點膠機數(shù)控系統(tǒng)中的圖形輸入技術(shù)

張勝奎 李長有 程曉琦

（河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

點膠機數(shù)控系統(tǒng)中的圖形輸入技術(shù)

張勝奎 李長有 程曉琦

（河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院，河南 焦作 454000）

提出了一種基于通用圖形數(shù)據(jù)交換文件直接提取制造工藝參數(shù)的方法。分析了通用圖形數(shù)據(jù)交換 DXF文件的結(jié)構(gòu)；給出了工藝參數(shù)提取的具體步驟；利用這種圖形輸入技術(shù)，以Visual Basic 6.0為開發(fā)平臺，開發(fā)了一種數(shù)控系統(tǒng)軟件。經(jīng)應(yīng)用于全自動點膠機，驗證了系統(tǒng)的開放性和實用性。

DXF；Visual Basic6.0；數(shù)據(jù)提??；點膠機；圖形輸入

（一）技術(shù)背景

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，機械制造領(lǐng)域中的CAD、CAM、CAE和CAPP等技術(shù)日新月異。涌現(xiàn)出了許多面向集成化、一體化、智能化的大型計算機輔助軟件。如UG、Proe等。這些軟件大都只針對大型加工制造過程，而且價格昂貴，不適合中小型數(shù)控加工設(shè)備。另一方面，我國是制造業(yè)大國，擁有大量的中小型機械制造設(shè)備。這些設(shè)備有些配備了專有的數(shù)控系統(tǒng)。但是這些數(shù)控系統(tǒng)大多采用手工測量方式獲取數(shù)控程序所需參數(shù)。使得程序開發(fā)周期較長，嚴重影響了數(shù)控加工的效率。

提高數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)獲取效率的一種方法是使用圖形輸入技術(shù)。圖形輸入技術(shù)是在PC機上繪制出零件圖或加工路徑圖；然后利用軟件從圖形中提取出數(shù)控加工所需參數(shù)；經(jīng)過優(yōu)化處理后應(yīng)用于數(shù)控加工過程的一種技術(shù)。數(shù)控系統(tǒng)中圖形輸入環(huán)節(jié)的優(yōu)劣標志著該系統(tǒng)智能化程度的高低。

點膠機是一種進行自動膠液涂覆的機器?？捎糜陔娮臃庋b、零件固定和玻璃密封等場合。長期以來，我國使用的自動化點膠設(shè)備一直依靠國外進口。為了提高我國在國際制造業(yè)中的競爭力，必須自主研發(fā)出具有高自動化水平的點膠設(shè)備。

提出了一種以 Visual Basic6.0為開發(fā)平臺，基于 DXF文件的圖形輸入技術(shù)實現(xiàn)方法。這種圖形輸入技術(shù)是針對點膠機數(shù)控系統(tǒng)研制的。但其基本算法和原理也可以用于其它的數(shù)控系統(tǒng)。DXF文件屬于圖形數(shù)據(jù)交換格式。它是CAD圖形文件的一種數(shù)據(jù)交換接口。隨著CAD軟件的進一步流行，DXF文件已經(jīng)成為了一種事實上的圖形數(shù)據(jù)交換標準。Visual Basic語言是RAD技術(shù)（Rapid Application Developing）首選編程語言。它具有高效、快速、功能強大等諸多優(yōu)點。點膠是產(chǎn)品加工、制造的一個重要環(huán)節(jié)。

（二）圖形輸入技術(shù)實現(xiàn)方法

1.DXF文件結(jié)構(gòu)分析

DXF文件有兩種格式：ASCII碼格式和二進制格 。數(shù)據(jù)提取一般使用的是 ASCII碼格式的 DXF文件。本質(zhì)上講，DXF文件是一種標記性文件。它是利用特定的標記符號來代表特定的信息，從而構(gòu)成DXF文件。

DXF文件從形式上可以分為多個段。而每個段又由多個組構(gòu)成。每個組包括兩部分內(nèi)容：組碼和相關(guān)的組值。組碼由十進制整數(shù)表示。組碼定義了組值的數(shù)據(jù)類型和該組的其它相關(guān)信息。如：組碼 0表示下該組的組值是一個字符串類型數(shù)據(jù)。而且，一般0組碼所在的組表示DXF文件的開頭或結(jié)尾；也可表示段的開頭或結(jié)尾；還可表示表、圖元、對象等內(nèi)容的開頭或結(jié)尾。組值的數(shù)據(jù)類型有字符串、整數(shù)、或浮點數(shù)。

