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基于dxf文件和前瞻算法的激光切管数控系统研究

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基于DXF文件和前瞻算法的激光切管数控系统研究

作者：徐陈合肥工业大学

学位级别：硕士

近年来,随着我国基础设施的不断加强,管件切割加工的市场需求量也在不断上升。圆形管、矩形管、腰形管等三种常见管型更是以其良好的机械性能被广泛应用到管道、建筑、桥梁、造船、健身器材、化工等行业中。而传统的管件切割机效率低下... 详细信息

近年来,随着我国基础设施的不断加强,管件切割加工的市场需求量也在不断上升。圆形管、矩形管、腰形管等三种常见管型更是以其良好的机械性能被广泛应用到管道、建筑、桥梁、造船、健身器材、化工等行业中。而传统的管件切割机效率低下,精度较差,且管件上的切割轨迹获取困难,通常需要对管件进行建模来获取切割轨迹。对于一些复杂图案,往往建模困难,难以满足市场需求。激光切割技术以其独特的优势被应用到管材切割中,但是国内的激光切管系统往往依赖于进口,因此,研发出一款快速高精度激光切管系统成为迫切需求。本文首先对激光切割的工作原理进行介绍,对激光切管机运动机构进行分析,并搭建了控制系统硬件平台,对硬件设备的型号和功能给出了具体描述。接着,对管件上三维轨迹点的获取方式进行研究。提出一种基于dxf文件获取圆形管、矩形管、腰形管等三种常见管型上三维轨迹点的方法。主要工作内容包括dxf文件中直线、圆、圆弧、多段线等图元的解析和离散;多个图案加工路径和各图案内部切割有序的算法实现;对圆形管、矩形管、腰形管等三种管型进行建模,通过管件展开算法进行映射,得到管件上的三维轨迹点;通过Matlab软件仿真,验证管件上三维轨迹点获取算法的正确性。之后,对管件切割过程进行速度规划。将前瞻技术与七段S型加减速相结合,使得切割过程中能够提前预判拐点,进行减速。并针对速度规划算法中以下关键问题给出具体实现:预判拐点,并对拐点处速度进行约束;建立回溯和前推模型,利用盛金公式对加工轨迹衔接点处速度进行修正,使得轨迹段衔接点处速度平稳过渡;对S型曲线单段速度给出具体求解步骤。通过Matlab软件仿真的方式,验证所做速度规划算法的正确性和优越性。最后,设计激光切管控制系统并进行实验验证。根据工艺需求和控制系统需要的功能,进行软件框架设计;基于Oto Studio软件开发平台,进行人机交互界面设计和程序的编写;分别在圆形管和矩形管上进行切割实验,对切割过程的实时位置和速度进行采样,结果表明,管件的切割效果良好,满足生产要求。

关键词：激光切管机 dxf文件解析前瞻算法速度规划误差分析

基于dxf文件获取激光切管系统中三维轨迹点算法的研究

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现代机械 2021年第6期 20-24页

作者：徐陈方素平顾磊张坤朋合肥工业大学机械工程学院安徽合肥230009 河海大学机电工程学院江苏常州213002

在激光切管系统中,获取管件上的三维轨迹点在切割过程中是至关重要的。文章提出一种基于dxf文件获取圆管、矩形管、腰型管等3种常见管型上三维轨迹点的方法。首先分析了dxf文件的组成,并用C语言编写了程序,获得了平面上的二维离散点;接... 详细信息

在激光切管系统中,获取管件上的三维轨迹点在切割过程中是至关重要的。文章提出一种基于dxf文件获取圆管、矩形管、腰型管等3种常见管型上三维轨迹点的方法。首先分析了dxf文件的组成,并用C语言编写了程序,获得了平面上的二维离散点;接着对管件进行展开,将二维离散点转化为管件上的三维轨迹点;最后,用Matlab仿真软件进行仿真,验证了三维轨迹点获取算法的正确性。

关键词：激光切管 dxf文件解析圆管矩形管腰型管三维轨迹点

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一种柔性二维CAD系统的研究与实现

一种柔性二维CAD系统的研究与实现

作者：汪大强华中科技大学

学位级别：硕士

CAD技术的应用几乎扩展到各个设计及制造领域。经过几十年的发展,出现了一批优秀的商品化软件,如Auto CAD、UG、CAXA和中望CAD等,也有一些开源的CAD软件,如FreeCAD和QCad等。商品化CAD软件虽然功能全面,但价格高昂,且封闭的设计使其难... 详细信息

