基于AutoCAD 的停車設(shè)備組合機(jī)床自動數(shù)控編程算法*

馬少華，張承瑞，b，胡天亮，b，孫好春

(山東大學(xué)a.機(jī)械工程學(xué)院;b.高效與潔凈機(jī)械制造教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，濟(jì)南 250061)

0 引言

隨著社會的高速發(fā)展以及人們時(shí)間觀念的不斷加強(qiáng)，智能停車設(shè)備獲得空前發(fā)展，滿足了人們存取車時(shí)間短、入場無需停車引導(dǎo)等需求［1］。在停車設(shè)備的加工過程中，立柱、橫梁、縱梁等結(jié)構(gòu)通常以H 型鋼、槽鋼為原材料［2］，手工進(jìn)行鉆孔、銑槽以及等離子切割等加工。當(dāng)應(yīng)用數(shù)控機(jī)床加工停車設(shè)備的零件時(shí)，由于加工特征的數(shù)目和種類較多，生成加工代碼時(shí)需要設(shè)計(jì)合理的加工工序并選配刀具。因此，準(zhǔn)確高效地生成加工代碼，成為停車產(chǎn)業(yè)關(guān)心的技術(shù)問題。

目前，基于圖形的計(jì)算機(jī)輔助編程技術(shù)快速發(fā)展，提高了編程效率和程序準(zhǔn)確度［3］。文獻(xiàn)［4］通過讀取DXF 文件自動建立圖元信息數(shù)據(jù)庫，按照特定工藝自動生成加工代碼，對橫梁上多個(gè)圖元進(jìn)行加工;文獻(xiàn)［5］中，基于DXF 文件設(shè)計(jì)的圖形自動編程系統(tǒng)，能對單視圖的零件沿其輪廓進(jìn)行切削。以上自動編程系統(tǒng)可識別簡單圖紙，加工方式單一，工藝不可更改。本文針對停車設(shè)備中H 型鋼加工的要求，為一種H 型鋼加工專用組合機(jī)床設(shè)計(jì)了一種自動編程算法，通過讀取DXF 文件來獲取圖元信息，可識別按照第三角標(biāo)準(zhǔn)［6］設(shè)計(jì)的多視圖類型的圖紙，能協(xié)調(diào)多個(gè)刀具同時(shí)工作，工藝修改簡單、方便。

1 組合機(jī)床控制功能分析

1.1 系統(tǒng)功能分析

在停車設(shè)備的生產(chǎn)中，需要對較長型材的前、后、上三個(gè)面鉆孔、銑槽以及等離子切割，并且滿足安全條件時(shí)，多把刀具同時(shí)加工。如圖1 所示，本組合機(jī)床采用臥式結(jié)構(gòu)，安裝A、B、C 三個(gè)龍門架，可以按圖中箭頭方向整體移動;每個(gè)龍門架上安裝三個(gè)刀架(如A 龍門架上有d、e、f 三個(gè)刀架)，使機(jī)床具備9 個(gè)可控刀具通道、21 個(gè)可控運(yùn)動軸。由于刀具數(shù)量大、加工特征多以及多軸聯(lián)動，人工編程很難實(shí)現(xiàn)。因此需設(shè)計(jì)一種圖形自動編程系統(tǒng)，根據(jù)加工參數(shù)，快速、準(zhǔn)確地生成符合加工工藝的NC 代碼。數(shù)控系統(tǒng)按照NC 代碼控制9 把刀具運(yùn)動，實(shí)現(xiàn)多把刀具同時(shí)對型材的多個(gè)面進(jìn)行多種形式的加工。

圖1 機(jī)床結(jié)構(gòu)

1.2 軟件需求分析

根據(jù)組合機(jī)床功能分析結(jié)果，本自動編程系統(tǒng)應(yīng)滿足以下運(yùn)動控制要求:

