火焰切割自动编程系统成为企业的急需。 1 2 国内外研究现状 对数控火焰切割自动编程系统的研究国外起步较早：m a n b e r 等解决了在一 块钢板上数控火焰切割多个零件时打孔点位置确定和零件切割顺序优化问题【l 4 1 ， 但未考虑被排样的每个零件内部又嵌套多个要加工的内部轮廓的情况，也没有考 虑共边排样零件切割问题；j a c k s o n 等考虑了零件内部轮廓情况，且能根据c a d 图形自动地确定切割路径，但切割路径并未优化【l5 1 ，同样未考虑共边零件切割问 题；h a n 等考虑了零件在切割过程中切割温度对切割质量的影响，并纳入了切割 路径优化的数学模型中【1 6 】，但还是没有考虑共边排样零件的切割。 近些年，国内也有一些学者对数控火焰切割自动编程系统进行了研究。江苏 大学机械工程学院的刘会霞等提出了分级规划的三步算法来解决数控激光切割 割嘴路径的优化问题( 与数控火焰切割类似) 【l7 1 ，但仍未考虑共边排样零件的切 割；苏州科技学院的王书文等对二维矩形件组块优化排样，实现了共边切割和连 续切割，提出了一种适用的组合矩形块切割方式【l 引，但只适用于矩形零件，不适 合生产中同时加工多种形状不同零件的情况；湖南大学的李建涛、熊慧等也提出 y - - 维矩形件切割的路径优化方法【1 9 】【2 0 】，但同样只适用于矩形零件。朱灯林【2 1 】 等提出了基于零件形心的数控火焰切割路径的规划，但是不适合零件嵌套的情 况。 海洋平台建造中需切割的零件数量多，零件轮廓形状各异。为提高板料利用 率、降低成本，除了常见的间隙排样( 零件间有一定的间隔) 外，还有共边排样 ( 零件通过公共轮廓线相连) 和嵌套排样( 较小的零件嵌套在大零件的内孔中) 。 国内外学者提出的轨迹规划方法都不能满足海洋平台建造工程的板料数控火焰 切割生产需求。 目前市场上基本没有独立的数控火焰切割自动编程系统，一般都是在相应的 套料软件中包含了自动编程功能。应用较多的支持自动编程功能的套料软件除了 f a s t c h m 套料软件外还有s i g m a n e s t 套料软件、i n t e r g n p s 套料软件、a u t o n e s t 套料软件、s i n o c a m 套料软件和a u t oc u t 套料软件等。这些套料软件与f a s t c a m 套料软件相比，各有自己的优点，但同时也存在许多不足。如有的软件不支持共 天津大学硕士学位论文第一章绪论 边切割；有的软件不能进行轨迹调整；有的软件对绘图质量要求过分苛刻，必须 保证严格封闭，不能处理应封闭而实际未封闭图形；有的软件确定的切割轨迹不 合理，不能保证零件的切割质量或者不能降低切割成本、提高切割效率。因此这 些软件都在某一方面满足不了海洋平台建造工程的板料数控火焰切割生产需求。 1 3 本文主要研究内容 为提高数控火焰切割的质量、切割效率和降低切割成本，本文针对当前青岛 海洋石油工程有限公司数控火焰切割自动编程的现状和不足，围绕数控火焰切割 自动编程的关键技术问题进行研究，研究内容如下。 第一章介绍数控火焰切割自动编程系统开发问题的提出和研究的意义，并对 此问题的国内外发展状况进行回顾，提出本文的目标。 第二章首先进行数控火焰切割自动编程系统的需求分析，并选择系统的开发 平台和开发语言。然后根据系统需求确定系统功能模块、系统的总体结构及数据 结构，为系统的开发工作奠定基础。 第三章先分析引入线及零件的构成特点，并根据切这些特点确定切割信息的 识别方法，并详细阐述识别过程。 第四章先提出轨迹规划的总体目标。然后分析影响切割轨迹合理性的影响因 素，提出轨迹规划方法，并详细阐述原理及轨迹规划过程。确定切割轨迹的手动 调整方案，详细说明手动调整的实施过程。 第五章通过编程实例，验证本文提出的方法的可行性和有效性。 第六章给出全文结论，提出进一步的研究方向。 天津大学硕士学位论文 第二章t q a u t o c u t 一0 1 系统总体设计 2 1 需求分析 第二章t q a u t o c u t - o l 系统总体设计 海洋平台是进行海洋石油开采的基础设施。中国海洋石油工程( 青岛) 公司 在建造海洋平台的过程中，需要进行大量的板材切割加工。为实现离线编程、全 时切割，保证切割质量，提高生产效率，降低切割成本，减轻操作者的劳动强度， 公司急需适合海洋平台建造生产的火焰切割自动编程系统。