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JXCAD 電火花線切割機(jī)床編程與通信系統(tǒng)研制

2016-1-28 來源：青島科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院作者：蔡漢明，王佳麗，宋曉梅，王濤

摘　要：本文研發(fā)的JXCAD電火花線切割機(jī)床編程與通信系統(tǒng)是一套有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的，針對(duì)電火花線切割的，價(jià)廉、易操作的數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)。JXCAD 系統(tǒng)利用 Delphi 開發(fā)工具，開發(fā)的JXCAD線切割自動(dòng)編程軟件完成了零件輪廓的造型和定義，3B 代碼的生成以及通過計(jì)算機(jī)并行口將程序輸入到線切割控制機(jī)的相關(guān)功能，達(dá)到了降低操作者工作量、提高工作效率以及降低對(duì)操作者文化水平要求的目的。

關(guān)鍵詞：線切割；自動(dòng)編程； Delphi；控制

數(shù)控線切割機(jī)床是十分重要的數(shù)控加工設(shè)備，其具有加工精度高、適應(yīng)范圍廣和能夠加工復(fù)雜形狀零件等優(yōu)點(diǎn)，在機(jī)械制造及模具制造等領(lǐng)域里有著廣泛的應(yīng)用。目前，國內(nèi)的電火花線切割機(jī)床軟件編程依賴國外軟件，硬件控制部分采用硬控制的靈活性不高，無形之中增加了產(chǎn)品的成本，并且操作復(fù)雜，界面未本地化，為大部分操作者增加了負(fù)擔(dān)，降低了企業(yè)自主能動(dòng)性；因此，許多從事線切割加工的企事業(yè)單位十分需要價(jià)格低廉、易學(xué)易用、漢化界面和能夠充分發(fā)揮企業(yè)自主性的線切割自動(dòng)編程系統(tǒng)來解決這個(gè)問題。筆者利用 Delphi 開發(fā)工具開發(fā)了 JXCAD 線切割自動(dòng)編程軟件，該軟件可以通過 JXCAD 繪圖環(huán)境進(jìn)行繪制零件輪廓造型，然后進(jìn)行加工零件輪廓定義，輸入鉬絲半徑、放電間隙和偏置方向等參數(shù)。自動(dòng)編程系統(tǒng)能對(duì)零件輪廓進(jìn)行各種預(yù)處理，并自動(dòng)生成３Ｂ代碼。產(chǎn)生的程序通過計(jì)算機(jī)的并行口可以輸入到線切割控制機(jī)中，大副度節(jié)省了數(shù)據(jù)的輸入時(shí)間，保證了零件的加工質(zhì)量和生產(chǎn)效率。

1　總體設(shè)計(jì)

1.1 　系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境

系統(tǒng)的開發(fā)環(huán)境為 Windows XP/Win7 操作系統(tǒng)和 Delphi 7.0 軟件開發(fā)工具。

1.2　系統(tǒng)的構(gòu)成

JXCAD 系統(tǒng)由CAD 模塊、CAM 模塊和CNC 模塊3 部分組成，其模塊設(shè)計(jì)如圖１所示。

１） CAD 模塊主要由圖形繪制、圖形編輯、圖形矢量化和無縫集成流行 CAD 等4 部分組成。

ａ．圖形的繪制。為了滿足電火花線切割加工圖形繪制的要求，基本的圖形元素包括直線、矩形、正多邊形、橢圓、圓和平面曲線等。

ｂ．圖形的編輯。為了提高繪圖效率，減少工作量，提高繪圖精度和復(fù)雜度，增加了圖形編輯模塊包括鏡像、旋轉(zhuǎn)、復(fù)制、刪除、剪切、移動(dòng)和倒角等。

ｃ．無縫集成流行CAD 。兼容目前流行的CAD 軟件，如 Auto CAD 等繪圖軟件，此模塊減少了因?yàn)檐浖患嫒荻鴮?dǎo)致的圖元信息的丟失和工作的重復(fù)等問題。

ｄ．圖形矢量化。通過掃描儀輸入的工程圖樣或零件圖樣，經(jīng)過本模塊處理后，形成使線切割自動(dòng)編程系統(tǒng)能夠識(shí)別的矢量圖形。

２） CAM 模塊主要由圖元鏈接、軌跡計(jì)算和代碼生成 3 部分組成。

ａ．圖元鏈接。用戶在進(jìn)行圖形繪制、編輯時(shí)一般不是按照線切割的加工順序進(jìn)行輸入，所以應(yīng)將圖元的順序進(jìn)行重新排列。本模塊的功能主要是對(duì)圖元信息按照加工要求進(jìn)行重新排序。

ｂ．軌跡計(jì)算。模塊對(duì)圖元加工的相關(guān)參數(shù)，如電極半徑、放電間隙和刀具的左偏右偏等進(jìn)行處理，得到刀具的走刀路徑，使用戶能夠直觀地觀察到刀具的軌跡，提早發(fā)現(xiàn)加工時(shí)出現(xiàn)的問題，并及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。

