板材柔性制造系統中的數據接口技術

　摘　要　本文介紹了板材柔性制造系統中的數據接口技術。敘述了CAD/CAPP系統集成技術中的一些關鍵問題，并提出了有效的解決方法。

　　關鍵詞　鈑金,板材,CAD/CAPP,數據接口

　　我們為沈陽某科技公司板材柔性制造系統設計了一套鈑金產品計算機輔助設計加工系統。該系統由CAD、數據接口、CAPP三個子系統組成。鈑金CAD子系統基于通用繪圖軟件AutoCAD進行二次開發；CAD/CAPP數據接口子系統通過對CAD子系統的圖形信息進行分析處理后，傳輸給CAPP子系統完成 CAD/CAPP的內部數據連接，對信息聯機傳遞、實時處理。

圖1　系統組成簡圖

1　鈑金產品圖形數據特點

　　鈑金產品CAD子系統是基于參數化思想而設計的。只要輸入幾個關鍵的參數，系統自動生成鈑金零件的三維視圖和展開圖。展開圖是一個二維圖形，CAD/CAPP數據接口對展開圖的*.DXF命令組文件進行處理，傳遞信息到CAPP子系統用于滿足板件的沖裁下料。

圖2　鈑金件設計方案

　　鈑金產品的設計和加工有其自身的結構、材料和工藝特點。

　　1） 展開圖二維圖形由直線、圓弧、圓組成，所有幾何特征均在一個平面上。（二次、三次曲線均由圓弧或直線插補構成）。

　　2） 落料加工的所有工藝特征，如粗糙度、定位精度、直線度等均由NC機床保證。

　　CAD系統的信息模型是幾何學模型、線架模型、面架模型及體素造型，對于公差和技術要求是按標注信息進行處理。CAPP系統要求的是工藝特征和制造信息， 而不是點、線、面的幾何特征。并且由于鈑金產品設計加工的自身特點，以*.DXF文件作為數據文件直接作為CAPP子系統的輸入信息存在許多問題。

　　. 存在大量非加工信息

　　鈑金展開系統是在AutoCAD軟件環境下開發的，從CAD子系統傳過來的*.DXF命令組文件包含了標準零件圖的所有信息，其中包括尺寸線、輔助線等非加工信息；使得操作CAPP子系統時，容易產生加工環不清晰，生成錯誤的NC操作指令。

　　. 幾何交點不重合

　　由于*.DXF文件中的幾何點信息是CAD圖形通過內部計算而獲得的，許多圖形元素的幾何交點實際上是兩個點。盡管兩點之間的誤差很小，不影響加工精度，但是這樣的圖形數據不能用于CAPP子系統進行自動工藝編程。

　　. 無序的拓撲關系

　　由于在*.DXF文件中，圖形相關數據按CAD子系統在AutoCAD圖形界面生成圖形元素的先后順序而存儲，因而不能保證組成零件圖形的各圖形元素之間的拓撲關系是否具有精確的邏輯關系。如不能保證閉環，更不能保證組成環的各圖形元素之間的拓撲關系。這樣的圖形是不能用于數控加工的。

　　. 缺少方向判定

　　對于旋轉沖床的工藝編程必須確定沖頭的加工走向，以便加工出內輪廓或外輪廓。而展開圖的*.DXF文件包含的有關輪廓信息不能確定環的走向，須對組環實體進行分析計算，根據數據文件輸出要求的加工走向，依序將環中實體寫入數據文件中。

2　解決方法

2.1　把問題消滅在CAD子系統內

　　在CAD子系統總體設計時考慮CAPP的要求。

2.2　建立獨立的數據接口

　　該方法的思想是在CAD子系統中充分利用AutoCAD的開發平臺，暫不考慮CAPP子系統的要求。對于CAPP子系統，做一個數據接口軟件，其任務是對零件展開圖的*.DXF文件做進一步處理，內容包括：剔除非加工信息（包括不必要的工藝信息和技術說明）；修正消除幾何不重合點，建立拓撲關系，找出加工環；按照事先約定指出加工環走向。

