（机械制造及其自动化专业论文）磨料水射流数控机床集成化软件系统研究与开发.pdf

上海夫学硬圭学谴论文 桶萤 裁混合蘑辩承封漉技拳是避年逖遮发曩起装载穆瓤型射濂技零，宅冥蠢 独特的优点，整个射流系统魄较简单，因而受副极大绝重视。融于前混合磨料 承砉孝滚搜零爨蠢不溺予獒它鸯瑟工按零熬特点，为了究分建发箨瓣漫会壤秘末夔雩 滚技术特蠢盼键越性釉技术潜力，蠢必要开发出套巍主舨投的瘥籽承射流集 成纯软件系统，配合现磷窳莉流数按软释完善整个射流俸系。 本文以磨料水射流数控切割机床为基础，研究和开发了熬乎不同揲作平台 懿瘗精窳黪流集裁铯较传系统懿整髂擒残，戳及系统逶谡方式。讨论了基予蹬 缳翡承射流诗算瓿辅艇设计理论，提凄了灏豫矢爨佬静必键算法粒蘩予 a u t o c a d 的水射流优化设计予系统的解决方寨。深入分析了拥有水射流切割特 点熬承射滚撬藤留裁工蕊器戮造系统。鼠系绕懿特性密发，惠义了零辩滚中数 控代码工麓指令。鉴予阑内尚朱出觋类似在歼放式环境下开教承射流集成化鞍 俘系统，瓣对作为文举滟另一个重嚣赡究方嚣，零文磁究7 蒸予l i n u x 平螽戆 拳莉滤集艘纯软转系统。 本文创遣住的解决了求射流切割静实际警产问题，基于孺巍帑l 遣渡盼发展 趋势，深入研究了跨警囊的水射流集贼他软件系统。把符合水射流切削的图像 矢量亿方濠瘦爝于零射浚甓鼗浚诗系绞孛。豢羹分掇了嚣悫黎瓣漉麓逡兹东怒 滚切瓤工麓理论。详缭讨论了熬予开放式乎台酌瘩掰滤集成化软搏豹安琨过襁。 水射流集成化软件系统的研究，解决了燕际生产问题，掇黼了产品快速威 映赘繇熬戆力，篱琵了设计过壤：并苴秀承鬈浚魏鹣数控蕊工静静絮黧影设诗 和工慧设计提供了有效的工具。它和水射流自行研制的数控系统形成了一熬褰 捅有蠢主辩识产较静软律产品。同时，基于开发式平台的东射流集藏亿软件体 系懿璐泣磷究对整个铡逡、韭魏矮疆变鸯一定裔鎏意义。 关键词：黪料水射流 辩构平台：图像矢量化；c a d c a p p c a m 水射流切割工 艺 圭鎏盔兰薹耋耋笙鎏兰 a b s t r a c t m i x e da b r a s i v ew a t e r - j e t ( a w j ) t e c h n o l o g yi san e w j e tt e c h n o l o g yd e v e l o p e d q u i c k l yi nr e c e n ty e a r s i th a s m o r ea d v a n t a g e st h a no t h e rm a c h i n i n gt e c h n o l o g y i t b e c o m e sm o r ea n dm o r ep o p u l a rb e c a u s ei t sj e ts y s t e mi ss i m p l e i ti sn e c e s s a r yt o s t u d yi t si n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mi no r d e r t oe x e r ta d v a n t a g e so fm i x e da b r a s i v e w a t e r - j e tt e c h n o l o g yf u l l y , b a s e do nn u m e r i c a lc o n t r o la b r a s i v ew a t e r - j e tm a c h i n e ，t h i sp a p e rr e s e a r c h e s a n d d e v e l o p st h em e t h o d o fc o m m u n i c a t i o na n dt h ew h o l ef r a m eo fa w j i n t e g r a t e d s o f t w a r e ，t h ea u t h o rd i s c u s s e sa w j c o m p u t e r a i d e dd e s i g ns y s t e mb a s e do n i m a g e a r i t h m e t i co fv e c t o r i z a t i o na n da w j o p t i m i z ed e s i g ns y s t e mb a s e do na u t o c a d t h ea u t h o ra l s od e a l e s 磷巍c o m p u t e ra i d e dp r o j e c tp l a n n i n ga n dm a n u f a c t u r i n g s y s t e mo f a w j c u t t i n gw i t hi t sc h a r a c t e r i s t i c t h ec n c ( c o m p u t e r n u m e r i c a lc o n t r 0 1 ) c o d ei sd e f i n e da c c o r d i n gt oj b 3 2 0 8 8 3 b e c a u s ei t sr e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n th a s n e v e rb e e nd e a l 硝斑i n l a n d a n da st h eo t h e ri m p o r t a n ta s p e c to ft h i sp a p e 毛t h e a u t h o rd i s c u s s e sa w j i n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mb a s e d o nl i n u x t or e s o l v et h ep r a c t i c e p r o b l e m si n t h ep r o c e s so fa w j c u t t i n g ，t h i sp a p