基于特征技術(shù)的木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)?

王 偉 謝 堂 梁 浩 沈瑞雪 周學(xué)成 陶建華

（廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院，廣東 廣州 510006）

木材加工數(shù)控技術(shù)由金屬加工數(shù)控技術(shù)逐漸發(fā)展轉(zhuǎn)變而來(lái)，是根據(jù)木材機(jī)械加工工藝要求，使用電子計(jì)算機(jī)對(duì)整個(gè)加工過(guò)程進(jìn)行信息處理與控制，解決復(fù)雜、精密、多品種和中小批量木質(zhì)產(chǎn)品加工問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的自動(dòng)化，是木工機(jī)械設(shè)備中最復(fù)雜、科技含量最高的技術(shù)。數(shù)控技術(shù)在木工機(jī)械中的廣泛應(yīng)用是推動(dòng)木材加工技術(shù)進(jìn)步的重要途徑，是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化、柔性化、集成化與網(wǎng)絡(luò)化的基礎(chǔ)[1]。木工數(shù)控機(jī)床是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于木工機(jī)械的典型，研究數(shù)控機(jī)床對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、增強(qiáng)我國(guó)木工機(jī)械在國(guó)際市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力具有重要意義[2-4]。

特征技術(shù)是CAD/CAPP/CAM集成的核心技術(shù)，是集成過(guò)程中信息傳遞的載體，通過(guò)該載體封裝各個(gè)模塊需要的參數(shù)信息，實(shí)現(xiàn)三者的最終集成,該技術(shù)已成為新一代智能化、集成化產(chǎn)品建模系統(tǒng)的核心技術(shù)[5-11]。本文研究了一種基于特征技術(shù)的木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)，在木工構(gòu)件特征分析的基礎(chǔ)上，歸納出木工榫頭特征的基本單元，并對(duì)基本單元進(jìn)行劃分和模塊封裝，從而實(shí)現(xiàn)木工數(shù)控中榫頭快速編程與加工的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)規(guī)劃

木工數(shù)控編程系統(tǒng)分為五大功能模塊，各功能模塊之間相互獨(dú)立。系統(tǒng)的功能模塊包括：文件管理、系統(tǒng)設(shè)置、特征建模、加工仿真和后置處理。木工數(shù)控編程系統(tǒng)的架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1 所示。文件管理模塊主要用于對(duì)工程項(xiàng)目與數(shù)據(jù)文件的處理。系統(tǒng)設(shè)置模塊主要用于對(duì)加工工藝參數(shù)的設(shè)置。特征模塊主要用于CAD模型的構(gòu)建。加工仿真模塊具有刀路軌跡仿真與機(jī)床仿真功能。后置處理模塊用于對(duì)刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)的后置處理與格式轉(zhuǎn)換。該系統(tǒng)各功能模塊都編譯成獨(dú)立的DLL文件，各功能模塊在組織結(jié)構(gòu)上是相互獨(dú)立的，主程序在執(zhí)行某功能時(shí)只需直接調(diào)用相應(yīng)的DLL文件。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 System architecture design drawing

1.2 系統(tǒng)操作流程

在構(gòu)建特征模型前，木工數(shù)控編程系統(tǒng)需設(shè)置刀具和加工工藝參數(shù)，若未設(shè)置，則按照默認(rèn)數(shù)據(jù)處理。特征模塊根據(jù)木工機(jī)床實(shí)際加工需求進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，在操作特征模塊前需提前設(shè)置加工方法，若未設(shè)置加工方法，則將按照默認(rèn)的刀路軌跡規(guī)劃處理并生成刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)。用戶通過(guò)屬性頁(yè)的選擇框來(lái)交互式選擇加工面與定位邊對(duì)象。每新建一個(gè)工程項(xiàng)目，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)生成一個(gè)特征樹(shù)對(duì)話框，通過(guò)特征樹(shù)節(jié)點(diǎn)可修改和刪除特征模型的外形尺寸和數(shù)據(jù)，也可進(jìn)行參數(shù)化設(shè)計(jì)與調(diào)整特征樹(shù)的節(jié)點(diǎn)順序。數(shù)控編程系統(tǒng)自上而下讀取特征樹(shù)上特征節(jié)點(diǎn)的名稱，并按照節(jié)點(diǎn)名稱順序?qū)⑻卣鞯臄?shù)據(jù)保存在特征模型數(shù)據(jù)文件中。加工仿真模塊包括刀路軌跡仿真和機(jī)床仿真。后置處理模塊是根據(jù)刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)、刀具和加工工藝參數(shù)等進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)換輸出可用于實(shí)際加工的G代碼[12-14]。系統(tǒng)操作流程如圖2 所示。

