基于雕刻機的河工模型斷面板加工系統

胡向陽，張 雨，張文二，許 明

（1.長江科學院河流研究所，武漢 430010；2.北京尚水信息技術股份有限公司，北京 100085）

基于雕刻機的河工模型斷面板加工系統

胡向陽1，張 雨2，張文二1，許 明1

（1.長江科學院河流研究所，武漢 430010；2.北京尚水信息技術股份有限公司，北京 100085）

介紹基于數控雕刻機的河工模型斷面板自動加工系統，采用了優化的排序算法使一塊模板上能加工盡可能多的斷面板，節省了板材，降低了使用成本；系統使用高效率和高精度的數控雕刻機進行斷面板的加工，保證了加工質量；考慮數控加工中的刀具補償，提高了加工精度；系統具有網絡化結構，實現了遠程控制，方便使用。

河工模型實驗；斷面板加工；自動排序；數控雕刻機；CAD／CAM

1 概 述

制作河工模型需要按照地形數據制作大量的河工模型斷面板。模型斷面板根據河道地形在模板上切割加工制成，并對斷面板加工進行排序，使斷面板在模塊上的排列盡量優化、板材的耗費最少。以往斷面板的排序加工工作大多由人工完成，工作量大而且容易出錯。

隨著數控加工技術的發展，CAD／CAM技術越來越成熟，華春雷［1］等率先把CAM自動制模技術應用到河工模型試驗中。使用TAPE3軟件完成斷面板的排列及生成G代碼，然后將數據拷貝到機床上進行加工，該法在使用中要頻繁地操作不同的程序十分煩瑣。目前國內外都在積極地將CAM自動制模的先進技術應用于河工模型斷面加工中，江西水科院選購了啄木鳥雕刻機用于加工河工模型斷面板，但是如果使用通用的CNC加工軟件，只能簡單地實現生成加工軌跡的功能，不能在模板上將斷面板自動排序，造成板料的浪費。國外也有用于雕刻機的加工軟件，如美國的2L雕刻機軟件，加工能力較強，但在對被加工件的排樣上比較弱。

尚水公司研制的河工模型斷面板自動排序加工系統集成了數據分析處理和斷面板自動加工，用一套軟件完成了斷面板的自動排序和自動加工，極大地方便了操作；通過對河工模型的原始數據進行分析，在板材上自動生成斷面板，并進行分組排序，使板材的利用最大化。系統使用的是通用的CNC系統，不具有針對木材加工的專用性和網絡化控制的功能，本文在此工作的基礎上，使用數控雕刻機對模板進行高精度和高效率的加工，實現了刀具加工的補償功能，并優化了斷面板加工的排序算法。

2 系統體系結構

系統的結構分為控制中心、數控雕刻機、網絡3部分（見圖1），工作人員在控制中心按斷面數據將斷面板排序分組，然后生成可供加工用的G代碼。加工端根據控制中心的指令自動加工出斷面板。

圖1 系統結構圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統使用了網絡控制功能，操作人員對機器的管理控制更方便?？刂浦行慕y一管理聯網的所有加工客戶端，操作人員只需在控制中心向指定機器發指令就可以控制機器工作。網絡的拓撲形式是以太網，在網絡中放置無線路由器，用戶可用筆記本電腦無線上網來控制機器。

數控雕刻機在生產加工中可作為獨立的單元進行生產，同時在網絡系統中作為客戶端，它通過網絡通訊口與中控室的機器連接，就能達到很高的加工精度（0.1 mm）和網絡通訊功能。通訊方式分為有線和無線2種方式。

3 加工實例及模板尺寸

加工河工模型斷面板所用的材料為木板、PVC板等具有一定硬度的板材，圖2所示為一塊模板，模板長為250 cm，寬為130 cm，模板的尺寸以數控雕機的加工范圍為準，在模板中的每個斷面的寬度8 cm。當一個斷面太長時，系統將斷面裁成小段放在模板中，自動對裁好的斷面排序和擺放，當斷面橫放完后，系統將斷面豎放在空余的位置中以充分利用空間。

圖2 排樣圖Fig.2 Layout diagram ofmodel cross-sections on a wood board

4 刀具補償及實現

在數據加工過程中，因為刀具本身有一定的半徑，刀具中心的運動軌跡并不等于所需加工零件的實際軌跡。不考慮刀具的半徑就會多切掉等于刀具半徑尺寸的材料，使加工后的零件尺寸小于實際尺寸，所以在計算刀具運動時的路徑時要加上刀具的半徑補償。

4.1 刀具補償的原理

在二維輪廓數控銑削加工過程中，由于旋轉刀具具有一定的刀具半徑，刀具中心的運動軌跡不等于所加工工件的實際輪廓。如圖3所示，在加工內輪廓時，刀具中心向工件輪廓的內部偏移一個距離；而加工外輪廓時，刀具中心向工件的外側偏移一個距離，這個偏移，就是刀具半徑補償。

圖3 刀具補償原理Fig.3 Princip le of cutter com pensation

在數控加工機床程序編制時，如果直接采用刀心軌跡編程法，就需要根據零件的輪廓形狀及刀具半徑采用一定計算方法計算刀具中心軌跡，當刀具半徑改變時，需要重新計算刀具中心軌跡［2］。

數控系統的刀具半徑補償是將計算刀具中心軌跡的過程交給數控加工機床來做，編程時只考慮零件的輪廓，刀具的半徑存放在刀具半徑偏置寄存器中，數控加工機床自動計算刀具中心軌跡，一個加工完成后換其它刀具時，刀具半徑變化，這時只需要調用另一個刀具半徑偏置寄存器中的刀具半徑即可，這樣就大大減少了計算量和出錯率。