待开发的自动编程系 统命名为t q a u t o c u t - 0 1 系统。t o a u t o c u t 0 1 系统的功能需求为： 1 ) 能够识别a u t o c a d 排样图。 2 ) 根据a u t o c a d 排样图中的信息，可自动进行轨迹规划。 3 ) 具有轨迹模拟功能，以验证切割轨迹的合理性。 4 ) 具有切割轨迹手动调整功能。调整时，要求操作方便，调整操作工作量 小，效率高。 5 ) 能自动够生成的数控切割程序。 除了上述需求外，系统还应具备良好的操作界面、可操作性和良好的系统稳 定性及一定的错误处理能力。 2 2 系统的开发环境 根据系统需求分析1 ) ，本文以a u t o c a d 绘图软件为t q - a u t o c u t - 0 1 系统的 开发平台，进行a u t o c a d 二次开发。 随着a u t o c a d 系统功能的逐渐增强和版本的不断升级，a u t o d e s k 公司提供 了一系列开发语言f 2 2 h 2 剐。 1 、a u t o l i s p 和s u a l l i s p a u t o l i s p 是最早出现的a u t o c a d 二次开发语言，一种表处理语言，是被解 释执行的，任何一个语句键入后就能马上执行，它对于交互式的程序开发非常方 便，早期的a u t o c a d 二次开发应用较多。v i s u a l l i s p 是a u t o l i s p 的换代产品， 与a u t o l i s p 充分兼容，并且对a u t o l i s p 功能做了较大的改进。l i s p 语言的特 点是：语言简单易学，程序开发周期短，程序运行速度不快，由于括号使用太多， 天津大学硕士学位论文第二章t q a u t o c u t _ 0 1 系统总体设计 程序的可读性差，程序调试较为困难，只适合于小程序的开发。 2 、a d s a d s 是a u t o c a d 的c 语言开发系统。a d s 可直接利用用户熟悉的c 编译 器，将应用程序编译成可执行文件后在a u t o c a d 环境下运行，从而既利用了 a u t o c a d 环境的强大功能，又利用了c 语言的结构化编程、运行效率高的优势， 适合于高强度的数据处理。由于目前其它编程软件的出现，主要用于d o s 环境 下的c 语言逐渐受到冷落， a u t o c a d2 0 0 0 以后的版本不再支持a d s 。 3 、v b a v b a ( v i s u a lb a s i cf o r a p p l i c a t i o n s ) 是一个基于a c t i v e x 技术的面向对象的 应用程序开发工具，可提供类似v i s u a lb a s i c 的丰富开发功能。在a u t o c a d 2 0 0 4 中实现二次开发，v b a 有如下优点。 ( 1 ) v i s u a lb a s i c 编程环境易于学习和使用。 ( 2 ) v b a 通过a c t i v e x 与a u t o c a d 运行于同一地址空间中，程序执行速度 快。 ( 3 ) 对话框的构造快速而有效，使开发人员可以构造原型应用程序并迅速收 到设计的反馈。 ( 4 ) 工程可以是独立的，也可以嵌入到图形中。这样就为开发人员提供了非 常灵活的方式来发布他们的应用程序。 ( 5 ) 通过v b a ，可以操作a u t o c a d ，控制a c t i v e x 和其它一些应用程序， 使之相互之间发生互易活动。 ( 6 ) v b a 对编程人员的要求不是很高，开发周期短，适合于中小程序开发。 4 、o b j e c t a r x o b j e c t a r x 以c + + 为编程语言，采用先进的面向对象的编程原理，提供可与 a u t o c a d 直接交互的开发环境，能使用户方便快捷地开发出高效简洁的 a u t o c a d 应用程序。一个o b j e c t 触程序实际上是一个动态链接库( d l l ) ，这些 库与a u t o c a d 在同一地址空间运行并能直接利用a u t o c a d 核心数据结构和代 码，使得二次开发者可以充分利用a u t o c a d 的开放结构，直接访问a u t o c a d 数据库结构、图形系统以及c a d 几何造型核心，以便能在运行期间实时扩展 a u t o c a d 的功能。