基于Python編程語言的絎縫機(jī)NC代碼的自動(dòng)生成

張子立，楊九銅，梅宇亮，朱志松

(南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019)

隨著現(xiàn)代制造產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在高精度、高效率和柔性自動(dòng)化方面有著突出的優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)高速發(fā)展，在絎縫機(jī)的生產(chǎn)加工過程中，手動(dòng)人工NC編程、程序試切驗(yàn)證等傳統(tǒng)的制造工藝已經(jīng)無法滿足當(dāng)前產(chǎn)品多樣化、個(gè)性化的需求[1-3]。為了實(shí)現(xiàn)加工過程的自動(dòng)化、智能化，必須對(duì)現(xiàn)有的系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)改進(jìn)。因此，可將開放式數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)用于絎縫機(jī)進(jìn)行升級(jí)改造。

絎縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)分為上位機(jī)和下位機(jī)2部分，上位機(jī)為PC機(jī)，用來實(shí)現(xiàn)花型圖案的設(shè)計(jì)與繪制、運(yùn)行參數(shù)設(shè)置、加工過程監(jiān)控、運(yùn)動(dòng)控制、加工過程模擬仿真等功能；下位機(jī)采用倍福工控機(jī)，用來解釋NC代碼(數(shù)控加工代碼)并控制伺服驅(qū)動(dòng)器發(fā)送脈沖信號(hào)，以控制絎縫機(jī)的機(jī)械加工過程。這類數(shù)控系統(tǒng)將PC機(jī)的信息處理能力和運(yùn)動(dòng)控制卡的控制能力有機(jī)結(jié)合，具有可靠性高、功能強(qiáng)、性能好，操作簡(jiǎn)單方便，開發(fā)周期短，成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于制造業(yè)自動(dòng)化控制等各個(gè)領(lǐng)域。

本文針對(duì)此類絎縫機(jī)數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)了一種NC代碼自動(dòng)生成系統(tǒng)，該系統(tǒng)能將在上位機(jī)繪制的花型文件直接轉(zhuǎn)化為NC代碼，并在上位機(jī)進(jìn)行模擬仿真以校驗(yàn)NC代碼，使用自動(dòng)生成的方式大大提高了絎縫機(jī)加工系統(tǒng)的工作效率，校驗(yàn)系統(tǒng)提升了NC代碼的準(zhǔn)確率和加工的準(zhǔn)確性。

1 花型圖案數(shù)據(jù)分析

用戶使用花型圖案設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì)并繪制所需圖案，圖案對(duì)應(yīng)的花型圖案文件為dat文件。繪制的圖形是矢量圖形，該文件利用終點(diǎn)坐標(biāo)和類型代碼來表示點(diǎn)、線、多邊形、圓弧等幾何圖元[4]。對(duì)矢量圖形的參數(shù)進(jìn)行分析，花型參數(shù)格式見圖1。圖中每一行參數(shù)表示一段軌跡路線，其中包含了NC代碼類型、X軸起點(diǎn)坐標(biāo)、Y軸起點(diǎn)坐標(biāo)、X軸終點(diǎn)坐標(biāo)、Y軸終點(diǎn)坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)、圓弧順逆、進(jìn)給速度等參數(shù)。

圖1 花型參數(shù)格式

參數(shù)意義如下：

NC代碼類型：參數(shù)分為4類，用于對(duì)NC代碼的類型進(jìn)行區(qū)分。0表示直線插補(bǔ)，2表示快速定位，1表示圓弧插補(bǔ)，-1出現(xiàn)在每個(gè)花型文件的最后表示回到起始點(diǎn)。

X、Y軸的起始和終點(diǎn)坐標(biāo)：用2個(gè)坐標(biāo)間的差值表示每行NC代碼X、Y軸的進(jìn)給量。

圓心坐標(biāo)：在圓弧插補(bǔ)時(shí)需輸入圓心坐標(biāo)參數(shù)。

圓弧順逆：參數(shù)為1表示逆時(shí)針圓弧，參數(shù)為0表示順時(shí)針圓弧。

編寫數(shù)據(jù)處理函數(shù)對(duì)花型文件進(jìn)行處理，分為以下幾個(gè)步驟：

①選定花型文件并逐行讀取。每行花型文件表示花型圖案中的每條軌跡，讀取到的數(shù)據(jù)根據(jù)軌跡的不同在生成NC代碼前分組。

②轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)類型。將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成多維數(shù)組，并將數(shù)組中數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)化為float浮點(diǎn)數(shù)類型，用于NC文件生成時(shí)的運(yùn)算。

