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摘要：提出了一種基于AuioCAD的模塊化設(shè)計方法,，并對自動編程系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，包括圖形數(shù)據(jù)的采集,，加工模具的選擇,，加工路徑的優(yōu)化處理以及NC代碼的生成等自動編程的一系列過程。研究了仿真模塊的總體結(jié){弩方案,，實現(xiàn)了基于AutoCAD Wj=維動態(tài)仿真,。實踐生產(chǎn)證明，基于AutoCAD的數(shù)控沖床自動編程系統(tǒng)能夠滿足實際生產(chǎn)的需要,，能夠有效提高數(shù)控沖壓加工的生產(chǎn)效率和安全性,。

關(guān)量詞：VisuaIUSP；數(shù)控沖床,；自動編程,；加工仿真

O概述

隨著科學技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控沖床越來越廣泛地應(yīng)用在機械制造行業(yè)中,。在數(shù)控加工系統(tǒng)中,，傳統(tǒng)的NtC代碼手工編程不僅效率低，而且容易出錯,；而采用APT語言的自動編程雖然幾何定義語句簡潔,，功能較強，但要求編程人員要熟記系統(tǒng)的語言與規(guī)則,，一旦出錯又不易發(fā)現(xiàn),。國外的數(shù)控沖床圖形編程系統(tǒng)已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)實際，而我國在這方面還處于研究階段,。

本文作者對數(shù)控沖床的自動編程系統(tǒng)進行了深入的研究,，并在AuIoCAD的VisuaIUSP環(huán)境下進行了相應(yīng)的系統(tǒng)開發(fā)工作，并成功通過了AutoCAD2000—AutoCAD2006多個版本的兼容性測試,。

1 自動編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

自動編程系統(tǒng)采用模塊化結(jié)構(gòu),，由六大功能模塊組成,，分別為自動編程主模塊、圖形信息處理模塊,、加工路徑確定與優(yōu)化模塊,、模具庫與模具選擇模塊、后置處理模塊,、圖形仿真模塊,，模塊化數(shù)控沖床自動編程系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

自動編程主模塊的主要工作是調(diào)用如工路徑模塊和模具庫模塊,，將圖形信息轉(zhuǎn)化為加工路徑信息及模具信息，并生成刀位文件,。此模塊還可以直接調(diào)用后置處理模塊與圖形仿真模塊,，生成加工所需的NC代碼，并對其進行圖形仿真,。本模塊所具有的功能還包括保存,、編輯刀位文件和NC代碼文件等文件編輯功能。

2 系統(tǒng)開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 圖形信息的處理

要想生成數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床NC代碼,，首先就要讓計算機識別所需要加工的圖形,。圖形信息處理模塊的作用是將CAD圖形中的有用圖形信息提取出來，比如圖形中圓孔的直徑和圓心,、方孔的邊長和中心,、腰圓孔的孔徑和中心線圓弧的半徑與圓心、矩形孔的邊長和幾何中心等,，然后將這些信息輸送到主程序模塊中,。獲取圖形信息的方法有多種，比如通過DXF文件導入,，或者通過人機交互獲取,。由于VisualLISP可以直接操作選擇集，所以選擇后一種方法更為合適,，并且有利于設(shè)定編程原點（工件坐標系原點）等人機交互更為方便的操作,。

2．1．1 圓形類基本參數(shù)的獲取

在AutoLISP中，通過交互操作獲取圓基本參數(shù)是非常容易的,，如下簡單程序段即可獲得圓形的主要參數(shù)：

(SETQ cir_data(ENTGET(CAR(ENTSEL”,、n請選擇一個圓形：”)))；通過交互操作獲得圖形信息

( SETQ cir_pt( CDR( ASSOC 10 cir_data))),；從圖形信息中獲取圓心坐標

(SETQ cir_r(CDR(ASSOC 40 cir_data)））,；從圖形信息中獲取圓的半徑

2.1.2矩形類基本參數(shù)的獲取

矩形類的主要參數(shù)是2個邊長和4個頂點．4個頂點可以用AutoLISP函數(shù)獲得，邊長可以通過計算相鄰的兩點間的距離確定,。

獲得點的位置一般要用到ASSOC函數(shù),，其作用是從關(guān)聯(lián)表中搜索1個元素,，如果找到則返回該關(guān)聯(lián)表條目，如果點的數(shù)目較多則一般采用循環(huán)讀取的方法,，只需做1個循環(huán)即可獲得4個頂點,。