CAD技术的应用几乎扩展到各个设计及制造领域。经过几十年的发展,出现了一批优秀的商品化软件,如Auto CAD、UG、CAXA和中望CAD等,也有一些开源的CAD软件,如FreeCAD和QCad等。商品化CAD软件虽然功能全面,但价格高昂,且封闭的设计使其难以与其它软件进行集成。开源的CAD软件一般安全性较差,不易使用,难以移植。因此,CAD技术在小型和中型企业中的应用并不广泛。由此可见,开发实用性强,可扩展性好,适合中小企业的数控CAD系统是非常必要的。基于以上原因,本文提出了一种基于“全局管理引擎+独立模块”的柔性二维CAD软件架构。该架构基于模块化的思想,模块拥有高内聚、低耦合的特点,软件的可扩展性强。基于上述的独立模块的开放式架构,设计了模块管理引擎,该管理引擎的功能在于完成二维CAD系统各模块的动态加载、自动配置与快速升级。二维CAD软件主要包括基础数据结构模块、算法模块、输入模块、输出模块、数据管理模块和编辑模块等。针对每一个模块,文中给出了实现的思路。数控软件的一大功能是读取外部的文件,主要有dxf、IGES和Gerber等。本文解决了dxf文件的快速解析的问题,解析速度接近于商用CAD软件,如AutoCAD。解析了Autodesk公司单线体的SHX格式字体文件,该字体主要应用于标注。基于本文提出的柔性二维CAD架构,为多款数控加工软件定制化的开发了二维CAD模块。这几种定制化的二维CAD软件模块已经成功应用在华中科技大学快速成型中心开发的多款数控切割以及焊接软件上面。模块化的柔性架构使得开发工作更加高效,整个开发过程能并行的进行,并且已有的开发成果能够直接应用于新的软件中,避免了重复开发。

关键词：数控软件二维CAD 软件架构 dxf文件解析 SHX字体解析

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水刀切割控制系统的研究与设计

水刀切割控制系统的研究与设计

作者：薛更平广东工业大学

学位级别：硕士

水刀切割设备是利用超高压作用于水形成一个极细小的水柱进行冷态切割的机器。由于水刀切割过程中不产生热效应、不会改变原材料的化学性质,并且是一种清洁的切割方式,所以水刀切割的应用范围越来越广泛。运动控制系统作为水刀切割设备... 详细信息

水刀切割设备是利用超高压作用于水形成一个极细小的水柱进行冷态切割的机器。由于水刀切割过程中不产生热效应、不会改变原材料的化学性质,并且是一种清洁的切割方式,所以水刀切割的应用范围越来越广泛。运动控制系统作为水刀切割设备的大脑,直接决定了设备的加工速度和精度,因此高速高精度的水刀切割运动控制系统的研究显得特别重要。本文以合作企业的水刀切割设备研制项目为背景,对水刀切割运动控制系统进行深入研究和设计。水刀切割设备的运动控制系统由PCI运动控制卡和上层软件两部分组成,本文主要设计了一款高精度水刀切割控制系统,详细介绍了系统的板卡硬件设计、FPGA逻辑设计和上层软件设计。PCI运动控制卡采用FPGA作为主控芯片,基于FPGA实现了通用型PCI总线接口,取代了传统的利用专用芯片设计PCI通信接口的方式,提高了系统集成度,降低了系统成本;针对编码器信号的特点,在FPGA上设计了一个防信号抖动和干扰的四倍频高精度编码器计数模块,可以精确的反馈设备的切割头移动位置;为了减少设备的冲击和振动,延长设备的使用寿命,设计了S型加减速算法调制脉冲输出模块,有效避免了水刀切割头的急停急起;通过优化逐点比较直线插补和圆弧插补算法,实现水刀的高速和高精度的切割,使得插补步骤更少,插补速度更快,插补精度可达±0.5个脉冲,同时有效减少了FPGA逻辑资源的消耗。上层软件部分是基于MFC框架设计的水刀切割控制程序,用户进行水刀切割之前,在Auto CAD软件设计好切割物品的图形并保存为dxf文件,装载文件至该软件便可直接控制设备完成水刀自动切割。在小段圆弧的加工中软件会根据圆弧的半径自动减速,有利于提高加工精度;在回机械原点过程中可设置高低速回零点模式,提高了机械回零效率和回零精度。最后,本文设计的运动控制系统结合合作企业的水刀切割设备,对瓷砖做了各种形状的切割试验。试验结果表明本文设计的水刀切割运动控制系统具有加工精度高,速度快等优点,切割工件精度小于0.1毫米,完全满足工业产品的要求。