(1)當(dāng)龍門架間距滿足安全距離時(shí)，多個(gè)龍門架可以同時(shí)運(yùn)動;

(2)在鋼材長度方向上的某一位置，當(dāng)鉆削鋼材的不同表面時(shí)，刀具無需沿鋼材長度方向移動，因此同一個(gè)龍門架的相應(yīng)刀具可同時(shí)鉆削鋼材;當(dāng)銑削或等離子切割鋼材的不同表面時(shí)，刀具需要沿鋼材長度方向移動，同一個(gè)龍門架的相應(yīng)刀具應(yīng)先后完成加工，不可同時(shí)加工。

為了實(shí)現(xiàn)上述運(yùn)動控制要求，本文首先設(shè)定了數(shù)控加工代碼的格式，然后讀取DXF 文件的圖元信息并預(yù)處理成可用的圖元數(shù)據(jù)，最后根據(jù)生成代碼的算法邏輯，通過人機(jī)交互，順次生成NC 代碼。

2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的組合機(jī)床控制系統(tǒng)選用Visual Studio 2008 平臺開發(fā)，結(jié)構(gòu)如圖2 所示。本系統(tǒng)通過設(shè)計(jì)的自動編程系統(tǒng)讀取指定的DXF 文件以獲取加工信息，生成NC 代碼的文本文件。數(shù)控系統(tǒng)讀取NC 代碼文本文件生成加工任務(wù)，進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算、PLC邏輯控制以及系統(tǒng)運(yùn)行監(jiān)控。控制器采用基于我們課題組設(shè)計(jì)的Ether MAC 實(shí)時(shí)以太網(wǎng)平臺開發(fā)。

圖2 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

3 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為了獲取符合加工代碼要求的圖元數(shù)據(jù)，需進(jìn)行以下預(yù)處理:首先設(shè)定型材的坐標(biāo)系以方便算法的描述，然后對AutoCAD 設(shè)計(jì)設(shè)定了2 條約束條件以得到符合要求的DXF 文件，最后轉(zhuǎn)換圖元坐標(biāo)并定義圖元識別方法，獲取正確的圖元信息。

3.1 工件坐標(biāo)系

為了正確的生成NC 代碼，需要設(shè)定工件坐標(biāo)系。設(shè)計(jì)的H 型鋼加工專用組合機(jī)床控制系統(tǒng)采用第三角作圖標(biāo)準(zhǔn)［6］，設(shè)定工件坐標(biāo)系。如圖3 所示，將H 型鋼平放，兩翼分別在前后面，腹板在中間，將兩翼和腹板分別投影，得到圖紙的前、后、上三個(gè)視圖。工件坐標(biāo)系原點(diǎn)建立在前面左下角，在三個(gè)面分別建立笛卡爾坐標(biāo)系:沿鋼材長度方向設(shè)定為Y軸正方向;刀具進(jìn)給的反向?yàn)閆 軸正方向。

圖3 工件坐標(biāo)系

3.2 與AutoCAD 平臺的數(shù)據(jù)接口設(shè)計(jì)

DXF 文件是一種通用的圖形數(shù)據(jù)交換文件，大多數(shù)AutoCAD 軟件包都提供DXF 文件格式的雙向轉(zhuǎn)換接口［7］。AutoCAD 生成指定的DXF 文件需滿足以下約定條件:

(1)零件圖嚴(yán)格按照工件實(shí)際尺寸的比例繪制;

(2)將型材的前、后、上視圖的實(shí)體分別放于圖層3、1、2，將其他圖元(如尺寸線等)放于圖層0，從而識別不同的視圖和注釋標(biāo)志。

自動編程系統(tǒng)讀取指定的DXF 文件，獲取圖元的精確位置和形狀，并通過識別圖層來區(qū)分不同視圖，為NC 代碼生成做準(zhǔn)備。

3.3 圖元的坐標(biāo)變換

由AutoCAD 設(shè)計(jì)的圖紙一般由線段、圓和圓弧組成［8］。在DXF 文件中，線段由起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)表示，圓由圓心坐標(biāo)、半徑表示，圓弧由圓心坐標(biāo)、半徑、起始角和結(jié)束角表示。線段和圓的圖元信息符合生成NC 代碼的要求，但是圓弧的圖元信息需要轉(zhuǎn)換成圓心、起點(diǎn)、終點(diǎn)坐標(biāo)并判斷圓弧方向，才可用于生成NC 代碼。

