（机械设计及理论专业论文）平面图案的数控加工及其仿真算法的研究与实现.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ! ! ! ! = = = = = ! = = ! ! ! ! ! = = ! ! ! ! = ! = ! ! = = = = ! ! = = ! ! ! = ! ! = = = ! ! ! = 摘要 本文详细描述了平面图案加工集成系统的研究和实现，并且针对该集成系统丌 发过程中所遇到的关键问题以及相关技术展丌了广泛、深入地研究。辱面图案加工 集成系统实现了图像输入，图像分割，轮廓骨架提取，矢量化、加工轨迹生成、编 制数控加工程序和加工仿真等功能。本系统将图像处理与数控加工相结合，弥补目 日口c a d c a m 系统中无法提取图像信息进行加工的缺点。矿 本文包括以下几个方面主要内容： 首先在对整个系统需要的功能做出分析之后，提出了整个系统的结构。将系统 规划为两个部分，图像处理部分和仿真部分。 其次讨论了图像处理部分和仿真部分所涉及的技术。在图像处理部分，着重讨 论了图像分割和细化算法。( 本文的图像分割算法根据系统的要求改进了k - 均值法， 避免了原算法中的迭代，提高了计算效率，同时增强了算法对噪声的抵抗能力，取 得了较好的图像分割效果。本文的细化算法针对数控加工的要求，改进了o p t a 细化 算法偏离图像中心的缺点，减小了加工结果的失真程度。在仿真部分，本文采用离 散矢量方法的思想，利用微分几何的包络理论，建立了多种刀具的精确三轴加工包 络模型。利用该模型进行仿真，既降低了仿真过程的计算复杂程度，又大大简化刀 具运动过程的表达，同时该算法还可以用于误差检测o y 厂 最后根据以上研究成果，丌发了一个平面图案加工集成原型系统，并且给出了 加工实例。f 该系统能够将特定的图案或线条从原始图像中分离出来，按照用户指定 的要求生成轮廓或骨架的加工代码。 一了一 关键词：图像处理，图像分割， 细化，刀位轨迹，数控加工，加工仿真 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e s e a r c ho ft h ep l a n ep a t t e r nm a c h i n i n gi n t e g r a t e ds y s t e m a n di t si m p l e m e n t a t i o na n dt h ek e yp r o b l e m sa b o u tt h es y s t e ma r es t u d i e dd e e p l y t h e p la n ep a t t e r nm a c h i n i n gi n t e g r a t e ds y s t e m r e a l i z e st h e i m a g ei n p u t t i n g ，i m a g e j s e g m e n t a t i o n ，d r a w i n g o u tt h eo u t l i n ea n ds k e l e t o n ，v e c t o r c o n v e r s i o n t o o l p a t h g e n e r a t i o n ，n cp r o g r a mg e n e r a t i o na n dm a c h i n i n gs i m u l a t i o n t h es y s t e mi nt h et h e s i s c o n n e c t so fi m a g ep r o c e s s i n ga n dn c m a c h i n i n ga n ds o l v e st h ep r o b l e mt h a tp r e v a l e n t c a d c a ms y s t e m sc a n n o tm a c h i n e p a t t e r nb y t h ei m a g ei n f o r m a t i o n t h i st h e s i sc o n t a i n st h ef o l l o w i n gp a r t s ： f i r s t l y a f t e rt h ea n a l y z i n gt h ef u n c t i o no f t h es y s t e m ，t h et h e s i sd e s i g n saf r a m e w o r k o l t h es y s t e m a n dt h ef r a m e w o r ki sd i v i d e di n t ot w op a r t s ：t h ei m a g ep r o c e s s i n gp a r t a n dt h em a c h i n i n gs i m u l a t i o np a r t s e c o n d l y , t h et h e s i sd i s c u s s e st h et e c h n i q u e si n v o l v e di nt h es y s