(SETQ re8_data( ENTGET( CAR( ENTSEL”、n請選擇一個矩形：”)))),；通過交互操作獲得圖形信息

( WHILE( SETQ pt( ASSOC IO reg_data》,；設(shè)置循環(huán)條件

(SETQ reg_data(CDR(MEMBER pt reg_dtt-ta)))；將以獲得的點從關(guān)聯(lián)表中刪除

(SETQ ptb (CONS( CDR pt) ptb ））將獲得的依次點位存儲到變量ptb中

計算邊長的時候?qū)Ⅻc位從點表變量ptb中提取,，通過Distance函數(shù)直接求取,，無需做距離計算。

2.1.3腰圓孔,、腰直孔類基本參數(shù)的獲取

腰圓孔,、腰直孔基本參數(shù)的獲取涉及到多段線數(shù)據(jù)的提取。為了實現(xiàn)圖形的自動編程,，必須將這兩類孔均轉(zhuǎn)換為多段線PolyLine或者Lwpolyline,。

采用AutoLISP表處理函數(shù)可以獲得各節(jié)點坐標及圓弧凸度，其方法如下：

(SETQ pcl_data( ENTGET( CAR( ENTSEL”\n請選擇一個矩形：”)）））

( SETQ ptl( CDR( ASSO(: 10 pel_data)))i從pel_data中取出第一個節(jié)點坐標給變量ptl

(SETQ par(CDR(ASSOC 42 pel_data)））,；從pel_data中取出第一條線段凸度給變量par

圓弧半徑可由凸度值和相鄰兩節(jié)點坐標計算出來,，圓弧半徑尺的值由式(1) 2 3確定：

式中：R為圓弧半徑；dist為兩節(jié)點距離,；par為凸度絕對值,。

腰圓孔類基本參數(shù)主要有4個半徑和4個圓心。其實．只需要計算出其中4個圓心就可以實現(xiàn)編程功能了,。有了4個圓心又可以確定圓弧步?jīng)_的起點和終點,。通過分析計算出的圓弧半徑就可以獲得模具的半徑和圓弧步?jīng)_所需的圓弧半徑。

腰直孔獲得其多段線的4個頂點圓弧半徑就可得出步?jīng)_的起點,、終點和步?jīng)_的長度,。計算出的圓弧半徑即模具的半徑。

2.2加工模具的自動選擇

2.2.1模具庫的建立

對于一個具體的刀具,，具體有以下幾個參數(shù)：模具號,，形狀，X方向長,，y方向長以及直徑,。對于圓形模具，沒有X,、y方向長參數(shù),，對于矩形模具，沒有直徑參數(shù),。用戶可以由對話框建立刀具和修改刀具,。

定義變量m _dia為模具直徑,，m一xlen為模具X方向長，m-ylen為模具y方向長,，m_shape為模具形狀,，m_sym為模具號，如下程序段定義刀具信息格式,。

(list m_8ym m_shape m_xlen m_ylen m_dia),；刀具信息組成表格式

模具類的建立即是建立了刀具存儲的格式，即刀具信息在刀具庫中是以表的格式存儲的,，模具庫管理通過表操作來完成對模具庫的管理功能,。

2.2.2加工模具的自動選擇

一般的數(shù)控沖壓機可以多副模具，其中既有圓形模具,，也有矩形模具,，其要加工的孔可分為圓孔、矩形孔,、腰圓孔，腰直孔四類,。為了方便選擇圖形和不同類圖形的處理,，系統(tǒng)可以通過交互式操作將不同類型圖形賦值于四個不同的選擇集ss1、ss2,、883,、as4。通過對SSGET函數(shù)的參數(shù)設(shè)置,，可以避免賦值過程的誤操作,。系統(tǒng)自動模具選擇的總體流程如圖2所示。

圖2系統(tǒng)自動模具選擇的總體流程

其中模具匹配需要編寫專用的匹配函數(shù),，根據(jù)孔型的不同自動從建立好的模具庫中選擇合適的模具進行加工,。

2.3加工路徑確定

加工路徑的確定就是數(shù)控沖床沖壓路徑的確定，主要的設(shè)計任務(wù)就是實現(xiàn)以何種方式來確定加工順序,，加工路徑如何實現(xiàn)最短優(yōu)化,，如何使加工時間縮到最少，如何使程序適應(yīng)多種加工方案,。

2 3.1 加工路徑確定的基本原則

數(shù)控沖床加工路徑的確定主要涉及兩個基本原則：

(1)同一把刀工序盡量集中,。在數(shù)控沖壓加工時，為了減少轉(zhuǎn)刀所占用的輔助時間,，可按集中工序的方法加工零件,，盡可能用同一把沖模加工完零件表面上的相同沖切部分。

