本文介紹了以AutoCAD和VB5為工具的數(shù)控自動(dòng)編程系統(tǒng)開發(fā)相關(guān)研究。

　　1 概述

　　數(shù)控零件加工程序的編制是進(jìn)行數(shù)控加工的一個(gè)重要步驟，國(guó)內(nèi)外數(shù)控加工統(tǒng)計(jì)說(shuō)明，造成數(shù)控機(jī)床等待約20%～30%是編程不及時(shí)所致，可見數(shù)控編程直接影響著數(shù)控機(jī)床的加工效率。隨著數(shù)控技術(shù)應(yīng)用的日益擴(kuò)大，我國(guó)企業(yè)在數(shù)控自動(dòng)編程應(yīng)用方面已有較大發(fā)展，目前主要有以下三種自動(dòng)編程方式。

　　(1)采用數(shù)控編程語(yǔ)言的自動(dòng)編程。最著名的是APT(Automatically Programmed Tools)語(yǔ)言。

　　(2)計(jì)算機(jī)輔助圖形設(shè)計(jì)的自動(dòng)編程。采用CAD方法，將設(shè)計(jì)好的零件圖形顯示在屏幕上，編程人員指定要加工的表面，并回答軟件提出的一些問題，諸如對(duì)刀點(diǎn)、走刀方式、切削用量參數(shù)等，然后由系統(tǒng)進(jìn)行自動(dòng)編程，形成刀位數(shù)據(jù)文件或APT程序，再經(jīng)后置處理，變成機(jī)床所需的NC代碼。

　　(3)從CAD獲取信息的自動(dòng)編程。編程所需的零件形狀信息直接從CAD那里得到，一般利用AutoCAD提供的圖形交換文件DXF接口，編程人員只需進(jìn)行適當(dāng)工藝處理。

　　由于圖紙上給出的零件形狀數(shù)據(jù)往往比較少，而數(shù)控系統(tǒng)的插補(bǔ)功能要求有較多的數(shù)據(jù)才能控制機(jī)床。尤其是當(dāng)數(shù)控系統(tǒng)插補(bǔ)功能要求輸入的數(shù)據(jù)與零件形狀給出的數(shù)據(jù)不一致時(shí)，就需要進(jìn)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算，而在運(yùn)算過(guò)程中可能產(chǎn)生人為的錯(cuò)誤。而這些復(fù)雜的數(shù)學(xué)運(yùn)算可由計(jì)算機(jī)快速、準(zhǔn)確地完成。

　　NC程序作為數(shù)控加工的信息載體，其正確與否直接影響零件加工質(zhì)量。目前實(shí)際生產(chǎn)使用的NC程序，在投入加工之前通常采用機(jī)床空運(yùn)行和木模、蠟?zāi)５脑嚽校瓿蒒C 程序的檢查。該方法加工準(zhǔn)備周期長(zhǎng)，生產(chǎn)成本增加，難以實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床的高效生產(chǎn)。圖形仿真是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中通用的NC檢驗(yàn)方法。

　　本文介紹了作者開發(fā)的數(shù)控軟件(Numerical Control Automatic Programming System——NCAPS)設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)方法。操作人員在實(shí)際操作數(shù)控銑床加工工件之前，先用該系統(tǒng)進(jìn)行模擬操作。通過(guò)計(jì)算機(jī)屏幕可清晰地看到所編輯的加工程序運(yùn)行的刀具切削模擬過(guò)程，并可方便地反復(fù)修改加工程序，直到被加工的“工件”符合要求為止。且該過(guò)程都在AutoCAD環(huán)境下實(shí)現(xiàn)。這無(wú)疑對(duì)新產(chǎn)品的開發(fā)、安全生產(chǎn)、提高生產(chǎn)效率及減少?gòu)U品都具有實(shí)際意義。

　　2　ActiveX Automation對(duì)象及開發(fā)工具介紹

　　2.1　ActiveX Automation對(duì)象

　　(1)頂層是AutoCAD Application,它除具有對(duì)象的屬性和方法外，還包括兩個(gè)重要的對(duì)象Preferences(參數(shù)對(duì)象)和Document(文檔對(duì)象)。 Preferences對(duì)象是與AutoCAD系統(tǒng)中參數(shù)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的對(duì)象，Document對(duì)象則是包括圖形文件的所有對(duì)象集合，如Blocks Collection、ModelSpace Entities Collection、PaperSpace Entities Collection等一系列對(duì)象。

