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JXCAD 電火花線切割機床編程與通信係統研製

2016-1-28 來源：青島科技大學機電工程學院作者：蔡漢明，王佳麗，宋曉梅，王濤

摘　要：本文研發的JXCAD電火花線切割機床（chuáng）編程（chéng）與通信係統是一套有自主知識產權的，針對電火花線切割的（de），價廉、易操作的數控機床係（xì）統。JXCAD 係統利用 Delphi 開發工具，開發的JXCAD線切割自動編程軟件完成了零件輪廓的造型和定義，3B 代碼的生成以（yǐ）及通過計算機並行口將程序輸入到線切割控製機的相關功能，達到了降低操作者工作量、提高工作（zuò）效率以及降低對操作（zuò）者文化水（shuǐ）平要求的目的。

關鍵詞：線切割；自動編程； Delphi；控製

數控線切割機床是十分重要的數控加工設備（bèi），其具有加工精度高、適（shì）應範圍廣和能夠（gòu）加工複雜形狀（zhuàng）零件等（děng）優點，在機械製造及模具製造等領域裏（lǐ）有著廣泛的應用。目前，國（guó）內的電火花線切割機床軟件編程依賴國（guó）外軟件，硬件控製（zhì）部分采用硬控製的靈活性不高，無形之中增加了產品的成本，並且操（cāo）作複雜，界麵未本地化（huà），為大部分操作者增加了負擔（dān），降低了企（qǐ）業（yè）自主能動性（xìng）；因此，許多從事線切割加工的企事業單位十分（fèn）需要（yào）價（jià）格低廉、易學易用、漢化界麵和能夠充分發揮企業自主性的線切割自（zì）動編程係統來解決這個問題。筆者利（lì）用 Delphi 開發工具開發了 JXCAD 線切割自動編程（chéng）軟件，該軟件可以通過 JXCAD 繪圖環境進行繪製零件輪廓（kuò）造型，然後進（jìn）行加工零件（jiàn）輪廓定義，輸入鉬絲半徑、放電間隙和偏置方向等參數（shù）。自動編程係統能（néng）對零件輪（lún）廓進行各種預處理，並自動生成３Ｂ代碼。產生的程序通過計算機的並行口（kǒu）可以（yǐ）輸入到線切割控製機中，大（dà）副度節省了數據（jù）的輸入（rù）時間，保證（zhèng）了零件（jiàn）的加工質量和生產效率。

1　總體設計

1.1 　係統的開發環境（jìng）

係統（tǒng）的開發環境為 Windows XP/Win7 操作係統和 Delphi 7.0 軟件開發工具。

1.2　係統的構成

JXCAD 係統由CAD 模塊、CAM 模塊和CNC 模塊3 部分組成，其模塊設計如圖１所示。

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

ａ．圖形的繪製。為了滿足電（diàn）火花線切（qiē）割加工圖形（xíng）繪製的要（yào）求（qiú），基本（běn）的圖（tú）形元素包（bāo）括直線、矩形、正多邊形、橢圓、圓和平麵曲（qǔ）線等。

ｂ．圖形的（de）編輯。為了提高繪圖效（xiào）率，減少工作量，提（tí）高（gāo）繪圖精度和複雜度（dù），增加了圖形（xíng）編輯（jí）模塊包括鏡像（xiàng）、旋轉（zhuǎn）、複製、刪除、剪切、移動和倒角等（děng）。

ｃ．無縫集成流行CAD 。兼容目前流行的CAD 軟件（jiàn），如 Auto CAD 等繪圖軟件，此模塊減少（shǎo）了因為軟件不兼容而導致（zhì）的圖元信息的丟失和工作的重（chóng）複等問題。

ｄ．圖形矢量化。通過掃描儀輸入的工程圖樣或零件圖樣，經過本模塊處理後，形成使線切割自（zì）動編程係統（tǒng）能夠識別的矢量圖形。

２） CAM 模塊主（zhǔ）要由圖元鏈接、軌跡計算和代碼生成 3 部分（fèn）組成。

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

ｂ．軌跡計算（suàn）。模塊對圖元加工的相（xiàng）關參數（shù），如電極半徑、放電間隙和刀具的左偏右偏等進行處理，得到刀具的走刀路徑，使用戶能夠直觀地觀察到刀具的軌（guǐ）跡，提早發現加工時出（chū）現的問題，並及時進行（háng）相應處理。

