数控转塔冲床cadcam系统关键技术研究与开发

1、Ab s t r a c tT h i sp a p e rm a i n l ys t u d i e st h ea u t o m a t i o ne x t r a c t i o nm e t h o do f2 Dp r m a r ye l e m e n t Sa n dt h eN Cp r o g r a m m i n gs y s t e mu s e di np u n c h i n gp r o c e s so ns t e e lp l a t e T h es v S t e mi sb a s e do nV i s u a lC + + ，a n du

2、 s e dV i s u a lC + + t h et o o la n dt h eO p e n G Lt e c h n o I o g y , a l s or e a l i z e dt h ef u n c t i o no fA u t o C A Dd r a w i n ga n dc a nb ee x t r a c t e da u t o m a t i c a l l y , s u c ha sh o l e s e r i e s M e a n w h i l e ，o nt h eb a s i so fe l e m e n t se x t r a

3、 c t i o nt h a tc a nb eu s e dt Oo b t a i nt h eN Cp r o c e s sp r o g r a m s S ot h a tt h er e l i a b i l i t ya n da c c u r a c yo ft h ed a t ac a nb ee n s u r e d ，a n dt h ep r o g r a m m i n ge f f i c i e n c yc a nb ei m p r o v e da sw e l l A 船rp r a c t i c i n g ，i ti ss h o w

4、nt h a tt h es y s t e mi sa v a i l a b l ef o re n g i n e e r i n gp r a c t i c eK e y w o r d s ：P u n c hC N C ；C A D C A M ；2 Dp r i m a r yE l e m e n t sE x t r a c t i o n ；N CP r o g r a m m i n g ：I I同济大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已

5、公开发表或者没有公开发表的作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。学位论文作者签名：卅年 莎f 日学位论文版权使用授权书本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前提下，学校可以适当复制论文的部分或全

6、部内容用于学术活动。学位论文作者签名：叫年f 月f 日第一章绪论第一章绪论数控技术足用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术；是制造业实现自动化、柔性化、集成化生产的基础；是提高产品质量、提高劳动生产率必不可少的物质手段；是国防现代化的重要战略物质；是关系到国家战略地位和体现国家综合困力水平的重要基础性产业。当今世界各困制造j l E 广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。大力发展以数控技术为核心的先进制造技术己成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地位的重要途径。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物资，刁 仅

7、采取晕大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高、精、尖”数控关键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。根据国民经济发展和国家重点建设工程的具体需求，设计制造“高、精、尖”重大数控装备，打破国外封锁，掌握数控装备关键技术，创出中国数控机床品牌，提高市场占有率是全而提升我国基础制造装备的核心竞争力的关键所在。1 1 数控系统发展概况及趋势1 1 1 数控技术的发展数控技术是现代制造技术的基础，它综合了计算机、自动控制、电气传动、测量技术、机械制造等多项技术，成为二十世纪以来逐步发展起来的机床控制新技术，是一门交叉学科。数控技术的| j i f2 0 年属于N C ( N u m e r i

8、 c a lC o n t r 0 1 ) 阶段，称为硬件数控。这是一种布线编程的数控装置，片j 任务专一的硬件来实现数控功能，其优点是执行某一特定功能直接迅速，但一旦设计完成，其工作模式和功能就不能随意改变。自7 0 年代开始，微处理器的出现推动了硬件数控向计算机数控迈进，布线程序控制器被可编程程序存储控制器所取代。这种以小型和微型计算机系统为核心装置的数字控制系统就称为C N C ( 计算机数控) 装置。C N C 装置习惯上又称作软件数控，它的全部或大多数功能由软件来实现。数控功能的变更可通过重新编写软件程序来完成，这与硬件数控相比有了很大的灵活性和可扩展性。在这一技术基础上发展起来的数

9、控系统，零件加工程序的录入可由键虢、串行口或纸带机等来实现：根据需要可由L E D 数码管、L C D 液晶、C R T , T F T 超薄型彩色液晶显第。节绪论示器等来显示系统的有关信息( 如位置、机床状态、图形、程序等) ；能对2 轴一5 轴甚至更多的轴进彳J ：插补控制：插补速度和精度也越米越高( O 0 0 1 m m 精度下，进给速度3 0 m m i n ) ；能对包括车床、钻床、铣床、磨床、车削中心、钻削中心在内的各类通用机械、专用机械进行运动和逻辑控制( 如刀库控制、丰轴控制、冷却控制、润滑控制等) ，叮以提供满足各类机床需要的各种固定循环控制功能和机床调试手段，简化了编程和

