劉德剛，李佳星，趙靜赟

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)機(jī)械與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

目前的切割軌跡自動(dòng)生成系統(tǒng)開(kāi)發(fā)模式主要有參數(shù)圖庫(kù)、專用系統(tǒng)以及基于CAD 的二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)等。參數(shù)化圖庫(kù)利用通用編程語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)常用基本切割圖形的參數(shù)化定制［3］。此種方式開(kāi)發(fā)工作量小，系統(tǒng)使用簡(jiǎn)單，但是圖庫(kù)內(nèi)容有限，不能滿足實(shí)際復(fù)雜需求。專用系統(tǒng)也采用通用編程語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了圖形編輯、套料以及G 代碼生成等功能。此種方式開(kāi)發(fā)工作量大，開(kāi)發(fā)難度高，系統(tǒng)使用復(fù)雜，價(jià)格高，代表軟件為Fast-CAM［4-5］。基于CAD 的二次開(kāi)發(fā)系統(tǒng)則可以綜合前兩種方式，既能使用CAD 原有的強(qiáng)大圖形設(shè)計(jì)編輯功能，又可以降低開(kāi)發(fā)及使用難度。

AutoCAD 應(yīng)用廣泛，提供了面向?qū)ο蟮拈_(kāi)發(fā)庫(kù)ObjectARX［6］。基于ObjectARX 已成功開(kāi)發(fā)出了眾多CAM 系統(tǒng)［7-10］。本系統(tǒng)也基于ObjectARX 開(kāi)發(fā)，論文對(duì)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)進(jìn)行闡述。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

自動(dòng)編程系統(tǒng)的最終用戶為工廠的CAM 設(shè)計(jì)人員或一線工人，他們熟悉切割業(yè)務(wù)，但計(jì)算機(jī)知識(shí)往往掌握得較少。針對(duì)這種情況，系統(tǒng)的主設(shè)計(jì)目標(biāo)為“傻瓜化”，將復(fù)雜的處理邏輯盡量封裝在算法內(nèi)部，用戶只需幾個(gè)簡(jiǎn)單的操作就可以完成G 代碼的生成，提高系統(tǒng)的實(shí)用性。

自動(dòng)編程系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)運(yùn)行是典型的數(shù)據(jù)流處理過(guò)程。切割圖形作為原始數(shù)據(jù)輸入，此圖形經(jīng)過(guò)多個(gè)處理環(huán)節(jié)，每個(gè)環(huán)節(jié)都對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行專業(yè)加工，輸出加工后的數(shù)據(jù)，最終輸出為G 代碼。系統(tǒng)基本數(shù)據(jù)流圖如圖1 所示。

圖1 基本數(shù)據(jù)流圖

原始設(shè)計(jì)圖可以利用AutoCAD 強(qiáng)大的設(shè)計(jì)功能繪制，經(jīng)過(guò)圖形規(guī)范化處理后，加入切割工藝相關(guān)描述信息。工藝編譯根據(jù)用戶輸入的工藝參數(shù)，將規(guī)范后的圖形進(jìn)行編譯，包括追蹤封閉輪廓以及進(jìn)行割縫補(bǔ)償?shù)?。編譯后的圖形可以進(jìn)行自動(dòng)或手動(dòng)排序。有了排序信息，系統(tǒng)就可以遍歷切割圖形，將其輸出為加工G 代碼。數(shù)據(jù)處理流程貫徹了“傻瓜化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，步驟簡(jiǎn)單。

基于數(shù)據(jù)流圖的設(shè)計(jì)模式，流程節(jié)點(diǎn)可以設(shè)計(jì)為單獨(dú)的數(shù)據(jù)處理模塊，實(shí)現(xiàn)輸入—處理—輸出的算法模式。各模塊最終注冊(cè)為AutoCAD 中的新命令組，通過(guò)鍵入命令或者點(diǎn)擊菜單來(lái)調(diào)用。系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

工藝編譯中包含多個(gè)子模塊，用來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)處理邏輯?；凇吧倒匣钡脑O(shè)計(jì)目標(biāo)，最終用戶只需要使用“工藝編譯”一個(gè)命令，工藝編譯會(huì)自動(dòng)調(diào)用子模塊的處理邏輯完成圖形的全部編譯工作。

由于專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)的不同，對(duì)于非計(jì)算機(jī)專業(yè)而言，其在Access數(shù)據(jù)庫(kù)方面的教學(xué)呈現(xiàn)一種不夠科學(xué)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)奶攸c(diǎn)。主要體現(xiàn)為：