③將多維數(shù)組轉(zhuǎn)化為列表，完成數(shù)據(jù)的前期處理。

2 NC代碼生成

2.1 花型圖案數(shù)據(jù)讀取及預(yù)處理

為了便于用戶使用和提升系統(tǒng)的人機(jī)交互性，利用圖形用戶界面開發(fā)軟件PyQt5設(shè)計(jì)開發(fā)了GUI圖形用戶界面，用于進(jìn)行NC代碼軌跡路線的顯示和文件的選取。Qt是一套跨平臺(tái)的C ++庫，可以實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的UI開發(fā)。PyQt5是Qt的一套全面的Python(編程語言)綁定,它擁有超過35個(gè)擴(kuò)展模塊，并使Python能夠在所有支持的平臺(tái)上用作應(yīng)用程序開發(fā)語言[5-6]。通過使用PyQt5中QFileDialog.getOpenFileName函數(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)花型文件的讀取，循環(huán)調(diào)用readlines()函數(shù)逐行讀取花型文件中數(shù)據(jù)。花型文件讀取方法如下：

file_name=QFileDialog.getOpenFileName(self,"open file dialog","./","(*.dat)")

with open(file_name[0], ′r′,encoding=′utf-8′) as f:

for line in f.readlines():

L.append(line.split()

L列表中參數(shù)包含空格等不必要元素，使用itertools.groupby()函數(shù)刪除列表中的空格，調(diào)用np.array().astype(float)函數(shù)將列表轉(zhuǎn)換為多維數(shù)組，并將多維數(shù)組中數(shù)據(jù)類型轉(zhuǎn)換為float類型，便于后續(xù)計(jì)算。采用np.tolist()函數(shù)將數(shù)組再次轉(zhuǎn)換為列表，列表命名為data，對(duì)data的操作便于后續(xù)對(duì)關(guān)鍵參數(shù)的提取。通過識(shí)別、提取列表中的關(guān)鍵參數(shù)，獲得生成NC代碼時(shí)所需NC代碼類型、坐標(biāo)、速度等。為方便調(diào)用生成NC代碼中參數(shù)，將列表中的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行定義。參數(shù)定義見圖2。

圖2 參數(shù)定義

2.2 NC代碼生成

在數(shù)控程序加工過程中，機(jī)床的運(yùn)動(dòng)由G、M代碼來指定，用以描述NC系統(tǒng)的具體運(yùn)動(dòng)過程[7]。它將圖紙中工件點(diǎn)、線、面的信息提取為加工的運(yùn)動(dòng)路徑[8]。因此在本文控制系統(tǒng)中，將處理完的數(shù)據(jù)列表編譯為NC代碼是整個(gè)系統(tǒng)中關(guān)鍵的一步。

通過對(duì)花型文件數(shù)據(jù)的分類整理計(jì)算，對(duì)照NC代碼標(biāo)準(zhǔn)格式，寫入獲得的NC代碼參數(shù)，最后將生成各段NC代碼按順序?qū)懭隢C文件中，NC代碼生成算法流程如圖3所示。NC代碼生成程序采用內(nèi)嵌多路分支結(jié)構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，每路分支對(duì)應(yīng)一個(gè)編譯處理函數(shù)，有利于提高程序運(yùn)行效率。

圖3 NC代碼生成算法流程圖

對(duì)data中參數(shù)進(jìn)行分析，data中數(shù)據(jù)類型分成3類，分別為快速定位，直線插補(bǔ)，圓弧插補(bǔ)。生成NC代碼前，先建立一個(gè)名為gcode的空列表用于存儲(chǔ)生成后的NC代碼。通過上述對(duì)花型圖案數(shù)據(jù)的分析可知，生成NC代碼的過程為：從data中截取坐標(biāo)加工、速度等參數(shù)，利用字符串的連接，將連接后的每條NC代碼采用列表的append方法將函數(shù)添加到gcode列表中。當(dāng)data中NC代碼類型參數(shù)為“0”時(shí)，生成直線插補(bǔ)準(zhǔn)備功能字G01，將data中的X軸、Y軸的終點(diǎn)坐標(biāo)返回一個(gè)string格式對(duì)象并分別置于X、Y字符后，將data中進(jìn)給速度參數(shù)返回string格式對(duì)象并放入F字符后，連接后的NC代碼如G01X′+str(x2) ′+Y′+str(y2) ′+F′+str(xyv) ′所示。當(dāng)data中NC代碼類型參數(shù)為“2”時(shí)，生成準(zhǔn)備功能字G00進(jìn)行快速定位，將data中X軸坐標(biāo)、Y軸坐標(biāo)、機(jī)床加工進(jìn)給速度返回string格式對(duì)象并依次連接，如G00X′+str(x2) ′+Y′+str(y2) ′+F′+str(xyv) ′所示。方法如下：

