基于AutoCAD的線切割加工CAD/CAM技術(shù)研究

　　近年來，單機(jī)數(shù)控系統(tǒng)逐漸被以微機(jī)為核心的群控系統(tǒng)（DNC）所替代，手工編程正向圖形化自動編程過渡，CAD/CAM技術(shù)開始被廣泛地運(yùn)用到制造技術(shù)中。由于AutoCAD軟件的強(qiáng)大繪圖和編輯功能，以及開放的DXF數(shù)據(jù)接口，它已成為圖形輸入平臺和自動編程的重要組成部分。但是，當(dāng)前許多基于AutoCAD的自動編程系統(tǒng)按加工順序繪圖，未考慮刀具軌跡的自動補(bǔ)償，加工方向需人工設(shè)定。對于復(fù)雜零件，往往還需要手工確定繪圖參數(shù)，有很多不便之處。本文采用ARX開發(fā)技術(shù)及VISUAL C++6.0，對AutoCAD進(jìn)行二次開發(fā)，使圖形化輸入、編輯、自動尋跡、NC編程、主從通訊過程都在AtuoCAD平臺下完成，以線切割系統(tǒng)改造為目標(biāo)實(shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成。

2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　系統(tǒng)采用主從式控制方式，其中主機(jī)采用中檔微機(jī)，從機(jī)采用單片機(jī)系統(tǒng)直接控制線切割機(jī)床。一臺主機(jī)通過RS—485接口控制多臺從機(jī)，充分利用微機(jī)的強(qiáng)大功能，進(jìn)行圖形輸入、輸出、建立切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫等工作。主機(jī)的自動編程模塊將圖形數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成NC加工指令，并將加工指令傳給從機(jī)，從機(jī)依次執(zhí)行，完成加工過程。同時，從機(jī)根據(jù)主機(jī)要求反饋數(shù)據(jù)，為實(shí)時控制、自動跟蹤及工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫的建立提供依據(jù)。主機(jī)軟件系統(tǒng)包括圖形輸入、工藝參數(shù)處理、自動編程、仿真、跟蹤和通訊等六大功能模塊（圖1）。

3自動編程技術(shù)

　　自動編程模塊主要解決自動尋跡、加工方向判別、刀具軌跡自動補(bǔ)償?shù)裙δ?，?shí)現(xiàn)CAD/CAM的集成。其流程如圖2所示。

3.1獲取圖形數(shù)據(jù)、生成基本加工閉環(huán)

　　通過AutoCAD繪圖輸入后生成的DXF文件，利用基于特征的信息建模方法，從中獲取加工實(shí)體特征信息。系統(tǒng)需要的是實(shí)體的幾何信息，因而只需讀取和處理DXF文件的實(shí)體段（ENTITIES Section）,并存儲有關(guān)特征信息。根據(jù)這些信息，初步形成零件的輪廓及其構(gòu)成元素間的拓?fù)潢P(guān)系。CAD繪圖實(shí)體在DXF文件中是按其繪圖順序存放的，與加工順序無關(guān)；而在加工閉環(huán)中刪除或添加某一實(shí)體時，由于DXF文件中的實(shí)體并不按加工閉環(huán)的順序存放，因此需按端點(diǎn)連接情況重新排序，形成加工閉環(huán)。這樣，就使繪圖和加工分離，利用AutoCAD進(jìn)行圖形輸入時，則不必關(guān)心實(shí)際加工順序，簡化了數(shù)據(jù)輸入過程。本系統(tǒng)采用雙鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)存儲實(shí)體信息，雙鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)見文獻(xiàn)。

3.2判別加工方向

　　本文采用矢量法判斷加工方向。下面以圖3所示的任一加工閉環(huán)為例，來說明加工方向的判別算法。

　　首先遍歷雙鏈表，找出離X坐標(biāo)軸或Y坐標(biāo)軸最近的端點(diǎn)為加工起點(diǎn)， 即D=MIN（｜x-x0｜,｜y-y0｜）。令此點(diǎn)為B點(diǎn)，其在鏈表中前后兩端點(diǎn)分別為A點(diǎn)和C點(diǎn)。可推知，連接B點(diǎn)兩矢量AB、BC的連接情況將唯一確定原圖形的方向。