关键词：水刀切割 PCI接口插补算法 S型加减速算法 dxf文件解析

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四轴刺绣机速度规划算法与仿真研究

四轴刺绣机速度规划算法与仿真研究

作者：剌浩太原理工大学

学位级别：硕士

地毯是生活中常见的日用品,随着生产水平的日益提高,地毯图案的样式越来越复杂。现有的自动化地毯刺绣机具备图案读取功能,但无法规划图案的加工顺序。为了满足轨迹密度相近的工艺要求,采用等弦长离散出针刺点的方法,这往往会牺牲图案... 详细信息

地毯是生活中常见的日用品,随着生产水平的日益提高,地毯图案的样式越来越复杂。现有的自动化地毯刺绣机具备图案读取功能,但无法规划图案的加工顺序。为了满足轨迹密度相近的工艺要求,采用等弦长离散出针刺点的方法,这往往会牺牲图案的完整性,导致地毯的品质下降。加工过程中,平动机构和针刺机构选择交替运动的方式,这种频繁的加减速控制方式造成了机器的振动和加工效率的低下。针对上述问题,本文进行了以下工作:针对地毯图案复杂的问题,丰富了可读取的图元,加强了读取图案的能力;针对现有的自动化地毯刺绣机无法规划加工路径的问题,提出了对图案元素的排序算法,达到了形成局部最优路径的效果。本文研究了一种基于S形加减速算法和前瞻算法的四轴速度规划模型。经过本文提出的前瞻算法处理后,提高了图像解析的性能。图案经过离散成小线段后,能够按照传统约束计算出各段之间合适的衔接速度,并能够按照线段长度约束进行修正和更新出合适的衔接速度,作为前一段的终点速度和后一段的起点速度。通过分析弓高误差约束、加速度约束以及线段长度约束,计算出轨迹衔接点速度。再利用S形加减速模型,规划出完整的平动机构速度曲线。通过分析各机构之间的运动关系,规划出针刺机构以及针头旋转机构速度曲线。针对等弦长离散图案时,会破坏图案完整性的问题,以及加工时间过长、电机振动较大等问题,提出了基于曲线细分的前瞻算法。本文具体描述了该算法在刺绣机数控系统中的实现方法,其中包含了曲线分块模块、曲线细分模块、高曲率点识别模块、前瞻算法实现模块、速度规划模块五个子模块。本文通过仿真与实际测试,加工时间减少了70%以上,机械振动也大大减小。验证了所提出算法的有效性,达到了保存图案完整、减少加工时间、减轻电机振动的效果。

关键词：地毯刺绣 dxf文件解析等弦长离散前瞻算法速度规划

基于视觉应用的大板石材锯切路径规划算法研究

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基于视觉应用的大板石材锯切路径规划算法研究

作者：陈鸿彬华侨大学

学位级别：硕士

石材大板的切割是石材产品生产中的主要工作之一,其中锯片切割作为一种高性价比的切割方式被广泛应用在大板切割中。相对于国外的自动化切割设备,国内的大部分生产商使用的是自动化程度较低的数控切割设备,在加工效率和材料利用率上还... 详细信息

石材大板的切割是石材产品生产中的主要工作之一,其中锯片切割作为一种高性价比的切割方式被广泛应用在大板切割中。相对于国外的自动化切割设备,国内的大部分生产商使用的是自动化程度较低的数控切割设备,在加工效率和材料利用率上还有很大的提升空间。为了提高国产石材锯片切割设备的加工效率和材料利用率,本文对视觉测量技术、排样算法等进行了研究,并应用于锯片切割的自动化中。主要的研究内容可分为以下几个方面:提出了一种基于OSTU阈值法及数学形态学的边缘提取算法,首先对图像进行预处理及二值化,然后用最大连通域方式提取目标,最后用数学形态学运算获得目标物体的边缘,该方法可得到连续且单像素的边缘图像;为了提高测量精度,分析了相机的成像原理并进行了相机标定;通过改进传统八邻域跟踪法提高了边缘的跟踪精度及算法稳定性,并对所提取的边缘点进行拟合;分析了dxf文件的格式组成,设计了dxf文件的读取解析过程和自动生成方法。对待排入零件多边形的读取方法进行了设计,并研究了零件多边形的凹凸性、重心、面积等特征的计算方法,分析了多边形之间的位置关系判断方法,根据聚类分析方法对零件多边形集合进行分类。提出了一种基于遗传算法的排样问题最优求解方法。首先,构建了排样问题的数学模型,并对排入算法进行了深入研究,在传统的排入算法的基础上提出了一种适用于不规则多边形的碰靠-分离排入算法,根据聚类分析的结果将大板分为数个子板块,并对各个子板块进行单独的排入,该方法可在一定程度上降低“一刀切”约束的影响;之后分析了遗传算法的各种操作策略的优缺点,改进传统遗传算法的选择和变异策略,控制了前期的群体多样性及后期的优秀个体保护。以贪婪算法为基础提出了一种路径规划方法,该方法用刀尖点与各多边形重心的距离来判断下一切割多边形,然后根据多边形顶点与刀尖点的距离来判断切割起点;在路径规划算法的设计中构建了吸盘结构模型并设计了基于过切量的挪移策略;最后分析了NC文件格式,设计了NC文件的自动生成方法。最后,在相关算法研究的基础上,搭建轮廓提取算法的视觉测量实验平台,并采用VC++、Open CV等工具对相关算法进行软件实现。在实验室条件下,进行测量实验与排版实验;实验结果表明,本文所提出的测量方法具有较高的测量精度与效率,所设计的排版方案能较好的满足实际大板切割工作要求。