圖2 系統(tǒng)操作流程圖Fig.2 System operation flow chart

2 系統(tǒng)模塊實(shí)現(xiàn)

2.1 特征模塊

特征信息主要包括三部分：工藝信息、形狀信息和加工信息。形狀信息包括幾何參數(shù)和約束關(guān)系，是描述榫頭特征最重要的一種信息[15-19]。木工榫頭工藝性分析是數(shù)控編程規(guī)劃的第一步，在此基礎(chǔ)上，方可確定榫頭在數(shù)控加工過(guò)程中所需的機(jī)床類型、工藝裝備、刀具類型、切削用量及數(shù)控加工工藝路線，從而獲得最佳的加工工藝方案，滿足榫頭工程圖紙和有關(guān)技術(shù)文件的要求[20-25]。

通過(guò)對(duì)木工構(gòu)件中榫頭特征分析，得出榫頭特征可分為倒角、圓榫、腰圓榫、方榫、L-形槽、圓槽、腰圓槽、方槽、等腰三角形槽、倒圓角和L-型榫頭等（圖3），這些特征相互組合，可以形成復(fù)雜多樣的加工模型。將每類特征開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)為獨(dú)立的加工功能模塊，并且擁有獨(dú)立的屬性頁(yè)和封裝函數(shù)。為了在毛坯上實(shí)現(xiàn)榫頭的加工，需要用到交互界面（圖4），榫頭特征成功生成后，都會(huì)在右上角的特征樹(shù)顯示相對(duì)應(yīng)的特征名，雙擊特征樹(shù)中的特征名，相對(duì)應(yīng)的榫頭特征會(huì)高亮顯示，也可以右鍵修改和刪除特征樹(shù)中的節(jié)點(diǎn)，在修改功能模塊做參數(shù)化設(shè)計(jì)（圖5）。右上角的特征樹(shù)代表木工構(gòu)件的加工工序，即機(jī)床加工這些特征的先后順序，由上至下依次加工。每類特征都有相應(yīng)的刀路軌跡規(guī)劃，用戶也可以通過(guò)設(shè)置不同的加工方法實(shí)現(xiàn)指定榫頭特征的開(kāi)發(fā)（圖6）。

