激光加工CAD/CAM系統的開發

　　國內外對各種切割技術的研究已經進行了很多年，但研究得更多的是各種切割技術在實際應用中遇到的問題，而對切割CAD/CAM的研究還很少.針對激光加工特點，數控激光加工機有切割和影雕兩種加工方式.影雕是以早年的"針黑白"工藝為基礎而發展并創新的新工藝，它具有濃厚的文化內涵、精美的成品效果，是一種新興的產業.然而，由于傳統加工水平和加工方式的限制，使它很難進行產業化和規模化的發展，隨著激光技術、計算機圖像處理技術的發展，以及計算機數控技術的廣泛應用，為影雕走上產業化鋪平了道路.本文將激光技術、圖像處理技術和計算機數控技術應用到影雕加工中，并把圖像的影雕處理集成到激光加工 CAD/CAM軟件中.

　　1系統的體系結構

　　激光加工CAD/CAM系統采用3層體系結構進行管理，如圖1所示.圖1中，上層為系統應用層，是本系統和用戶的接口，通過它可完成從設計、分析、仿真到加工的所有任務，并實時地反饋各種結果信息.由系統應用層獲取的設計、工藝等數據信息直接存儲到數據層中，根據通過操作信息的要求驅動功能層的相應功能函數進行功能的實現.中間層為基本功能層，實現系統的各種功能，是系統的核心，包括特征造型、圖形圖像的編輯處理、圖形的前置、后置處理、影雕處理等.基本功能層的各種操作通過應用層進行驅動，而它的數據信息由數據管理層獲得，處理后又存回數據庫.底層為產品數據管理層，實現各種數據的轉換、存儲和管理.通過數據庫管理體系對數據庫進行有效的管理;通過工作模式管理模塊對系統的工作模式進行有效的管理，使得系統能在多種模式下工作;通過數據接口模塊實現與其他系統的數據交換，如通過DXF, BMP等進行圖形圖像的數據交換等.

　　采用這種體系結構的優點在于，底層采用統一的數據管理方法，當產品模型改變時，數據的管理方式不變，對系統程序影響不大;系統為分層結構，并且每一層又是相對獨立的，這樣每一層進行功能擴充時，對其他層的影響很小。

　　圖1 系統的體系結構框圖

　　2系統的信息流

　　圖2為激光加工CAD/CAM系統的信息總流程圖.通過它展示了產品從設計、規劃到加工的所有可能的數據流程.其中數據管理系統是數據流程的樞紐和核心所在，所有的數據信息都由它存儲、管理.數據管理系統又由圖形數據管理體系和圖像數據管理體系兩大模塊組成.對圖形元素的管理，采用面向對象的管理機制，為每個圖形元素創建的一個圖形元素類對象，在創建這個對象時得到指向這個對圖2系統的信息總流程圖像的指針，并通過建立一個動態對象指針數組來管理這些指針。來達到管理所有圖形元素對象的目的.在后置處理等有順序要求的，則采用鏈表結構進行數據的管理.CAD設計系統中，數據的來源包括基于鼠標、鍵盤的輸人互動設計、字體字符的提取設計和基于圖像的描圖設計.其中，基于圖像的描圖設計跨越了圖形和圖像兩個數據管理區.各種編輯處理是對各種數據進行直接的操作.在后置處理的時候要進行數據結構的轉變改為用鏈表結構進行順序的記錄存儲，并且最后生成刀具軌跡鏈表.加工模擬仿真的數據可以是后置處理后的數據，其目的是對工藝規劃的合理性和正確性進行驗證，它也可以從數控加工代碼中獲取，這時的功能是對代碼進行校核.影雕有兩種控制方式，一種為二值點圖的直接控制，另一種則是二值點圖通過連續化處理轉換成數控(NC?代碼的格式進行加工控制，通過激光加工 CAD/CAM系統處理得到的控制文件，并通過傳輸模塊傳送給機床的數控系統.

　　3系統組成

　　激光加工CAD/CAM系統采用面向對象的編程方法和特征建模技術，通過對象并以類模塊的方式進行信息的表達，從而實現系統的集成.根據用戶的使用習慣和切割影雕的加工技術特點，系統分成如下5大功能模塊.

　　3. 1系統接口模塊

　　系統接口包括數據接口和網絡接口.數據接口是為了使本系統能與其他通用系統可以很好地兼容，因此系統應該具有盡可能多的數據文件接口.本系統支持的數據文件接口有圖形接口的DXF文件格式，圖像接口的BMP,JEPJ,GIF,TIFF,TGA等圖像格式文件，以及矢量文字輪廓自動提取.網絡接口是為了實現網絡數控技術，改著資源的配置，實現與機床進行直接的通訊.

　　3.2 CAD繪圖模塊

　　CAD繪圖包括描圖、設計、編輯3個部分.描圖部分通過提供的各種圖形、圖案底板進行輪廓的描繪，克服了直接由圖像驅動矢量化的各種缺點，可以方便地插人、刪除底圖，對底圖進行各種操作，如實時的動態縮放、位置的調整、對比度的調整，等等.設計部分提供友好的人機互動界面、互動地進行CAD零件的繪制，在CAD系統中起著重要的作用.通過它可以設計出各種工程零件圖該類可以方便地提供各種圖元的繪制，通過菜單或者圖標進行驅動，可以通過鼠標進行操作，也可以通過鍵盤進行各種數據信息的愉人，有各種特征點的捕捉功能等.