t e m i nt h ei m a g e p l o c e s s i n gp a r t ，t h e t h e s i sd i s c u s s e st h ei m a g es e g m e n t a t i o na n dt h e i m a g et h i n n i n g a l g o r i t h m t h ei m a g es e g m e n t a t i o na l g o r i t h mi m p r o v e s t h ek a v e r a g ea l g o r i t h ma n d g e t s ag o o dr e s u l to f i m a g es e g m e n t a t i o n 1 1 1 es e g m e n t a t i o na l g o r i t h ma v o i d st h ei t e r a t i o ni n t h e o r i g i n a la l g o r i t h m a n d s t r e n g t h e n s t h e c a p a b i l i t y o fa n t i n o i s e t h e t h i n n i n g a lg o r i t h mm a k e su pt h e0 p t a t h i n n i n ga l g o r i t h m ss h o r t c o m i n g ，t h a ti s t h es k e l e t o n d e - v i a t i n gt h ea x e so fi m a g e a n dt h et h i n n i n ga l g o r i t h mm o n i s h e st h ed i s t o r t i o no f t h e m a c h i n i n gr e s u l t i nt h es i m u l a t i o np a r t t h es i m u l a t i o na l g o r i t h ma d o p t st h e s c a t t e r v ec t o rm e t h o da n dd i f f e r e n t i a lg e o m e t r y t h e o r y t h ea l g o r i t h mb u i l d st h em a t hm o d e l so f s e v e r a lk i n d so ft o o l st h a ts i m p l i f yt h ee x p r e s s i o no ft o o ls w e p tv o l u m ea n dr e d u c e st h e c o m p u t a t i o n a lc o m p l e x i t y f i n a l l y ，ap r o t o t y p es y s t e mi sc o m p l e t e da n ds o m ep r a c t i c a la p p l i c a t i o ns a m p l e sa r e t a k e nt ov a l i d a t et h es y s t e m t h es y s t e mc a ns e p a r a t et h es p e c i f i e dp a t t e r no rl i n ef r o m t h ：o r i g i n a li m a g ea n dg e n e r a t et h en c c o d eo ft h eb o u n d a r yo rs k e l e t o ns p e c i f i e db y u s e r k e y w o r d s ：i m a g ep r o c e s s i n g ，i m a g es e g m e n t a t i o n ，t h i n n i n g ，t o o l p a t h ，n c m a c h i n i n g ，m a c h i n i n gs i m u l a t i o n i i 华中科技大学硕士学位论文 1 绪言 1 1 c a d c a m 技术发展概述 k 近年来，机械制造业f 经历着一个从大批量到中小批量及单件生产的转变过 程，办即将连续生产同一产品改变为生产批量不同、种类繁多的大量产品，以适应 市场需求的迅速变化的发展的要求。这一转变使得传统的设计与制造方法已经不能 适应当前技术革命迅速发展的形势。计算机辅助设计与制造( c a d c a m ) 技术及数控 技术的迅速发展，f 使传统的机械设计与制造方式发生根本性的变化，引起世界各 国： 业和科研部门的高度重视。特别是现代c n c 机床的普及应用，采用计算机辅助 数控编程，大幅度缩短了产品的制造周期，提高了加工质量，加速了产品的更新换 代，增强了产品的竞争能力。c a d c a m 技术的使用使产品和工程设计、制造的工 作内容和方式发生了根本性的变革，这一技术成为工业发达国家制造业保持竞争优 势、丌拓市场的重要手段。