10、操作，并降低了对数控机床操作者的素质要求。另一方而，大规模集成电路S M T 表而贴装等技术的应用，也使整机体积缩小、可靠性提高，同时数控系统的大规模生产和应用以及元器件价格的下降，都使数控系统的价格大幅度卜降。所有这些都使数控系统达到般企业能接受的程度，从而形成了数控系统开发、生产、应用、服务的完整体系，相应地涌现出了一批著名的数控系统生产厂家和 牌，其中以S I E M E N S ，F A N U C 等公司的产品为代表。1 1 。2 国内外数控技术发展概况随着计算机技术的高速发展，传统的制造业发生了根本性变革，各工业发达国家投入巨资，对现代制造技术进行研发，提出了全新的制造模式。在现代

11、制造系统中，数控技术是关键技术，它集微电子、计算机、信息处理、自动检测、自动控制等高新技术于一体，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。目前，数控技术F 在发生根本性变革，由专用型封闭式开环控制模式向通用型开放式实时动态仝闭环控制模式发展。在集成化基础上，数控系统实现了超溥型、超小型化；在智能化基础上，综合了计算机、多媒体、模糊控制、神经网络等多学科技术，数控系统实现了高速、高精、高效控制，加1 ：过程中可以自动修正、调节与补偿各项参数，实现了在线诊断和智能化故障处理：在网络化基础上，C A D C A M 与数控系统集成为一体，机床联

12、网，实现了中央集巾控制的群控加工n 1 。长期以来，我圈的数控系统为传统的封闭式体系结构，C N C 只能作为非智能的机床运动控制器，加工过程变量根据经验以固定参数形式事先设定，加工程序在实际加工前用手工方式或通过C A D C A M 及自动编程系统进行编制“1 。C A D C A M 和C N C 之间没有反馈控制环节，整个制造过程中C N C 只是一个封闭式的开环执行机构。在复杂环境以及多变条件下，加工过程巾的刀具组合、工件材料、主轴转速、进给速率、刀具轨迹、切削深度、步K 、加工余量等加工参数，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整，更无法通过反馈控制环节随机修正C A

13、D C A M 中的设定量，因而影响C N C 的工作效率和产品加工质量。由此可见，传统C N C 系统的这种同定程序控制模式和封闭式体系结构，限第一章绪论制了C N C 向多变量智能化控制发展，已经不适应只益复杂的制造过程，凶此，对数控技术实行变革势在必行。1 1 3 数控技术的发展趋势随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统的设计发生了根本性的变化，从分离元件、中小规模继承的电路设计，经过基于微处理器芯片和微处理器模板的封闭型、嵌入式设计，发展到今天的基于微计算机技术的开放型、嵌入式设计。利用P C 机作平台，充分利用P C 机的软硬件资源，己经成为当今工业控制系统的发展趋势。目前，数控

14、系统正朝着高速、高精度、高效化，开放式、智能化，网络化方向发展。现代制造技术对数控技术提出了更高的要求，下面详细介绍数控技术发展的几个方向：1 高速、高精度、高效、高可靠性要提高加工效率，首先必须提高切削速度和进给速度，还要缩短加工时间。要确保加工质量，必须提高机床部件运动轨迹的精度，而高可靠性则是卜述目标的基本保证。2 开放性开放式数控系统是近年来数控系统研究热点，如美国的O M A C 计划，日本的O S E C 计划，欧体的O S A C A 计划。这些研究的目的就是充分利用P C 所具有的开放性、低成本、高可靠性、软硬件资源丰富等特点，使数控系统向开放性方向发展。3 柔性化、集成化为适

15、应先进制造技术发展的要求，向F M C ，F M S 和C I M S 提供基础设备，要求数控系统不仅能完成通常的加工功能，而且还能够具备自动测量，自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头、自动误差补偿，自动诊断、进给和联网功能，特别足依据用户的不同要求，可方便地灵活配置和集成。4 智能化智能化的内容很多。为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，：r 艺= 参数自动牛成；为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制，电机参数的自适应运算，自动识别负载自动选定模型，自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容，

16、方便系统的诊断及维修等。5 网络化网络的任务主要是进行通信，共享信息。数控机床作为车间基奉设备，它的3第章绪论通信范围包括：( 1 ) 数控装置与数字伺服问的通信，比如通过S E R C O S 链式网络传送数字伺服控制信息；( 2 ) 与上级主计算机的通信，一般通过以太网；( 3 ) 与车间现场设备及I O 装置通信，丰要通过现场总线进行通信，如采用P R O F I B U S 等；( 4 ) 通过因特网与服务中心通信，传递维修数据；( 5 ) 通过因特网与另。个工厂进行交换制造数据；( 6 ) 和上流的设计、工艺规划的信息匕享和交流。随着网络技术的发展，数控系统的通信要求越来越高3 1

17、。1 2 数控编程及其发展1 2 1 数控编程的概念把从零件图获得数控机床所需控制介质的伞过程称为数控程序编制，简称数控编程。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 P ) 。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。数控编程的核心T 作是生成刀具轨迹，然后将其离散成川位点，经后置处理产生数控加工程序。数控编程是目前C A D C A M 系统巾最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工速度和加工质芾、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。在航空工业、汽车工业等领域有

