电火花线切割计算机辅助数控编程系统的研究与开发
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摘要
电火花线切割加工技术因其切削力微小、而且易于加工任何硬度导体或半导体材料的特点，在我国乃至世界机械制造业中，尤其在模具加工领域，发挥着非常重要的作用。目前，我国的高速走丝线切割加工技术已经达到了较高的水平，同时在积极发展和引进低速走丝线切割加工技术。然而，高速走丝切割机床的数控程度并不充分，另一方面，引进的低速走丝线切割机床的数控系统也不能与其完全沟通，这些均限制了我国线切割加工技术的进一步发展。而国产或引进的线切割数控编程软件也分别存在技术滞后、操作不便和通用性不好等缺陷。因此，对适合中国国情的线切割数控技术及其对应的数控编程软件进行研究具有重要的现实意义。
在这种环境下，本文基于开放式体系结构的思想，对计算机辅助线切割数控编程的关键技术进行了研究，包括图形的绘制与编辑，轨迹生成与代码输出，文件转换以及加工仿真等。讨论了开放式数控系统的结构及其特点，并对以开放式结构为目标的线切割编程软件的开发思想进行了探讨；以面向对象理论为基本思想，讨论了线切割数控编程系统的总体设计；讨论了平面复杂曲线的拟合方法，提出了一种速度较快，运算稳定而且效果较好曲线拟合算法—近似等误差双圆弧拟合法；讨论了曲线的平面变换及圆弧连接算法；讨论了加工轨迹的偏移策略，对传统算法的缺陷进行了完善，针对传统算法在处理干涉问题时的失效，提出了无干涉的轨迹偏移算法；研究了3B及ISO数控代码格式及其生成算法；讨论了DXF文档的在文件转换中的作用，并对以DXF文档为中间格式文件转换接口进行了研究；最后对以插补技术为基础的加工仿真算法进行了研究。
在这些研究的基础上，使用C++语言，利用MFC类库，开发了一个线切割辅助编程软件CAWEP。该软件面向PC，以Windows为操作系统，采用了图形交互的编程方式，界面友好，操作方便。
Wire Electro-discharge Machining (WEDM) technology is widly used in manufacturing industry because of its minute cutting force and the ability to shape high hardness material, and it has played an important role especially in the field of mould manufacturing. Now in China, Wire Electro-discharge Maching with High traveling Speed (WEDM-HS) has been developed into a high level, and at the same time, the research on Wire Electro-discharge Machining with Low traveling Speed (WEDM-LS) is being further promoted. However, the performance of the CNC system inWEDM-HS is not fully satisfied, and there are still the obstacles between the CNC systems of WEDM-HS and WEDM-LS. On the other hand, the CNC software made in China for WEDM has defects of tech hysteresis and inconvenience, and the import software has poor universality and is hard to use. These conditions have greatly limited the further developement of WEDM technology in China, thus, the research on CNC software for WEDM is meaningful.
Under the circumstances, we began the research on CNC software for WEDM by means of an Open Modular Architecture (OMA) conception. The research include almost all aspects of Computer Aided CNC Programing technology, such as the study of graph generation and editing, cutting track generation, CNC coding, file conversion and manufacture simulation et.al.
In this dissertation, the framework and features of OMA CNC system has been discussed, and a structure of CNC software for WEDM with OMA conception has been presented. At the same time, we discussed the master plan of WEDM CNC programming system based on the Object Oriented Programming idea; studied the fitting method of planar curve, brought out an efficient and stable curve approximating method-near-equal-error biarc fitting; studied the planar translations of graphs and arc copulations between curves; discussed the offset strategy of cutting track, and brought about a noninterventional cutting track offset method according the defects of conventional algorism; studied the format of 3B and ISO code, and discussed the
automatically code generating algorism; studied the format of DXF files, and made a file converting module which use DXF as transition format; at last, discussed the simulation algorism based on the interpolating technology.
Based on the above research works, developed a WEDM programming software-CAWEP, using C++language and MFC foundation classes. The CAWEP software employed interactive graphics automatic programming technology, and will run on PC and Windows platform.