关键词：机器视觉测量排样算法遗传算法 dxf文件解析

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近场电流体动力学喷印系统开发及应用

近场电流体动力学喷印系统开发及应用

作者：梁虎浙江理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着电子科技的飞速发展,柔性/印刷电子制造领域受到了广泛关注。然而,传统喷墨印刷技术在该领域存在着分辨率低、成本高等缺陷,相比之下,新兴的近场电流体动力学喷印技术能够以更高的质量和效率实现低成本的印刷,同时适用材料... 详细信息

近年来,随着电子科技的飞速发展,柔性/印刷电子制造领域受到了广泛关注。然而,传统喷墨印刷技术在该领域存在着分辨率低、成本高等缺陷,相比之下,新兴的近场电流体动力学喷印技术能够以更高的质量和效率实现低成本的印刷,同时适用材料范围更广,在柔性印刷电子器件领域具有广阔的应用前景。本课题研制了一套高效、低成本印刷柔性电子图案的近场电流体动力学喷印系统,同时对矢量图形解析、工艺参数优化和应用制造等内容展开了系统研究。主要工作包括:(1)为了满足近场电流体动力学喷印的加工需求,本课题在Windows平台上,采用Visual Studio 2012中的MFC开发框架,通过C++与Matlab混合编程的方式开发了近场电流体动力学喷印系统。在系统开发过程中,采用了功能模块化方式设计了一款界面友好的控制系统,该系统能够直接控制运动平台、高压电源和工业相机等硬件设备,并设计了包括PMAC运动控制指令文件喷印、简单电路图案绘图喷印、dxf格式矢量文件解析和工艺参数优化等功能。(2)对Auto CAD软件导出的dxf格式矢量文件进行分析,总结dxf文件中包含的基本图元的数据特点,设计了dxf文件解析算法,准确地将dxf文件中包含的图元信息转换为设备能够直接识别的PMAC运动控制指令,并设计了多种电路图案进行图形喷印实验,以验证dxf文件解析算法的正确性。(3)对近场电流体动力学喷印的多场耦合工艺参数与喷印沉积线宽进行分析,利用灰色系统和BP神经网络的组合模型,提出了一种少量试验样本的多变量灰色神经网络预测方法,建立了多场耦合喷印工艺参数调控模型,并通过C++调用Matlab引擎的方式,将调控模型嵌入到近场电流体动力学喷印系统中。另外,根据喷印工艺参数设计了正交实验,以验证工艺参数调控模型的准确性。(4)利用近场电流体动力学喷印工艺,制备了具有纵横交织网络结构的CA/MXene复合纤维薄膜,并对复合纤维薄膜及封装后的柔性触觉传感器进行表征测量与性能分析。并与旋涂法制备的触觉传感器进行比较,分析了近场电流体动力学喷印工艺对敏感器件性能的影响。

关键词：近场电流体动力学喷印系统 dxf文件解析工艺参数优化柔性触觉传感器

基于VR的切割机遥控操作仿真系统设计与实现

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基于VR的切割机遥控操作仿真系统设计与实现

作者：李辉哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

随着计算机技术、多媒体技术的不断发展,虚拟仿真技术工业生产中的应用越来越多。虚拟仿真技术是一种模拟真实环境的计算机技术,通过相应的硬件支持可以给用户带来视觉、听觉、触觉等感受,给人以真实的沉浸感。虚拟仿真技术可以为真实... 详细信息