18、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J 泛的研究，并取得了丰硕成果。1 2 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 设计了一种专门用于机械零件数控加：l ：程序编制的语言，称为A P r r ( A u t o m a t i c a l l yP r o g r a m m e dT 0 0 1 ) 。其后，A P T 儿经发展，形成了诸如A P T I ! ，A P T I I I ( 立体切削用) 、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

19、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) 等先进版本。采用A P T 语言编制数控程序具有程序简练，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

20、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 。随后很快出现了像E U C L I D ，U G I I ，第一葶绪论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( C I M S ) 及并行工程( C E ) 的概念。目前

21、，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1 。在集成化方面，以开发符合S T E P ( S t a n d a r df o r t h eE x c h a n g eo f P r o d u c tM o d e lD 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，工作刚刚开始，还有待我们去努力。我国从6 0 年代中期开始数控自动编程方面的研究，7 0 年代以A P T 为蓝本研制出二坐标功能的数控加工自动编程系统S K C ，Z C X ，C K Y 等。后来又研制出具有复

22、杂曲面编程功能的C A D 2 5 1 数控加工绘图语言等系统，功能从坐标扩大到三、四、五坐标。近年又推出了H Z A P T ，E A P T 等微机数控语言编程系统。图形数控自动编程近年来也有所发展，较著名的商品软件有北京航空航天大学的C A X A 、华中理工大学的C A M 、清华大学G E M S 和西北工N k 大学的N U P C A D C A M 等。1 3 转塔式数控冲床现状及其发展1 3 1 国外数控冲床的现状和发展趋势自数控转塔冲床问世，近年来，伴随着数控技术、液压气动技术、运动元件及计算机等相关技术的发展，数控冲床发展之迅速大大超出了大部分用户的想象。数控冲床技术的快

23、速可以通过对数控冲床结构、技术指标的考察，了解数控冲床的发展趋势5 ，。1 数控冲床的结构改进( 1 ) 数控冲床在结构方l 血i 按床身形式、控制轴数、模具库、丰传动方式等可以划分成不同的类型。按床身形式可分为开式1 形、闭式2 形；按控制轴数可分为单轴、双轴、3 轴或4 轴；按模具库可分为转塔式、刀库式、直列式、阵列式；按主传动方式可分为曲柄滑块式、机械凸轮式、肘杆伺服式、液压式。( 2 ) 板材送进定位的X Y 两个轴和选模T 轴是数控冲床的3 个基本数控轴。当前各厂家已基本不再生产3 轴的或者说不带转模的数控冲床。转模轴将不再是数控冲床的可选项，而是基本配置。( 3 ) 转塔式模具库一

24、直是数控冲床模具库的主流模式，这种模具库结构简单、5第章绪论容量大、模具结构合理、换模迅速、模具装拆方便。但在某些方而有不足，如换模时问长、容量小、不利转模布置等m l 。2 数控系统发展和二次开发数控系统是数控冲床的重要组成部分，数控技术和计算机的进步是数控冲床许多技术指标提高和功能实现的前提。数控系统绝大部分都采用3 2 位C P U 使其运行处理速度大幅度提高：内存容最加大；许多由外部机电结合实现的功能开始成为数控系统具备的功能，大大简化机电结构提高了可靠性；人机界而更加友好。数控系统和计算机越来越接近，带硬盘、软驱，以W i n d o w s 操作系统为平台更便于主机制造商个性化开发

25、，使用更方便H 。3 技术指标人幅提高、功能不断完善数控冲床是高速度高精度板金冲压设备，其发展方向以提高生产率为首要目标，其他还需不断增加功能、不断扩大工艺范围、提高自动化程度、改善操作使之更宜人。由此可见，数控冲床技术性能功能的持续提高应以相关技术的发展和新结构的出现为前提，最终以机器的扩张( 增加辅机) 为结果 H I 。1 3 2 转塔式数控冲床的现状和发展转塔式数控冲床以其快速、高精度的柔性冲切加上系统和数控编程仿真技术对产品的精确预测的优点，近年来应用越来越广泛。其特别适合于多品种、高精度、复杂零件中小批芾生产。转塔式数控冲床是多工位的，加工板材时通过改变加工轨迹和更换冲头来加工各种

26、形状的孔。它主要应用于加工设备而板、电器元件安装板以及机柜上的各种大小不同、形状各异的孔加工。比如现有的日本A M A D A 公司的P E G A 一3 4 5 数控冲床，可以在转盘上安装5 8 种冲头，变换冲头只需旋转转盘即可。由此可见，数控加工的主要工作量主要是编制加工代码的问题1 。目前，它的代码生成环境人工工作较多，对于早期进口的数控冲床都是建立在M S D O S 卜的系统，而且有些还没有升级成W i n d o w s环境，其数控代码生成主要靠技术员手工一步步编写，甚至在编写前要做坐标( 如相对坐标转化为绝对坐标) 等方面的计算，编制的代码不能模拟仿真，造成代码错误和加工零件的浪