一個完整的DXF文件共包含7個段。段名和相關(guān)內(nèi)容見表1。

表1 DXF文件結(jié)構(gòu)表

2.工藝參數(shù)提取方法

對于點膠數(shù)控加工有用的圖元一般包括：點、直線、圓弧、圓、橢圓和多段線等實體元素。它們的信息都儲存在DXF文件的ENTITIES段。需要提取的實體圖元參數(shù)有以下幾個方面：

點的信息存儲在組碼為0、組值為字符串“POINT”的部分。組碼為10、20、30的組值分別表示該點的坐標值；組碼為210、220、230的組值分別表示點的拉伸方向矢量的X、Y、Z值。

直線圖元信息存儲在組碼為0、組值為字符串“LINE”的部分。組碼為10、20、30的組值分別表示直線的起點坐標的X、Y、Z值；組碼為11、21、31的組值分別表示直線的終點坐標的X、Y、Z值；組碼為210、220、230的組值分別表示直線的拉伸方向矢量的X、Y、Z值。

圓弧信息存儲在組碼為0、組值為字符串“ARC”的部分。組碼為10、20、30的組值分別表示圓弧的圓心坐標的X、Y、Z值；組碼為40的組值表示圓弧的半徑值；組碼為50和51的組值分別表示圓弧的起點角度值和終點角度值；組碼為210、220、230的組值分別表示了圓弧的拉伸矢量的X、Y、Z值。

圓信息存儲在組碼為0、組值為字符串“CIRCLE”的部分。組碼為 10、20、30的組值分別表示圓心坐標值；組碼為 40的組值表示半徑值；組碼為 210、220、230的組值分別表示圓的拉伸矢量的X、Y、Z值。

橢圓信息存儲在組碼為0、組值為字符串“ELLIPSE”的部分。組碼為10、20、30的組值分別表示橢圓中心點坐標的X、Y、Z值；組碼11、21、31的組值分別表示橢圓長軸端點坐標的X、Y、Z值；組碼210、220、230的組值分別表示橢圓的拉伸方向矢量的X、Y、Z值；組碼為40的組值代表短軸和長軸之比。組碼為41、42的組值分別代表橢圓弧的開始角度和結(jié)束角度。

二維多段線和三維多段線信息的提取方式是不同的。

二維多段線的信息可以在ENTITIES 段中以組碼為0、組值為字符串“LWPOLYLINE”部分找到。需要提取的參數(shù)有：多段線中頂點的個數(shù)（在組碼為 90的組中）；多段線的類型代碼（表示多段線是閉合多段線還是非閉合多段線。包含在組碼為70的組中）；表示頂點坐標值的組碼是10、20（以二維坐標表示）；多段線的標高值由組38提供（沒有組38時默認標高為0）；組42表示了多段線中弧線的凸度值；拉伸矢量存儲在組 210、220、230中。需要注意的是：當二維多段線在一個傾斜的平面上繪制時，多段線的 OCS（Object Coordinate System）坐標系和UCS(User Coordinate System)坐標系是不重合的。而多段線的頂點坐標值在 DXF文件中是以O(shè)CS為基準存儲的。這樣就產(chǎn)生了一個問題：從DXF文件中提取出的多段線頂點坐標值不是實際圖形中的坐標值。解決這個問題的方法是進行坐標變換。

三維多段線的信息存儲在組碼為0、組值為“POLYLINE”的部分中。提取信息時應(yīng)先找到該組所在的位置，然后在后面的各組中提取有用信息。三維多段線的各個頂點的三維點坐標值存放在以組碼為0、組值為“VERTEX”的代碼部分。其中的10、20、30組的組值表示頂點的X、Y、Z值。

數(shù)據(jù)提取流程圖見圖 1。這是一種根據(jù)指定線型選取圖元，然后提取被選取圖元信息的方法。圖中提出的算法如下：首先在表段（“TABLES”段）提取出圖形中包含的所有圖層名和圖層中所定義的線型名。將這些信息存儲起來；然后在實體段（“ENTITIES”段）中提取各個實體所在的圖層名或?qū)嶓w的線型名。（如果實體的線型是用戶在繪圖時指定的，則出現(xiàn)線型名。如果沒有出現(xiàn)線型名，則該實體的線型為所在圖層的線型。）通過這些數(shù)據(jù)得到實體的線型名；最后和實線線型名“continuous”比較，以決定是否提取該圖元的參數(shù)。