o b j e e t a r x 功能强大，编程效率高，但学习难度大，开发过 程也相当复杂，出错的可能性更大，容易使a u t o c a d 的系统崩溃，对开发者的 编程能力要求较高。o b j e c t a r x 适合于大型程序的开发。 注意到数控火焰切割自动编程系统是一个小型应用程序，本文综合比较上述 各种开发语言的优缺点，选择v b a 为本t p a u t o c u t - 0 1 系统的开发语言。 天津大学硕士学位论文第二章t q a u t o c u t - 0 1 系统总体设计 2 3 系统功能模块和工作流程 2 3 1 系统功能模块 为了降低程序设计的复杂性，缩短开发周期，避免程序开发的重复工作，使 系统易于维护和功能扩充，t q a u t o c u t 0 1 系统采用模块化编程。与数控火焰切 割自动编程系统需求相对应，确定了t q a u t o c u t 0 1 系统的五个功能模块：零件 识别模块、轨迹规划模块、轨迹调整模块、轨迹模拟模块和数控程序编制模块， 图2 1t o a u t o c u t 0 1 系统功能模块 如图2 1 所示。 零件识别模块的功能是读取a u t o c a d 排样图，并识别排样图中包含的切割 信息( 切割信息的概念见第三章) ，并把识别出的切割信息存储到系统的数据结 构中。 轨迹规划模块的功能是读取系统数据结构中存储的切割信息，自动进行轨迹 规划，得到切割轨迹，并把切割轨迹存储到系统数据结构中。 轨迹模拟模块的功能是读取系统数据结构中存储的切割轨迹，模拟切割运 行，验证切割轨迹的合理性。 轨迹调整模块的功能是读取系统数据结构中存储的切割轨迹，进行手动局部 调整，并把调整后的切割轨迹存储到系统数据结构中。 数控程序编制模块的功能是读取系统数据结构中存储的切割轨迹，自动转化 天津大学硕士学位论文 第二章t q a u t o c u t o1 系统总体设计 切割轨迹为数控程序代码，并把数控程序以t x t 文件的形式存储到存储设备中， 供切割生产使用。 2 3 2 数据管理 海洋平台的生产数量较少，其结构随工作环境及功能不同而不同，不符合批 量生产的条件，为单件生产。进行不同海洋平台生产时，所需切割的零件完全不 同，因此排样图及切割轨迹也各不相同。根据海洋平台生产这一特点，数控火焰 切割自动编程系统不需要数据库系统对排样图及轨迹规划结果进行管理。排样图 及生成的数控切割程序直接存储在计算机的磁盘中。a u t o c a d 系统具有强大的 信息管理功能，能把各种信息存储于图形中。t q a u t o c u t 一0 1 系统利用a u t o c a d 图形的存储功能及变量共同管理中间数据。a u t o c a d 图形中的每一个图形元素 都是一个对象，通过v b a 命令可以进行操作，但是这些都是通用图形对象，不 足以描述自动编程系统所需的全部信息，本文定义了几种对象类型，来满足本 t q a u t o c u t 0 1 系统的具体要求。自定义的对象类型和属性及公共变量如下。 1 直线形引入线对象 t y p ey i n l i n e o b j y i n l a sa c a d l i n e 直线引线实体 l i n g r o u p a s i n t e g e r 直线引线所属切割组号 i n w i t h p a r t a t o n e p o i n ta sb o o l e a n直线引线是否只有一端与零件相交 p a r t s l n w i t h a t s t a p oa s s t r i n g 与直线引线起点相交的零件 p a r t s l n w i t h a t e n d p oa s s t r i n g 与直线引线终点相交的零件 e n dt y p e 2 圆弧形引入线对象 t y p ey i n a r c o b j y i n a a sa c a d a r c 圆弧引线实体 a r c g r o u p a s i n t e g e r 圆弧引线所属切割组号 i n w i t h p a r t a t o n e p o i n ta sb o o l e a