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，各個(gè)模塊都利用類來(lái)實(shí)現(xiàn)。還設(shè)計(jì)了CBaseARX 基礎(chǔ)類，該類封裝了ObjectARX 的復(fù)雜接口，用簡(jiǎn)單的C++函數(shù)提供基本的CAD 數(shù)據(jù)操作功能，如標(biāo)注、直線、多段線、圖層的添加、刪除、修改等基本函數(shù)，以及改變多段線方向、判斷多段線的順逆、輪廓縮放等復(fù)雜函數(shù)。上層模塊需要時(shí)直接調(diào)用此類中的函數(shù)，從而簡(jiǎn)化了上層模塊的復(fù)雜度，實(shí)現(xiàn)了代碼重用。

2 主要模塊設(shè)計(jì)

2.1 專業(yè)圖層生成

AutoCAD 具有強(qiáng)大的圖形設(shè)計(jì)功能，但設(shè)計(jì)出的圖形并沒(méi)有包含切割工藝相關(guān)的信息，比如一條多段線是屬于外輪廓還是內(nèi)輪廓，一條直線是空移線還是引入線等。普通的AutoCAD 圖形中增加了這些專業(yè)切割信息后就變成了規(guī)范化的切割圖形。

切割附屬信息可以利用圖元的擴(kuò)展屬性進(jìn)行描述，但這種方式操作復(fù)雜，可視化效果差，當(dāng)圖元進(jìn)行合并、打斷等處理后，需要重新設(shè)置，所以不是一種好的方案。

經(jīng)過(guò)研究，利用AutoCAD 的圖層屬性來(lái)完成切割信息描述。相同類型的圖元放在同一層，每個(gè)圖層設(shè)置不同的顏色，用戶通過(guò)顏色就能直接判斷圖元切割屬性，內(nèi)部算法也可以根據(jù)圖層進(jìn)行查找與計(jì)算。主要的切割圖層如表1 所示。

表1 主要切割用圖層

前五個(gè)層與切割輪廓相關(guān)，描述了內(nèi)外、順逆、是否封閉等信息。切割順序號(hào)層中放置切割順序標(biāo)注數(shù)字。

基于“傻瓜化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，打開(kāi)或者新建圖形時(shí)，插件自動(dòng)創(chuàng)建切割專用圖層，不需要用戶輸入命令或者點(diǎn)擊菜單。重載AcRxArxApp 類的On_kLoad-DwgMsg 函數(shù)，在其中調(diào)用切割圖層創(chuàng)建函數(shù)，即可實(shí)現(xiàn)此效果。

2.2 工藝編譯

工藝編譯是系統(tǒng)的核心模塊，內(nèi)部實(shí)現(xiàn)了多個(gè)子處理功能，算法基本流程圖如圖3 所示。

圖3 工藝編譯算法基本流程圖

工藝編譯首先進(jìn)行圖形數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括統(tǒng)一轉(zhuǎn)換圖形為世界坐標(biāo)系，將圖形左下角平移到原點(diǎn)，轉(zhuǎn)換橢圓為多段線等。因?yàn)镚 代碼中只支持直線和圓弧，橢圓須轉(zhuǎn)換為多段線。算法實(shí)現(xiàn)原理為利用Object-ARX 設(shè)置為折線繪制模式，自動(dòng)重畫(huà)橢圓，畫(huà)出的橢圓即為多短線，然后刪除原始橢圓。樣條曲線可以利用AutoCAD Express Tools 中的flatten 命令轉(zhuǎn)換為多段線。

輪廓追蹤算法取出圖層信息，以此對(duì)五個(gè)輪廓相關(guān)層進(jìn)行處理。首先是將輪廓層中的圖元自動(dòng)轉(zhuǎn)換為多段線，通過(guò)ObjectARX 獲取圖層范圍，自動(dòng)執(zhí)行pedit 命令，自動(dòng)設(shè)置轉(zhuǎn)換參數(shù)，完成多段線的轉(zhuǎn)換。多段線轉(zhuǎn)換完成后，計(jì)算出多段線的順逆，再根據(jù)所屬圖層判斷是否需要進(jìn)行多段線方向反轉(zhuǎn)。由于系統(tǒng)可以自動(dòng)追蹤出多段線并調(diào)整方向，用戶繪圖的時(shí)候就沒(méi)有額外限制，可以按照自己的習(xí)慣進(jìn)行設(shè)計(jì)。封閉輪廓中的多段線如果不能閉合，系統(tǒng)會(huì)提示錯(cuò)誤信息。

由于設(shè)計(jì)原因或者一些轉(zhuǎn)換軟件的算法原因，切割圖形中有時(shí)存在過(guò)多點(diǎn)坐標(biāo)，導(dǎo)致切割效率嚴(yán)重下降，甚至不能正常切割。刪除多余點(diǎn)算法根據(jù)用戶設(shè)置的允許誤差，對(duì)輪廓坐標(biāo)進(jìn)行判斷，刪除多余的點(diǎn)坐標(biāo)。

由于割炬存在寬度，需要對(duì)輪廓進(jìn)行補(bǔ)償，根據(jù)補(bǔ)償值放大外輪廓，縮小內(nèi)輪廓。補(bǔ)償算法通過(guò)Object-ARX 調(diào)用AutoCAD 所提供的offset 函數(shù)，通過(guò)圖層取出順逆屬性，計(jì)算出偏移的正確參數(shù)，完成偏移操作。