在这种环境下，本文基于开放式体系结构的思想，对计算机辅助线切割数控编程的关键技术进行了研究，包括图形的绘制与编辑，轨迹生成与代码输出，文件转换以及加工仿真等。讨论了开放式数控系统的结构及其特点，并对以开放式结构为目标的线切割编程软件的开发思想进行了探讨；以面向对象理论为基本思想，讨论了线切割数控编程系统的总体设计；讨论了平面复杂曲线的拟合方法，提出了一种速度较快，运算稳定而且效果较好曲线拟合算法—近似等误差双圆弧拟合法；讨论了曲线的平面变换及圆弧连接算法；讨论了加工轨迹的偏移策略，对传统算法的缺陷进行了完善，针对传统算法在处理干涉问题时的失效，提出了无干涉的轨迹偏移算法；研究了3B及ISO数控代码格式及其生成算法；讨论了DXF文档的在文件转换中的作用，并对以DXF文档为中间格式文件转换接口进行了研究；最后对以插补技术为基础的加工仿真算法进行了研究。
在这些研究的基础上，使用C++语言，利用MFC类库，开发了一个线切割辅助编程软件CAWEP。该软件面向PC，以Windows为操作系统，采用了图形交互的编程方式，界面友好，操作方便。
Wire Electro-discharge Machining (WEDM) technology is widly used in manufacturing industry because of its minute cutting force and the ability to shape high hardness material, and it has played an important role especially in the field of mould manufacturing. Now in China, Wire Electro-discharge Maching with High traveling Speed (WEDM-HS) has been developed into a high level, and at the same time, the research on Wire Electro-discharge Machining with Low traveling Speed (WEDM-LS) is being further promoted. However, the performance of the CNC system inWEDM-HS is not fully satisfied, and there are still the obstacles between the CNC systems of WEDM-HS and WEDM-LS. On the other hand, the CNC software made in China for WEDM has defects of tech hysteresis and inconvenience, and the import software has poor universality and is hard to use. These conditions have greatly limited the further developement of WEDM technology in China, thus, the research on CNC software for WEDM is meaningful.
Under the circumstances, we began the research on CNC software for WEDM by means of an Open Modular Architecture (OMA) conception. The research include almost all aspects of Computer Aided CNC Programing technology, such as the study of graph generation and editing, cutting track generation, CNC coding, file conversion and manufacture simulation et.al.
In this dissertation, the framework and features of OMA CNC system has been discussed, and a structure of CNC software for WEDM with OMA conception has been presented. At the same time, we discussed the master plan of WEDM CNC programming system based on the Object Oriented Programming idea; studied the fitting method of planar curve, brought out an efficient and stable curve approximating method-near-equal-error biarc fitting; studied the planar translations of graphs and arc copulations between curves; discussed the offset strategy of cutting track, and brought about a noninterventional cutting track offset method according the defects of conventional algorism; studied the format of 3B and ISO code, and discussed the
automatically code generating algorism; studied the format of DXF files, and made a file converting module which use DXF as transition format; at last, discussed the simulation algorism based on the interpolating technology.