随着计算机技术、多媒体技术的不断发展,虚拟仿真技术工业生产中的应用越来越多。虚拟仿真技术是一种模拟真实环境的计算机技术,通过相应的硬件支持可以给用户带来视觉、听觉、触觉等感受,给人以真实的沉浸感。虚拟仿真技术可以为真实过程做出提前的模拟,从而降低危险环境下的事故发生率,降低实验过程中的成本损失,也可以用来模拟真实环境中不易建造的环境等。切割机是工业生产中常用的生产设备,用来将所需的钢板切割成型。切割机遥控操作仿真系统将计算机的虚拟仿真技术应用到切割生产中,它能够模拟切割机的遥控操作过程并及时反馈给用户相关的信息,可以在不消耗板料、不运动机床的情况下对待加工工件进行预切割模拟验证等,进而降低生产成本,提高生产效率。本文源于切割机控制系统项目,包含了数控切割机遥控操作功能实现,给出了NC代码的解析方案。同时对AutoCAD软件生成的dxf图形文件也可以较好的支持,能够正确提取出其中的封闭实体,制定相应的环绕顺序并能够将其直接解释成对应的数控代码,提高了复杂工件的编写效率。系统还实现了零件加工代码的图形化编辑功能,为操作人员提供图形化的显示界面,在编写代码过程中可以观察到当前代码对应的工件实体图形,提高了编写速度及编写正确性。零件的手动编排及组织操作为操作人员提供了零件复杂编排的功能,可以满足实际操作过程中经常用到的零件套排、零件重复排列、查看零件割缝、零件镜像、旋转、缩放等操作,方便了操作人员对切割机的操纵。本文在实现上述切割机的遥控操作功能基础上建立了仿真系统,为上述遥控操作做出模拟仿真。该部分采用Vega API及Lynx图形界面提供的功能辅助开发,建立了虚拟环境来模拟真实的切割场景。针对遥控操作部分给出控制指令以及生成的零件代码进行模拟切割,包括对真实切割过程中割炬运动的模拟以及切割成型仿真。同时系统还实现了切割过程中常用的自动套料功能,该部分采用基于轨迹线的临界多边形求取算法完成零件的定位操作,选用模拟退火算法作为零件序列优化组合的方法,较好的实现了自动套料功能。

关键词：虚拟切割机自动套料 NC代码解析 dxf文件解析

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基于自动编程技术的运动控制系统设计与实现

基于自动编程技术的运动控制系统设计与实现

作者：陈轩举广东工业大学

学位级别：硕士

数控技术作为决定高端制造业发展水平的重要技术,对我国制造业的发展起到举足轻重的作用。传统的数控设备在进行加工时依据提前编写好的存放在系统中的数控程序,对工序复杂的工件进行加工时,可能因为技术人员的水平或者操作的问题,造成... 详细信息

数控技术作为决定高端制造业发展水平的重要技术,对我国制造业的发展起到举足轻重的作用。传统的数控设备在进行加工时依据提前编写好的存放在系统中的数控程序,对工序复杂的工件进行加工时,可能因为技术人员的水平或者操作的问题,造成成本上的不必要增加。传统的数控设备稳定性高,但在开放性和成本问题上存在一些不足。基于以上提出的问题,并且结合用户需求和数控设备加工时的特点,本文旨在设计开发一套基于自动编程技术的运动控制系统。本文阐述了当前国内外自动编程技术和开放性数控技术的发展现状,分析了国内技术上存在的不足和问题。对整体系统的功能进行分析,确定了整体的方案和硬件的选型。在功能上将系统划分为基于dxf文件解析的自动编程软件和负责进行伺服控制的运动控制系统。从硬件上将系统划分为基于工控机的上位机平台和以STM32H743为核心的嵌入式控制器。本系统的自动编程软件主要集成了dxf文件解析和路径优化功能,先深入的分析dxf文件储存数据的方式和数据格式,总结出具体的解析流程。然后介绍了模拟退火算法原理和模拟退火算法在路径优化问题上的应用,同时使用实验图纸数据对算法效果进行验证,证明此算法在本系统中有效性。最终用C++语言完成了对这两个功能的实现和封装,并集成在基于QT开发工具开发的人机交互界面中。在运动控制系统功能方面,本文主要介绍了三种不同的加减速方法,比较了它们的数学模型和实现结果图,最终采用S型曲线加减速算法作为控制器的加减速控制方法,可避免执行机构因速度的突变对机床造成震动,减小系统对机床的损耗,并提高了系统的加工精度。本文的最后对整体的系统工作流程和具体的功能模块进行介绍,解析了功能模块的设计过程,并对最后的效果进行展示,证明了整体系统方案的可行性和有效性。

关键词：自动编程技术 dxf文件解析基于模拟退火算法的路径优化 S型曲线加减速控制方法