圖1 數(shù)據(jù)提取流程圖

（三）應(yīng)用實例

將提出的圖形輸入技術(shù)應(yīng)用于點膠機，設(shè)計出了數(shù)控系統(tǒng)上位機軟件。而后結(jié)合硬件系統(tǒng)設(shè)計，研發(fā)出了點膠機數(shù)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了點膠機工作流程的自動化。

1.點膠機數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計原理

系統(tǒng)采用PC上位機加運動控制器的雙CPU控制結(jié)構(gòu)。這種控制結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是：既能實現(xiàn)柔性控制，又能保持極強的實時性。PC機負責圖形繪制、圖形輸入、參數(shù)優(yōu)化、仿真及實時通信功能。這些功能都由所設(shè)計的上位機軟件實現(xiàn)。下位機采用單片機為主控芯片，主要實現(xiàn)實時的伺服控制和邏輯控制功能。上位機和下位機之間的通信采用 RS-232C串口方式。該系統(tǒng)即可以實現(xiàn)實時點膠控制，又可以實現(xiàn)上位機和下位機之間的異步工作方式。所謂異步，是指可以先脫離下位機，在PC機上完成各種控制參數(shù)和控制算法的設(shè)計和仿真工作；然后將這些數(shù)據(jù)儲存起來；等到實際需要進行數(shù)控加工時，再將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給下位機。而下位機中只固化一些基本的伺服控制和邏輯控制程序。一旦接收到所需的數(shù)據(jù)，下位機便可以進行實際的數(shù)控點膠。點膠機數(shù)控系統(tǒng)原理及功能如圖2所示。

圖2 數(shù)控系統(tǒng)原理圖

2.圖形輸入技術(shù)的應(yīng)用

軟件設(shè)計中采用VB面向?qū)ο蟮木幊汤砟詈湍K化設(shè)計思想。將數(shù)控系統(tǒng)分解為多個功能模塊。每個模塊封裝獨立的功能和算法，便于程序進行調(diào)試、修改以及代碼的重用。值得一提的是，該軟件中利用Visual Basic語言實現(xiàn)了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的鏈表。開發(fā)出了鏈表類，并將鏈表對象應(yīng)用于中間數(shù)據(jù)的動態(tài)存取，極大地改進了程序的實用性和內(nèi)存使用的高效性。

開發(fā)出的數(shù)控軟件能夠?qū)崿F(xiàn)三維點膠控制?？梢詫?CAD圖形中的多個點膠平面進行識別、排序；并對點膠路徑進行自動優(yōu)化。圖3所示的是用AutoCAD2007繪制出的手機滑軌三維圖。圖中粉紅色圖元表示需要點膠的軌跡。

圖3 手機滑軌三維圖

圖形輸入模塊要實現(xiàn)的功能是將這些圖元的有用參數(shù)提取出來，經(jīng)過處理后用于點膠運動控制。數(shù)控軟件圖形輸入模塊界面如圖 4所示。表中已清晰地列出了數(shù)控點膠所需的參數(shù)。

圖4 點膠機數(shù)控軟件界面圖

（四）結(jié)論

圖形輸入技術(shù)為數(shù)控程序員提供了友好的交互界面，實現(xiàn)了數(shù)控程序編制的自動化，將程序員從繁重的代碼編程中解放出來，極大地提高了編程的效率。

所開發(fā)的點膠數(shù)控軟件是面向三維 CAD圖形的。同樣也適用于二維圖形的輸入。程序經(jīng)在 VB6.0平臺上多次調(diào)試證明：運行良好，高效便捷。

[1] 翟霞,毋彩虹.AutoCAD 應(yīng)用開發(fā)技術(shù)[M].北京:中國電力出版社,2007:131.

[2] (美)Ellen Finkelstein.AutoCAD2007 寶典[M].北京:人民郵電出版社,2007:129.

[3] 李文,高健.談零件特征信息自動拾取的方法[J].機電工程技術(shù),2008,37(02),27-28.

[4] 謝敏,戴明.基于 DXF圖形文件的加工控制系統(tǒng)[J].微計算機信息,2006,22(5-1):7-9.

TP274+.2

A

1008-1151(2011)02-0097-03

2010-11-26

張勝奎（1976－），男，河南平頂山人，河南理工大學(xué)機械與動力工程學(xué)院在讀碩士研究生，研究方向為傳感與測控技術(shù)。