　　采用矢量法來判別三角形ABC的方向。為便于編程，按如下原則將矢量方向所屬象限分類。設(shè)點(diǎn)A（xA，yA）,B（xB，yB）,C（xC，yc），則AB=OB-OA=（xBi+yBj）-（xAi+yAj）=（xB-xA）i-（yB-yA）j

當(dāng)xB-xA＞0,yB-yA≥0時，AB∈Ⅰ象限；

當(dāng)xB-xA≤0,yB-yA＞0時，AB∈Ⅱ象限；

當(dāng)xB-xA＜0,yB-yA≤0時，AB∈Ⅲ象限；

當(dāng)xB-xA＞0,yB-yA＜0時，AB∈Ⅳ象限。

　　根據(jù)加工起點(diǎn)的選擇原則，可推知矢量AB、BC不可能在同一象限，從而使判斷過程簡化。閉環(huán)方向判斷流程見圖4。圖4中KⅠ、KⅡ、KⅢ、KⅣ分別表示各象限矢量的斜率。此法編程簡潔，運(yùn)行速度快，程序執(zhí)行時間短，能夠精確地實(shí)現(xiàn)自動尋跡。

3.3形成實(shí)際加工軌跡

　　在形成實(shí)際加工軌跡時，需要考慮加工對象的凹、凸模特性、鉬絲直徑、放電間隙及加工方向等因素的影響，在自動編程系統(tǒng)中確定刀具軌跡補(bǔ)償量，對基本加工路線加以調(diào)整，才能保證加工精度。設(shè)鉬絲半徑為r鉬，單邊放電間隙為δ電，則加工軌跡偏移補(bǔ)償量為

f=r鉬+δ電（1）

　　目標(biāo)工件輪廓一般由直線和圓弧組成（其它曲線可由直線和圓弧擬合得到），因此調(diào)整刀具實(shí)際加工軌跡實(shí)際上是對圓弧半徑R增大或減小f，和將直線在法線方向上平移f。

設(shè)直線兩端點(diǎn)為Ps（xs,ys）,Pe（xe,ye），

原直線的一般方程為L：Ax+By+C=0（2）

平移f后的直線方程為L′：Ax+By+C′=0（3）

其中（4）

A=ye-ys,B=xs-xe,C=xeys-yexs（5）

對于圓弧，R′=R±f（6）

　　公式（4）、（6）中正負(fù)號的選取取決于工件的凸、凹模特性和加工方向。各種情況下的調(diào)整情況見參考文獻(xiàn)［2］。系統(tǒng)在進(jìn)行有關(guān)計算時，精確至1μm。對各實(shí)體進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整后，便得到刀具實(shí)際運(yùn)動軌跡，從而消除了來自刀具和放電間隙等工藝參數(shù)帶來的誤差，提高了加工精度。

　　實(shí)際加工中工件輪廓可能不光滑，出現(xiàn)拐角、尖角等情況，容易造成斷絲、短路、塌角、空程等問題，可添加過渡圓?。≧≥f），使加工軌跡圓滑過渡，從而保護(hù)鉬絲，提高加工效率。系統(tǒng)按加工順序?qū)Ω鱾€實(shí)體進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，把加工命令儲存在文件中，并發(fā)送給從機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行加工，從而實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM的集成。

4結(jié)論

　　本文所介紹的基于AutoCAD 的CAD/CAM技術(shù)，已在我院精密儀器廠得到應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了CKX-1型和DMK6732型數(shù)控電火花線切割機(jī)床的技術(shù)改造及群控管理。使用過程中，用戶只需熟悉基本繪圖操作，按設(shè)計要求繪圖輸入，而不必關(guān)心加工過程。復(fù)雜計算及軌跡補(bǔ)償均由自動編程系統(tǒng)完成，從而實(shí)現(xiàn)圖形輸入與加工分離。繪圖后通過主機(jī)直接控制從機(jī)加工，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM一體化。系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件輪廓的精確加工。本系統(tǒng)界面友好，操作簡便，能夠精確地進(jìn)行自動尋跡和刀具軌跡補(bǔ)償，運(yùn)行穩(wěn)定可靠，減輕了操作人員的負(fù)擔(dān)，提高了加工效率。