3　設計思想及算法實現

　　在鈑金產品CAD子系統中，零件展開圖先用AutoCAD的EXPLODE命令將圖形打碎，再生成相應的*.DXF文件。只從*.DXF中提取與工件廓形數據有關的實體段信息(CIRCLE、LINE、ARC)到程序中；進行分析計算找出圖形信息中外輪廓上一點，依據此點找出外輪廓加工環；在余下的圖形信息中尋找其余的內輪廓加工環(CIRCLE作為一個獨立的加工環)；判斷環向，并將加工環所含圖形信息依環向寫入數據輸出文件中。

圖3　流程簡圖

3.1　系統的數據結構

　　本系統數據結構采用雙向鏈表結構。由于鈑金加工特點(板材均勻性)，因此可以簡單按二維圖形處理。而且，無論是沖孔還是落料，其輪廓都構成閉環,它是由直線或圓弧首尾相連構成的圖形(或是一個整圓)。

　　建立

　class ARC:public CIRCLE,public LINE

　{

　int Direct;

　};

　　其中，類ARC是類CIRCLE、LINE的子類。

　　類CIRCLE、LINE中的成員：Center代表圓心坐標；Radius表示半徑；Start，End分別為直線或圓弧的起始點和終止點坐標；Direct是ARC中獨有的成員，它標示圓弧的方向：沿順時針方向等于+1，圓弧沿逆時針方向等于-1。

3.2　幾何信息提取模塊

　　圖形實體經打碎后成為“LINE”、“ARC”、“CIRCLE”三種類型(經研究發現，對V13.0圖形實體打碎到最后均為LINE、ARC、 CIRCLE，如Fit擬合的Pline解碎后為Arc，Spline擬合的Pline解碎后為Line等)。因此程序的核心以ARC、LINE、 CIRCLE為對象。程序從*.DXF文件的實體段(ENTITIES)中調用一個實體，判斷其是LINE還是ARC或CIRCLE，分流后按其組碼提取幾何信息。

　　例如：對于直線，可用10和11組碼提取其起點、終點坐標。

3.3　組環算法

　　每一個class中都有一個Distant()函數，這個函數用于尋找每一個實體上距原點距離最大點。比較所有實體的Distant()函數值，從中找出距原點距離最大點，該點對應的實體N1必在外輪廓上。

　　如果N1為圓，則此零件外加工環S0即此圓。

　　如果N1為直線或圓弧，則以實體N1為基準組環S0(外輪廓加工環)。以N1起始點為環S0的起點，以N1終止點為環的下一個實體的起始點。

　　搜索其余實體(只考慮直線和圓弧)的起止點，尋找近似重合點(當點與點之差距小于某個很小的整數ε，認為是重合點，并作幾何交點嚙合)作為相鄰兩基本圖形實體的交點。該點所在實體作為環的第二鏈，繼續在余下的實體ARC和LINE中尋找環的下一鏈，并判斷鏈中的終止點是否與環的起點近似重合。不重合重復此過程，否則外輪廓環S0組環結束。

　　在余下未組環的實體ARC、LINE中繼續組環S1、S2、S3、S4…(均為內輪廓環，組環方法同上)。直至所有實體ARC、LINE均組入各環中。

　　讀取余下的實體CIRCLE作為內環。

3.4　數據輸出模塊

　　在輸出時判斷環的走向。對于三個實體組成的環，直接兩實體叉乘，運用右手定則判斷環的走向；對于一般實體環尋找環內點，引直線進行叉乘計算判斷環向，再按照約定格式輸出數據到數據文件中，并將數據文件傳送到CAPP子系統。

　　CAD/CAPP集成實際上是結構設計模塊與加工工藝模塊的結合。CAD/CAPP數據接口子系統將CAD模塊輸出的圖形信息轉換成CAPP可以接收識別的數據格式，實現了CAD和CAPP之間信息的提取、交換、共享和處理。鈑金產品CAD/CAPP數據接口子系統的建立，使系統更充分利用 AutoCAD平臺的二次開發功能，實現了鈑金產品設計制造的參數化、標準化、系列化、自動化，縮短新產品生產周期，提高生產效率