基于AutoCAD的线切割加工CAD/CAM技术
介绍了主从式数控线切割加工系统的组成结构，讨论了自动编程过程中的自动寻迹、方向判别和刀具轨迹自动补偿等关键技术，实现了AutoCAD环境下数控线切割加工CAD/CAM的集成。
1 引言
近年来，单机数控系统逐渐被以微机为核心的群控系统(DNC)所替代，手工编程正向图形化自动编程过渡，CAD/CAM技术开始被广泛地运用到制造技术中。由于AutoCAD软件的强大绘图和编辑功能，以及开放的DXF数据接口，它已成为图形输入平台和自动编程的重要组成部分。但是，当前许多基于AutoCAD的自动编程系统按加工顺序绘图，未考虑刀具轨迹的自动补偿，加工方向需人工设定。对于复杂零件，往往还需要手工确定绘图参数，有很多不便之处。本文采用ARX开发技术及VISUAL C++6.0，对AutoCAD进行二次开发，使图形化输入、编辑、自动寻迹、NC编程、主从通讯过程都在AtuoCAD平台下完成，以线切割系统改造为目标实现CAD/CAM的集成。
2 系统结构
系统采用主从式控制方式，其中主机采用中档微机，从机采用单片机系统直接控制线切割机床。一台主机通过RS—485接口控制多台从机，充分利用微机的强大功能，进行图形输入、输出、建立切割工艺参数数据库等工作。主机的自动编程模块将图形数据信息转换成NC加工指令，并将加工指令传给从机，从机依次执行，完成加工过程。同时，从机根据主机要求反馈数据，为实时控制、自动跟踪及工艺参数数据库的建立提供依据。主机软件系统包括图形输入、工艺参数处理、自动编程、仿真、跟踪和通讯等六大功能模块(图1)。
图1 主机软件系统结构
3 自动编程技术
自动编程模块主要解决自动寻迹、加工方向判别、刀具轨迹自动补偿等功能，实现CAD/CAM的集成。其流程如图2所示。
图2 自动编程软件流程图
3.1 获取图形数据、生成基本加工闭环
通过AutoCAD绘图输入后生成的DXF文件，利用基于特征的信息建模方法，从中获取加工实体特征信息。系统需要的是实体的几何信息，因而只需读取和处理DXF文件的实体段(ENTITIES Section),并存储有关特征信息。根据这些信息，初步形成零件的轮廓及其构成元素间的拓扑关系。CAD绘图实体在DXF文件中是按其绘图顺序存放的，与加工顺序无关；而在加工闭环中删除或添加某一实体时，由于DXF文件中的实体并不按加工闭环的顺序存放，因此需按端点连接情况重新排序，形成加工闭环。这样，就使绘图和加工分离，利用AutoCAD进行图形输入时，则不必关心实际加工顺序，简化了数据输入过程。本系统采用双链表数据结构存储实体信息，双链表数据结构见文献。
3.2 判别加工方向
本文采用矢量法判断加工方向。下面以图3所示的任一加工闭环为例，来说明加工方向的判别算法。
首先遍历双链表，找出离X坐标轴或Y坐标轴最近的端点为加工起点， 即D=MIN（｜x-x0｜,｜y-y0｜)。令此点为B点，其在链表中前后两端点分别为A点和C点。可推知，连接B点两矢量AB、BC的连接情况将唯一确定原图形的方向。
图3 任一闭环示意图
采用矢量法来判别三角形ABC的方向。为便于编程，按如下原则将矢量方向所属象限分类。设点A(xA，yA),B(xB，yB),C(xC，yc)，则AB=OB-OA=(xBi+yBj)-(xAi+yAj)=(xB-xA)i-(yB-yA)j
当xB-xA＞0,yB-yA≥0时，AB∈Ⅰ象限；
当xB-xA≤0,yB-yA＞0时，AB∈Ⅱ象限；
当xB-xA＜0,yB-yA≤0时，AB∈Ⅲ象限；
当xB-xA＞0,yB-yA＜0时，AB∈Ⅳ象限。
根据加工起点的选择原则，可推知矢量AB、BC不可能在同一象限，从而使判断过程简化。闭环方向判断流程见图4。图4中KⅠ、KⅡ、KⅢ、KⅣ分别表示各象限矢量的斜率。此法编程简洁，运行速度快，程序执行时间短，能够精确地实现自动寻迹。
图4 矢量法判断加工方向流程图
3.3 形成实际加工轨迹
在形成实际加工轨迹时，需要考虑加工对象的凹、凸模特性、钼丝直径、放电间隙及加工方向等因素的影响，在自动编程系统中确定刀具轨迹补偿量，对基本加工路线加以调整，才能保证加工精度。设钼丝半径为r钼，单边放电间隙为δ电，则加工轨迹偏移补偿量为
f=r钼+δ电 (1)
目标工件轮廓一般由直线和圆弧组成(其它曲线可由直线和圆弧拟合得到)，因此调整刀具实际加工轨迹实际上是对圆弧半径R增大或减小f，和将直线在法线方向上平移f。
设直线两端点为Ps(xs,ys),Pe(xe,ye)，
原直线的一般方程为L： Ax+By+C=0 (2)
平移f后的直线方程为L′： Ax+By+C′=0 (3)
其中 (4)
A=ye-ys,B=xs-xe,C=xeys-yexs (5)
对于圆弧，R′=R±f (6)
公式(4)、(6)中正负号的选取取决于工件的凸、凹模特性和加工方向。各种情况下的调整情况见参考文献［2］。系统在进行有关计算时，精确至1μm。对各实体进行相应调整后，便得到刀具实际运动轨迹，从而消除了来自刀具和放电间隙等工艺参数带来的误差，提高了加工精度。
实际加工中工件轮廓可能不光滑，出现拐角、尖角等情况，容易造成断丝、短路、塌角、空程等问题，可添加过渡圆弧(R≥f)，使加工轨迹圆滑过渡，从而保护钼丝，提高加工效率。系统按加工顺序对各个实体进行插补运算，把加工命令储存在文件中，并发送给从机系统进行加工，从而实现了CAD/CAM的集成。
4 结论
本文所介绍的基于AutoCAD 的CAD/CAM技术，已在我院精密仪器厂得到应用，实现了CKX-1型和DMK6732型数控电火花线切割机床的技术改造及群控管理。使用过程中，用户只需熟悉基本绘图操作，按设计要求绘图输入，而不必关心加工过程。复杂计算及轨迹补偿均由自动编程系统完成，从而实现图形输入与加工分离。绘图后通过主机直接控制从机加工，实现了CAD/CAM一体化。系统还可以实现复杂工件轮廓的精确加工。本系统界面友好，操作简便，能够精确地进行自动寻迹和刀具轨迹补偿，运行稳定可靠，减轻了操作人员的负担，提高了加工效率。
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