1 9 9 0 年美国国家工程科学院将c a d 技术评为当代十项 最杰出的工程技术成就之一。目酊，c a d 技术同趋成熟，应用日益广泛，有力地 促进了全球高新技术的发展和新产品的更新换代。c a d c a m 技术的发展和应用水 平已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一 2 1 。c a d c a m 技术发展如此迅速与数控加工的以下特点是分不开的 3 1 ： ( 1 ) 加工精度高。尺寸精度一般在o 0 0 5 - 0 1 m m ，不受工件形状复杂程度的影响。 加工中消除了操作者的主观误差，提高了同批零件的一致性，使产品质量稳定。 ( 2 ) 生产效率高。加工过程中省去了划线、多次装夹定位、检测等工序，有效地 提高了生产率。 ( 3 ) 自动化程度高。除了手工装夹外，全部加工过程都由机床自动完成，减轻了 劳动强度，改善了劳动条件。 ( 4 ) 生产准备周期短。采用数字控制可以省去许多专用工夹具、样板和标准样件。 针对现代产品改型频繁、试制周期短等特点，数控机床在这方面具有特殊的优越 性。 ( 5 ) 便于建立通讯网络。数控机床使用数字量信息，容易衔接计算机辅助设计系 统，形成计算机辅助设计和制造紧密结合的一体化系统。 c a d c a m 技术是7 0 年代开始出现并迅速发展起来的计算机应用方面的新兴 华中科技大学硕士学位论文 = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺竺! ! ! = ! ! ! ! 竺! ! 竺! ! 竺竺竺! ! 竺竺! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! = = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 竺! ! = ! ! 竺= = 技术 2 - 8 】。发达国家在c a d c a m 技术方面起步早、发展快，已经将这一技术广泛用 i = 工业生产的各个部门，在国防、航空航天、汽车、造船、模具制造等许多行业都 取得了显著成效，并形成了一个推动各行各业技术进步的、能够创造大量财富的、 具有相当规模的产业部门一系统产业。早期的c a d 系统基于主机类的工作平台， 利用高档计算机，采用图形终端和字符终端并用的用户操作方式，完成对产品的设 计、绘图和辅助制造其典型代表产品有美国的c a d a m 系统，法国的c a t i a 和 英国的d u c t 系统等。随着计算机硬件的技术的发展，各类高档图形工程工作站推 同市场，其价格性能比较主机类有了显著提高，随之c a d c a m 系统也发展为以工 程工作站为主流平台的独立系统，其代表性产品有e d s 的u g i i ，p t c 公司的 p r o e n g i n e e r ，c v 公司的c a d d s 5 等。工作站发展的同时，个人计算机也得到了突 飞猛进的发展。目前，高档的微机在系统配置，计算速度和操作系统方面都在逐步 f 工程工作站逼近。因此，以微机为平台的c a d c a m 系统也在不断推陈出新，如 s o l i d w o r k s 及a u t o d e s k 公司最新推出的m d t 等都是其中的杰出代表。 我国自七十年代起，也逐步开展了c a d c a m 技术的研究，经过近3 0 年的努 力，已在硬件系统、支撑系统、应用系统等方面取得了较大成就，特别是微机硬件 c a d c a m 技术在我国许多行业，如机械、汽车、造船、航空航天、模具等方面得 到了广泛的推广和应用。各研究单位和院校通过与企业合作的方式，在c a d c a m ：亨面进行研究和开发应用，并取得了阶段性的成绩。产生了一批有影响力的产品， 如i n t e s o l i d ，c a x a ，m d a 等。但是，从整体上来看，我国c a d c a m 技术在基础研 究和商品化方面同国际先进水平仍存在较大差距。特别是近年来出现的一些新技术， 如特征造型、参数化驱动和面向对象技术的全面应用等，在我国还都处于初期研究 阶段，仍有大量的工作要做。 目前流行的c a d c a m 商用系统系统，在c a d 部分大多具有友好的图形用户 界面，方便灵活的曲面造型和实体造型功能，栩栩如生的真实感显示，使设计人员 在设计完成后就能预先看到产品的实体模型，缩短了产品的研制周期，提高了开发 新产品的成功率。在c a m 部分，系统能按用户给定的精度自动产生加工工艺和数 控加工刀具轨迹，动态模拟加工过程，自动检测刀具的干涉和碰撞等，不仅提高了 零件加工的精度和可靠性，缩短了加工周期，还使得原来需要实物制作、试用后才 能验证的问题，现在可以从动态仿真系统中得到检验，增加了数控机床的利用率， 降低了零件加工的材料消耗，最终导致产品制作成本的降低。 华中科技大学硕士学位论文 c a d c a m 技术的发展，深刻地改变了人们设计和制造各种产品的常规方法。 同时，市场环境、设计环境、制造环境的变化，又推动了c a d c a m 技术的发展。 