n 圆弧引线是否只有一端与零件相交 p a r t s l n w i t h a t s t a p oa s s t r i n g 与圆弧引线起点相交的零件 p a r t s l n w i t h a t e n d p oa s s t r i n g 与圆弧引线终点相交的零件 e n dt y p e 3 切割零件组对象 t y p ep a r t g r o u p a s s e m b l e r e g i o n a s a c a d r e g i o n 切割零件组实体 天津大学硕士学位论文 第二章t q a u t o c u t 0 1 系统总体设计 g r o u p o r d e r a s i n t e g e r 切割零件组的切割顺序号 g r o u p s t a p ( ot o2 ) a s d o u b l e 切割零件组的切割起始点坐标 c u t l n y i na ss t r i n g 切割零件组的切入引线 c m o m na ss t r i n g 切割零件组的切出引线 p a r t s l n w i t h c u t l n y i na ss t r i n g 与引入线相交的所有零件 i n c l u d e r e ga ss t r i n g 零件组中包含的零件 o r d e r o f r e g i o na ss t r i n g 零件组中零件的切割顺序 o u t g r o u pa si n t e g e r 记录零件组的外部的零件组 l n g r o u pa ss t r i n g 记录零件组的内部的所有零件组 e n dt y p e 4 切割零件对象 t y p er e g i o n r e g g r o u pa si n t e g e r 表示所在零件组 r e g m i n p o i n ta sv a r i a n t 表示面域的最小边界点 r e g m a x p o i n ta sv a r i a n t 表示面域的最大边界点 r e g i n c l u d e l i n n u ma si n t e g e r 表示面域中包含的直线数量 r e g i n c l u d e a r c n u ma si n t e g e r 表示面域中包含的圆弧数量 r e g l n c l u d e c i r n u ma si n t e g e r 表示面域中包含的圆数量 r e g i n c l u d e e l l n u ma si n t e g e r 表示面域中包含的椭圆数量 r e g i n c l u d e p o i n t n u ma si n t e g e r 表示面域中包含的点数量 r e g l n c l u d e l i n 0a sa c a d l i n e 存储面域中包含的各条直线 r e g i n c l u d e l i n s l o p e ( ) a sd o u b l e 表示面域中包含的各条直线的斜率 r e g l n c l u d e a r c 0a sa c a d a r c 存储面域中包含的各条圆弧 r e g l n c l u d e c i r 0a sa c a d c i r c l e 存储面域中包含的各个圆 r e g l n c l u d e e l l ( ) a sa c a d e l l i p s e 存储面域中包含的各个椭圆 r e g l n c l u d e p o i n t ( ) a sa c a d p o i n t 存储面域中包含的各个点 r e g n e e d c u t e n ta ss t r i n g 以字符串形式存储每个面域中包含的 需要切削基本图元 r e g c u t e m o r d e ra ss t r i n g 以字符串形式存储每个面域中按切割 顺序排列的基本图元 e n dt y p e 5 公共变量 p u b l i cy i n x _ l i n ( ) a sy i n l i n e p u b l i cy i n x _ a r c ( ) a sy i n a r c 直线形引入线对象数组 圆弧形引入线对象数组 天津大学硕士学位论文第二章t q a u t o c u t 0 1 系统总体设计 p u b l i co b j r e g i o n 0a sr e g i o n 切割零件对象数组 p u b l i co b j a c r e g i o n 0a sa c a d r e g i o n 切割零件实体数组 p u b l i cp a r t s g r o u p 0a sp a r t g r o u p切割零件对象组数组 系统运行后，公共变量数据清除，释放系统内存。 