if (data[i][0]==0):

gcode.append(′G01X′+str(x2)+′Y′+str(y2)+′F′+str(xyv))

elif (data[i][0]==2):

gcode.append(′G00X′+str(x2)+′Y′+str(y2)+′F′+str(xyv))

式中：x2、y2表示加工終點(diǎn)坐標(biāo)；xyv為進(jìn)給速度。

圓弧插補(bǔ)的NC代碼生成有別于快速定位和直線插補(bǔ)，在機(jī)床加工工程中圓弧加工存在順圓和逆圓的差別，因此圓弧插補(bǔ)存在G02、G03 兩種準(zhǔn)備功能字分別表示逆圓和順圓[9]?；ㄐ臀募?shù)據(jù)中采用起始點(diǎn)、終結(jié)點(diǎn)、圓心坐標(biāo)和圓弧順逆參數(shù)4個(gè)要素來表示圓弧，圓弧插補(bǔ)NC代碼采用G03 (G02)XYIJF的形式表示[10～11]。當(dāng)data中NC代碼類型參數(shù)為“1”時(shí)，判定進(jìn)行圓弧插補(bǔ)生成。當(dāng)data中圓弧順逆參數(shù)為“0”時(shí)表示順時(shí)針圓弧，生成準(zhǔn)備功能字G03，將data中X軸、Y軸終點(diǎn)坐標(biāo)參數(shù)返回一個(gè)string格式對(duì)象放入X、Y字符后,圓弧插補(bǔ)中I、J表示圓心相對(duì)于起始點(diǎn)坐標(biāo)，將圓心的坐標(biāo)值減去起點(diǎn)坐標(biāo)值算出圓心相對(duì)起點(diǎn)增量，圓心增量轉(zhuǎn)化為string格式后填入I、J之后，用于表示圓心相對(duì)坐標(biāo)。當(dāng)data中圓弧順逆參數(shù)為“1”時(shí)，生成準(zhǔn)備功能字G02，其后的NC代碼按采用順時(shí)針圓弧NC代碼生成方式。其中在此處計(jì)算的半徑R用于后續(xù)NC代碼的校驗(yàn)。方法如下：

if (data[i][0]==1) :

R=np.sqrt((dCenterX-x1)**2+(dCenterY-y1)**2)

I=dCenterX-x1

J=dCenterY-y1

if (direction==0):

gcode.append(′G03X′+str(x2)+′Y′+str(y2)+′I′+str(I) +′J′+str(J)+′F′+str(xyv))

else:

gcode.append(′G02X′+str(x2)+′Y′+str(y2)+′I′+str(I) +′J′+str(J)+′F′+str(xyv))

式中：dCenterX、 dCenterY為圓心絕對(duì)坐標(biāo)；I、J為圓心相對(duì)坐標(biāo)。生成的NC代碼以字符串的形式表示，每一段NC代碼都按data中數(shù)據(jù)的順序存儲(chǔ)在建立的gcode列表中。將gcode列表中的NC代碼寫入NC文件。

3 NC代碼校驗(yàn)

為檢驗(yàn)生成NC代碼的準(zhǔn)確性，利用生成的NC代碼在GUI界面中進(jìn)行花型繪制，使用與原始花型圖案不同顏色的線條加以區(qū)分。2個(gè)花型圖案對(duì)比便于用戶發(fā)現(xiàn)生成的NC代碼和原始花型圖案間的差異。NC代碼圖形的生成采用在Python框架下PyQt5進(jìn)行開發(fā)。運(yùn)用PyQt5中提供的圖元選項(xiàng)QGraphicsLineItem定義drawline函數(shù)，用于繪制直線；利用圖元選項(xiàng)QGraphicsPathItem定義繪圖函數(shù)drawcle，用于繪制圓弧。花型圖案使用圖形項(xiàng)item進(jìn)行表示，花型圖案中每個(gè)元素對(duì)應(yīng)一個(gè)item，所有item圖形項(xiàng)的集合表示整個(gè)花型圖案。定義繪圖函數(shù)如下：