Based on the above research works, developed a WEDM programming software-CAWEP, using C++language and MFC foundation classes. The CAWEP software employed interactive graphics automatic programming technology, and will run on PC and Windows platform.
引文
1．余承业．特种加工新技术．北京：国防工业出版社，1995．10，第一版
2．伍俊，李明辉．浅谈高速走丝线切割加工技术的发展趋势．电加工与模具，2000(2)：1～4
3．薛欣伟，曾周末．数控线切割加工CAD／CAM集成技术．机电一体化，1999(10)：30～32
4. Frederick Proctor, John Michaloski et al. Analysis of behavioral requirements for component-based machine controllers. Proceedings of SPIE Vol.4191(2001):10～19
5. Clark P. Bailo and C.Jerry Yen. Open modular architecture controls at GM Powertrain-Technology and Implementation. SPIE Vol.2912. (1997):52～63
6．郭艳玲，赵万生等．开放式体系结构的快走丝线切割机床数控系统．哈尔滨理工大学学报，2000(4)：23～25
7．伍俊，李明辉．新一代电火花线切割加工数控系统．机电一体化，2000(3)：12～15
8. M.-Y. Yang, J.-H. Park. A study on an open architecture CNC system with a NURBS interpolator for WEDM. Int. J Adv Manuf Technol (2002) 19:664～668
9．褚卫华，赖友宇．基于现代操作平台的线切割图形编程与加工控制系统．电加工，1999(1)：8～11
10．杜志强，程广伟等．二维零件数控加工图形自动编程技术．洛阳工学院学报．2001，22(1)：47～50
11．郭钟宁，黄志刚，黎兴文．基于AutoCAD2000的线切割自动编程系统．现代制造工程，2002(8)：15～17
12. Ken Heins, Michael Wicke. ESPRIT CAM software allows wire EDM shop to reduce cost of tapered insert & lifter pockets. European journal MECH & ENV, ENG M Vol.45 N"3(2002):164～167
13．伍俊，李明辉．人工智能技术在电火花线切割加工中的应用．电加工，1999(6)：
1～5
14．郭钟宁，李大超，俞大民等．电火花线切割加工中线电极的动态特性仿真与实验研究．中国机械工程，2000(7)：744～748
15．伍俊．电火花线切割智能加工系统的关键技术研究．上海交通大学博士论文(2001)：1～20
16．赵葛霄，高伟强，刘作毅．基于微机的CAD／CAM软件系统的选择．制造技术与机床，2001(3)：1～4
17．白建华，梁维胜，黄海峰等．—种基于Windows的PC机数控系统．组合机床与自动化加工技术，2002(3)：52～56
18．吴琪．基于PC和Windows95的数控系统设计．机电一体化，2000(4)：51～54
19．杨玲，陈文家，房立金等．基于Windows平台的开放式并联机床数控系统．制造业自动化，2002(1)；15～18
20．付永红，熊飞丽，龙佑喜等．基于Windows下数控软件的设计与实现．机电一体化，2001(1)：28～31
21．Rob McGregor．Using C++电子工业出版社，1999．11，第一版
22．侯俊杰．深入浅出MFC．华中科技大学出版社，2001．1，第二版
23．Charles Petzold. Programming Windows．北京大学出版社，2002．4，第五版
24．David J. Kruglinshi，Scot Wingo, George Shepherd. Programming Visual C++6.0．北京希望电子出版社，2002．3，第五版
25．李于剑．Visual C++实践与提高—图形图像编程篇．中国铁道出版社，2001．2，第一版
26．陈汉军，廖文和，周儒荣．任意平面曲线的圆弧逼近方法．南京航空航天大学学报，1995，27(6)：773～777
27．郄胜强，王先逵．变曲率对称圆弧曲线及其在圆弧样条拟合中的应用．计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(3)：222～224
28．白炎，黄序．自由曲线的双圆弧拟合成形法．小型微型计算机系统，1994，15(8)：20～24
29．沈纪桂，方志梅，李凌丰．优化双圆弧拟合．工程图学学报，1995(1)：53～56
30．王琨琦，李平．一种光滑曲线的圆弧拟合新方法．西安工业学院学报，1994，14(3)：243～247
31．周卜生．一类曲线段的多圆弧最佳逼近．机械传动，1995，19(2)：50～52
32．马金河．数控加工中采用圆弧逼近非圆曲线的方法．机械工程师，1999，10：19～20
33．戴炳鑫，陆建芳．一种双圆弧折线的逼近方法．宝鸡文理学院学报，1996，16(2)：13～20
34．陆建芳．一种三圆弧逼近方法．浙江工业大学学报，1997，25(3)：236～241
35．武仲科，焦海星，戴国忠．一种线段和圆弧的逼近方法及其在工程图纸矢量化中的应用．计算机辅助设计与图形学学报，1998，10(4)：328～332
36．张习文，李佐，蔡士杰等．基于遗传算法的以线段和圆弧为基元的曲线拟合．计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(2)：144～147