2 3 3 系统工作流程 不。 针对功能模块的划分，本文设计的t o a u t o c u t 0 1 系统工作流程如图2 - 2 所 委l 图掣 件识 上 导i i 切割零件识别 模l( 堕室) “t 1 引入线识别 r 编制数控程序 切割零件分组 是t否 上 殛 轨 迹 引入线归组 规上 划 组间割顺序确定 是千 槿 蒺 上 多否 组内切割零件 切割顺序确定 切割零件内切割 l轨迹模拟i 轨迹确定 足i佰 佥否一 i 手动调整 l 图2 - 2t o a u t o c u t 0 1 系统工作流程 1 、打开a u t o c a d 排样图后，首先启动零件识别模块，对排样图内包含引入 线( 引入线的含义见第三章) 及零件信息进行识别，为轨迹规划的确定奠定基础。 根据所零件识别的方法( 零件识别的方法详见第三章) ，确定了本模块中的三个 天津大学硕士学位论文第二章t q a u t o c u t - 0 1 系统总体设计 子模块：图形转化子模块、切割零件识别子模块及引入线识别子模块。图形转化 子模块的功能是把图形中的复合图元转化为各个的基本图元( 图元、复合图元及 基本图元的含义见第三章) ，为切割零件( 切割零件的含义见第三章) 及引入线 准确识别做准备。切割零件识别子模块的功能是把表示零件轮廓线的基本图元重 组成表示切割零件的面域对象，完成切割零件的识别。在切割零件的识别过程中， 可能会出现切割零件的过识别及漏识别，对此切割零件识别子模块提供了有效的 处理功能。引入线识别子模块的功能是根据基本图元及识别出的切割零件，识别 出引入线。 2 、为了提高轨迹规划效率，t q a u t o c u t 0 1 系统采用分组切割、分步规划 的轨迹规划方法( 分组切割、分步规划的轨迹规划方法的选择原因、原理及实施 过程将在第四章将详细介绍) ，需先确定切割组，再分步进行轨迹规划。切割组 由通过公共边相连的零件及其引入线组成，作为一个整体参与切割。零件识别模 块运行结束后接着运行轨迹规划模块，根据零件识别模块识别的信息进行轨迹规 划，得到切割轨迹。轨迹规划模块包含五个子模块：切割零件分组子模块、引入 线归组子模块、组间切割顺确定子模块、组内零件切割顺序确定子模块及切割零 件内切割轨迹的确定子模块，五个子模块为串联关系。首先执行切割零件分组子 程序，将零件识别模块识别出的所有切割零件分为若干切割组。接下来引入线归 组子模块把零件识别模块识别出的所有引入线归入到相应的切割组中。然后，切 割组切割顺序子模块确定各个切割组的切割顺序。组间切割顺序确定后，组内零 件切割顺序确定子模块和切割零件内切割轨迹确定子模块依次执行，分别确定组 内零件的切割顺序及切割零件内的切割轨迹。根据确定的组的切割顺序、组内零 件的切割顺序及图元本身的切割顺序和切割方向，连接各个基本图元，得到了初 步的切割轨迹。 3 、得到初步切割轨迹后，可以进行轨迹模拟也可以选择轨迹调整。轨迹模 拟模块的功能是对切割轨迹进行切割模拟，验证切割轨迹的合理性。切割轨迹包 含实际切割轨迹线和割矩空行程线，为了便于区别，分别用不同的颜色表示。对 切割轨迹线与空行程线加以区别：绿色线表示实际切割线，红色线表示割矩空行 程线。模拟后发现轨迹不合理可以手动调整。轨迹调整调整模块的功能是通过人 工干预，分步局部调整不合理的切割轨迹，得到最终的切割轨迹。轨迹调整模块 包含了三个子模块：组间切割顺调整子模块、组内切割零件顺序调整子模块和切 割零件内切割轨迹调整子模块。三个子模块分别实现组间切割顺序、组内切割零 件顺序和切割零件内切割顺序的局部调整。调整完成后也可以选择模拟，再验证 切割轨迹的合理性。 4 、切割轨迹最终确定后，最后执行数控程序编制模块，把规划好的切割轨 天津大学硕士学位论文第二章t q a u t o c u t - 0 1 系统总体设计 迹转化为标准代码的数控切割程序，以供数控火焰切割生产使用。 