　　(2)圖形對(duì)象。Blocks Collection等屬于圖形對(duì)象，它是用戶使用頻繁的對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)參數(shù)化、變量化及三維實(shí)體造型等功能的主要方式。

　　(3)輸出對(duì)象。輸出對(duì)象控制圖形文件的輸出格式，如設(shè)置坐標(biāo)原點(diǎn)、方向等。

　　(4)實(shí)用對(duì)象。該對(duì)象提供AutoCAD中常用的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、輔助計(jì)算等功能。

　　2.2　開發(fā)工具

　　本文以Visual Basic 5.0為開發(fā)工具，給出了實(shí)例。由于編程思想是相同的，所以該方法可移到Visual C++、Delphi等開發(fā)工具上。

　　用VB5實(shí)現(xiàn)ActiveX Automation開發(fā)的關(guān)鍵是要獲得AutoCAD對(duì)象的指針，及創(chuàng)建AutoCAD.Application對(duì)象，進(jìn)而創(chuàng)造AutoCAD的文檔對(duì)象，以實(shí)現(xiàn)對(duì)AutoCAD中其它對(duì)象的訪問，完成與AutoCAD的通訊。

　　3　系統(tǒng)的組成與功能

　　圖形交互式自動(dòng)編程系統(tǒng)處理零件程序的一般過(guò)程是：輸入零件圖形→輸入工藝參數(shù)→運(yùn)動(dòng)軌跡計(jì)算→加工模擬→后置處理→程序清單→輸出。NCAPS是針對(duì)數(shù)控銑床開發(fā)的，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示，它主要包括進(jìn)入AutoCAD R14系統(tǒng)繪制零件圖、工藝處理、動(dòng)態(tài)校驗(yàn)和數(shù)控加工程序輸出等功能模塊。具體步驟如下：

　　(1)進(jìn)入AutoCAD R14系統(tǒng)繪制零件圖

　　它是AutoCAD實(shí)體建模過(guò)程。

　　(2)工藝處理

圖1　NCAPS系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)示意圖

　　它是第(1)步操作后對(duì)圖形數(shù)據(jù)進(jìn)行再加工的核心模塊。利用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)，直接在AutoCAD環(huán)境下進(jìn)行工藝干預(yù)。

　　工藝干預(yù)內(nèi)容包括輪廓和點(diǎn)位二種方式，干預(yù)過(guò)程通過(guò)鼠標(biāo)事件選擇實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)。用鼠標(biāo)選取實(shí)體的先后來(lái)組成加工環(huán)(加工路線)。現(xiàn)以VB5編寫的源程序說(shuō)明如何直接從AutoCAD環(huán)境下選擇實(shí)體，形成加工路線(該程序只是該模塊的部分)。

　　Option Explicit

　　Public objAcad As Object,objDoc As Object

　　Private Sub Form-Load()

　　StartAutoCAD-為對(duì)AutoCAD訪問做準(zhǔn)備

　　End Sub

　　Private Sub StartAutoCAD()

　　Dim DwgName As String

　　Set objAcad=GetObject(,“AutoCAD.Application”)

　　End Sub

　　Private Sub SelectCutType-Click()

　　Dim EntityName As String

　　Dim EntityMessager(1 To 6) As Variant

　　Dim ent As Object,sset As Object

　　Set objDoc=objAcad.ActiveDocument

　　Set sset=objDoc.SelectionSets.Add(“SS1”)‘設(shè)置sset到一個(gè)名為SS1的選擇集中

　　sset.SelectOnScreen

　　Dim msgstr As String,appName As String

　　appName=App.CompanyName

　　For Each ent In sset

　　If ent.EntityName=“AcDbLine”Then‘為直線

　　EntityName=ent.EntityName

　　Entitymessager(1)=ent.StarPoint:EntityMessager(2)=ent.EndPoint

　　ElseIf ent.EntityName=“AcDbCircle”Then‘為圓

　　EntityName=ent.EntityName

　　EntityMessager(1)=ent.Center:EntityMessager(2)=ent.Radius

　　ElseIf ent.EntityName=“AcDbArc”Then‘為圓弧

　　EntityName=ent.Entityname

　　EntityMessager(1)=ent.Center:EntityMessager(2)=ent.Radius

　　EntityMessager(3)=ent.StartAngle:EntityMessager(4)=ent.EndAngle

　　EntityMessager(5)=ent.StartPoint:EntityMessager(6)=ent.EndPoint

　　Else

　　EntityName=ent.EntityName‘為其它實(shí)體

　　End If

　　Next ent　‘選擇集中的下一個(gè)實(shí)體

　　End Sub

　　(3)NC代碼生成

　　經(jīng)過(guò)工藝干預(yù)(即確定刀具走刀路線)后，便可將圖形幾何信息和工藝干預(yù)信息轉(zhuǎn)換成ISO標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控加工程序代碼。同時(shí)以(*.NC)形成的文件名永久保存。

