基于Edgecam 的禮品雕刻自動(dòng)編程系統(tǒng)開發(fā)*＊

李鐵鋼

(沈陽工程學(xué)院機(jī)械學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

博物館、科技館和旅游景點(diǎn)等地方為紀(jì)念游覽經(jīng)歷，開展禮品雕刻業(yè)務(wù)，要求客戶設(shè)計(jì)好姓名等文字和圖案，而后自動(dòng)在銅材、玉石和硬木等材料上雕刻以留作紀(jì)念。從本質(zhì)上看，雕刻使用銑床，采用通用的刻刀，屬于經(jīng)典的刻繪加工，需要利用UG 等通用的CAD/CAM 軟件設(shè)計(jì)和編制加工程序，或者利用專用的ArtCAM 和精雕等軟件設(shè)計(jì)和編制加工程序，但這些軟件的使用需要熟練CAD 設(shè)計(jì)和數(shù)控加工編程，需要不斷的交互操作才能實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和加工，而體驗(yàn)的客戶大部分不知曉這些技術(shù)，無法進(jìn)行編程，必須設(shè)計(jì)一種自動(dòng)化編程系統(tǒng)，使非專業(yè)技術(shù)的普通客戶體驗(yàn)智能數(shù)控制造。

雕刻自動(dòng)編程系統(tǒng)必須操作界面友好，以常規(guī)方式輸入刻字信息，而后無干涉地智能編制加工程序。如果完全采用C 等高級(jí)語言設(shè)計(jì)系統(tǒng)，操作界面易于實(shí)現(xiàn)，但基于圖形的設(shè)計(jì)、文字加工和圖形加工等編程功能無法滿足要求;采用UG 等軟件必須交互設(shè)計(jì)和編程，無法滿足要求。

Edgecam 軟件是由英國(guó)開發(fā)的智能數(shù)控編程系統(tǒng)，主要應(yīng)用于數(shù)控銑、車、線切割以及車銑復(fù)合等領(lǐng)域［1］，已經(jīng)成為全球最著名的數(shù)控編程軟件之一，客戶數(shù)量居于獨(dú)立CAM 系統(tǒng)前列，具有完善的客戶二次開發(fā)功能，可后臺(tái)運(yùn)行并使用JVASCRIPT、VB、C#和C++等開發(fā)復(fù)雜的前臺(tái)交互界面，可基于工藝模型進(jìn)行非交互自動(dòng)制造特征識(shí)別和構(gòu)建并進(jìn)行加工，特別適合開發(fā)定制的自動(dòng)化編程系統(tǒng)。

本文開發(fā)了基于Edgecam 的禮品雕刻銑床自動(dòng)編程系統(tǒng)，研究了軟件設(shè)計(jì)、圖形建模、坐標(biāo)變換和特征編程等關(guān)鍵技術(shù)。

1 關(guān)鍵技術(shù)及實(shí)現(xiàn)方法

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)及功能實(shí)現(xiàn)

通過對(duì)雕刻自動(dòng)編程加工的工藝分析，將系統(tǒng)分為設(shè)計(jì)和編程兩大模塊，系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)后臺(tái)調(diào)用Edgecam 進(jìn)行編程計(jì)算，前臺(tái)利用界面輸入輸出設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，在規(guī)則毛坯上可雕刻文字和圖片，在啟動(dòng)界面輸入雕刻的文字，例如姓名等，選擇系統(tǒng)自帶的例子圖片，也可以利用WINDOWS 自帶的畫筆，畫出簡(jiǎn)單的位圖圖片，也可以在網(wǎng)絡(luò)選擇位圖圖片，而后生成機(jī)床用的加工程序。

1.2 軟件設(shè)計(jì)

NET 是微軟的新一代技術(shù)平臺(tái)，用來實(shí)現(xiàn)XML、Web Services、SOA(面向服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)，service-oriented architecture)和敏捷性的技術(shù)，構(gòu)建互聯(lián)互通的基于標(biāo)準(zhǔn)、適應(yīng)變化、穩(wěn)定和高性能的應(yīng)用系統(tǒng)。1 個(gè).NET應(yīng)用是使用.NET Framework 類庫來編寫程序，并運(yùn)行于公共語言CLR(common language runtime)上的應(yīng)用程序。

用戶雕刻界面利用JAVASCRIPT 和HTML 語言的單機(jī)HTA 文件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)運(yùn)行于IE10 以上版本，通過.NET 接口調(diào)用Edgecam 后臺(tái)運(yùn)行，Edgecam 通過內(nèi)嵌的基于.NET 的Webform 同前臺(tái)界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換。HTML 界面通過ActiveX 組件進(jìn)行文件的I/O和數(shù)據(jù)庫存儲(chǔ)操作。設(shè)計(jì)界面的文字和圖形預(yù)覽顯示利用HTML5 CANVAS 技術(shù)實(shí)現(xiàn)。Edgecam 程序利用二次開發(fā)PCI(Program Command Interface)語言編寫接口程序?qū)崿F(xiàn)命令的批處理運(yùn)行，流程如圖2 所示。

1.3 圖形處理

禮品雕刻為三坐標(biāo)銑削加工，使用的制造數(shù)據(jù)為平面2D 圖形，可讀入IGES、STEP、PARASOLID、ACIS、DXF 和DWG 等中性數(shù)據(jù)格式文件，可直接讀入U(xiǎn)G、CATIA、PRO/E、MASTERCAM 等通用系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，可直接輸入位圖文件轉(zhuǎn)化成矢量圖形加工。