引入線生成算法對(duì)依次對(duì)輪廓層進(jìn)行遍歷，得到多段線坐標(biāo)，根據(jù)引入線長(zhǎng)度參數(shù)，自動(dòng)生成引入線。引入線的終點(diǎn)坐標(biāo)與輪廓的首點(diǎn)坐標(biāo)重合，通過(guò)坐標(biāo)位置建立拓?fù)潢P(guān)系。不封閉輪廓的引入線可以是輪廓本身的一部分或者額外添加引入線，由用戶在切割工藝參數(shù)中設(shè)置。

2.3 排序與G 代碼輸出

自動(dòng)排序功能未集成在工藝編譯模塊中，是為了用戶可以調(diào)整引入線，比如可以改變引入線的引入位置或者使用圓弧引入線等。

引入線符合要求后，可以利用系統(tǒng)提供的自動(dòng)排序算法自動(dòng)編排切割順序。算法的基本原則是先切割內(nèi)輪廓，再切割外輪廓，切割的總路徑最短。系統(tǒng)采用LK 算法［11］進(jìn)行最優(yōu)路徑的尋找。切割順序以數(shù)字標(biāo)注形式放置于切割順序號(hào)圖層。標(biāo)注的內(nèi)容為輪廓切割的順序，標(biāo)注的坐標(biāo)與引入線的坐標(biāo)開(kāi)始坐標(biāo)重合，通過(guò)坐標(biāo)建立順序標(biāo)注與引入線之間的拓?fù)潢P(guān)系。

系統(tǒng)還提供了手動(dòng)排序功能，根據(jù)用戶點(diǎn)擊輪廓的向后順序進(jìn)行排序。排序完成后，還可以進(jìn)行排序號(hào)的調(diào)整。利用MFC 開(kāi)發(fā)圖形界面對(duì)話框，用戶設(shè)置需要調(diào)整的序號(hào)。

排序完成后，就可以遍歷圖形輸出G 代碼。通過(guò)圖層屬性以及坐標(biāo)拓?fù)鋵傩钥梢酝瓿奢喞膶ふ遥找凭€可以自動(dòng)生成。G 代碼輸出算法的基本流程圖如圖4 所示。

圖4 G 代碼輸出算法基本流程圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與運(yùn)行情況

本插件系統(tǒng)支持AutoCAD2004 至AutoCAD2014各個(gè)版本，提供中英兩種語(yǔ)言版本。由于ObjectARX的版本較多，與開(kāi)發(fā)環(huán)境關(guān)系密切，在支持不同版本的AutoCAD 時(shí)，ObjectARX 的版本與開(kāi)發(fā)平臺(tái)都不同，發(fā)布前需要在多種環(huán)境下編譯。以支持AutoCAD2010的情況為例，ObjectARX 版本為ObjectARX2010，開(kāi)發(fā)平臺(tái)為Visual Studio.NET 2008 SP1，開(kāi)發(fā)語(yǔ)言為Visual C++，使用MFC 進(jìn)行圖形界面開(kāi)發(fā)。

插件安裝后，在AutoCAD 中增加了“切割機(jī)”菜單，點(diǎn)擊菜單即可以實(shí)現(xiàn)切割軌跡自動(dòng)編程功能，如圖5 所示。

圖5 自動(dòng)編程系統(tǒng)運(yùn)行界面

本插件系統(tǒng)與切割機(jī)廠商合作，已投入實(shí)際運(yùn)行多年。系統(tǒng)在眾多用戶處已成功生成了上萬(wàn)個(gè)的G代碼文件。系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，使用簡(jiǎn)單，達(dá)到了“傻瓜化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，算法的穩(wěn)定性與正確性也得到了驗(yàn)證。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，基于ObjectARX 二次開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了適用于數(shù)控火焰/等離子切割機(jī)的切割軌跡自動(dòng)編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功投入實(shí)際運(yùn)行。系統(tǒng)遵循“傻瓜化”的設(shè)計(jì)目標(biāo)，簡(jiǎn)單易用，符合現(xiàn)場(chǎng)工人需求。開(kāi)發(fā)經(jīng)驗(yàn)表明，基于ObjectARX 進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，能夠充分利用AutoCAD 已有的強(qiáng)大功能，快速開(kāi)發(fā)出領(lǐng)域?qū)Ｓ霉δ埽荂AM 開(kāi)發(fā)中的一種重要開(kāi)發(fā)方式。本文對(duì)類似系統(tǒng)的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)具有參考意義。未來(lái)還可以將參數(shù)化典型圖庫(kù)的功能集成進(jìn)本系統(tǒng)中，進(jìn)一步增強(qiáng)系統(tǒng)的實(shí)用性。

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