27、费是不可避免的。基于以上情况，研究开发出一套摹于W i n d o w s 环境下数控冲床的代码自动生成的C A D C A M 集成软件系统。该文对系统设计技术作了介绍，同时考虑到系统本身特点，提出了更为科学的排序方法，有一定的借鉴作用 3 1 。6第章绪论1 4 本课题提出的背景、意义及主要内容1 4 1 本文的背景和意义本课题来源于送变电行业、钢结构行业及通讯行_ p 铁塔牛产中的连接板冲孔实际需求，目标是实现连接板冲孔的计算机辅助制造，提高生产效率及工件的加工精度。由于C A D C A M 集成功能的大型软件，如U G ，P r o E 等存在价格昂贵、对编程人员素质要求高等因素，目

28、前国内企业普遍使用相互独立的C A D 系统和C A M 系统。如国内C A D ，C A S A 制造工程师，国外的A u t o C A D ，M a s t e rC A M等，这些系统具有各自的突出特点，但它们不具有C A D C A M 集成功能，因此形成了一个个“自动化孤岛”，存在C A D 系统同C A M 系统信息传递和交换的突出难题，导致数控编程人员很大一部分工作量都是在C A M 软件中重新构造加工所需要的图形数据。目前国内大多数铁塔生产厂家的零件结构图纸采用A u t o C A D软件来完成，生产部门所获得的产品设计数据一般是放样软件输出的A u t o C A D图形

29、文件或由传统的放样手段得来的图形样板，但是这些文件包含大量C A M 软件无法接受的无用的多余数据，如汉字说明、尺寸标注等，使C A D C A M 信息流出现断点。在C A D 和C A M 之间的数据和信息传递和转换过程中，一方面增加了很多不必要的工作量，影响工作效率。另一方而由于图形的绘制，不可避免会出现一些差错，导致加工零件因为不符合要求而需要返修甚至报废。在科研和生产实践中会遇到大量的连接板上钻、冲孔加T ，有的T 件上少则十几个孔，多则几十个。在孔系加工的数控编程，需人工将各孔的圆心坐标和半径逐一按图纸的尺寸在C A M 软件巾输入数据，才能利用C A M 软件自动生成加工程序阳。

30、重新输入如此多的孔的数据，编程人员的工作量之大可想而知，而1 7 容易出错，严重的可导致工件报废。凶此，要保证加工任务及时有效地完成，迫切需要开发专用于A u t o C A D 的加工图素自动提取软件。例如可有选择的提取所需加工的孔并生成数控代码，实现C A D 与C A M 信息集成。通过C A D C A M 一体化，避免了在零件加工过程巾次输入零件形状尺寸数据，保证了零件数据的唯一性和准确性，减少了许多中问环节，从而缩短了产品加工周期，提高了工作效率，减少编程出错率，减轻编程人员工作最，提高产品的加工质晕，所以具有很高的工程应用价值和意义。1 4 2 本文所做的主要工作本课题作为板材C

31、 A D C A M 集成系统的子系统，将主要研究冲裁件的计算7第章绪论机辅助制造，包括冲裁件的数控图形自动编程系统。冲裁是利用冲模在压力机卜使板料分离的一种冲压工艺。从广义上讲，冲裁包括切断、落料、冲孔、修边、切口等多种I ：序，但一般来说丰要是指落料和冲孔，l ：序。本文的具体研究内容包含以F J L 个方面：l 、软件系统的整体设计与开发2 、基。J 二O p e n G L 的维绘图功能的设计与开发3 、加工孔特征的自动提取4 、数控代码的自动生成。8第一章系统的总体设计第二章系统的总体设计国内的板材C A D C A M 系统的开发还处于起步阶段，目前只有二次丌发的软件、单冲设计软件

32、和排样软件，几乎没有自主版权的完整板材C A D C A M 系统。奉论文的研究是完成从C A D 到C A M 完全自丰的软件研发，以便填补国内的空白，同时根据国内目前机床的制造水平和特点，满足目前的市场需要并解决一些进口软件功能上的不足。通过卜述分析，板材C A M 系统应达到的目标为：在技术卜能使设计与制造集成、实现数控自动与交互相结合、具有共亨数据库和提供一个开发平台环境；在功能上具有产品设计能力、能生成物料清单、能实现图形自动编程、具有计算机仿真能力并具有与其他C A D C A M 系统信息交换的能力，提供标准接口文件；在效益上可缩短制造周期、提高产品性能并能适应市场瞬息多变的需求