从7 0 年代丌始出现并迅速发展起来的集成化的c a d c a m 系统有效地解决了几何 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，从而推动了c a d 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( c i m s ) 的概念i 。 目前，国内外对c i m s 的近期目标看法不一，但一致公认c a d c a m 技术是 c i m s 的基础研究内容，而c a m 的一个重要组成部分则是数控编程系统。为了适应 c i m s 和c a d c a m 一体化技术的发展需要，数控编程系统出现了向集成化和智能 化方向发展的趋势卜。 1 、数控编程系统的集成化 数控编程系统的集成化指的是数控编程在c a d c a p p c a m 系统中的集成。目 前，在c a d c a m 系统中，比较先进且应用较为广泛的集成方法有以下两种： ( 1 ) 通信连接式 典型的是i g e s ( i n i t i a lg r a p h i c se x c h a n g es p e c i f i c a t i o n ) 标准的数据通信格式实 现数控编程系统与c a d 系统( 或其它系统) 之间的连接。 ( 2 ) 数据库式 这种集成方法的指导思想是通过建立一个公用数据库( 或几个分布式数据库1 对 设计、制造及生产管理过程中的各种信息进行统一的管理，各部分只与数据库相连。 因此数据库不但是共同的信息源，也是公共接口。 目j u ，应用较为广泛的数据库集成方法是以实体造型几何数据库为核心的集成 方法。该方法通过人机交互指点方法，从c a d 数据库中提取所需要的几何信息及 拓扑信息进行数控编程。这种方式的缺点是人的干预过多，编程效率不高。但它比 较成熟，使用灵活，在新的产品定义方法实用化以前仍是不可缺少的方法。 目| j 仍处于研究和开发之中的以产品模型数据库为核心的集成化方法越来越 受到人们的关注。产品模型中包括了产品的完备信息，如形状信息、物理性质、工 艺数据和管理信息等，因此是一种很有前途的c a d c a m 集成化方法。但产品模型 的建立要采用新一代的特征造型技术，技术难度和工作量都比较大。鉴于这种情况， 国际标准化组织( i s o ) n 定了产品数据模型p d m 标准及s t e p 标准，以便使引用此 方法集成的系统之间能互相通信。这些标准的出现为采用以产品模型数据库为核心 华中科技大学硕士学位论文 ：! ! = ! 皇! ! ! ! ! = 詈! ! 竺! ! ! ! ! ! = 竺竺! = = = ! = ! = ! ! ! = ! ! = 竺= ! = ! ! ! ! ! ! 竺! ! ! = ! ! = = ! ! 葛! ! 竺! = 竺竺= 2 的c a d c a m 一体化系统带来了广阔的前景。 2 、数控编程系统的智能化 数控编程系统的智能化是指将人的知识加入集成化的c a d c a m 系统中，并将 人的判断及决策交给机器来完成。因此，必须采用人工智能方法建立各类知识库专 家系统，把人的决策作用变为各种问题的求解过程。 集成化与智能化是数控编程的发展方向，前者已有许多研究成果，后者则尚需 研究者们今后去丌拓与努力。 目6 u ，我国应用较为广泛的集成化c a d c a m 系统有：c a d a m 、c a t i a 、 e u c l i d 、u g1 1 、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 rc a m 及n p u g n c p 等， 这些系统的n c 编程功能比较强，且各有特色。 1 2 数控加工仿真技术及研究概况 数控机床从它诞生一开始，就一直存在数控程序的编制问题。5 0 年代，m i t 设 计的a p t 数控加工编程语言，很大地方便了用户，但仍存在一定的问题，它缺乏对 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。随着计算机软 硬件技术的发展，出现了集成化c a d c a m 数控编程系统。 无论是a p t 语言，还是集成化c a d c a m 系统，在数控编程的过程中，都可能发 ，芏错误，比如： ( 1 ) 语法错误：由于不同的数控机床对数控程序的的格式规定不一样，稍微的疏 忽就会产生类似于高级语言编译时可能遇到的各种词法或语法错误，从而导致程序 ：j 己法执行。 ( 2 ) 刀位轨迹错误及优化问题：一般来说，对简单的三坐标以下的数控加工编程， 这种问题极少产生，然而，随着加工编程的复杂化，n c 代码出错的概率也越来越高； 另一方面，在n c 程序中存在的过多的非切削运动，使得其优化问题也变得更加突出。 ( 3 ) 碰撞问题：数控机床是根据n c 程序来驱动机床各运动部件动作从而完成对 零件的数控加工任务的，显然，如果刀具轨迹未正确定义，在刀具和零件之间就可 能存在碰撞，然而，即使刀具轨迹没有错误，由于在编程中极少考虑加工环境，因 此，有时候在刀具和夹具、刀具和机床运动部件之间也可能存在干涉和碰撞现象。 ( 4 ) 加工参数错误设置问题：由于数控加工编程系统主要考虑的是几何参数的计 4 华中科技大学硕士学位论文 算，部分能解决工艺过程最佳化问题，因而，所产生的数控程序往往就存在错误的 切削速度、进刀速度和冷却控制等，传统的纠f 方法是编程人员根据经验或试验， 然后手工编辑修改。 