　　(4)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)

　　上述生成的NC代碼是否正確還要進(jìn)行校驗(yàn)方能制作控制介質(zhì)輸出。本模塊采用時(shí)間分割插補(bǔ)算法進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬，以校驗(yàn)ISO數(shù)控加工程序代碼是否正確，以及刀具與工件是否產(chǎn)生干涉等。如果校驗(yàn)不正確，則需對(duì)上述各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試，直到正確為止。

　　為使刀位數(shù)據(jù)易于獲得，避免傳統(tǒng)數(shù)值積分法(DDA)精度較差與運(yùn)算繁瑣等缺點(diǎn)，本系統(tǒng)在加工仿真過(guò)程中引入方向性概念，使刀心軌跡在算法上簡(jiǎn)潔明了，程序可讀性強(qiáng)。

　　對(duì)于CNC系統(tǒng)刀補(bǔ)功能，以往的直線過(guò)渡刀補(bǔ)算法，常利用三角函數(shù)關(guān)系式來(lái)計(jì)算各轉(zhuǎn)接點(diǎn)的坐標(biāo)值。這些方法公式推導(dǎo)復(fù)雜，計(jì)算量大，不宜歸納和簡(jiǎn)化。本系統(tǒng)引入運(yùn)動(dòng)矢量和刀具半徑矢量來(lái)計(jì)算，對(duì)直線到直線、直線到圓弧、圓弧到直線和圓弧到圓弧各種轉(zhuǎn)接情況進(jìn)行了分析，綜合為兩個(gè)統(tǒng)一公式進(jìn)行計(jì)算，大大簡(jiǎn)化了CNC系統(tǒng)的刀具補(bǔ)償?shù)挠?jì)算量。

　　(5)文本編輯模塊

　　此模塊允許操作人員把已編好的ISO代碼形式的數(shù)控加工程序通過(guò)文本編輯送到計(jì)算機(jī)，對(duì)其加工過(guò)程模擬演示，以便驗(yàn)證所編的數(shù)控零件加工程序的正確性。

　　(6)數(shù)控加工程序輸出

　　經(jīng)調(diào)試和檢驗(yàn)后的正確數(shù)控加工程序可以通過(guò)拷貝、打印、通訊接口的方式輸出。

　　4　實(shí)例

　　本文以二維零件數(shù)控銑削加工為例，首先在AutoCAD環(huán)境下繪制零件輪廓，如圖2所示。工藝干預(yù)可得沿圖2所示1-2-3-4-5-6-7-8-9-10-11順時(shí)針方向走刀的ISO數(shù)控加工程序，且此程序已通過(guò)動(dòng)態(tài)校核檢驗(yàn)(如圖3)。

圖2　工藝干預(yù)結(jié)果

圖3　數(shù)控加工(銑削)仿真結(jié)果

　　5　結(jié)束語(yǔ)

　　綜上所述，本系統(tǒng)具有如下優(yōu)點(diǎn)：

　　(1)直接在AutoCAD環(huán)境下經(jīng)圖形轉(zhuǎn)換，自動(dòng)生成數(shù)控指令代碼。由指令代碼可以動(dòng)態(tài)模擬刀具運(yùn)動(dòng)軌跡，校驗(yàn)代碼的正確性。

　　(2)代碼可以直接和數(shù)控機(jī)床通訊，加工出新設(shè)計(jì)的圖形，實(shí)現(xiàn)了CAD/CAM一體化。

　　(3)該系統(tǒng)已與數(shù)控機(jī)床連通，并進(jìn)行了實(shí)際切削。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)具有運(yùn)行準(zhǔn)確、直觀，能顯著提高數(shù)控編程效率等特點(diǎn)，對(duì)其中一些功能繼續(xù)完善，可滿足實(shí)際加工需要。目前，該系統(tǒng)被我校CAM課程自動(dòng)編程實(shí)驗(yàn)室采用。