e r d e s i g n t h ea w j i n t e g r a t e d s o f t w a r e s y s t e m o nt h ed i f f e r e n t p l a t f o r m ( w i n d o w s 2 0 0 0 r a d h a tl i n u x ) t h ep a p e r d e a l sw i t ht h r e em a i nv i e w p o i n t s - - a d d i n g t h em e t h o do f i m a g ev a c t o f i z a t i o n t oa w j c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，r e s e a r c h i n gd f m c o m p u t e r a i d e dp r o j e c t p l a n n i n g a n dm a n u f a c t u r i n g s y s t e ma c c o r d i n gt o a w j c u t t i n gt e c h n o l o g y a n d d e t a i l i n g t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s s o fa w ji n t e g r a t e d s o f t w a r es y s t e mb a s e do nl i n u x 。 a f t e ri t ss u c c e s s f u ld e v e l o p m e n t ，a w ji n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mh a sr e s o l v e d m a n yp r a c t i c ep r o b l e m s ，i ti m p r o v e st h es p e e d o fm a n u f a c t u r ea n dm a k e si t sp r o c e s s m o r es i m p l y a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d e sap o w e r f u lt o o lf o rd e s i g no ft h ef i r s t s t a g eo fa w jc n cc u t t i n g a w ji n t e g r a t e ds o f t w a r es y s t e mi sc o p y r i g h t e dw i t h a w jc n cs o f t w a r e m e a n w h i l e ，t h ei t sr e s e a r c hb a s e do nl i n u x m a yp l a y a i m p o r t a n t r o l ei nt h em o d e mm a n u f a c t u r e i i 圭茎銮主警奎耋苎鎏銮 k e y w o r d ：a b r a s i v e w a t e r - j e t ( a w j ) ； i s o m e r o u s p l a t f o r m ；i m a g e v e c t o r i z a t i o n ：c a d c a p p c a m ：a w jc u t t i n gt e c h n o l o g y _ _ _ - i _ l _ - _ _ _ _ - - _ _ l - _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ - _ _ _ _ i - _ - l _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ i l i 上海大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于上海市优秀学科带头人资助计划和上海市科技发展项目：前 混合磨料水射流数控切割机床的研制。前混合磨料水射流数控切割机床是上海 大学c i m s & 机器人中心和上海上大集仁信息技术有限公司联合研制的一项具有 国际先进水平的科技成果，本项目已通过成果鉴定。近期经上海科技情报所( 国 家一级科技查新咨询单位) 成果查新结论：作为前混合高压磨料水射流数控切 割机床达到国际先进水平。作者在项目中以前混合磨料水射流的计算机辅助集 成化软件系统为研究方向，探讨基于不同操作平台的磨料水射流切割机床的软 件集成体系，以促进该项目的可视化、智能化、集成化、产业化过程。本文是 作者结合上述课题进行研究开发的理论成果和工作总结。 1 2 国内外研究概况及发展趋势 1 2 i 制造业集成化软件的发展 我国制造业集成化软件技术的研究起步于7 0 年代，当时仅有少数大型企业 和科研单位及部分高校参加，进展速度很慢。近年来，随着计算机水平的不断 提高，制造业集成化软件包括越来越多的内容：计算机辅助设计( c o m p u t e r a i d e d d e s i g n ，c a d ) 、计算机辅助工艺设计( c o m p u t e r a i d e d p r o c e s sp l a n n i n g ， c a p p ) 、计算机辅助制造( c o m p u t e r a i d e dm a n u f a c t m i n g ，c a m ) 、计算机辅 助工程分析、计算机过程仿真( m a n u f a c t u r ep r o c e s ss i m u l a t e ，m p s ) 、企业资源 计划( e n t e r p r i s er e s o u r c e sp l a n n i n g ，e r p ) 、产品数据管理( p r o d u c td a t a m a n a g e m e n t ，p d m ) 等。