这些编程人员在事先往往很难预料。如果用试切的方法检查这些隐藏在加工代 码的错误花费的时间长，发生碰撞可能会损坏设备。因此需要提供对刀位进行验 证的必要手段l 。这样使数控仿真技术成为c a d c a m 系统的一个必须的组成部 分。 在实际加工中，往往使用很软的材料安装在机床上，用加工代码走一遍，可以 从整个加工过程中检查并发现问题，从而及时返回对代码进行修改和调整，然后再 如此多次反复试切，直到成功为止。对加工过程进行仿真，则是利用计算机图形学 的手段，在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削的过程 中可能遇到的问题，并反复调试修改刀位轨迹，直到得到满意的结果。 n c 加工仿真与在机床上试切相比存在以下几个优点8 ： ( 1 ) 由于直接在计算机上进行加工模拟，不使用机床，因此可以免去机床损毁造 成重大损失的危险。实际进行试切操作时，一旦加工过程发生碰撞，有可能破坏昂 贵的数控设备，而在图形显示屏幕上进行仿真，没有这种危险存在，操作者可以通 过观察，从而及早发现问题。 ( 2 ) 在时间方面可以大大缩短周期。仿真模拟利用计算机图形学的手段，在计算 机处理计算的速度和图形显示速度的保证下，对加工全过程进行观察所用的时间大 大短于实际试切所用的时间。例如，一个飞机引擎零件在加工中需要的n c 代码的长 度超过4 0 英罩的磁带长度，这些n c 代码的验证一次就需要1 2 5 小时。 ( 3 ) 仿真模拟时，由于毛坯的切削只能从头开始，顺序往后进行，往往不可能直 接从某个加工的中间位置开始进行，而采用图形仿真方式，则可以对关键加工位置 进行多次局部的加工模拟观察，并且可以选择各种观察方向和位置，有些观察位置， 一 在实际机床上试切时是不可能到达的。 ( 4 ) 在计算机上进行刀位轨迹的修改方便。发现问题后可马上返回修改加工代码， 反复调试，使用方便。 由于仿真模拟的上述优点，数控加工仿真已成为集成化c a d c a m 的一个不可缺 少的组成部分。本章介绍了数控加工过程仿真的原理，分析了各种仿真方法的优缺 点，在此基础上提出了实体仿真的仿真方式，并结合课题，对数控加工仿真技术进 华中科技大学硕士学位论文 ? 丁了研究。 目前有关数控加工仿真技术的研究丌展了很多【 “，根据n c 代码产生与否将 乓分成二类，一类是基于后置处理前的信息所进行的仿真：另一类则是根据后置处 ：理产生的n c 程序所进行的仿真。 i 后置处理前的仿真 这类研究发展的比较早，其主要目的是检验刀具轨迹的正确性，从而保证零件 的加工质量。k a w a b e 等人最早采用这种方法获取刀具的加工线框图以检验刀具轨 ，垃。由于这种仿真既可以在编程中进行，也可以根据所产生的刀位数据文件进行， 且易于实现，因而己被绝大多数商品化的c a d c a m 系统所采用，如s d r c 公司的 。d e a sg n c 系统，麦道公司的u gi i 系统和法国的c a t i a 系统也都能以二维或三维 图形为基础进行数控自动编程和刀具轨迹仿真检验。 尽管如此，为了将时问复杂性和空间复杂性降到最小，进一步提高仿真精度， ：恪问题又细分为n c 几何验证和n c 仿真两部分。n c 几何验证关心的是刀位数据对零 件加工精度的影响，、c 仿真则重点在毛坯成型过程中余量的切削过程，并针对雕塑 抽面的零件提出了n c 几何验证的算法，计算结果采用不同颜色输出以表示零件的过 刃和欠切。 2 基于n c 程序的数控加工仿真 研究的目的可以概括为四个方面：n c 程序的正确性的检验和优化、操作工的培、 物理仿真和碰撞检验。 由于驱动数控机床运动的是n c 代码指令，因此基于数控程序驱动的加工仿真 ：e 后置处理前的仿真更接近实际。然而，不同的数控机床其n c 程序的格式也不尽一 样，加之考虑了加工环境，增加了仿真的难度。传统的方法是采用半实物仿真，即 ：生机床上实际运行n c 程序，通过切削木材、蜡、塑料或其它材料来检验，有时候甚 j 至需要试切好几次才能进行实际加工，显然，这是一种烦人而又费时的方法。 随着实体建模技术的引入，基于n c 程序的数控加工仿真也得到了迅速发展。 ：芏德国，t h o m a s 和n o r b e r t 丌发了一个称之为c o s i m a 的系统，该系统通过交互建 立加工中心、刀具和夹具和零件的实体模型，并对由e x p a p t 产生的n c 程序进行仿 = 萋，可以辩识d e c k e ld c g o 加工中心程序中大部分几何图形错误，从而大大缩短了 在该设备上装机调试时间。美国i n g e r s o l l 机床公司则通过建立机床的仿真模型， 在高分辨率的图形终端上培训机床操作工，避免了设备事故，且使培训时间减少了 6 华中科技大学硕士学位论文 一半。k o l l u r i 等人则在微机上进行了尝试，并以c a d - p a c k 和s m a r t c a m 为基础建 立了一个用于数控立铣的仿真系统。