　　編輯部分首先可以很方便地進行點選、框選各種圖形元素，鼠標拖動被選中圖形元素的特征點，改變圖形元素的幾何參數、位置等，實現動態修改可以對選取的圖形元素進行復制、剪切、粘貼、平移、刪除、鏡像、旋轉、縮放等操作。

　　圖2 系統的信息總流程圖

　　3. 3圖像處理模塊

　　圖像處理功能是為了對圖像按要求進行調整、處理，以滿足描圖或者影雕半色調處理.其中灰度轉換有平均值法、最大值法和權值法3種方式.灰度調整是在灰度轉換后，對屏幕的灰度進行調整，彈出的調整對話框，可以數據輸人調整灰度調整曲線，也可以鼠標拖動調整，通過對直方圖的顯示可以知道灰度的分布，是后面的亮度對比度調整的依據.旋轉和縮放是通過對話框的形式指定旋轉的角度和縮放比例.圖像位數轉換提供1,2,4,8位之間的轉換.刪除圖像應用在描圖操作中，描圖操作完成后應該刪去背景圖像;銳化增強是為了增強邊緣.在描圖操作時，使得描繪的圖形更準確;而在影雕處理時，可以補償在半色調處理時被模糊的邊緣細節。

　　3. 4 CAM處理模塊

　　根據建模后生成的產品信息及制造要求，人機交互或自動決策出加工零件所要的輔助加工線、嵌套關系、加工順序、偏移方向、偏移量等.軌跡偏移中的刀具軌跡的偏移計算生成所需的刀具加工軌跡，并能直接輸出軌跡參數信息，被NC自動編程系統接收、識別.NC自動編程系統通過接受、識別系統所提供的刀位信息，并把它轉換成零件的數控加工程序.

　　3. 3影雕處理模塊

　　激光影雕加工的基本原理與過程是:在圖像處理系統中，對原始圖像文件進行編輯、預處理，再應用半色調技術生成激光影雕模式下的黑白二值圖像文件. 計算機控制系統讀取二值圖像文件、控制X-Y軸帶動激光頭作掃描移動并由黑白二值圖的0,l值控制激光的開或關，激光束經光學機構傳輸和聚焦在材料表面上，使作用點的材料迅速熔化、氣化而噴射出，形成類似手工雕刻凹陷點.因此，該模塊主要對圖像進行各種半色調方法處理，有誤差擴散法、抖動法、抖動擴散法和閥值法.誤差擴散法根據濾波器的不同又分為Stucki,Burkes,Sierrk,larvis,Stevenson和Steinberg法.抖動擴散法依據要求進行模版大小的設置，最終得到影雕加工所需的影雕二值點圖或者是圖形設計中的圖像底板.

　　4 系統運行實例

　　圖3為開發出的激光CAD/CAM系統軟件調人DXF文件后所生成的刀具軌跡實例.首先，對調人的DXF圖形進行排序，然后對軌跡生成的對話框進行設置，輔助線是圖形中已經包含或者是偏移后添加的，用以確定輔助線的添加方式;由加工軌跡的加工走向和偏移方向，指定它們是人工交互完成或者是系統自動判別，系統自動判別時的走向由對話框選項指定所有單元走向都是順時針的或是逆時針，而偏移方向則遵循外輪廓向外偏移，內輪廓向內偏移;輸人要偏移補償的量等.如果加工走向和偏移方向是人工交互方式進行時，首先選取輪廓線上的一條圖元，選中這一輪廓單元，按箭頭提示選擇加工走向，接著再按箭頭提示選擇偏移方向，即可完成一個輪廓單元的偏移生成。如果加工輔助線是由偏移后添加的，則可通過繪圖工具和屏幕捕捉進行輔助線的添加.該刀具軌跡路徑由3個加工單元組成.輔助線在偏移后添加，偏移的加工走向和偏移方向由系統自動判別.內層為工件輪廓，外層為刀具軌跡，封閉環之間的串接線為引刀線、退刀線、過渡線等加工輔助線。

　　圖3 刀具軌跡生成圖

　　圖4為經過各種預處理和半色調處理生成的影雕圖像.讀取彩色圖像，對圖像進行灰度處理、灰度的調整、亮度對比度的調整和銳化增強等預處理操作，然后選擇合適的半色調處理算法，生成可以進行激光影雕加工的二值影雕圖像。

　　圖4 雕塑圖象生成效果圖

　　5 結束語

　　采用面向對象的編程方法，開發了一套具有切割和影雕圖像生成兩大功能的激光加工CAD/CAM軟件系統.該系統具有DXF文件導人接口、圖形佑人與編輯、刀具路徑生成等功能，生成的NC代碼和影雕圖像應用子自主開發的數控激光加工系統上，可加工出滿意的產品，廣泛應用于激光加工機及其他數控切割機。