基于雕刻機(jī)的河工模型斷面板加工系統(tǒng)

胡向陽，張 雨，張文二，許 明

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

基于雕刻機(jī)的河工模型斷面板加工系統(tǒng)

胡向陽1，張 雨2，張文二1，許 明1

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

介紹基于數(shù)控雕刻機(jī)的河工模型斷面板自動加工系統(tǒng)，采用了優(yōu)化的排序算法使一塊模板上能加工盡可能多的斷面板，節(jié)省了板材，降低了使用成本；系統(tǒng)使用高效率和高精度的數(shù)控雕刻機(jī)進(jìn)行斷面板的加工，保證了加工質(zhì)量；考慮數(shù)控加工中的刀具補(bǔ)償，提高了加工精度；系統(tǒng)具有網(wǎng)絡(luò)化結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程控制，方便使用。

河工模型實(shí)驗(yàn)；斷面板加工；自動排序；數(shù)控雕刻機(jī)；CAD／CAM

1 概 述

制作河工模型需要按照地形數(shù)據(jù)制作大量的河工模型斷面板。模型斷面板根據(jù)河道地形在模板上切割加工制成，并對斷面板加工進(jìn)行排序，使斷面板在模塊上的排列盡量優(yōu)化、板材的耗費(fèi)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(cuò)。

隨著數(shù)控加工技術(shù)的發(fā)展，CAD／CAM技術(shù)越來越成熟，華春雷［1］等率先把CAM自動制模技術(shù)應(yīng)用到河工模型試驗(yàn)中。使用TAPE3軟件完成斷面板的排列及生成G代碼，然后將數(shù)據(jù)拷貝到機(jī)床上進(jìn)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(nèi)外都在積極地將CAM自動制模的先進(jìn)技術(shù)應(yīng)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(jī)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(shí)現(xiàn)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(fèi)。國外也有用于雕刻機(jī)的加工軟件，如美國的2L雕刻機(jī)軟件，加工能力較強(qiáng)，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(tǒng)集成了數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析，在板材上自動生成斷面板，并進(jìn)行分組排序，使板材的利用最大化。系統(tǒng)使用的是通用的CNC系統(tǒng)，不具有針對木材加工的專用性和網(wǎng)絡(luò)化控制的功能，本文在此工作的基礎(chǔ)上，使用數(shù)控雕刻機(jī)對模板進(jìn)行高精度和高效率的加工，實(shí)現(xiàn)了刀具加工的補(bǔ)償功能，并優(yōu)化了斷面板加工的排序算法。

2 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分為控制中心、數(shù)控雕刻機(jī)、網(wǎng)絡(luò)3部分（見圖1），工作人員在控制中心按斷面數(shù)據(jù)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(jù)控制中心的指令自動加工出斷面板。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

系統(tǒng)使用了網(wǎng)絡(luò)控制功能，操作人員對機(jī)器的管理控制更方便?？刂浦行慕y(tǒng)一管理聯(lián)網(wǎng)的所有加工客戶端，操作人員只需在控制中心向指定機(jī)器發(fā)指令就可以控制機(jī)器工作。網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫问绞且蕴W(wǎng)，在網(wǎng)絡(luò)中放置無線路由器，用戶可用筆記本電腦無線上網(wǎng)來控制機(jī)器。

數(shù)控雕刻機(jī)在生產(chǎn)加工中可作為獨(dú)立的單元進(jìn)行生產(chǎn)，同時(shí)在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中作為客戶端，它通過網(wǎng)絡(luò)通訊口與中控室的機(jī)器連接，就能達(dá)到很高的加工精度（0.1 mm）和網(wǎng)絡(luò)通訊功能。通訊方式分為有線和無線2種方式。

3 加工實(shí)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(shù)控雕機(jī)的加工范圍為準(zhǔn)，在模板中的每個(gè)斷面的寬度8 cm。當(dāng)一個(gè)斷面太長時(shí)，系統(tǒng)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(dāng)斷面橫放完后，系統(tǒng)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(bǔ)償及實(shí)現(xiàn)

在數(shù)據(jù)加工過程中，因?yàn)榈毒弑旧碛幸欢ǖ陌霃?，刀具中心的運(yùn)動軌跡并不等于所需加工零件的實(shí)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(shí)際尺寸，所以在計(jì)算刀具運(yùn)動時(shí)的路徑時(shí)要加上刀具的半徑補(bǔ)償。

4.1 刀具補(bǔ)償?shù)脑?/p>

在二維輪廓數(shù)控銑削加工過程中，由于旋轉(zhuǎn)刀具具有一定的刀具半徑，刀具中心的運(yùn)動軌跡不等于所加工工件的實(shí)際輪廓。如圖3所示，在加工內(nèi)輪廓時(shí)，刀具中心向工件輪廓的內(nèi)部偏移一個(gè)距離；而加工外輪廓時(shí)，刀具中心向工件的外側(cè)偏移一個(gè)距離，這個(gè)偏移，就是刀具半徑補(bǔ)償。

圖3 刀具補(bǔ)償原理Fig.3 Princip le of cutter com pensation

在數(shù)控加工機(jī)床程序編制時(shí)，如果直接采用刀心軌跡編程法，就需要根據(jù)零件的輪廓形狀及刀具半徑采用一定計(jì)算方法計(jì)算刀具中心軌跡，當(dāng)?shù)毒甙霃礁淖儠r(shí)，需要重新計(jì)算刀具中心軌跡［2］。