(2)走刀路徑最短,。對于數(shù)控設(shè)備來說,，每一秒鐘的時間都是寶貴的,，沖壓過程所需的時間較短，而橫具的空行程決定了加工效率,，合理安排空行程路徑顯得尤為重要,。

2.3.2加工路徑的優(yōu)化

加工路徑的優(yōu)化的問題即是對加工孔尋找最短遍歷路徑的問題，對尺寸相同的加工孔而言,，路徑的優(yōu)化可以歸屬與完全NP問題,，完全NP問題的典型是貨郎擔問題，貨郎擔問題和本文研究的最短遍歷路徑問題的差別在于貨郎擔問題的最終節(jié)點是起始點,，而最短遍歷路徑不要求最后回到起始點,，但如果能夠以一個高效的算法來解決貨郎擔問題，最短遍歷路徑也可參照得出近似算法,。完全NP問題完全的算法是不存在的,，因為對于遍歷點大于20時要想得出結(jié)果需要幾年甚至幾十年的時間。一般采用近似算法來代替最優(yōu)算法,，常見的算法有正交路徑法,、最近點路徑法一等。

2. 4后置處理

后置處理模塊的主要作用是用來將刀位文件轉(zhuǎn)化為NC代碼,。把它作為獨立模塊的作用是可以通過不同的后置處理生成適應(yīng)不同數(shù)控系統(tǒng)的NC代碼,，增強系統(tǒng)的通用性。

2.4.1 后置處理模塊的設(shè)計

后置處理模塊分為兩大類：一類為專用后置處理模塊,，另一類是通用后置處理模塊,。根據(jù)沖壓數(shù)控系統(tǒng)的特點，通用后置處理模塊更適合本系統(tǒng),，通過制定標準格式的機床文件,，通過對話框?qū)崿F(xiàn)機床數(shù)據(jù)的標準化文件。在NC代碼生成和圖形仿真時調(diào)用機床標準文件,，即可獲得相應(yīng)的數(shù)控代碼信息,。數(shù)控系統(tǒng)

C代碼的設(shè)置界面如圖3所示。

2.4.2 NC代碼生成

(1)點位沖孔的NC代碼生成

點位沖孔的G代碼是GOO,，但為了適應(yīng)更多的數(shù)控系統(tǒng),，作者建立一個變量gcode_00，用來表示快速點定位沖孔指令,，系統(tǒng)默認代碼為GOO,，不同的數(shù)控系統(tǒng)可以在自動編程系統(tǒng)的后置處理設(shè)置中設(shè)定。刀具的中心位置坐標由加工路徑模塊確定,，刀具信息由模具選擇模塊確定,。

(2)步?jīng)_加工的NC代碼生成

以直線步?jīng)_為例，系統(tǒng)默認的直線步?jīng)_的G代碼是G69，不同的數(shù)控系統(tǒng)仍然可以在自動編程系統(tǒng)的G代碼設(shè)置中設(shè)定,。步?jīng)_的起始位置和終點位置坐標由加工路徑模塊確定,，刀具信息由模具選擇模塊確定。步?jīng)_的長度即是起點位置和終點位置的距離,，用函數(shù)DisIance可以輕松實現(xiàn),，步矩的確定分為圓形。

模具步?jīng)_和矩形模具步?jīng)_兩種情況,。

2.4.3步?jīng)_步矩的確定

用圓形的模具進行步?jīng)_時必然會產(chǎn)生均勻的步?jīng)_齒花,，步距越大，齒花越明顯,。圓形模具的步?jīng)_步距取決于步?jīng)_齒花的高度,，即取決于步?jīng)_精度的大小，齒花大小決定了孔的加工精度,，所以設(shè)計程序時把精度要求作為一個輸入?yún)?shù),，在自動編程系統(tǒng)的步?jīng)_精度設(shè)置中設(shè)定，步距的大小由式(2)：計算確定,。

式中：p為步距,；d為模具直徑；s為齒花高度,。

矩形模具的步?jīng)_步距只取決于步?jīng)_的長度與模具的尺寸,。用步?jīng)_起點和終點的距離除以步?jīng)_方向的模具尺寸得出的數(shù)值取整加一，得出最小步?jīng)_步數(shù),；然后，再用步?jīng)_起點和終點的距離除以步?jīng)_步數(shù)得出的數(shù)值即可作為步?jīng)_步距,。

當然,，在大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)中，矩形模具的步?jīng)_步距可以是小于步?jīng)_方向的模具尺寸的任何值,，為了保證加工的效率和加工效果,，可以人工估算一個合理步矩值，然后通過自動編程系統(tǒng)的步?jīng)_精度設(shè)置中設(shè)定,。如果步?jīng)_起點和終點的距離除以此步距得出的步?jīng)_步數(shù)不為整數(shù)時,，數(shù)控系統(tǒng)會自動調(diào)整步矩以適合加工。