圖3 特征功能模塊示意圖Fig.3 Feature function module diagram

圖4 特征交互界面示意圖Fig.4 Schematic diagram of feature interaction interface

圖5 特征的高亮顯示和參數(shù)化修改示意圖Fig.5 Highlights and parametric changes to features

圖6 特征的刀路軌跡示意圖Fig.6 Schematic diagram of tool path of feature

2.2 加工仿真模塊

木工數(shù)控編程系統(tǒng)的加工仿真模塊用于仿真模擬木工榫頭的加工過(guò)程，以檢驗(yàn)加工過(guò)程中的干涉與碰撞。它由刀路軌跡仿真和機(jī)床加工仿真兩個(gè)功能模塊組成。該系統(tǒng)的機(jī)床仿真模塊需在SolidWorks裝配環(huán)境中進(jìn)行，在裝配環(huán)境中每增添一個(gè)零部件，系統(tǒng)均會(huì)自動(dòng)設(shè)定整體裝配體的坐標(biāo)系和零部件的局部坐標(biāo)系。木工數(shù)控編程系統(tǒng)加工仿真的本質(zhì)實(shí)際是進(jìn)行各部件坐標(biāo)系之間的幾何變換。在加工仿真前，需提前設(shè)定刀具與機(jī)床裝配模型的坐標(biāo)原點(diǎn)。加工仿真流程在于運(yùn)用刀位軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)，設(shè)置每個(gè)木工機(jī)床構(gòu)件的位姿并進(jìn)行幾何變換，通過(guò)刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)刷新屏幕和重構(gòu)模型位姿以達(dá)到運(yùn)動(dòng)仿真的功能。

2.2.1 刀路仿真

刀路仿真在于驗(yàn)證獲取刀路軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)的正確性以及模擬刀具加工的走刀過(guò)程。刀路軌跡數(shù)據(jù)即刀位點(diǎn)的位置軌跡，刀路軌跡仿真即按照刀位點(diǎn)的位姿顯示軌跡（圖7）。刀路仿真用于模擬刀具的實(shí)際切削過(guò)程，通過(guò)刀路仿真可以判別刀位點(diǎn)計(jì)算、進(jìn)退刀方法及進(jìn)給路線是否合理，觀察是否會(huì)發(fā)生刀具過(guò)切以及刀具與約束面發(fā)生干涉或碰撞等情況。

圖7 刀路軌跡仿真示意圖Fig.7 Schematic diagram of tool path simulation

2.2.2 機(jī)床仿真

機(jī)床仿真是應(yīng)用實(shí)體造型技術(shù)建立木工機(jī)床、木工榫頭、刀具以及夾具的實(shí)體幾何模型，并運(yùn)用真實(shí)感圖形顯示技術(shù)顯示加工過(guò)程中的機(jī)床模型、木工榫頭、刀具模型以及夾具模型動(dòng)態(tài)，模擬木工榫頭的實(shí)際加工過(guò)程。機(jī)床仿真過(guò)程綜合考慮了機(jī)床控制器的特點(diǎn)和刀具配置，可以驗(yàn)證刀路軌跡數(shù)據(jù)的正確性，檢驗(yàn)機(jī)床部件、刀具、夾具和木工榫頭之間相互運(yùn)動(dòng)關(guān)系以及相互間的碰撞可能，并對(duì)加工后的木工榫頭與期望的木工榫頭進(jìn)行比較，以提高加工過(guò)程的質(zhì)量，減少操作者不規(guī)范操作導(dǎo)致的誤差，降低機(jī)床、夾具和工件損壞的風(fēng)險(xiǎn)。

木工數(shù)控機(jī)床仿真模塊需將以刀路軌跡算法計(jì)算的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成刀軸運(yùn)動(dòng)量，循環(huán)輸入刀位點(diǎn)轉(zhuǎn)換的刀軸運(yùn)動(dòng)量，并設(shè)置機(jī)床各部件的位姿矩陣，不斷刷新屏幕和模型重構(gòu)，從而達(dá)到機(jī)床運(yùn)動(dòng)仿真的目的。在木工機(jī)床加工仿真前，需將被加工工件添加至機(jī)床仿真的裝配文件中；為達(dá)到更好的仿真效果，需根據(jù)刀具參數(shù)和機(jī)床參數(shù)對(duì)裝配模型進(jìn)行重構(gòu)；同時(shí)將加工模型原點(diǎn)設(shè)置與木工機(jī)床裝配環(huán)境的原點(diǎn)重合以減少刀位點(diǎn)計(jì)算量。