ｃ．代碼生成。本模塊根（gēn）據得到的刀具軌（guǐ）跡，自（zì）動生成３Ｂ代碼，同時對生（shēng）成的文本文件進行保存。

３） CNC 模塊主要完成（chéng）與驅動係（xì）統的信息通信，使得在CAM 模塊獲得的數據信息能夠及時有效地傳輸給驅動係統，從而（ér）完成實際（jì）的數控加工。

1.3 　JXCAD 係（xì）統界麵係統的用戶界麵如圖（tú）２所示。

２　CAD 造型設計（jì）

CAD 造型設計的關（guān）鍵在於進行圖元信息輸入時，能夠及時、準確地對已輸入的信息進行存放和編輯，以便在CAM 模塊對圖元（yuán）信息進行（háng）提取。為（wéi）了準確地表示圖元數據（jù）結構之間的相互關係（xì），方便、快捷（jié）地對圖元進（jìn）行建立、刪除和插入（rù）等管理操作，同時節省內存，減少冗餘度，本係統CAD 模塊的數據存儲采用如圖（tú）３所示的數據存儲結構。

該結構的設計（jì）思（sī）想是一行（háng）即一層，每層（céng）為雙向鏈表結構，在每一行的第1個數據區隻存放該層的層名和層的狀態標（biāo）誌、線型（xíng）、顏色（sè），每一層剩下的數據區存放的是當前層（céng）各圖元（yuán）成員信息。層的管理主要有２個指針：一個指針（zhēn）在管理層，該指針從上（shàng）往下（xià）；另一個指針在層指針所在圖元的末尾，當新增加圖元時，就添加在這個指針（zhēn）的位置上。

在CAD 造型設計中，圖元的（de）添加、刪除和插入等操作的算法（fǎ）思想如（rú）下。

１）圖元添（tiān）加。首先，係（xì）統會有一個當前層，供用在當前的圖層（céng）上（shàng）進（jìn）行圖元輪廓的繪製，當繪製結束（shù）時，指針位於（yú）圖元鏈表的尾部，即圖３中橫向鏈（liàn）表的（de）NULL 處，係（xì）統（tǒng）將繪製好的圖形元素的參數添加到這個尾部（bù）。當用戶需要操（cāo）作其他圖層時，圖（tú）層的指針則向下移動，這樣就可以在（zài）新的層中進行操作（zuò）。如果需要建（jiàn）立新層，可以（yǐ）在圖３中縱向（xiàng）的NULL 處增加新層。

２）刪除。首先，對鏈表進行（háng）遍曆，找（zhǎo）到與（yǔ）光（guāng）標最近的結點，即找到用戶需要（yào）刪除的（de）圖元，如（rú）果結點位於圖元中間，則將上一圖元的（de）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，完成刪除當前圖元的操作。如果結點位於圖元尾部，隻需要將原鏈表的尾結點之前的一個結點的指針設為空即可。

３）插入。在（zài）對樣條曲線進行修改編輯時，首先用戶要選中樣條曲線，係統會將樣條曲線的特征多邊形顯示在屏幕上，並且光標會位於特征多邊形的起點（diǎn），通（tōng）過鍵盤使光標進行（háng）前（qián）後移動，找到需要插（chā）入的（de）結點，然後將新的圖元信息插入到當前結點的後一結點，完成插入操作。

3　CAM 編程

在繪圖任務完（wán）成以後，用戶就可以對零件圖形進（jìn）行數控加工處理，完成鏈接和（hé）數控工（gōng）作。用戶在進（jìn）行圖元繪製時，繪圖順序一般與走刀軌跡不一致（zhì），所以應將這（zhè）種無序的圖元鏈表進行重新排（pái）序（xù），得到封閉的、有效（xiào）的、滿足數（shù）控需要（yào）的圖元鏈表。為解決此問題，係統采用了循環鏈表結構（見圖４）。圖４軌跡鏈表

　 加工工（gōng）藝設（shè）備　

《新技術新工藝》加工工藝與（yǔ）設備17

圖（tú）元的鏈（liàn）接即為循環鏈表的輸入，其算法思想如下（xià）：首先要申請一（yī）個首（shǒu）結點，操（cāo）作者需要在（zài）圖（tú）元上選（xuǎn）擇（zé）１點作為加工起（qǐ）始（shǐ）點，來（lái）確定第1個加（jiā）工圖形輪廓；然後從選擇點向另外一端作為加（jiā）工方向，以另外一個端點找到下一個相接的圖元，直至閉合，這個路徑就是加（jiā）工路徑（jìng）。如果找到的圖元與加工路徑相反，係統會自動對圖元信息進行標示，在進行數控（kòng）加工時遇到此（cǐ）標（biāo）示時，係統會將圖元的起始點和終止點進（jìn）行對調，最終完成整個圖元鏈表（biǎo）的排（pái）序。數控加工（gōng）需要完成２個工作：確（què）定加工參數和輸出數控加工（gōng）代碼，即對已存儲的循環鏈表進行輸出。