33、。2 1 系统设计思想本课题中开发的系统是一个典型的集成系统，其开发不同于一般软件系统，它的开发周期长，协调关系多。为此必须用系统工程的观点和正确的方法指导，以减少开发过程中的失误，提高效率和保证系统的质量。为了保证系统组成的合理性和完整性，以及系统工作过程的可靠性和有效性，需对系统各部分的功能关系、信息关系、组织结构及系统开发各阶段工作进行分析与设计。因此，套指导系统开发的策略与方法是必不可少的。目前，国际上已开发了许多用于集成系统开发和设计的方法o ，。2 1 1 生命周期法生命周期法的基本思想是将C A D C A M 集成系统当作是一种工业产品，采用工业化的原理和方法，将系统划分为若干

34、个阶段，每个阶段有相对独立的任务，然后逐步完成每个阶段的任务，以实现对整个系统的计划和维护。系统研制的生命周期是指某一系统被提出开始着手实现到该系统报废为止。2 1 2 快速原形法快速原形法是在牛命周期法基础上发展起来的一种方法。它是指系统：r 作人员通过工作经验和调研分析，尽快建立一个能够反映用户主要需求的原形模型，9第_ 章系统的总体没计以便尽早的了解所建系统的而貌及存在问题，来改进、评价和完善。该方法突出一个“快”字。原形系统包括系统的主要功能和重要接口，系统的细节和性能需求放到后血考虑| I I I 。2 1 3ID E F 方法I D E F 方法是目前C A D C A M 集成系

35、统设计最有效的方法之一。它的基奉概念是在7 0 年代提出的结构化分析方法的基础上发展起来的。1 9 8 1 年美围空军在I C A M ( I n t e g r a t e dC o m p u t e rA i d e dM a n u f a c t u r i n g ) 课题中开发了I D E F ( I C A MD e f i n i t i o n ) 方法。它足一种适合大型复杂系统的设计方法，同时又作为一种系统描述语言。I D E F 方法由以下几部分构成：( 1 ) I D E F 0 用于建立“功能模型”。主要描述系统的功能活动及联系。( 2 ) I D E F l 用于

36、建立“信息模型”。丰要描述系统信息及其联系，并以此作为数据库设计的依据。( 3 ) I D E F 2 用于建立“动态模型”，进行系统的模拟仿真。I D E F 0 方法是设计者从+ 卜向下对所需设计的系统进行功能分解，以明确系统中每个了功能所需的输入数据、对子功能的支持以及必要的控制信息等。I D E F 0已成功应用于许多大型系统的设计中，本课题中也用它来进行系统设计。I D E F 0 的基本特征之一就是以图形方式描述系统及其组成。基本关系是以方框代表一个功能，方框周廿爿的箭头左边代表输入，右边代表输出，上边代表控制，下边代表支持。当输入与控制不易区分时，可视为控制。每个框还可以细分为几

37、个小框，即几个了功能1 1 2 1 02 2 系统的基本模型传统的数控冲床是按照事先编制好的加工程序，自动地对板料进行冲裁加工的设备。为了满足现代工业数字化发展的需求，本文提出了一个现代化的数控冲床加工中心自动编程系统，从冲床的实际加1 过程出发，提出了很多数控冲床系统的新思想新方法。在加工准备过程中，具备刀具设置、加工顺序的交互设置、跳点设置等功能。从C A D 文件的读入，到各种加工参数的设置，加工仿真，直至最后生成加工代码。本系统可分为以下几个模块：图形获取( 包括绘制和读取文件) ，刀具的自动匹配，刀具轨迹的优化，加工仿真，数控代码的生成”。首先以一种输入方式输入需要加工的信息，根据实

38、际的加工要求进行相应的设计。设置完成之后，进行加工仿真，确认加工过程以及加工结果的正确性，最后输出数控加工代码。1 0第二章系统的总体醴引系统的基本模型如罔2 1 ，同2 - 2 ，具体操作流程见阿2 - 3图2l 系统的功能模型和信息流模型阿2 2 系统信息流模掣鳓蘸：磐矗啦赫：激= = 一勰1罔2 3 系统界而第章系统的总体设计2 3 开发工具图2 - 4 系统操作流程V i s u a lC + + 6 0 是M i c r o s o f t 公司推“j 的口J 视化面向对象程序设计0 0 P 软件开发系统，目前己成为国内应用最广泛的软件编程工具之一。它与传统的C 语言完全兼容，提供了

39、面向对象的应用程序框架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 ) ，即微软的基本类库。M F C 封装了W i n d o w s 中大部分A P I ( 应用程序接口) 函数，其本质就是一个包含了许多微软公司已经定义好的对象的类库，在我们各自的程序开发过程中，虽然要编写功能各异的程序，但从本质上来讲，这些程序都可以归为用户界面的设计，对文件的操作，多媒体的使用，数据库的访问，网络编程等。这样我们可以利用而向对象技术中很重要的“继承”方法从类库中的己有对象派生出我们自己的对象，这时派生出来的对象除了具有类库中的对象的特