數(shù)控系統(tǒng)的刀具半徑補(bǔ)償是將計(jì)算刀具中心軌跡的過程交給數(shù)控加工機(jī)床來做，編程時(shí)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(shù)控加工機(jī)床自動計(jì)算刀具中心軌跡，一個(gè)加工完成后換其它刀具時(shí)，刀具半徑變化，這時(shí)只需要調(diào)用另一個(gè)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(jì)算量和出錯(cuò)率。

4.2 刀具補(bǔ)償?shù)膶?shí)現(xiàn)

刀具半徑補(bǔ)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(shí)用指令告訴CNC（計(jì)算機(jī)數(shù)控）系統(tǒng)刀具是沿零件內(nèi)輪廓運(yùn)動還是沿外輪廓運(yùn)動。實(shí)際的刀具半徑補(bǔ)償是在CNC系統(tǒng)內(nèi)部由計(jì)算機(jī)自動完成的。CNC系統(tǒng)根據(jù)零件輪廓尺寸（直線或圓弧以及其起點(diǎn)和終點(diǎn)）和刀具運(yùn)動的方向指令，以及實(shí)際加工中所用的刀具半徑值自動地完成刀具半徑補(bǔ)償計(jì)算。

軟件中根據(jù)斷面板的輪廓和刀具的半徑，先建立刀具半徑左補(bǔ)，設(shè)置刀具半徑偏置寄存器。指令庫調(diào)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(bǔ)的狀態(tài)，刀具撤離工件時(shí)，取消刀具的半徑補(bǔ)償。

5 自動排序算法優(yōu)化

5.1 算法優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)

排樣問題到目前為止還沒有通用的求最優(yōu)解的數(shù)學(xué)方法。尤其是對各零件之間的靠邊、疊加等問題復(fù)雜，計(jì)算量大。隨著計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，各種應(yīng)用于計(jì)算機(jī)的排樣算法出現(xiàn)了，在優(yōu)化排序中的較常用的算法有遺傳算法、模擬退火、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等［3］。

模擬退火、遺傳算法是優(yōu)化方法，主要用于參數(shù)尋優(yōu)；神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)則是用于分類機(jī)制和擬合預(yù)測問題。

本系統(tǒng)選用遺傳算法來進(jìn)行斷面板的排序和優(yōu)化。其中遺傳算法的實(shí)現(xiàn)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(gè)個(gè)體。

（2）斷面板水平放置（長度方向?yàn)樽笥曳较?，寬度方向?yàn)樯舷路较颍?，斷面板先橫排再豎排。

（3）對多個(gè)初始形成的個(gè)體使用遺傳算法進(jìn)行選擇、交叉、變異，計(jì)算其適應(yīng)值，逐步尋優(yōu)，最終得到較滿意的結(jié)果。

在本系統(tǒng)的自動優(yōu)化排樣系統(tǒng)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(yōu)化排序算法的效果

優(yōu)化排序的主要目的是節(jié)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(jié)省材料，降低成本。

要達(dá)到優(yōu)化的目的，程序要進(jìn)行一系列的對斷面板位置的判斷并不斷調(diào)整位置，當(dāng)斷面板在一個(gè)方向上調(diào)整到位后還要反方向進(jìn)行調(diào)整以獲取最優(yōu)結(jié)果。圖5對比了使用優(yōu)化排序算法和沒使用優(yōu)化排序算法的2種結(jié)果。兩次排序都對185個(gè)斷面進(jìn)行了排序，對比軟件優(yōu)化排序的結(jié)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(jié)果看出，使用優(yōu)化排序算法時(shí)使用了15塊模板，沒使用優(yōu)化排序算法時(shí)用了17塊模板，說明使用優(yōu)化排序后模板的利用率提高了13%。

圖5 排序?qū)Ρ菷ig.5 Contrast of sorting

6 結(jié) 論

基于數(shù)控雕刻機(jī)河工模型斷面板加工系統(tǒng)，用計(jì)算機(jī)技術(shù)優(yōu)化了河工模型斷面板在模板上的排序，充分利用了數(shù)控雕刻機(jī)的加工技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)控制功能，并考慮了數(shù)控加工中的刀補(bǔ)問題。根據(jù)河工模型斷面板的具體制作過程，在一套軟件中實(shí)現(xiàn)了斷面板的優(yōu)化排序和在數(shù)控雕刻機(jī)上的加工生產(chǎn)過程，在使用過程中，操作人員不必對斷面板進(jìn)行人工排序和用多個(gè)軟件進(jìn)行煩瑣的操作。實(shí)踐證明本文研究的斷面板自動加工系統(tǒng)，可以大大提高斷面板加工中的模板利用率，并且節(jié)省大量的人力和時(shí)間。

［1］ 華春雷，趙 榮，趙 樂，等.CAM技術(shù)在河道試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱髦械膽?yīng)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(shù)控加工理論與編程技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)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(yōu)化計(jì)算學(xué)習(xí)與識別［M］.北京：科學(xué)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(diào)度及其遺傳算法［M］.北京：清華大學(xué)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。