圖4 圓弧示意圖

如圖4 所示，假設(shè)圓心坐標(biāo)為O(XC，YC)，圓弧起始角為α=∠AOB，終止角為β=∠AOC，半徑為r，則起點(diǎn)坐標(biāo)B(XS，YS)，終點(diǎn)坐標(biāo)C(XE，YE)滿足:

采用向量叉乘法判斷圓弧方向。如圖5 所示，根據(jù)圓弧的起點(diǎn)P3、終點(diǎn)P4和圓心O 來判斷圓弧方向，建立向量

按式(7)計(jì)算向量C 如下:

按照右手法則，如果C ＜0，則圓弧方向?yàn)轫槙r(shí)針;如果C ＞0，則圓弧方向?yàn)槟鏁r(shí)針。

3.4 圖元的識別

從DXF 文件中讀入的圖元是按照CAD 軟件的繪圖順序進(jìn)行排列的［9］，不可直接作為刀具軌跡數(shù)據(jù)，需要按照加工要求，對圖元的順序進(jìn)行排列。

(1)由于圓是一個(gè)封閉的獨(dú)立圖元，對圓鉆削或切割，只需要識別圓心、半徑;

(2)組合圖形由線段、圓弧構(gòu)成，因此切割組合圖形，需要確定圖元的先后順序。等離子切割時(shí)，需要添加引弧線。如圖5 所示，用鼠標(biāo)點(diǎn)選引弧線起始位置附近點(diǎn)P0、組合圖形上第一個(gè)被加工圖元的端點(diǎn)P1來形成引弧線P0P1。然后，點(diǎn)選第一個(gè)被加工圖元的中點(diǎn)P2(直線)或圓心P2(圓弧)來選中該圖元。此時(shí)，算法經(jīng)過判斷，自動調(diào)節(jié)該圖元的起點(diǎn)為P1、終點(diǎn)為P3。根據(jù)該圖元的終點(diǎn)P3，尋找與其端點(diǎn)重合的另一圖元，并將新圖元定義為加工工序中的下一個(gè)圖元。同時(shí)，采用容差法［10］判斷兩點(diǎn)是否重合，排除繪圖中人為因素造成的誤差。按此方法依次查詢，直至尋不到符合條件的圖元。

圖5 組合圖形

4 代碼生成規(guī)則設(shè)計(jì)

4.1 代碼格式

參考標(biāo)準(zhǔn)NC 代碼，結(jié)合停車設(shè)備型材組合機(jī)床需要對較長型材的多個(gè)面進(jìn)行多種形式加工的特點(diǎn)，本文制定的自動編程系統(tǒng)的NC 代碼格式如表1 所示。

表1 NC 代碼指令功能定義

(續(xù)表)

生成加工程序時(shí)，根據(jù)刀具中心軌跡數(shù)據(jù)生成相應(yīng)的G 指令，并把坐標(biāo)值賦給X、Y、Z 變量，再根據(jù)進(jìn)給速度和采用的刀具類型，分別產(chǎn)生F，T，D 指令，最后加上程序號和必要的M 指令組成程序段，在程序結(jié)束時(shí)加上輔助指令M30 表示程序結(jié)束。