40、性和功能之外，还可以加上我们自己所需的特性和方法，产牛一个更专门的、功能更为强大的对象。当然，在程序中也可以不使用M F C 的功能，完全由自己创1 2第_ 章系统的总体设计建一个全新的对象，并根据需要不断完善对象的功能 1 4 1 。V C 是一个非常优秀的软件开发工具，它编泽的文件不但比其它编译工具生成的文件小，而且运行也非常平稳。它提供的基于C A S E 技术的可视化软件自动牛成和维护工具A p p W i z a r d ，C l a s s W i z a r d ，W i z a r d B a r 等，可以直观、可视地设计程序用户界面，方便地编写和管理各种类。D e b u g

41、 调试器可以方便的追踪程序实时运行状态和查看各变蹙运行时的值，S P Y + + 可以分别根据窗口、进程和消息显示目前系统中所有窗口关系图、进程关系图、线程关系网和所有的消息。而微软的M S D N 帮助系统提供了系统A P I 函数和M F C 中的所有类和类中的所有函数的使用方法，以及这些函数中各参数的意义，大大方便了编程人员灵活应用这些函数编程引。2 4 支撑技术2 4 1 面向对象技术面向对象技术是2 0 世纪4 0 年代计算机研究领域中广泛应用的技术，它既是一种软件开发方法，也可以作为一种建立系统的基础结构。面向对象的设计方法是基于P a r n a s 的信息隐蔽和C u t t

42、a g 的抽象数据类犁概念。其基本出发点就是尽可能按照人类认识世界的方法和思维方式来分析和解决问题。客观世界是由许多具体的事物或事件、抽象的概念、规则等组成的。这样将所要研究的事、物、概念等统称为对象。面向对象的方法正是以对象作为最基本的元素，它也是分析问题、解决问题的核心。对象是把一组数据和一组过程封装在一起，使得仅这一组过程可以对这组数据进行处理，并在定义对象时可以规定外界的请求权限。使用这一方法，设计人员可以依照自己的意图创建自己的对象，并将问题映射到该对象上。在而向对象方法中，消息传递是对象之问相互联系的方式，向某个对象发送消息，就是要求其执行它的一个操作，即调用相应的方法。将具有相同

43、结构、操作，并遵守相同约束规则的对象聚合成组，这组对象集合称为“类”。类具体讲是对一组相似对象的共同抽象描述，它将该组对象所具有的共同特征( 属性和方法) 集中起来，用于说明该组对缘的能力和性质。通常类的定义应包括：类名、外部接口、内部表示和接口的内部实现。总之，类是相似对象抽象的结果；而对象是类的一个实例。面向对象方法具有很多特性，如抽象性、封装性、可重载性、继承性和多义性。这很适用于人型系统( 如C A D C A M 系统) 的建模与开发。板金零件的二维展开图形可简化为由直线段、圆和圆弧段组成。实质上，板1 3第章系统的总体没计材的冲切方式足用给定形状的模具来实现，即实际的轮廓成形足由直

44、线边界和圆弧边界来逼近并分段生成的。因此板金零件的图形可抽象为由直线段类( 1 i n e ) 。圆类( C i r c l e ) 和圆弧类( A r c ) 二大类组合而成。这样在板材C A M 系统的最底层( 图形显示) 就可不用考虑板材零件的实际特征，而只需考虑组成特征的具体实体，因而简化了原本复杂的过程。但这并不意味着系统自始至终不必考虑板金零件的实际特征，只意味着仪在图形显示层不予考虑。系统的这种表示正足利用了类的抽象性特点，是对复杂的现实世界的简明表示，它强调了所关心的信息，而将不蕈要的信息予以忽略。板金零件的图形可抽象为由三大类组合而成，每个类都具有而且仅具有白己的成员数据和成

45、员函数，即仅只拥有自己的属性和方法。例如，直线段类具有明确的范围和清楚的外部边界，它只负责实现直线段的定义、修改、显示和序列化而这些都是在内部实现的，外部用户不必了解如何具体实现。这种特性称为类的封装性。封装性是保证板材C A M 系统具有优良的基础。对象是封装的最基本单位，类是对对象的抽象，即客观事物抽象的抽象。良好的封装性为系统提供了可重用性，因而可大大提高系统的开发效率、质量和可靠性。图2 - 4 面向对象的类结构设计第一章系统的总体设计2 4 2O p e n G L 技术O p e n G L 是S C I 公司( S i l i c o nG r a p h i c sI n c

46、o r p o r a t e d ) 在图形工作站上开发的高质量图像接口，G L 是G R A P H I CL I B R A R Y 的缩写，意思是“图形库”。用O p e n G L可以在P C 机上开发复杂的三维图形，微软在V i s u a l C + + 5 中已提供了三个O p e n G L的函数库( g l u 3 2 1 i b ，g l a u 1 i b ，O p e n G L 3 2 1 i b ) ，可以使我们方便地编程，简单、快速地生成美观、漂亮的三维图形。O p e n G L 实际上是一种图形与硬件的接口。它包括了1 2 0 个图形函数，开发者可以用这些函

