李铁钢

(沈阳工程学院机械学院，辽宁 沈阳 110136)

博物馆、科技馆和旅游景点等地方为纪念游览经历，开展礼品雕刻业务，要求客户设计好姓名等文字和图案，而后自动在铜材、玉石和硬木等材料上雕刻以留作纪念。从本质上看，雕刻使用铣床，采用通用的刻刀，属于经典的刻绘加工，需要利用UG 等通用的CAD/CAM 软件设计和编制加工程序，或者利用专用的ArtCAM 和精雕等软件设计和编制加工程序，但这些软件的使用需要熟练CAD 设计和数控加工编程，需要不断的交互操作才能实现设计和加工，而体验的客户大部分不知晓这些技术，无法进行编程，必须设计一种自动化编程系统，使非专业技术的普通客户体验智能数控制造。

雕刻自动编程系统必须操作界面友好，以常规方式输入刻字信息，而后无干涉地智能编制加工程序。如果完全采用C 等高级语言设计系统，操作界面易于实现，但基于图形的设计、文字加工和图形加工等编程功能无法满足要求;采用UG 等软件必须交互设计和编程，无法满足要求。

Edgecam 软件是由英国开发的智能数控编程系统，主要应用于数控铣、车、线切割以及车铣复合等领域［1］，已经成为全球最著名的数控编程软件之一，客户数量居于独立CAM 系统前列，具有完善的客户二次开发功能，可后台运行并使用JVASCRIPT、VB、C#和C++等开发复杂的前台交互界面，可基于工艺模型进行非交互自动制造特征识别和构建并进行加工，特别适合开发定制的自动化编程系统。

本文开发了基于Edgecam 的礼品雕刻铣床自动编程系统，研究了软件设计、图形建模、坐标变换和特征编程等关键技术。

1 关键技术及实现方法

1.1 系统设计及功能实现

通过对雕刻自动编程加工的工艺分析，将系统分为设计和编程两大模块，系统设计流程如图1 所示。系统运行时后台调用Edgecam 进行编程计算，前台利用界面输入输出设计数据，在规则毛坯上可雕刻文字和图片，在启动界面输入雕刻的文字，例如姓名等，选择系统自带的例子图片，也可以利用WINDOWS 自带的画笔，画出简单的位图图片，也可以在网络选择位图图片，而后生成机床用的加工程序。

1.2 软件设计

NET 是微软的新一代技术平台，用来实现XML、Web Services、SOA(面向服务的体系结构，service-oriented architecture)和敏捷性的技术，构建互联互通的基于标准、适应变化、稳定和高性能的应用系统。1 个.NET应用是使用.NET Framework 类库来编写程序，并运行于公共语言CLR(common language runtime)上的应用程序。

用户雕刻界面利用JAVASCRIPT 和HTML 语言的单机HTA 文件实现，系统运行于IE10 以上版本，通过.NET 接口调用Edgecam 后台运行，Edgecam 通过内嵌的基于.NET 的Webform 同前台界面进行动态数据交换。HTML 界面通过ActiveX 组件进行文件的I/O和数据库存储操作。设计界面的文字和图形预览显示利用HTML5 CANVAS 技术实现。Edgecam 程序利用二次开发PCI(Program Command Interface)语言编写接口程序实现命令的批处理运行，流程如图2 所示。

1.3 图形处理

礼品雕刻为三坐标铣削加工，使用的制造数据为平面2D 图形，可读入IGES、STEP、PARASOLID、ACIS、DXF 和DWG 等中性数据格式文件，可直接读入UG、CATIA、PRO/E、MASTERCAM 等通用系统的数据，可直接输入位图文件转化成矢量图形加工。

位图矢量化输入的图形为“一笔画”的线条图像，对其进行线条细化处理［2］，按照像素的连续性，将图形轮廓划分为不同的独立边界，逐点遍历跟踪各边界，按照边界上数据点的坐标采用角点检测算法［3］将边界划分为若干条线段。

采用分段3 次Bezier 样条描述轮廓线，设样条线与被拟合点集 Pi|i=1，2，…，n{}的距离和最小，样条曲线方程为:

式中:t∈［0，1］;Vk为控制点集合，当曲线通过P0和Pn点时有，P0=V0，Pn=Vn。

点到样条曲线的偏差:

拟合时设定初始化总偏移量阈值DevT，计算每段数据点与曲线的最大偏差值对应的数据点，通过该点作为新的连接点分段拟合。

分段拟合后要求相邻两曲线在交点处C1光滑连续，必须使控制点Vi-1，2，Vi，1和Pj在一条直线上。假设两相邻曲线交点切矢的倾角为α 和β，夹角为θ。当θ＜180°时，倾角小的切线矢量对应的控制点相对Pj点顺时针旋转(180°-θ)/2，而大倾角的切矢对应的控制点相对Pj点按逆时针旋转(180°-θ)/2;当θ＞180°时，倾角小的切线矢量对应的控制点相对Pj点按逆时针旋转(180°-θ)/2，而大倾角切矢对应的控制点相对Pj点按顺时针旋转(180°-θ)/2。

1.4 坐标变换

Edgecam 输入图形数据后，遍历元素构建包围盒，求出外轮廓的最大点Xmax、Xmin、Ymax和Ymin，假设铣削编程坐标系位于工件的中心，元素最大轮廓宽为W，最大轮廓高为H，则新坐标系的原点为((Xmax+Xmin)/2，(Ymax+Ymin)/2)。

比例变换因子K 为:

1.5 特征编程

加工元素包括汉字、英文字母、阿拉伯数字和图形元素，汉字和英文字母由设计者给出，阿拉伯数字为ACESS 数据库中的礼品序号，这些特征直接构造形成即可，设其表示为:

对文字设计成空心字，可以采用外轮廓铣削加工成空心字，也可以采用区域铣削的方式加工成中空的形式。

图形加工特征分为外轮廓特征和内轮廓特征，通过遍历曲线查找内外轮廓，对轮廓采用2D 键槽铣的模式加工［4-5］。

2 应用实例

某博物馆雕刻系统的加工毛坯为圆形、矩形和方形3 种尺寸的硬木，所刻绘图片缺省为位图形式的生肖和星座图案，应用界面如图3 所示。

生成的加工程序利用CIMCOEDIT 仿真，仿真结果如图4 所示，验证了系统设计的正确。经过实际工件切削加工，得到了合格的产品。

3 结语

基于Edgecam 软件的后台运行和HTML、JAVASCRIPT 及PCI 语言，依托.NET 平台开发了礼品雕刻数控铣自动编程系统，重点论述了软件设计、图形处理、坐标变换和特征编程等关键技术，完成了系统的开发并加工出了合格的产品，为其他机床的智能编程提供了借鉴作用。

［1］韩庆瑶，韩芝龙，路世强.基于EdgeCAM 的数控加工技术在模具加工中的应用［J］.机床与液压，2009，37(6):214-216.

［2］Gonzalez R C，Woods R E，Eddins S L.数字图像处理(Matla 版)［M］.阮秋琦，译.北京:电子工业出版社，2005.

［3］李铁钢.5-基于VERICUT 的结构件数控加工仿真研究［J］.煤矿机械，2009，30(8):109-111.

［4］李铁钢.基于UG Postbuilder 的五轴后置处理器设计［J］.机床与液压，2009，31(10):72-74.

［5］Yun Qingrao，Gang Huang，Pei Genli，et al.An integrated manufacturing information system for mass sheet metal cutting［J］.Int J Adv Manuf Technol，2007，33:436-448.