4.2 代碼生成規(guī)則

為了提高停車設(shè)備型材組合機(jī)床的加工效率，當(dāng)滿足龍門架之間的安全距離和不同加工特征之間互不干涉的要求時(shí)，多個(gè)刀架可同時(shí)運(yùn)動，同時(shí)加工型材的不同側(cè)面。編程系統(tǒng)不斷掃描點(diǎn)選的圖元，通過判斷選中圖元與預(yù)設(shè)刀具是否匹配，獲取當(dāng)前加工類型，然后按照表2 所示的代碼生成規(guī)則依次自動生成NC 代碼，最后數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)NC 代碼控制機(jī)床完成加工任務(wù)。具體邏輯如下:當(dāng)按照工藝點(diǎn)選一個(gè)圖元M 后。

表2 代碼生成規(guī)則

(1)如果點(diǎn)選圖元前，內(nèi)存中有0 個(gè)未加工圖元，則根據(jù)圖元M 的加工類型進(jìn)行相應(yīng)處理。如果加工類型是鉆削，則將圖元M 保存到Head 變量;如果是等離子切割，則切割圖元M;如果是銑削，則銑削圖元M。

(2)如果點(diǎn)選圖元前，內(nèi)存中有1 個(gè)未加工圖元，則根據(jù)圖元M 的加工類型進(jìn)行相應(yīng)處理。如果加工類型是鉆削，當(dāng)Head 變量中的圖元與圖元M 滿足y1 =y2 且不同面時(shí)，將圖元M 保存到Current 變量;當(dāng)不滿足條件時(shí)，鉆削Head 變量中的圖元，并將圖元M 保存到Head 變量;如果是等離子切割，則鉆削Head 變量中的圖元，然后切割圖元M;如果是銑削，則鉆削Head 變量中的圖元，然后銑削圖元M。

(3)如果點(diǎn)選圖元前，內(nèi)存中有2 個(gè)未加工圖元，則根據(jù)圖元M 的加工類型進(jìn)行相應(yīng)處理。如果加工類型是鉆削，當(dāng)Head、Current 變量中的圖元與圖元M 滿足y1 =y2 =y3 且不同面時(shí)，同時(shí)鉆削三個(gè)圖元;當(dāng)不滿足條件時(shí)，同時(shí)鉆削變量Head、Current 中的圖元，并將圖元M 保存到Head 變量;如果是等離子切割，則同時(shí)鉆削變量Head、Current 中的圖元，然后切割圖元M;如果是銑削，則同時(shí)鉆削變量Head、Current 中的圖元，然后銑削圖元M。

5 實(shí)例應(yīng)用

根據(jù)江蘇某停車產(chǎn)業(yè)公司提供的DXF 格式的圖紙，本自動編程系統(tǒng)生成NC 代碼如圖6 所示。將生成的NC 代碼文件輸入到數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)型材加工。實(shí)踐表明，僅需要2 名工人即可完成型材搬運(yùn)、裝夾定位以及對型材進(jìn)行多種類型加工，平均每天加工型材40 根以上，與原來加工方式相比，生產(chǎn)效率較原來提高6 倍以上，且大大減輕了勞動強(qiáng)度。圖7 為組合機(jī)床加工H 型鋼現(xiàn)場。

圖6 NC 代碼生成界面

圖7 停車設(shè)備用組合機(jī)床

6 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的H 型鋼加工專用組合機(jī)床圖形自動編程系統(tǒng)，可訪問符合第三角標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的圖紙，適用于多視圖、多獨(dú)立加工特征的圖紙。操作者按照工藝點(diǎn)選圖元，系統(tǒng)自動生成符合工藝的NC 代碼，工藝適應(yīng)性好。本系統(tǒng)適用于多種刀具同時(shí)對較長型材進(jìn)行不同形式的加工，生產(chǎn)效率較高。應(yīng)用本文設(shè)計(jì)的圖形自動編程系統(tǒng)，可大大提高H 型鋼加工中的編程效率，并提高編程準(zhǔn)確度，以實(shí)現(xiàn)H 型鋼的自動數(shù)控加工。

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