ｃ．代碼生成。本模塊根據(jù)得到的刀具軌跡，自動(dòng)生成３Ｂ代碼，同時(shí)對(duì)生成的文本文件進(jìn)行保存。

３） CNC 模塊主要完成與驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的信息通信，使得在CAM 模塊獲得的數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)有效地傳輸給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，從而完成實(shí)際的數(shù)控加工。

1.3 　JXCAD 系統(tǒng)界面系統(tǒng)的用戶界面如圖２所示。

２　CAD 造型設(shè)計(jì)

CAD 造型設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于進(jìn)行圖元信息輸入時(shí)，能夠及時(shí)、準(zhǔn)確地對(duì)已輸入的信息進(jìn)行存放和編輯，以便在CAM 模塊對(duì)圖元信息進(jìn)行提取。為了準(zhǔn)確地表示圖元數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)之間的相互關(guān)系，方便、快捷地對(duì)圖元進(jìn)行建立、刪除和插入等管理操作，同時(shí)節(jié)省內(nèi)存，減少冗余度，本系統(tǒng)CAD 模塊的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)采用如圖３所示的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)。

該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想是一行即一層，每層為雙向鏈表結(jié)構(gòu)，在每一行的第1個(gè)數(shù)據(jù)區(qū)只存放該層的層名和層的狀態(tài)標(biāo)志、線型、顏色，每一層剩下的數(shù)據(jù)區(qū)存放的是當(dāng)前層各圖元成員信息。層的管理主要有２個(gè)指針：一個(gè)指針在管理層，該指針從上往下；另一個(gè)指針在層指針?biāo)趫D元的末尾，當(dāng)新增加圖元時(shí)，就添加在這個(gè)指針的位置上。

在CAD 造型設(shè)計(jì)中，圖元的添加、刪除和插入等操作的算法思想如下。

１）圖元添加。首先，系統(tǒng)會(huì)有一個(gè)當(dāng)前層，供用在當(dāng)前的圖層上進(jìn)行圖元輪廓的繪制，當(dāng)繪制結(jié)束時(shí)，指針位于圖元鏈表的尾部，即圖３中橫向鏈表的NULL 處，系統(tǒng)將繪制好的圖形元素的參數(shù)添加到這個(gè)尾部。當(dāng)用戶需要操作其他圖層時(shí)，圖層的指針則向下移動(dòng)，這樣就可以在新的層中進(jìn)行操作。如果需要建立新層，可以在圖３中縱向的NULL 處增加新層。

２）刪除。首先，對(duì)鏈表進(jìn)行遍歷，找到與光標(biāo)最近的結(jié)點(diǎn)，即找到用戶需要?jiǎng)h除的圖元，如果結(jié)點(diǎn)位于圖元中間，則將上一圖元的尾指針指向下一圖元的頭指針，而下一圖元的頭指針指向上一圖元的尾指針，完成刪除當(dāng)前圖元的操作。如果結(jié)點(diǎn)位于圖元尾部，只需要將原鏈表的尾結(jié)點(diǎn)之前的一個(gè)結(jié)點(diǎn)的指針設(shè)為空即可。

３）插入。在對(duì)樣條曲線進(jìn)行修改編輯時(shí)，首先用戶要選中樣條曲線，系統(tǒng)會(huì)將樣條曲線的特征多邊形顯示在屏幕上，并且光標(biāo)會(huì)位于特征多邊形的起點(diǎn)，通過鍵盤使光標(biāo)進(jìn)行前后移動(dòng)，找到需要插入的結(jié)點(diǎn)，然后將新的圖元信息插入到當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的后一結(jié)點(diǎn)，完成插入操作。

3　CAM 編程

在繪圖任務(wù)完成以后，用戶就可以對(duì)零件圖形進(jìn)行數(shù)控加工處理，完成鏈接和數(shù)控工作。用戶在進(jìn)行圖元繪制時(shí)，繪圖順序一般與走刀軌跡不一致，所以應(yīng)將這種無序的圖元鏈表進(jìn)行重新排序，得到封閉的、有效的、滿足數(shù)控需要的圖元鏈表。為解決此問題，系統(tǒng)采用了循環(huán)鏈表結(jié)構(gòu)（見圖４）。圖４軌跡鏈表

　 加工工藝設(shè)備　

《新技術(shù)新工藝》加工工藝與設(shè)備17

圖元的鏈接即為循環(huán)鏈表的輸入，其算法思想如下：首先要申請(qǐng)一個(gè)首結(jié)點(diǎn)，操作者需要在圖元上選擇１點(diǎn)作為加工起始點(diǎn)，來確定第1個(gè)加工圖形輪廓；然后從選擇點(diǎn)向另外一端作為加工方向，以另外一個(gè)端點(diǎn)找到下一個(gè)相接的圖元，直至閉合，這個(gè)路徑就是加工路徑。如果找到的圖元與加工路徑相反，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)圖元信息進(jìn)行標(biāo)示，在進(jìn)行數(shù)控加工時(shí)遇到此標(biāo)示時(shí)，系統(tǒng)會(huì)將圖元的起始點(diǎn)和終止點(diǎn)進(jìn)行對(duì)調(diào)，最終完成整個(gè)圖元鏈表的排序。數(shù)控加工需要完成２個(gè)工作：確定加工參數(shù)和輸出數(shù)控加工代碼，即對(duì)已存儲(chǔ)的循環(huán)鏈表進(jìn)行輸出。