47、数来建立三维模型和进行三维实时交互。与其他图形程序设计接口不同，O p e n G L 提供了十分清晰明了的图形函数，利用O p e n G L 的图形处理能力和1 6 7 0 万种色彩的调色板很快地设计出三维图形以及三维交互软件。O p e n G L强有力的图形函数彳i 要求开发者把二维物体模型的数据写成固定的数据格式，这样开发者不但可以直接使用自己的数据，而且可以利用其他不同格式的数据源。这种灵活性极人地节省了开发者的时问，提高了软件开发效益。O p e n G L 是网络透明的，在客户一服务器( C l i e n t S e r v e 0 体系结构中，O p e n G L允许本地

48、和远程绘图。所以在网络系统中，O p e n G L 在W i n d o w s 或其它窗口系统下都可以以一个独立的图形窗口出现。O p e n G L 作为一个性能优越的图形应用程序设计界面( A P I ) 而适合于广泛的计算环境，从个人计算机到：工：作站和超级计算机，O p e n G L 都能实现高性能的三维图形功能。O p e n G L 应用程序具有广泛的移植性，许多在计算机界具有领导地位的计算机公司纷纷采用它作为三维图形应用程序设计界面。O p e n G L 己成为目前的三维图形开发标准，是从事三维图形开发工作的技术人员所必须掌握的开发工具“。本系统只是一个二维的图形系统，运

49、用O p e n G L 技术来实现本系统的显示，主要是考虑到O p e n G L 在上述显示能力上的优势，这些对于以后系统向三维显示方向发展留下了足够的空间，增强了程序的可扩展性。第i 章前置辅助设计和图形接口第三章前置辅助设计和图形接口3 1 冲裁件基本图形数据的几何表示冲裁件图形是一种维图彤，町以用平面内的封闭轮廓线表示。平面轮廓线又由若干类型段组成，如直线段、圆弧段、网和非网曲线段( 可由若干直线段近似组合) 等。从数据结构角度米看，这些类型段具有部分共有的属性，如颜色、线型、宽度等属性。为避免不必要的重复，需要将这些共有的属性抽取出来构造一个新的数据结构，再加入到每个类型段中。这也

50、符合面向对象的要求，即先建立一个父类，这个类仅拥有一些公共的属性和方法，再根据需要从父类派生其它的子类。系统的所有数据结构，包括图形数据结构都足应用此种方法建立的。但这样会引出一个问题：如何确定细化的程度，即拥有多少公共的属性才能创建一个新类? 如果仅为两三个公共属性而创建新的类，这虽可提高程序的可读性，但降低了程序执行效率，进而降低了系统运行速度，这对讲究速度的C A D C A M 系统来说是不可取的。因此系统类层次划分的主要目标是建立在保证不降低运行速度的基础上的。正如其它C A D C A M 软件一样，系统拥有一个基本类：实体类( E n t i t y ) 。在类的具体代码中，它拥

51、有许多属性和方法。实体类是系统中涉及到实体的所有类的抽象。考虑到数据结构要适合后续加S 边界的定义和模具的自动适配等过程，应把实体区分成开放实体和封闭实体两种类型。开放实体不封闭，具有起点和终点。从面向对象角度看，开放只需从实体类派生出开放实体类( O p e n E n t i t y ) l P 可实现区分开放的或是封闭的实体。这样，直线段类和网弧段类就可在开放实体类的基础上派生出来；而圆类则可直接由实体类派生。3 2 二维图形的绘制可视化编程系统以自行开发的二维C A D 软件系统为二维绘图核心模块，它具有绘制直线、圆弧、曲线( 三次样条或B 样条) 等基本绘图功能，另外它还具有对齐、特

52、殊点动态导航、移动、复制、镜像等高级功能。按照面向对象程序设计的思想，我们将构成二维图形的元素分成相应的图形类，如线段类、矩形类、圆类等。在具体绘制时，将类实例化成相应的对象，添加到图形链表中”。1 6第三章前置辅助设计和图形接口3 2 1 基本图元的构造每一类图形元素的构造形式各不相同，同一类图元也可能有不同的构造方式。下面分别说明这些图元常用的构造方式以及本系统将采用的方式引。1 线段( 多段线) 由两个端点来构造一条直线段，同时计算出线段的长度和倾角这两个特征参数作为该线段对象的属性。2 圆圆的构造方式较多，常用的有：( 1 ) 由圆心和半径确定一个圆：( 2 ) 以两点为直径确定一个圆