def drawline(x1,y1,x2,y2):

item=QtWidgets.QGraphicsLineItem(x1,y1,x2,y2)

ig.addToGroup(item)

def drawcle(x1,y1,cx0,cy0,R,start,span):

path.moveTo(x1,y1)

path.arcTo(QtCore.QRectF(cx0-R,cy0-R, 2*R, 2*R),start,span)

item=QtWidgets.QGraphicsPathItem(path)

ig.addToGroup(item)

式中：x1、y1為起點(diǎn)坐標(biāo)；cx0、cy0為圓心坐標(biāo)；R為半徑；start為起始角度；span為圓弧包角。

調(diào)用QGraphicsLineItem繪制坐標(biāo)起點(diǎn)和終點(diǎn)分別為(x1,y1),(x2,y2)的直線，建立名為ig的Group列表用于存儲(chǔ)item圖形項(xiàng)，調(diào)用addToGroup()函數(shù)，將生成的item圖形項(xiàng)存入到Group列表中。采用path路徑的方法繪制圓弧，以同樣方式添加到Group列表中。生成的NC代碼和花型圖案分別見圖4、5。

圖4 生成的NC代碼(部分)

圖5 生成的花型圖案

將NC代碼準(zhǔn)備功能字作為標(biāo)記位，用于調(diào)用不同繪圖函數(shù)，采用多路循環(huán)分支結(jié)構(gòu)分別進(jìn)行直線、圓弧的繪制和坐標(biāo)移動(dòng)。當(dāng)準(zhǔn)備功能字為G0時(shí)，用path.moveTo()函數(shù)進(jìn)行坐標(biāo)移動(dòng)，只將坐標(biāo)移動(dòng)到終點(diǎn)坐標(biāo)的位置不進(jìn)行畫圖操作。當(dāng)讀取準(zhǔn)備功能字G01時(shí)，調(diào)用drawline函數(shù)，將起點(diǎn)坐標(biāo)和終點(diǎn)坐標(biāo)作為直線繪制函數(shù)的參數(shù)，(x1，y1)和(x2，y2)分別表示線段的起點(diǎn)和終點(diǎn)坐標(biāo)。當(dāng)讀取準(zhǔn)備功能字為G02/G03時(shí)，調(diào)用drawcle函數(shù)進(jìn)行圓弧的繪制，drawcle函數(shù)用7個(gè)參數(shù)描述圓?。篨軸起點(diǎn)坐標(biāo)、Y軸起點(diǎn)坐標(biāo)、圓心X坐標(biāo)、圓心Y坐標(biāo)、半徑、起始角度、圓弧包角。其中，(x1，y1)和(dCenterX, dCenterY)分別表示起點(diǎn)坐標(biāo)、圓心坐標(biāo)，圓弧半徑通過以下公式求出：R=np.sqrt((dCenterX-x1)**2+(dCenterY-y1)**2)。start參數(shù)表示圓弧起始角度，使用start=np.arccos((x1-dCenterX)/R)計(jì)算得出。span參數(shù)表示圓弧包角， 其正負(fù)表示圓弧旋轉(zhuǎn)的順逆。

按上述方法，根據(jù)NC代碼中順序分別調(diào)用drawline、drawcle繪圖函數(shù)和位移函數(shù)，繪制出花型圖案即可在GUI界面上顯示出來。

4 結(jié)束語

本文基于Python設(shè)計(jì)了一種NC代碼自動(dòng)生成方法，具有一定的創(chuàng)新性。在本文方法中，程序?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單，可以滿足絎縫機(jī)加工的各種工藝需求，提升絎縫機(jī)的自動(dòng)化加工水平，該方法能有效地提升NC代碼的準(zhǔn)確率并監(jiān)管絎縫機(jī)加工過程。實(shí)驗(yàn)證明，程序運(yùn)行穩(wěn)定可靠，生成的NC文件已用于絎縫機(jī)的生產(chǎn)加工，同時(shí)NC文件校驗(yàn)系統(tǒng)的反饋表明NC文件的準(zhǔn)確率達(dá)到了預(yù)期效果。此外，該方法基于Python進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)，可以很好地移植到其他系統(tǒng)中廣泛使用。