1 9 9 3 年，日本t a k a t a 在c i r p 年会上提出了加 工场景的概念，从而将以实体造型为基础的几何仿真同考虑加工参数的物理仿真统 一起来，并应用于已有的数控加工仿真系统，这样，该系统不仅能检验数控铣削程 序的正确性，而且根据仿真结果能优化切削条件，实现故障的监控和诊断，从而保 证有效和可靠的数控加工。 1 3 平面图案的加工 近年来在许多生活用品和工艺品的生产过程中，需要在产品上加上各种式样的 图案。但是传统的印刷方式只能在表面留有一层图案，容易磨损、脱落、丌裂。需 要在制造模具时将图案加入，使得产品本身带有图案或填充其它材料的凹槽。这就 需要c a m 系统生成这些图案的加工轨迹。 在目前流行c a d c a m 系统中，c a m 加工所需轨迹，是根据c a d 系统造型生成的 几何信息产生的。所有的刀具轨迹的生成都依赖零件完备的几何信息。如果要加工 平面图案，那么只有先得到图案的矢量表达，才能计算出加工轨迹。对于大部分平 面图案的加工，最初生成的是图像文件，大部分目前流行的c a d c a m 系统无法从中 得到生成加工轨迹所需的信息。目前的一些光栅矢量化系统，如：r x 和v p 等，也 只能矢量化二值图像，对于复杂的彩色图像也无法直接下手。所以为了能够使现有 c a d c a m 系统生成实现加工平面图案的加工代码，需要对图像进行处理，提取相应 的几何信息，或者由人工重新将图案在c a d 系统中生成。对于不同的加工目的，需 要从图像中提出的几何信息是不一样的，故所需图像处理的技术手段也不一样。比 如d e c a m 公司的a r t c a m 可以将经过特殊处理的图像中的二维颜色信息转化为三维 曲面信息，重构加工对象的表面。要对于实现加工图像轮廓或骨架，就需要其它的 图像处理手段。现有c a d c a m 系统通常不包含图像处理模块，而图像处理系统又无 法与c a d c a m 建立直接联系。当遇到加工图像文件中的图案时，往往需要人工重新 绘制矢量图案或者造型。使得有必要开发一种将图像处理和数控加工相结合的系统， 用来解决平面图案加工的问题。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 课题的目的和意义 本文结合作者参与平面图案模板加工系统开发的工作而展开。该系统的目的是 用于生成仿大理石瓷砖表面图案模板的加工代码，以满足瓷砖制造的大批量、多品 种、周期短的要求。在陶瓷行业的生产过程中，仿天然大理石的地砖生产规模越来 越大，通常图案是印制在地砖表面，使用时f b j 一长砖面易损毁。为解决这一问题， 我们采用二次布料技术，将各种颜色的原料按照天然大理石图案加入地砖中，使地 砖中图案的厚度加大。模板用来控制各种颜料的布放范围。系统要求最终生成数控 机床所需的数控代码，能在各种数控机床上进行加工并且能够对加工代码进行仿真。 有下列功能要求： ( 1 ) 对输入图像能够进行处理得到图像的轮廓或骨架。并且保证算法具有一定的 通用性 ( 2 ) 提供中间处理结果的输出和输入。可以输出为位图格式，能够在更强大的图 像编辑环境中处理，方便用户对中间结果的利用。 ( 3 ) 提供轮廓或骨架的编辑功能。对于小规模的修改，用户可以在集成环境中完 成。 ( 4 ) 加工信息提取及n c 代码的生成。 ( 5 ) 加工过程动态仿真。可以提供坯料切削过程动态仿真对加工代码进行验证 通过以上功能的实现，将系统的适用范围扩大，使系统不仅仅停留在加工瓷砖 图案模板的阶段，而成为一个以图像为处理对象的平面图案加工系统。 5 本文所做的工作 本文结合平面图按模板加工软件的工作，主要开展了以下几方面的工作： ( 1 ) 对国内外的c a d c a m 系统和数控加工仿真技术的发展概况作了一定的总 结 ( 2 ) 在分析系统应有功能的基础上，给出了系统的框架结构和各模块的功能。 ( 3 ) 针对系统的要求提出图像处理部分的几种主要算法，其中着重于图像分割和 纽化算法。图像分割算法在k 一均值法的基础上进行了改进，将一定区域内的灰度平 华中科技大学硕士学位论文 均值代替某像素的灰度值参加分割，代替用迭代方法求分割阈值，在加强了效率的 同时增强了对噪声的抵抗，取得了较好的图像分割效果。细化算法对o p t a 算法进 行了改进，将迭代去除边界点方法与o p t a 相结合，使细化结果能够严格满足骨架 居中性的要求。 ( 4 ) 本文对数控三轴的加工仿真的理论和实现方法作了较为详尽的叙述。针对离 散矢量方法，提出多种刀具三轴加工包络的数学模型，将这种高度抽象的曲面模型 归结为基于数学表达统一的表示。简化了刀具运动过程的的表达和计算量。同时该 算法也可用于误差检测，拓宽了算法的应用范围。 ( j ) 对全文进行了总结，并提出了进一步的设想。 华中科技大学硕士学位论文 2 平面图案加工系统的总体设计 2 1 引言 该系统在瓷砖图案模板加工系统的基础上扩展而来。该系统在v c 6 0 上丌发， 用于实现平面图案的数控加工。系统要求最终生成数控机床所需的数控代码，并能 驱动机床进行加工。 2 2 系统功能 该系统的研究目标是实现由单幅图像生成加工轨迹的自动化，满足制造的小批 量、多品种、周期短的要求。系统最终要求是根据设计员所设计或从拍摄图片中的 图像，生成数控机床所需的数控代码，并能驱动机床进行加工。结合生产的实际情 况，我们认为本系统应该具有如下功能： ( 1 ) 图像输入：输入的图像可以是设计师自己设计、绘制的图像，也可以是一幅 真彩色照片，或者是经过设计师处理过的照片。 ( 2 ) 预处理：对图像进行预处理，去除噪声和增强图像。通过对图像中点、线、 块的若干局部修改操作和噪声消除与区域平滑等自动匹配操作，能够很好地增强与 复原图像。同时用户还可以利用系统提供的绘图工具，对图像进行交互式的处理。 ( 3 ) 轮廓或骨架提取：加工的内容与图像中的背景混杂在一起，对于感兴趣的色 块，线条。系统必须能够提取出来，供生成刀具轨迹用。 ( 4 ) 建立简单的位图编辑器：能够对提取出的待加工内容进行简单的修补 ( 5 ) 刀轨的自动生成模块：根据代加工的内容自动生成标准的刀位轨迹文件格式 输出。 ( 6 ) 加工过程动态仿真：提供一个刀位轨迹显示及加工过程动态仿真管理器。包 括刀位轨迹的静态显示、坯料切削过程仿真。其中坯料切削过程仿真包括切削速度 的控制、暂停控制等功能。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 2 3 系统结构 系统以面向对象技术为核心，由图像输入模块、图像处理模块、编辑模块、轮 廓或骨架提取模块、矢量化模块、刀位轨迹自动生成和数控代码文件输出模块、加 工过程动态仿真模块组成。 系统的总体框图如图2 1 所示。首先对载入的图像进行预处理，去除图像噪声， 增强图像，用图像处理的手段处理提取图像的轮廓和骨架，得到轮廓和骨架后，将 其矢量化，根据矢量的得到加工轨迹，最后生成加工代码同时可以对加工代码进行 仿真。 这里我们将系统分为两个部分，第一个部分为图像处理部分，第二个部分为 仿真部分。 l jl 图像处理部分 图2 1 系统总体框架 仿真部分 华中科技大学硕士学位论文 2 4 重要模块的技术应用 24 1 图像预处理模块和轮廓骨架提取模块 图像处理模块综合应用图像处理技术对输入图像进行初步处理，使后续模块所 处理数据更加简单。图像技术在广义上是各种与图像有关技术的总称。图像技术种 类很多，跨度很大，但可以将他们归在图像工程的整体框架下。图像工程是一个 对整个图像领域的进行研究应用的新学科，它的内容非常丰富，根据抽象程度和研 究方法等的不同可分为三个各有特点的层次：图像处理，图像分析，图像理解。 操 作 对 象 符号 目标 像素 图2 2 图像工程的层次结构 参数测试 i 目标表达 图象分割 图像处理着重强调在图像之间进行变换，以改善图像的视觉效果。图像分析则 主要是对图像中感兴趣的目标进行检测和测量，以获取它们的客观信息从而建立对 图像的描述。图像理解的重点是在图像分析的基础上，进一步研究图像中各目标的 性质和它们之间的相互联系，并得出对原始成像客观场景的解释，从而指导和规划 行动。 图像处理、图像分析和图像理解具有不同的操作对象。图像处理是比较低层的 操作，它主要在图像像素级上进行处理。图像分析则进入了中层，它侧重于对像素 集合目标的表达测量描述。图像理解主要是高层操作，基本上是对从描述中抽象 出来的数据符号进行运算推理。本文所涉及的图像技术主要是前两层：图像处理、 图像分析。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 在对图像的研究和应用中，人们往往仅对图像中的某些部分感兴趣。这些部分 常称为目标或前景( 其它部分称为背景) ，它们一般对应图像中特定的、具有独特性 质的区域。为了辨识和分析目标，需要将它们分离提取出来，在此基础上才有可能 对目标进一步利用。图像分割就是指把图像分成各具特性的区域并提取出感兴趣目 标的技术和过程。这早的特性可以是像素的灰度、颜色、纹理等，预先定义的目标 可以对应单个区域，也可以对应多个区域。 图像分割是由图像处理的进到图像分析的关键步骤，在图像工程中占有重要的 地位。一方面，它是目标表达的基础，对特征测量有重要影响。另一方面，因为图 像分割及其基于分割的目标表达、特征提取和参数测量等将原始图像转化为更抽象 更紧凑的形式，使得更高层的图像分析和理解成为可能。本文的轮廓提取就是运用 这种技术。 242 矢量化模块 矢量化模块将轮廓和骨架提取后的图像信息转化为图形信息，使无序的像素点 组成可供刀轨生成模块的使用的线段。矢量化技术在工程图管理、地理信息系统中 有着大量的运用，属于图像技术的中的第二个层次图像分析中的目标表达。矢量化 处理是图形自动输入和理解技术的关键所在【1 “”j 。它将离散的像素点集合用直线 段，曲线段，多边形，或者多边形区域等几何元素代替，使像素点之间的位置关系 通过这些几何元素表达出来。这些几何元素都以自身的方程来表达，显示时只要重 新计算出像素点的位置就可以了。由于几何元素的数学表达中各个参数可以方便的 变更，对参数的修改可以直接影响整个几何元素的几何状态。所以用矢量图可以使 相同图像中的信息所需要的存储容量变小而且更容易被理解和便于修改。 在矢量化的应用中，大量的矢量化的对象是各种线段，而且要求矢量化后的结 果带有宽度信息。这就要求在目标表达之后对目标参数进行测试。实际的工程应用 中矢量化技术往往伴随着图像技术的其它多种方法联合使用，才能够取得比较好的 效果。在工程应用中矢量化的结果往往被用来识别字符以及用于保存原有图纸，即 作为图像理解的基础。