刀具路徑算（suàn）法（fǎ）的輸出思想為（wéi）先取出當前指針和當前指針指向的（de）下一（yī）個指針的數（shù）據，根據偏向計算出等距線的交點，根據圖元信息將當前指針指（zhǐ）向的等距線翻譯成數據指令輸出，將指針下移，重複執行上述過程直到指針結點等於首結點為止。

根據偏向計算（suàn）出等距（jù）線的（de）交點，有2 種情況：一是初步偏移，即對（duì）所有圖（tú）元進（jìn）行簡單偏（piān）移（yí）和連（lián）接，偏移曲線為原輪（lún）廓（kuò）的等距線而且整體光滑連（lián）續；二是幹涉處理（lǐ），如（rú）果相鄰輪廓不光滑相切，則在其（qí）間插入以半徑為偏移距離的過渡圓弧，過渡圓弧的走向為偏移方向，左偏移為順時針，右偏移為逆時針。當有（yǒu）尖（jiān）角（jiǎo）存在時，處理方法（fǎ）是在尖角處加１個小多邊形或者圓弧。最（zuì）後，係（xì）統按照（zhào） 3B 代碼的要求建立ｔｘｔ文件，並將程序寫進新建的文件中。

圖形繪製的走刀路（lù）徑如圖５所示，其（qí）中，外輪廓為走刀路徑，內輪廓為（wéi）圖形（xíng）輪廓。

4　係統與控製機的通信

通信模塊完成代碼與驅動設備的信息傳遞，從（cóng）

而實現驅動電動機精準、穩定地（dì）運動，最終完成（chéng）工件

的數控加工任務（wù）。

首先，將獲得的３Ｂ代（dài）碼進行譯碼，使得數控係統能夠識別，從而得到加工（gōng）要求的原始數據並將（jiāng）結果保存，以備後續仿真使用。由於３Ｂ代碼的編（biān）譯過程與譯碼的過程是（shì）互逆的，所以此過程可以（yǐ）按照（zhào）３Ｂ代碼的編譯規則進行譯碼。

其次，數據通過PC 機並口端與三相六拍的（de）電動機（jī）相連進行傳遞，完成對數（shù）控機床X、Y 方向的（de）驅動。25 針D 形接頭的（de）PC 接口有3個8位的（de）端口寄存器：數據寄存器（qì）、狀態（tài）寄存器（qì）和控製寄存器。由於數據端口可（kě）以寫入（rù）數（shù）據，也可以讀出數據，並（bìng）且其8個輸出點可以自由控製，因此通過對電（diàn）平的狀態改變來進（jìn）行數據傳遞。數據寄存（cún）器的基本信息見表１。若數控係統三相（xiàng）六拍步進電動機為正轉，則通電順序為 A-AB-B-BC-C－CA。若傳輸的（de）信號為高電位1 時，電（diàn）動機對應轉到某一位置；若傳輸信號為低電位0 時，則對（duì）應（yīng）的電（diàn）動機不動（dòng）。表２表（biǎo）示並口數據寄存器的具體數據所對應的步進電動機的（de）每一拍（表１和（hé）表２中，X 電動機、Y 電動機分別表示X、Y 向（xiàng）的電動機）。

最（zuì）後（hòu），係統運（yùn）用（yòng）插補原理將數控機床的加工軌跡在屏幕上顯示，為了（le）保證軌跡的準確性，使插補運算的步長與步（bù）進電動（dòng）機的脈衝當量保持一（yī）致。

5 結語（yǔ）

JXCAD 係統從零件圖樣的繪製和代碼的（de）生成到數（shù）控（kòng）機（jī）床的（de）驅動，形成了一套非常完備、實用（yòng）的電火（huǒ）花線切割數控機床加工係統，本係統對操作人員的要求低，有效地提高了（le）加工（gōng）效率，縮短了（le）工期（qī），能（néng）夠為企業帶來巨大的經濟效益；同時，本係統對於數控加工軟件同樣適（shì）用，其應用前景非常廣闊（kuò）。

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