刀具路徑算法的輸出思想為先取出當(dāng)前指針和當(dāng)前指針指向的下一個(gè)指針的數(shù)據(jù)，根據(jù)偏向計(jì)算出等距線的交點(diǎn)，根據(jù)圖元信息將當(dāng)前指針指向的等距線翻譯成數(shù)據(jù)指令輸出，將指針下移，重復(fù)執(zhí)行上述過程直到指針結(jié)點(diǎn)等于首結(jié)點(diǎn)為止。

根據(jù)偏向計(jì)算出等距線的交點(diǎn)，有2 種情況：一是初步偏移，即對(duì)所有圖元進(jìn)行簡(jiǎn)單偏移和連接，偏移曲線為原輪廓的等距線而且整體光滑連續(xù)；二是干涉處理，如果相鄰輪廓不光滑相切，則在其間插入以半徑為偏移距離的過渡圓弧，過渡圓弧的走向?yàn)槠品较颍笃茷轫槙r(shí)針，右偏移為逆時(shí)針。當(dāng)有尖角存在時(shí)，處理方法是在尖角處加１個(gè)小多邊形或者圓弧。最后，系統(tǒng)按照 3B 代碼的要求建立ｔｘｔ文件，并將程序?qū)戇M(jìn)新建的文件中。

圖形繪制的走刀路徑如圖５所示，其中，外輪廓為走刀路徑，內(nèi)輪廓為圖形輪廓。

4　系統(tǒng)與控制機(jī)的通信

通信模塊完成代碼與驅(qū)動(dòng)設(shè)備的信息傳遞，從

而實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)精準(zhǔn)、穩(wěn)定地運(yùn)動(dòng)，最終完成工件

的數(shù)控加工任務(wù)。

首先，將獲得的３Ｂ代碼進(jìn)行譯碼，使得數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別，從而得到加工要求的原始數(shù)據(jù)并將結(jié)果保存，以備后續(xù)仿真使用。由于３Ｂ代碼的編譯過程與譯碼的過程是互逆的，所以此過程可以按照３Ｂ代碼的編譯規(guī)則進(jìn)行譯碼。

其次，數(shù)據(jù)通過PC 機(jī)并口端與三相六拍的電動(dòng)機(jī)相連進(jìn)行傳遞，完成對(duì)數(shù)控機(jī)床X、Y 方向的驅(qū)動(dòng)。25 針D 形接頭的PC 接口有3個(gè)8位的端口寄存器：數(shù)據(jù)寄存器、狀態(tài)寄存器和控制寄存器。由于數(shù)據(jù)端口可以寫入數(shù)據(jù)，也可以讀出數(shù)據(jù)，并且其8個(gè)輸出點(diǎn)可以自由控制，因此通過對(duì)電平的狀態(tài)改變來進(jìn)行數(shù)據(jù)傳遞。數(shù)據(jù)寄存器的基本信息見表１。若數(shù)控系統(tǒng)三相六拍步進(jìn)電動(dòng)機(jī)為正轉(zhuǎn)，則通電順序?yàn)?A-AB-B-BC-C－CA。若傳輸?shù)男盘?hào)為高電位1 時(shí)，電動(dòng)機(jī)對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)到某一位置；若傳輸信號(hào)為低電位0 時(shí)，則對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)不動(dòng)。表２表示并口數(shù)據(jù)寄存器的具體數(shù)據(jù)所對(duì)應(yīng)的步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的每一拍（表１和表２中，X 電動(dòng)機(jī)、Y 電動(dòng)機(jī)分別表示X、Y 向的電動(dòng)機(jī)）。

最后，系統(tǒng)運(yùn)用插補(bǔ)原理將數(shù)控機(jī)床的加工軌跡在屏幕上顯示，為了保證軌跡的準(zhǔn)確性，使插補(bǔ)運(yùn)算的步長與步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的脈沖當(dāng)量保持一致。

5 結(jié)語

JXCAD 系統(tǒng)從零件圖樣的繪制和代碼的生成到數(shù)控機(jī)床的驅(qū)動(dòng)，形成了一套非常完備、實(shí)用的電火花線切割數(shù)控機(jī)床加工系統(tǒng)，本系統(tǒng)對(duì)操作人員的要求低，有效地提高了加工效率，縮短了工期，能夠?yàn)槠髽I(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)，本系統(tǒng)對(duì)于數(shù)控加工軟件同樣適用，其應(yīng)用前景非常廣闊。

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