2.3 后置處理模塊

后置處理模塊是將前置處理模塊中獲取的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)、刀具和加工工藝等相關(guān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成能被數(shù)控機(jī)床直接識(shí)別的數(shù)控程序。后置處理計(jì)算流程如圖8 所示，首先應(yīng)輸入機(jī)床的結(jié)構(gòu)參數(shù)與加工工藝參數(shù)，并獲取相關(guān)的輔助工藝參數(shù)，之后逐步讀取由刀路軌跡算法計(jì)算的刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)求解，計(jì)算刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的機(jī)床各軸運(yùn)動(dòng)量，直到刀位點(diǎn)文件讀取結(jié)束；最后，將每個(gè)刀路軌跡點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的各軸運(yùn)動(dòng)量逐個(gè)存入數(shù)據(jù)中。后置處理計(jì)算模塊所需的機(jī)床和工藝參數(shù)包括刀具偏置、工件偏置、主軸轉(zhuǎn)速、吃刀量等。木工數(shù)控系統(tǒng)生成的刀位數(shù)據(jù)包括刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)與加工面法矢量，刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)是刀具相對(duì)于工件坐標(biāo)系的刀心位置；加工面法矢量是刀具相對(duì)于工件坐標(biāo)系的刀軸矢量數(shù)據(jù)。運(yùn)動(dòng)學(xué)求解的作用就是根據(jù)具體的機(jī)床運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)將刀位文件中的刀位數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成機(jī)床各運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)。

圖8 后置處理計(jì)算流程圖Fig.8 Post processing calculation flow chart

將獲得的各軸運(yùn)動(dòng)量數(shù)據(jù)和加工工藝數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成適用于特定數(shù)控系統(tǒng)類型的數(shù)控程序。加工工藝參數(shù)包括平面參數(shù)、位置參數(shù)、尺寸參數(shù)和加工參數(shù)等。刀具參數(shù)包括刀具類型（T1～T4）、刀具直徑、刀具長(zhǎng)度、主軸轉(zhuǎn)速和切削速度等。將以上數(shù)據(jù)信息儲(chǔ)存為刀位文件數(shù)據(jù)，再通過(guò)后置處理模塊，將刀位文件數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為加工數(shù)據(jù)，此加工數(shù)據(jù)可以被HUST數(shù)控控制器識(shí)別。

2.4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用

以某公司研制的木工數(shù)控機(jī)床為應(yīng)用平臺(tái)，將木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)應(yīng)用于木工榫頭的加工。如圖9所示，木工榫頭的加工軌跡被分為形切刀路軌跡和環(huán)切刀路軌跡，通過(guò)木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)中的特征加工與軌跡生成模塊，在其平面形成凹槽和加工軌跡，在非曲線邊界的平面內(nèi)形成平行加工軌跡，曲線邊界的平面形成環(huán)形加工軌跡；通過(guò)刀路軌跡規(guī)劃算法計(jì)算刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)并將刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)保存在刀具鏈表數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中；刀位點(diǎn)數(shù)據(jù)經(jīng)后置處理與優(yōu)化后，輸出可用于木工數(shù)控機(jī)床加工的G代碼。

圖9 木工榫頭加工軌跡示意圖Fig.9 Sketch map of woodworking tenon processing track

3 結(jié)語(yǔ)

本文介紹了木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)過(guò)程，包括系統(tǒng)的需求分析與架構(gòu)設(shè)計(jì)。根據(jù)系統(tǒng)的需求分析，參照典型CAM軟件對(duì)功能模塊進(jìn)行劃分，設(shè)計(jì)了各功能模塊交互界面，并將系統(tǒng)各功能模塊分為文件管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊、特征模塊、加工仿真模塊與后置處理模塊。該系統(tǒng)利用SolidWorks二次開(kāi)發(fā)技術(shù)采用插件方式進(jìn)行開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，各功能模塊之間相互獨(dú)立。將該系統(tǒng)應(yīng)用于某公司研制的木工數(shù)控機(jī)床上進(jìn)行測(cè)試，用于對(duì)榫頭的現(xiàn)場(chǎng)加工，測(cè)試表明：木工數(shù)控編程系統(tǒng)提高了加工效率和產(chǎn)品的一致性，產(chǎn)品加工質(zhì)量符合加工精度要求，實(shí)現(xiàn)了木工數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。