基于Edgecam 的禮品雕刻自動編程系統開發*＊

李鐵鋼

(沈陽工程學院機械學院，遼寧 沈陽 110136)

博物館、科技館和旅游景點等地方為紀念游覽經歷，開展禮品雕刻業務，要求客戶設計好姓名等文字和圖案，而后自動在銅材、玉石和硬木等材料上雕刻以留作紀念。從本質上看，雕刻使用銑床，采用通用的刻刀，屬于經典的刻繪加工，需要利用UG 等通用的CAD/CAM 軟件設計和編制加工程序，或者利用專用的ArtCAM 和精雕等軟件設計和編制加工程序，但這些軟件的使用需要熟練CAD 設計和數控加工編程，需要不斷的交互操作才能實現設計和加工，而體驗的客戶大部分不知曉這些技術，無法進行編程，必須設計一種自動化編程系統，使非專業技術的普通客戶體驗智能數控制造。

雕刻自動編程系統必須操作界面友好，以常規方式輸入刻字信息，而后無干涉地智能編制加工程序。如果完全采用C 等高級語言設計系統，操作界面易于實現，但基于圖形的設計、文字加工和圖形加工等編程功能無法滿足要求;采用UG 等軟件必須交互設計和編程，無法滿足要求。

Edgecam 軟件是由英國開發的智能數控編程系統，主要應用于數控銑、車、線切割以及車銑復合等領域［1］，已經成為全球最著名的數控編程軟件之一，客戶數量居于獨立CAM 系統前列，具有完善的客戶二次開發功能，可后臺運行并使用JVASCRIPT、VB、C#和C++等開發復雜的前臺交互界面，可基于工藝模型進行非交互自動制造特征識別和構建并進行加工，特別適合開發定制的自動化編程系統。

本文開發了基于Edgecam 的禮品雕刻銑床自動編程系統，研究了軟件設計、圖形建模、坐標變換和特征編程等關鍵技術。

1 關鍵技術及實現方法

1.1 系統設計及功能實現

通過對雕刻自動編程加工的工藝分析，將系統分為設計和編程兩大模塊，系統設計流程如圖1 所示。系統運行時后臺調用Edgecam 進行編程計算，前臺利用界面輸入輸出設計數據，在規則毛坯上可雕刻文字和圖片，在啟動界面輸入雕刻的文字，例如姓名等，選擇系統自帶的例子圖片，也可以利用WINDOWS 自帶的畫筆，畫出簡單的位圖圖片，也可以在網絡選擇位圖圖片，而后生成機床用的加工程序。

1.2 軟件設計

NET 是微軟的新一代技術平臺，用來實現XML、Web Services、SOA(面向服務的體系結構，service-oriented architecture)和敏捷性的技術，構建互聯互通的基于標準、適應變化、穩定和高性能的應用系統。1 個.NET應用是使用.NET Framework 類庫來編寫程序，并運行于公共語言CLR(common language runtime)上的應用程序。

用戶雕刻界面利用JAVASCRIPT 和HTML 語言的單機HTA 文件實現，系統運行于IE10 以上版本，通過.NET 接口調用Edgecam 后臺運行，Edgecam 通過內嵌的基于.NET 的Webform 同前臺界面進行動態數據交換。HTML 界面通過ActiveX 組件進行文件的I/O和數據庫存儲操作。設計界面的文字和圖形預覽顯示利用HTML5 CANVAS 技術實現。Edgecam 程序利用二次開發PCI(Program Command Interface)語言編寫接口程序實現命令的批處理運行，流程如圖2 所示。

1.3 圖形處理

禮品雕刻為三坐標銑削加工，使用的制造數據為平面2D 圖形，可讀入IGES、STEP、PARASOLID、ACIS、DXF 和DWG 等中性數據格式文件，可直接讀入UG、CATIA、PRO/E、MASTERCAM 等通用系統的數據，可直接輸入位圖文件轉化成矢量圖形加工。

