劉德剛，李佳星，趙靜赟

(中國地質(zhì)大學(xué)(武漢)機械與電子信息學(xué)院，武漢 430074)

0 引言

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

AutoCAD 應(yīng)用廣泛，提供了面向?qū)ο蟮拈_發(fā)庫ObjectARX［6］?；贠bjectARX 已成功開發(fā)出了眾多CAM 系統(tǒng)［7-10］。本系統(tǒng)也基于ObjectARX 開發(fā)，論文對系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)進行闡述。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

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

自動編程系統(tǒng)的動態(tài)運行是典型的數(shù)據(jù)流處理過程。切割圖形作為原始數(shù)據(jù)輸入，此圖形經(jīng)過多個處理環(huán)節(jié)，每個環(huán)節(jié)都對輸入數(shù)據(jù)進行專業(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)計圖可以利用AutoCAD 強大的設(shè)計功能繪制，經(jīng)過圖形規(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)范后的圖形進行編譯，包括追蹤封閉輪廓以及進行割縫補償?shù)?。編譯后的圖形可以進行自動或手動排序。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)計目標，步驟簡單。

基于數(shù)據(jù)流圖的設(shè)計模式，流程節(jié)點可以設(shè)計為單獨的數(shù)據(jù)處理模塊，實現(xiàn)輸入—處理—輸出的算法模式。各模塊最終注冊為AutoCAD 中的新命令組，通過鍵入命令或者點擊菜單來調(diào)用。系統(tǒng)的功能架構(gòu)設(shè)計如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)功能架構(gòu)

工藝編譯中包含多個子模塊，用來實現(xiàn)多個處理邏輯?；凇吧倒匣钡脑O(shè)計目標，最終用戶只需要使用“工藝編譯”一個命令，工藝編譯會自動調(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)目標的不同，對于非計算機專業(yè)而言，其在Access數(shù)據(jù)庫方面的教學(xué)呈現(xiàn)一種不夠科學(xué)嚴謹?shù)奶攸c。主要體現(xiàn)為：

系統(tǒng)的設(shè)計采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，各個模塊都利用類來實現(xiàn)。還設(shè)計了CBaseARX 基礎(chǔ)類，該類封裝了ObjectARX 的復(fù)雜接口，用簡單的C++函數(shù)提供基本的CAD 數(shù)據(jù)操作功能，如標注、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)。上層模塊需要時直接調(diào)用此類中的函數(shù)，從而簡化了上層模塊的復(fù)雜度，實現(xiàn)了代碼重用。

2 主要模塊設(shè)計

2.1 專業(yè)圖層生成

AutoCAD 具有強大的圖形設(shè)計功能，但設(shè)計出的圖形并沒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展屬性進行描述，但這種方式操作復(fù)雜，可視化效果差，當圖元進行合并、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)過研究，利用AutoCAD 的圖層屬性來完成切割信息描述。相同類型的圖元放在同一層，每個圖層設(shè)置不同的顏色，用戶通過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)圖層進行查找與計算。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。切割順序號層中放置切割順序標注數(shù)字。

基于“傻瓜化”的設(shè)計目標，打開或者新建圖形時，插件自動創(chuàng)建切割專用圖層，不需要用戶輸入命令或者點擊菜單。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)部實現(xiàn)了多個子處理功能，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)換圖形為世界坐標系，將圖形左下角平移到原點，轉(zhuǎn)換橢圓為多段線等。因為G 代碼中只支持直線和圓弧，橢圓須轉(zhuǎn)換為多段線。算法實現(xiàn)原理為利用Object-ARX 設(shè)置為折線繪制模式，自動重畫橢圓，畫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，以此對五個輪廓相關(guān)層進行處理。首先是將輪廓層中的圖元自動轉(zhuǎn)換為多段線，通過ObjectARX 獲取圖層范圍，自動執(zhí)行pedit 命令，自動設(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，計算出多段線的順逆，再根據(jù)所屬圖層判斷是否需要進行多段線方向反轉(zhuǎn)。由于系統(tǒng)可以自動追蹤出多段線并調(diào)整方向，用戶繪圖的時候就沒有額外限制，可以按照自己的習(xí)慣進行設(shè)計。封閉輪廓中的多段線如果不能閉合，系統(tǒng)會提示錯誤信息。

由于設(shè)計原因或者一些轉(zhuǎn)換軟件的算法原因，切割圖形中有時存在過多點坐標，導(dǎo)致切割效率嚴重下降，甚至不能正常切割。刪除多余點算法根據(jù)用戶設(shè)置的允許誤差，對輪廓坐標進行判斷，刪除多余的點坐標。

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

引入線生成算法對依次對輪廓層進行遍歷，得到多段線坐標，根據(jù)引入線長度參數(shù)，自動生成引入線。引入線的終點坐標與輪廓的首點坐標重合，通過坐標位置建立拓撲關(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)提供的自動排序算法自動編排切割順序。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］進行最優(yōu)路徑的尋找。切割順序以數(shù)字標注形式放置于切割順序號圖層。標注的內(nèi)容為輪廓切割的順序，標注的坐標與引入線的坐標開始坐標重合，通過坐標建立順序標注與引入線之間的拓撲關(guān)系。

系統(tǒng)還提供了手動排序功能，根據(jù)用戶點擊輪廓的向后順序進行排序。排序完成后，還可以進行排序號的調(diào)整。利用MFC 開發(fā)圖形界面對話框，用戶設(shè)置需要調(diào)整的序號。

排序完成后，就可以遍歷圖形輸出G 代碼。通過圖層屬性以及坐標拓撲屬性可以完成輪廓的尋找，空移線可以自動生成。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)實現(xiàn)與運行情況

本插件系統(tǒng)支持AutoCAD2004 至AutoCAD2014各個版本，提供中英兩種語言版本。由于ObjectARX的版本較多，與開發(fā)環(huán)境關(guān)系密切，在支持不同版本的AutoCAD 時，ObjectARX 的版本與開發(fā)平臺都不同，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，開發(fā)平臺為Visual Studio.NET 2008 SP1，開發(fā)語言為Visual C++，使用MFC 進行圖形界面開發(fā)。

插件安裝后，在AutoCAD 中增加了“切割機”菜單，點擊菜單即可以實現(xiàn)切割軌跡自動編程功能，如圖5 所示。

圖5 自動編程系統(tǒng)運行界面

本插件系統(tǒng)與切割機廠商合作，已投入實際運行多年。系統(tǒng)在眾多用戶處已成功生成了上萬個的G代碼文件。系統(tǒng)運行穩(wěn)定，使用簡單，達到了“傻瓜化”的設(shè)計目標，算法的穩(wěn)定性與正確性也得到了驗證。

4 結(jié)束語

本文利用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，基于ObjectARX 二次開發(fā)平臺設(shè)計開發(fā)了適用于數(shù)控火焰/等離子切割機的切割軌跡自動編程系統(tǒng)。該系統(tǒng)已成功投入實際運行。系統(tǒng)遵循“傻瓜化”的設(shè)計目標，簡單易用，符合現(xiàn)場工人需求。開發(fā)經(jīng)驗表明，基于ObjectARX 進行二次開發(fā)，能夠充分利用AutoCAD 已有的強大功能，快速開發(fā)出領(lǐng)域?qū)Ｓ霉δ?，是CAM 開發(fā)中的一種重要開發(fā)方式。本文對類似系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)具有參考意義。未來還可以將參數(shù)化典型圖庫的功能集成進本系統(tǒng)中，進一步增強系統(tǒng)的實用性。

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