3加工過程的仿真

在數(shù)控加工過程中,，零件加工后的質(zhì)量是否符合要求,，在加工過程中是否會發(fā)生零件與刀具、刀具與夾具,、刀具與機床工作臺之闖的干涉與碰撞,，刀具是否對零件進行了過切或少切，刀具的走刀路線,、走刀方式是否合理等一系列實際加工中可能會發(fā)生的問題都決定于自動編程系統(tǒng)所輸出的數(shù)控加工指令集是否正確,。根據(jù)NC代碼文件提供的信息,，將加工軌跡模擬出來．顯示在顯示屏上，以方便程序校驗和沖壓過程檢驗,。

3.1仿真系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

仿真系統(tǒng)應(yīng)該能夠完成數(shù)控程序的錯誤檢查,，動態(tài)地模擬數(shù)控機床驅(qū)動刀具的運動及加工過程。因此加工過程的仿真一般由文件處理,、錯誤檢查和模擬仿真三部分組成,。其總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 NC代碼的翻譯與仿真的實現(xiàn)

獲得了程序段的數(shù)據(jù),，就可以利用其提供的數(shù)值進行仿真,。

實現(xiàn)了在屏幕上作圖不等于實現(xiàn)了加工過程的仿真，如果不僅想看到全部的圖形顯示在屏幕上,，而且想動態(tài)的觀測加工的先后順序,，就需要加一些程序。實現(xiàn)動態(tài)的仿真可以由兩種方法實現(xiàn)：

一是調(diào)用AuroCAD的內(nèi)部命令“delay”,。這種方法的優(yōu)點是簡單快捷,，可以隨意設(shè)定兩個圖形間的生成時間，即可以隨意調(diào)節(jié)仿真的速度,。

第二種方法是編寫動態(tài)函數(shù)z_timer,；動態(tài)函數(shù)ztimer的作用是通過輸入的沖床T軸移動速度，再根據(jù)圖形中計算出的兩個相鄰加工點的距離,，即可得出其移動所需要的時間,，然后再由Delay函數(shù)實現(xiàn)延時。這種方法的優(yōu)點是：全部時間與實際時間相符,，可以加入換刀的時間,，實現(xiàn)真正實時的仿真，并且可以通過對話框指定時間縮放比例,，即也可以接比例控制仿真的速度,。

4程序運行實例

4.1 NC代碼的自動生成

選用實際加工的電控板圖紙如圖5所示。

首先,，將圖5按1：1的比例在AutoCAD中繪制出來,，然后檢查要加工的矩形孔是否是整體，如果矩形孔是用多條直線段繪制的,，就需要轉(zhuǎn)化為一條多段線,。點擊菜單“數(shù)控加工”一“加工刀具預(yù)撿驗”，以檢查所需加工的孔在刀庫中是否存在合適的加工刀具,，檢查完畢后,，系會提示矩形孔60×20沒有直接可以使用的模具。因此，可以指定步?jīng)_模具為1316號刀具,，即13 x13方模其,，但是為了讓動態(tài)仿真更為清晰，選用T321號步?jīng)_模具,，即10 xl0方模具,。

圖5電氣控制板

點菜單“數(shù)控加工”-“NC代碼生成”，在彈出的對話框中根據(jù)提示選擇要加工的圖形,，并設(shè)定好相關(guān)參數(shù),，點擊確定即可生成相應(yīng)的NC代碼，如圖6所示,。

4.2 NC代碼的動態(tài)仿真的實例

首先對NC代碼文件進行錯誤檢查,，確認沒有詞法和語法錯誤后，點擊“數(shù)控加工”一“數(shù)控仿真”,，激活數(shù)控仿真對話框,，通過對話框選定要進行仿真的NC文件，設(shè)定好沖壓仿真速度,，點擊確定按鈕,，對話框自動關(guān)閉，并且在當前屏幕上開始對所指定的NC代碼文件進行動態(tài)仿真,。仿真效果如圖7所

經(jīng)過多年的研究,，數(shù)字控制技術(shù)已經(jīng)非常成熟。根據(jù)有源功率因數(shù)校正開關(guān)變流器的工作特性,，將數(shù)字微處理器應(yīng)用于功率開關(guān)變換器控制技術(shù)中,，提出了采用改進的數(shù)字控制算法控制的功率因數(shù)校正變換器方案，詳細闡述了基于數(shù)字化技術(shù)的功率因數(shù)校正交流器工作原理和控制方法,，給出了電路分析,、實驗設(shè)計分析結(jié)果。