4.2 刀具補償的實現

刀具半徑補償通常不是程序編制人員完成的，程序編制人員只是按零件的加工輪廓編制程序，同時用指令告訴CNC（計算機數控）系統刀具是沿零件內輪廓運動還是沿外輪廓運動。實際的刀具半徑補償是在CNC系統內部由計算機自動完成的。CNC系統根據零件輪廓尺寸（直線或圓弧以及其起點和終點）和刀具運動的方向指令，以及實際加工中所用的刀具半徑值自動地完成刀具半徑補償計算。

軟件中根據斷面板的輪廓和刀具的半徑，先建立刀具半徑左補，設置刀具半徑偏置寄存器。指令庫調用刀具半徑偏置寄存器中存放的刀具半徑值。

在加工過程中一直維持這種刀補的狀態，刀具撤離工件時，取消刀具的半徑補償。

5 自動排序算法優化

5.1 算法優化的實現

排樣問題到目前為止還沒有通用的求最優解的數學方法。尤其是對各零件之間的靠邊、疊加等問題復雜，計算量大。隨著計算機的普遍應用，各種應用于計算機的排樣算法出現了，在優化排序中的較常用的算法有遺傳算法、模擬退火、人工神經網絡等［3］。

模擬退火、遺傳算法是優化方法，主要用于參數尋優；神經網絡則是用于分類機制和擬合預測問題。

本系統選用遺傳算法來進行斷面板的排序和優化。其中遺傳算法的實現步驟如下［4］：

（1）先定義圖形的排樣順序，再以每一種圖形排列順序及排列角度作為遺傳算法中的一個個體。

（2）斷面板水平放置（長度方向為左右方向，寬度方向為上下方向），斷面板先橫排再豎排。

（3）對多個初始形成的個體使用遺傳算法進行選擇、交叉、變異，計算其適應值，逐步尋優，最終得到較滿意的結果。

在本系統的自動優化排樣系統流程圖見圖4。

圖4 自動排樣流程圖Fig.4 Flow chart of auto layout process

5.2 使用優化排序算法的效果

優化排序的主要目的是節省板材，好的算法可以在一塊模板上放盡可能多的斷面板，使用戶節省材料，降低成本。

要達到優化的目的，程序要進行一系列的對斷面板位置的判斷并不斷調整位置，當斷面板在一個方向上調整到位后還要反方向進行調整以獲取最優結果。圖5對比了使用優化排序算法和沒使用優化排序算法的2種結果。兩次排序都對185個斷面進行了排序，對比軟件優化排序的結果，由于所排的刻板較多，表格顯示的是最后幾張刻板，每張刻板中顯示了斷面的排列情況。從模板排樣的結果看出，使用優化排序算法時使用了15塊模板，沒使用優化排序算法時用了17塊模板，說明使用優化排序后模板的利用率提高了13%。

圖5 排序對比Fig.5 Contrast of sorting

6 結 論

基于數控雕刻機河工模型斷面板加工系統，用計算機技術優化了河工模型斷面板在模板上的排序，充分利用了數控雕刻機的加工技術和網絡控制功能，并考慮了數控加工中的刀補問題。根據河工模型斷面板的具體制作過程，在一套軟件中實現了斷面板的優化排序和在數控雕刻機上的加工生產過程，在使用過程中，操作人員不必對斷面板進行人工排序和用多個軟件進行煩瑣的操作。實踐證明本文研究的斷面板自動加工系統，可以大大提高斷面板加工中的模板利用率，并且節省大量的人力和時間。

［1］ 華春雷，趙 榮，趙 樂，等.CAM技術在河道試驗模型制作中的應用［J］.人民黃河，2004，26（12）：11.（HUA Chun-lei，ZHAO Rong，ZHAO Le，et al.Application of CAM technology on making river channel testmodel［J］.Yellow River，2004，26（12）：11.（in Chinese））

［2］ 劉雄偉.數控加工理論與編程技術［M］.北京：機械工業出版社，2000.（LIU Xiong-wei.Theory and Programming Technique of Numerical Control Processing［M］.Beijing：Engineering Industry Publishing House，2000.（in Chinese））

［3］ 焦李成.免疫優化計算學習與識別［M］.北京：科學出版社，2006.（JIAO Li-cheng.Learning and Identification of Immune Optimization Calculation［M］.Beijing：Scientific Press，2006.（in Chinese））

［4］ 王 凌.車間調度及其遺傳算法［M］.北京：清華大學出版社，2003：22－23.（WANG Ling.Shop Scheduling and Genetic Algorithm［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2003：22－23.（in Chinese） ）

（編輯：羅玉蘭）

Processing System for Section Board of River M odel Based on CNC Engraving M achine

HU Xiang-yang1，ZHANG Yu2，ZHANGWen-er1，XU Ming1
（1.Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2.Beijing Shangshui Information Technology Co.Ltd，Beijing 100085，China）

The paper introduces a rivermodel cross-section board auto-processing system based on a CNC engraving machine，in which an optimum sorting algorithm is used formakingmodel cross-section boards asmuch as possible on awood-board.The system can improve the utilization of thematerial，reduce production cost and guarantee processing quality.Meanwhile，owing to considering the cutter compensation in numerical control processing，the accuracy ofmodel board is enhanced，and because of the system adopts a network construction to realize the remote control，it is very easy to be used.

rivermodel experiment；section board processing；automatic sorting；CNC engravingmachine；CAD／CAM

TV149.3

A

1001－5485（2010）09－0079－04

2010-04-30

胡向陽（1964-），女，浙江東陽人，高級工程師，主要從事河道治理研究和管理工作，（電話）027-82829789（電子信箱）heliusuo＠sina.com。