37. Hanan Ahmad Kamal, Medhat Helmy Eassa. Solving curve fitting problems using genetic programming. IEEE MELECON 2002, 5:316～321
38．孙家昶，郑全琳．曲线的圆弧逼近与双圆弧逼近．计算数学．1981(2)：97～112
39．王琦，郭非，王启义．圆弧样条逼近为机械零件几何轮廓的自动编程．机械工程学报，1998，34(2)：20～25
40. Feng Q, HT Loh and YS Wong. Optimal Curve Fitting with Biarcs and Linear Segments. Proceedings of Fourth Asia-Pacific Conference on Computational Mechanics forthe Next Millennium, 1999:1263～1268
41．朱大可，姜献峰．圆弧插值样条的约束生成方法及其应用．机电工程，1999，16(3)
42．蔡永林，孙卫青，席光．一种新的平面曲线圆弧插补节点获取方法．工程图学学报，2002(1)：90～113
43．郭培全，钟康民，滕皓．基于最少节点的凸轮曲线拟合方法．西北轻工业学院学报，1998，16(3)：80～83
44．安建成，程明琦．基于回溯的二级圆弧拟合算法．太原工业大学学报，1996，27(1)：18～23
45．郭培全，滕浩．非圆曲线的最少节点拟合法．组合机床与自动化加工技术，1998(7)：12～17
46．黄标．非圆弧曲线的等误差圆弧逼近法．机械工艺师，1999．3：13～14
47．王得胜，周爱平．用圆弧逼近平面参数曲线的参数递增算法．机械工艺师，
2001．5：36～38
48．刘文信，陈淑江．用圆弧逼近阿基米德螺线凸轮的节点计算．机械工艺师，1997(12)：22～23
49．李庆杨，王能超，易大义．数值分析．北京：清华大学出版社，2002A，第四版
50．李蓉，李西琴．软件包中“圆弧连接已知圆和直线”问题的处理及C语言实现．陕西工学院学报，1998，14(3)：75～78
51．廖效果，朱启逑．数字控制机床．武汉：华中理工大学出版社，1999：78～95
52．刘又午，杜君文．数字控制机床．北京：机械工业出版社，1999：37～82
53．林弈鸿．机床数控技术及其应用技术．北京：机械工业出版社，1994：130～143
54．焦振兴．微机数控技术．北京：北京理工大学出版社，2000：315～442
55．程筱胜，刘壮，瘳文和．复杂型腔行切轨迹生成算法研究．机械科学与技术，1997(1)：34～37
56．平雪良，刘壮，周来水．二维轮廓刀具轨迹自动编程算法的实现．计算机辅助工程，1997(4)：52～56
57．姜晓峰，周来水，周儒荣．数控加工中复杂轮廓环的等距干涉处理．南京航空航天大学学报，1998(6)：628～632
58．廖效果．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社．2000．6，第一版：30～50
59．Kay D.C, Levine J.R.. Graphic files format. Berkley: WindCrest/McGraw-Hill Inc., 1992：157～174
60．骆轶姝，秦鹏飞，何援军．CAD软件接口技术及其实现．工程图学学报，2002(2)：20～25
61．杨文玲，阎文军，王俊宝等．AutoCAD与高级语言接口的综合研究．全国计算机远程与继续教育研究会，1997：19～23
62．AutoDesk Company. AutoCAD2002 help files-DXF references
63．刘天立．基于DXF实现C语言与AutoCAD接口．哈尔滨理工大学学报，2001(8)：60～62
64．杨先海，吉晓民．数控线切割自动编程和轨迹仿真．电加工，1998(3)：42～43
2．伍俊，李明辉．浅谈高速走丝线切割加工技术的发展趋势．电加工与模具，2000(2)：1～4
3．薛欣伟，曾周末．数控线切割加工CAD／CAM集成技术．机电一体化，1999(10)：30～32
4. Frederick Proctor, John Michaloski et al. Analysis of behavioral requirements for component-based machine controllers. Proceedings of SPIE Vol.4191(2001):10～19
5. Clark P. Bailo and C.Jerry Yen. Open modular architecture controls at GM Powertrain-Technology and Implementation. SPIE Vol.2912. (1997):52～63
6．郭艳玲，赵万生等．开放式体系结构的快走丝线切割机床数控系统．哈尔滨理工大学学报，2000(4)：23～25
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33．戴炳鑫，陆建芳．一种双圆弧折线的逼近方法．宝鸡文理学院学报，1996，16(2)：13～20
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35．武仲科，焦海星，戴国忠．一种线段和圆弧的逼近方法及其在工程图纸矢量化中的应用．计算机辅助设计与图形学学报，1998，10(4)：328～332
36．张习文，李佐，蔡士杰等．基于遗传算法的以线段和圆弧为基元的曲线拟合．计算机辅助设计与图形学学报，2002，14(2)：144～147
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56．平雪良，刘壮，周来水．二维轮廓刀具轨迹自动编程算法的实现．计算机辅助工程，1997(4)：52～56
57．姜晓峰，周来水，周儒荣．数控加工中复杂轮廓环的等距干涉处理．南京航空航天大学学报，1998(6)：628～632
58．廖效果．数控技术．武汉：湖北科学技术出版社．2000．6，第一版：30～50
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64．杨先海，吉晓民．数控线切割自动编程和轨迹仿真．电加工，1998(3)：42～43