本文并不涉及图像的理解，但是根据程序结构图，矢量化后 将进行刀位轨迹的规划，其中需要宽度信息参与规划( 即矢量化以后的结果被用于 参数测试) ，所以矢量化的质量直接影响加工轨迹规划的结果。 华中科技大学硕士学位论文 = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! = ! ! ! ! = = ! ! = ! = = ! ! ! ! ! = = = = = ! ! ! ! = ! = ! = = = = = ! = ! ! ! ! ! = 2 4 3 加工仿真模块 加工仿真模块所表现的是在加工过程中刀具的位置改变和毛坯的材料去除过 程。加工仿真的算法有很多种，比如空间分割方法1 2 。2 3 1 ，实体造型方法f 2 4 2 5 】，离散 矢量求交方法【” 2 。这些方法都将仿真的计算分成三个部分：第一部分刀具的表达， 这一部分包括刀具运动的表达，和刀具本身的表达。第二部分毛坯的表达，这一部 分用于决定毛坯在仿真中如何被改变。第三部分毛坯的改变计算，这一部分决定毛 坯改变的结果。 第一部分刀具的表达根据方法的不同可以分为空间表达方法，实体表达方法和 数学解析方法表达，空间表达方法将刀具或者刀具运动过程在空间所占据的位置， 用数据结构表达出来。通常使用小立方体单元来表达刀具占据的空间，常用八叉树 柬表达，用于空间分割方法。数学解析表达方法将刀具及其运动过程占据的空间用 参数方程或者隐式方程表达出来【2 ，用于离散矢量方法。实体表达方法使用b - r e p 表达或者c g s 表达，常用于实体造型方法。 第二部分毛坯的表达方法也分为空问分割表达方法和实体表达方法。空间在这 争分为实空间和像空间分割，实空间分割同前面一样常用小立方体单元组成的八叉 树来表达。像空间分割把屏幕按照某种精度离散，将通过离散点沿视线方向的射线 作为离散矢量。实体表达方法将毛坯用几何体来表达。 第三部分毛坯改变的计算根据刀具和毛坯的数据表达，可以分为布尔运算和线 轰与面的求交运算。当刀具和毛坯采用实空间的划分表达或者实体表达时，采用实 体问的布尔运算来计算。当毛坯采用像空间离散矢量表达时，则采用线段与面求交 方法计算。 加工仿真计算中，使用布尔运算时一般是利用成熟的三维几何造型函数库来完 戎计算工作，才能够保证计算的稳定。本文中我们采用离散矢量方法，使用微分几 何思想来建立刀具运动的数学表达作为本文中仿真的理论基础。 2 5 系统的数据结构及说明 针对系统的功能要求，我们建立了如下的数据结构 根据读取图像文件的要求建立c d i b 类 1 4 华中科技大学硕士学位论文 c l a s sc d i b p u b l i c ： l p b y t e r r l l p l m a g e ；d i b 信息的起始地址 p u b l i c ： c d i b 0 ； c d i b ( c s i z es i z e i n tn b i t c o u n t ) ；建立b i t m a p i n f o h e a d e r - c d i b ( ) ； i n tg e t s i z e l m a g e 0 r e t u r nm d w s i z e i m a g e ；) 返回图像数据大小 c s i z eg e t d i m e n s i o n s o ；返回图像长宽 b o o lr e a d ( c f i l e + p f i l e ) ；读文件 b o o l w r i t e ( c f i l e + p f i l e ) ； ；写文件 ) 对于可以用来编辑的像素点p o i n t 类 c l a s sp o i n t p u b l i c ： i n t r e d ； i n tg r e e n ； i n tb l u e ； i n t x ： i n ty p o i m + n e x t p o i n t ； p o i n t + p r e p o i n t ； p o i n to p e r a t o r = ( p o i n tc ) ； 用于边界跟踪的八叉树节点类 c l a s sm o d u l e p o i n t ：p u b l i cp o i n t 15 华中科技大学硕士学位论文 p u b l i c ： m o d u l e p o i n t + p r e p a r a l l e l p o i n t ；广度优先搜索中前一个搜索点 m o d u l e p o i n t + n e x t p a r a l l e l p o i n t ；广度优先搜索中后一个搜索点 m o d u l e p o i n t + p r e m o d u l e p o i n t ；) l 叉树结构中上级叶子节点 m o d u l e p o i m + l e f t t o p p o i n t ；当前节点的左上叶子节点 m o d u l e p o i n l + t o p p o i m ；当前节点的正上叶子节点 m o d u l e p o i n t + r i g h t t o p p o i n t ；当前节点的右上叶子节点 m o d u l e p o i n t + r i g h t p o i n