位圖矢量化輸入的圖形為“一筆畫”的線條圖像，對(duì)其進(jìn)行線條細(xì)化處理［2］，按照像素的連續(xù)性，將圖形輪廓?jiǎng)澐譃椴煌莫?dú)立邊界，逐點(diǎn)遍歷跟蹤各邊界，按照邊界上數(shù)據(jù)點(diǎn)的坐標(biāo)采用角點(diǎn)檢測(cè)算法［3］將邊界劃分為若干條線段。

采用分段3 次Bezier 樣條描述輪廓線，設(shè)樣條線與被擬合點(diǎn)集 Pi|i=1，2，…，n{}的距離和最小，樣條曲線方程為:

式中:t∈［0，1］;Vk為控制點(diǎn)集合，當(dāng)曲線通過P0和Pn點(diǎn)時(shí)有，P0=V0，Pn=Vn。

點(diǎn)到樣條曲線的偏差:

擬合時(shí)設(shè)定初始化總偏移量閾值DevT，計(jì)算每段數(shù)據(jù)點(diǎn)與曲線的最大偏差值對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)點(diǎn)，通過該點(diǎn)作為新的連接點(diǎn)分段擬合。

分段擬合后要求相鄰兩曲線在交點(diǎn)處C1光滑連續(xù)，必須使控制點(diǎn)Vi-1，2，Vi，1和Pj在一條直線上。假設(shè)兩相鄰曲線交點(diǎn)切矢的傾角為α 和β，夾角為θ。當(dāng)θ＜180°時(shí)，傾角小的切線矢量對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)相對(duì)Pj點(diǎn)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(180°-θ)/2，而大傾角的切矢對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)相對(duì)Pj點(diǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(180°-θ)/2;當(dāng)θ＞180°時(shí)，傾角小的切線矢量對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)相對(duì)Pj點(diǎn)按逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)(180°-θ)/2，而大傾角切矢對(duì)應(yīng)的控制點(diǎn)相對(duì)Pj點(diǎn)按順時(shí)針旋轉(zhuǎn)(180°-θ)/2。

1.4 坐標(biāo)變換

Edgecam 輸入圖形數(shù)據(jù)后，遍歷元素構(gòu)建包圍盒，求出外輪廓的最大點(diǎn)Xmax、Xmin、Ymax和Ymin，假設(shè)銑削編程坐標(biāo)系位于工件的中心，元素最大輪廓寬為W，最大輪廓高為H，則新坐標(biāo)系的原點(diǎn)為((Xmax+Xmin)/2，(Ymax+Ymin)/2)。

比例變換因子K 為:

1.5 特征編程

加工元素包括漢字、英文字母、阿拉伯?dāng)?shù)字和圖形元素，漢字和英文字母由設(shè)計(jì)者給出，阿拉伯?dāng)?shù)字為ACESS 數(shù)據(jù)庫中的禮品序號(hào)，這些特征直接構(gòu)造形成即可，設(shè)其表示為:

對(duì)文字設(shè)計(jì)成空心字，可以采用外輪廓銑削加工成空心字，也可以采用區(qū)域銑削的方式加工成中空的形式。

圖形加工特征分為外輪廓特征和內(nèi)輪廓特征，通過遍歷曲線查找內(nèi)外輪廓，對(duì)輪廓采用2D 鍵槽銑的模式加工［4-5］。

2 應(yīng)用實(shí)例

某博物館雕刻系統(tǒng)的加工毛坯為圓形、矩形和方形3 種尺寸的硬木，所刻繪圖片缺省為位圖形式的生肖和星座圖案，應(yīng)用界面如圖3 所示。

生成的加工程序利用CIMCOEDIT 仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示，驗(yàn)證了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確。經(jīng)過實(shí)際工件切削加工，得到了合格的產(chǎn)品。

3 結(jié)語

基于Edgecam 軟件的后臺(tái)運(yùn)行和HTML、JAVASCRIPT 及PCI 語言，依托.NET 平臺(tái)開發(fā)了禮品雕刻數(shù)控銑自動(dòng)編程系統(tǒng)，重點(diǎn)論述了軟件設(shè)計(jì)、圖形處理、坐標(biāo)變換和特征編程等關(guān)鍵技術(shù)，完成了系統(tǒng)的開發(fā)并加工出了合格的產(chǎn)品，為其他機(jī)床的智能編程提供了借鑒作用。

［1］韓慶瑤，韓芝龍，路世強(qiáng).基于EdgeCAM 的數(shù)控加工技術(shù)在模具加工中的應(yīng)用［J］.機(jī)床與液壓，2009，37(6):214-216.

［2］Gonzalez R C，Woods R E，Eddins S L.數(shù)字圖像處理(Matla 版)［M］.阮秋琦，譯.北京:電子工業(yè)出版社，2005.

［3］李鐵鋼.5-基于VERICUT 的結(jié)構(gòu)件數(shù)控加工仿真研究［J］.煤礦機(jī)械，2009，30(8):109-111.

［4］李鐵鋼.基于UG Postbuilder 的五軸后置處理器設(shè)計(jì)［J］.機(jī)床與液壓，2009，31(10):72-74.

［5］Yun Qingrao，Gang Huang，Pei Genli，et al.An integrated manufacturing information system for mass sheet metal cutting［J］.Int J Adv Manuf Technol，2007，33:436-448.