53、；( 3 ) 通过圆周上三点确定一个圆。本系统仅考虑了第一种构造方式：由圆心和半径确定一个圆。圆的特征参数即为圆心坐标和半径。3 圆弧圆弧也有多种构造方式，常用的有：( 1 ) 由圆心、起始点和终止点三点确定一个圆弧；( 2 ) 通过唰周| ：三点确定一个尉弧。本系统仅考虑了第一种构造方式：由圆心、起始点和终I 卜点三点确定一个圆弧。圆弧的特征参数包括：圆心坐标、半径、起始角度和终止角度。4 矩形矩形由长和宽确定。3 2 2 图形元素类的定义3 2 2 1 绘图基类C E n ti t y 类不论那一类图形元素，在绘制的时候都有一些相同的属性，如绘图颜色、线宽等，同时它们又具有各自特有的属性。

54、为了避免程序代码不必要的重复书写，本系统将这些图元的共同属性抽象出来，定义了一个抽象的绘图基类，由该基类派生出其它的图元类。图3 1 即为图形元素的分类树1 钉。图3 - 1 图形元素的分类树1 7第i 章前置辅助设计和图形接口在程序中，定义了一个抽象基类S h a p e 类，该类中定义了一个抽象方法D r a w ，用于在窗体上绘制几何图形，但是在基类中该方法没有具体的实现代码，而是在派牛出的各个图形类中定义具体的实现方法以搜索基类的D r a w 方法。3 2 2 2 从抽象基类派生具体图形类在派生类中应该完成如下一些工作：1 ) 添加派生类自己特有的数据成员。2 ) 在派牛类中定义个构

55、造函数来初始化派牛类及其基类的实例变量。3 ) 重载基类中D r a w 方法。在重载方法中给出具体实现图元绘制的方法，由C + + 巾G r a p h i c s 类提供，包括D r a w L i n e ，D r a w R e c t a n g l e 、D r a w E I l i p s e ，D r a w A r c ，D r a w S t r i n g ，F i P o l y g o n 等方法。但是C + + 所提供的绘图方法，其图元的构造方式与本系统所设计的构造方式有所不同，必须经过相应的转换。3 2 3 图元绘制的实现前而所定义的图形类只是定义了图元的绘制方

56、法，具体绘制图元的操作是通过程序创建某一图形类的一个实例，并调用类的构造函数来初始化类的实例变量，构造函数中所需的参数，如作图起点和终点等则是由用户在屏幕上用鼠标左键交互式指定，然后传递给构造函数，然后执行类的D r a w 方法完成图形的绘制，最后调用L i n k e d L i s t 类的A d d T o E n d 方法，将创建的图无添加到图彤链表的末尾。要绘制图形首先必须用鼠标指定作图点位置，这是在窗体的M o u s e D o w n 。事件处理程序中完成的。除了图元绘制操作以外，还有很多操作都是在M o u s e D o w n 事件处理程序中完成的，比如拾取图元进行编辑

57、操作：拾取图元进行尺寸标注等。因此为了区别不同的操作，程序中设置了如卜一。些标志变量：b o o lS e l e c t i n g该变量值为t r u e 时，进行点选操作b o o lMs e l e c t i n g该变芾值为t r u e 时，进行框选操作b o o lB e g i n d i m该变量值为t r u e 时，进行尺寸标注操作b o o lmS h a p e B e i n g D r a w n 该变量值为t r u e 时，进行绘图操作由于图形元素的绘制过程很相似，这里仅以直线为例来进行说明，其它图元的绘制代码从略。这里我们用了一个i 变量来记录鼠标单击的次

58、数，当i = 0 时，表示一个新的绘图命令开始，此时在屏幕上单击鼠标左键，此位置即为绘图的起点，移动鼠标到其它位置，再次单击左键，即得到绘图的终点，然后调用G e t S h a p e方法生成一个直线段对象，然后将其加入到链表mS h a p e L i s t 中并将其绘制到屏幕上2 。P r i v a t ev o i ds k e t c h v i e w _ M o u s e D o w n ( o b j e c ts e n d e r , M o u s e E v e n t A r g s ( )1 8第1 _ 章前置辅助设计和图形接口t h i s C u r s

59、o r = C u r s o r s C r o s s v ；修改光标样式i f ( i ：O )获取起点坐标M S t a r t2n e wP o i n t ( e X ，e Y ) ；i + + ：mP r e P = mS t a r t ：m _ S h a p e B e g i n g D r a w n2t r u e ：)E l s e获取终点坐标M E n d2n e wP o i n t ( e X ，e Y ) ；t r y调用G e t S h a p e 方法生成一个S h a p e 对象S h a p eS h a p e D r a w n = G e

60、t S h a p e ( m w n W i n m _ D r a w C o l o r ；m a i n W i n P e n _ W i d t h ，m S t a r t ，m _ E n d ，m a i n W i n S o r t l d ) ；i f ( m _ S h a p e L i s t - - n u l l ) 如果链表对象不存在，则由类实例化一个链表对象4M S h a p e L i s t = n e wL i n k e d L i s t Q ；)m P r e v i o u s S h a p e 2 n u l l ；将S h a p e