2 4 本章小结 本章在对t q a u t o c u t 0 1 系统进行了需求分析的基础上，建立了系统的总体 功能框架，介绍了数据结构，确定并阐述了t q a u t o c u t 0 1 系统工作流程和各模 块的功能。 天津大学硕士学位论文 第三章零件图形的识别 第三章零件图形的识别 数控火焰切割的工艺过程是首先移动割炬到打火点打火后停留片刻，待火焰 将钢板烧穿后移动割炬，切割出所需的零件。不断重复上述动作，直至切割出所 有零件。为保证工件质量，打火点位置一般不在零件轮廓上，而是离开工件一段 距离，经过一段线后再进入零件轮廓，这段线称为切割引线或引入线。引入线的 形式一般有直线和圆弧两种。因此排样图中既包含所有零件信息又包含所有引入 线信息。引入线信息及零件信息都是进行切割的必要信息，统称为切割信息。只 有识别出全部切割信息，才能进行切割轨迹规划。本章利用面域管理零件信息， 为保证信息的准确性，需判断生成的面域是否能表示切割信息。这一判断过程需 借助图形布尔运算来完成。本章首先介绍了图形的布尔运算的运算原理及运算规 则，然后讨论如何自动、准确地识别出排样图中所包含的引入线和零件轮廓线， 为进行轨迹规划奠定基础。 3 1二维图形布尔运算 布尔运算是英国的数学家布尔在1 8 4 7 年发明的处理二值之间关系的逻辑数 学计算法【2 9 1 。操作的变量有两个，取值只有0 和1 两种情况，基本运算有“与”、 “或”、“非”三种。其运算规则可用表3 - 1 表示。 “与”运算的运算符为“，运算公式为：a b = l “或”运算的运算符为“+ ”，运算公式为：a + b = l “非 运算的运算符为“! ，运算公式为：! b = l 本文利用布尔运算可以实现图形的交集、并集和差集三种运算，使简单的基 本图形组合产生新的形体。并集运算可以得到两个图形的组合图形；交集运算可 以得到两图形的公共部分；差集可在一个图形中切除另一个图形。 图形布尔运算的操作对象是图形。任何一个图形都是符合一定约束的点的集 合。图形布尔运算实际就是对点集合进行操作，找到符合约束条件的点集，决定 他们的获得状态。 图形布尔运算时，首先用点集合表示输入图形a 和b ，如 a = ( x ，y ，v ) l x l x x 2 ，y l y y 2 ) 天津大学硕士学位论文 第三章零件图形的识别 b = ( x ，y ，v ) l x 3 x x 4 ，y 3 y y 4 ) 其中：x 、y 分别表示点的x 坐标值和y 坐标值 x 1 x x 2 ，y l y y 2 ，x 3 x x 4 ，y 3 y u b o u n d ( o b j r e g i o n ) ? j = j + l 是 1 5 u b o u n d ( o b j r e g i o n ) ? 图4 2 切割零件分组算法实现流程 2 9 天津大学硕士学位论文 第四章切割轨迹规划 步骤2 在切割零件对象数组中顺次提取一个切割零件对象o b j r e g i o n ( i ) 。 若切割零件对象的属性o b j r e g i o n ( i ) a l r e a d y l a y = f a l s e ，则该切割零件还为分组， 可以分组。修改该切割零件的属性值o b j r e g i o n ( i ) a l r e a d y l a y = t r u e ，令 g r o u p n u m = g r o u p n u m + l ，并赋g r o u p n u m 值给属性o b j r e g i o n ( i ) r e g g r o u p 。 若切割零件对象的属性o b j r e g i o n ( i ) a l r e a d y l a y = t r u e ，说明该切割零件已经分 组，提取下一个切割零件对象。 步骤3 提取属性o b j r e g i o n 0 r e g g r o u p = g r o u p n u m 的切割零件对象，与未 分组的所有切割零件比较，搜索所有与提取的切割零件对象共边的切割零件对 象。对搜索得到的未分组切割零件修改属性值一一o b j r e g i o n ( ) r e g g r o u p = g r o u p n