位圖矢量化輸入的圖形為“一筆畫”的線條圖像，對其進行線條細化處理［2］，按照像素的連續性，將圖形輪廓劃分為不同的獨立邊界，逐點遍歷跟蹤各邊界，按照邊界上數據點的坐標采用角點檢測算法［3］將邊界劃分為若干條線段。

采用分段3 次Bezier 樣條描述輪廓線，設樣條線與被擬合點集 Pi|i=1，2，…，n{}的距離和最小，樣條曲線方程為:

式中:t∈［0，1］;Vk為控制點集合，當曲線通過P0和Pn點時有，P0=V0，Pn=Vn。

點到樣條曲線的偏差:

擬合時設定初始化總偏移量閾值DevT，計算每段數據點與曲線的最大偏差值對應的數據點，通過該點作為新的連接點分段擬合。

分段擬合后要求相鄰兩曲線在交點處C1光滑連續，必須使控制點Vi-1，2，Vi，1和Pj在一條直線上。假設兩相鄰曲線交點切矢的傾角為α 和β，夾角為θ。當θ＜180°時，傾角小的切線矢量對應的控制點相對Pj點順時針旋轉(180°-θ)/2，而大傾角的切矢對應的控制點相對Pj點按逆時針旋轉(180°-θ)/2;當θ＞180°時，傾角小的切線矢量對應的控制點相對Pj點按逆時針旋轉(180°-θ)/2，而大傾角切矢對應的控制點相對Pj點按順時針旋轉(180°-θ)/2。

1.4 坐標變換

Edgecam 輸入圖形數據后，遍歷元素構建包圍盒，求出外輪廓的最大點Xmax、Xmin、Ymax和Ymin，假設銑削編程坐標系位于工件的中心，元素最大輪廓寬為W，最大輪廓高為H，則新坐標系的原點為((Xmax+Xmin)/2，(Ymax+Ymin)/2)。

比例變換因子K 為:

1.5 特征編程

加工元素包括漢字、英文字母、阿拉伯數字和圖形元素，漢字和英文字母由設計者給出，阿拉伯數字為ACESS 數據庫中的禮品序號，這些特征直接構造形成即可，設其表示為:

對文字設計成空心字，可以采用外輪廓銑削加工成空心字，也可以采用區域銑削的方式加工成中空的形式。

圖形加工特征分為外輪廓特征和內輪廓特征，通過遍歷曲線查找內外輪廓，對輪廓采用2D 鍵槽銑的模式加工［4-5］。

2 應用實例

某博物館雕刻系統的加工毛坯為圓形、矩形和方形3 種尺寸的硬木，所刻繪圖片缺省為位圖形式的生肖和星座圖案，應用界面如圖3 所示。

生成的加工程序利用CIMCOEDIT 仿真，仿真結果如圖4 所示，驗證了系統設計的正確。經過實際工件切削加工，得到了合格的產品。

3 結語

基于Edgecam 軟件的后臺運行和HTML、JAVASCRIPT 及PCI 語言，依托.NET 平臺開發了禮品雕刻數控銑自動編程系統，重點論述了軟件設計、圖形處理、坐標變換和特征編程等關鍵技術，完成了系統的開發并加工出了合格的產品，為其他機床的智能編程提供了借鑒作用。

［1］韓慶瑤，韓芝龍，路世強.基于EdgeCAM 的數控加工技術在模具加工中的應用［J］.機床與液壓，2009，37(6):214-216.

［2］Gonzalez R C，Woods R E，Eddins S L.數字圖像處理(Matla 版)［M］.阮秋琦，譯.北京:電子工業出版社，2005.

［3］李鐵鋼.5-基于VERICUT 的結構件數控加工仿真研究［J］.煤礦機械，2009，30(8):109-111.

［4］李鐵鋼.基于UG Postbuilder 的五軸后置處理器設計［J］.機床與液壓，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.