可见，c a d c a m 的软件水平直接关系到制造业集成 化软件的发展程度。同时随着网络通讯的普及化、信息处理的智能化、多媒体 技术的实用化，制造业软件系统正向着开放、集成、智能化方向发展2 1 。正确 把握制造业软件的发展趋势，对于课题的研究，软件正确选型和规划自身的 第j 页共7 9 页 主海大学磺：学位论文第一章终论 c a d 应用系统，都有非常深远的意义。 1 开放性 割造照软件系统魏c a d c a m 系绕譬蓠广泛建立在开放式撩彳乍系统密墨9 5 9 8 n t 年口l i n u x 平台上。此外，c a d c a m 系统都为最终用户提供二次开发 环境，甚至遽类环境可开放其内核源砜，使用户可定制自己的c a d 忿a m 系统。 系统的开放性是决定其麓否真正达戮蜜焉亿、髓否蠹正使之转能为现实生产力 的基础。系统的开放性主爱体现在系统的工作平台、用户接口、应用开发环境 以及与其饿系统的信息交换等方面。 2 。集成纯 现在集成化的思想融经从原先的众业内部的信息集成和功能集成，发展列 当前的以并行工程为代袭的过程集成，并正在向以敏捷制造为代表的企业间祭 成发震。豢体分为两个形式：葵一，经过多种集成形式细c a d 与 c a p p c a m c a q 之间的集成，集成化体系成为硷业一体化解决方案，推动众 业信息化避鼷：其二，基于网络计算环境实现异地、异构系绕在企、韭闻的集成。 应运丽生静纛叛设计、纛叛制造、纛拯企业就是该鬃成层次上的应用 3 智能化 智能化怒制造系统旋鬃性化和集戏化基础上进一步的发展和延 审，垦前豳 内舞已广泛歼震对具有露德、分布、褥熊、仿生和分形等特点豹下一代制造系 统的研究。主要开展了以下几方面的工作： 1 ) 把一救已经退钵藏鄯将退休的工程技术人掇长年积累的智慧稠经验憨 结归纳成计簿视里的籍识库和智能库，为后入所用，这对行监帮企监的技术发 展是一份极疑宝贵的财富。 2 ) 觋眷设冬仪器在勰王中质量粒过程豹智旋控制，其中趣擂智能健感技 术与系统控常i ，在此纂础上进行新一代船工智麓枫的设计和制造。 3 ) 智能优化产品设计和加工过程，逐步实现加工单元的智能控制。 4 ) 智越设诗、智黢铡造系统乃至工泣餐能化磷究。 - _ _ - - _ _ _ _ - _ - _ _ _ _ - - _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - - _ - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ i ii _ _ - _ - 第2 页共7 9 页 1 2 2 国内外开放式平台上各类c a d c a m 软件的发展概况 自从1 9 9 1 公布了第一套l i n u x 软件程序，l i n u x 就凭借着独特的优势，短 短的几年间已与传统的u n i x 、微软的w i n d o w s 操作系统构成了三足鼎立之势。 l i n u x 下存在着丰富的c a d c a m 软件系统，其中有商业版本发行，也有基于 g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i s c e n s e ) 方式发行的。表1 1 列出了l i n u x 下主要的 c a d c a m 软件【3 j ： 表1 1l i n u x 平台上c a d c a m 软件 c a d c a m 软件名称版本类型源码情况 c a d d a c o m m e r c i a l n o l i n u x c a dc o m m e r c i a ln o f r e e d r a f tg p ly e s q c a d g p ly e s c a m e x p e r t c o m m e r c i a ln o v 撕c a dc o m m e r c i a ln o g c a d g p ly e s g n u c a dg p ln o g u n c a d c a mg p ln o j c a dg p ly e s m e l oc o m m e r c i a ln o m i c r o s t a t o n 9 5c o m m e r c i a ln o o c a d i sg p ly e s p o w e r c a dc o m m e r c i a ln o q s c a d g p ln o s i s c a d pc o m m e r c i a ln o s p e w d i k o n x lc o m m e r c i a ln o v a r i m e t r i xc o m m e r c i a ln o v a r k o ng p ly e s 第3 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第一章绪论 v e xn e tg p ln o x l 谯c a dc o m m e r c i a ln 0 a r c a d 3 dc o m m e r c i a ln o b o c a d 一3 dc o m m e r c i a ln o c a d 4 0 0 l tc o m m e r c i a ln o 在以上c a d c a m 舨本中，比较著名兹有f 4 j ： 1 c a d d a c a d d a 出自d a v e g 公司。该系统w 以在丽一个糟户界谥下实缆c a d 和 c a m 约凌篷。c a d 数据可以3 - d ( d i m e n t i o n ) 或2 - d 的模型竣入。用户在兹期 预备过稔可以选择，更改并确认数据，后处理器就可以生成供c n c 数控机床使 用的程序。 2 。l i n u x c a d 。 它怒一种商业版本的2 d 或3 d 的c a d 软件；支持多种通用的图形输入 格式如：d x f 、d w g 、d x s 等；拥有各种绘图、图形编辑、尺寸标注和3 维 实薄建模功戆；攘毒强形实捌疼、建绞蓬澎实例瘴；霹以爰e 、c 语言、a d s 诺言进行二次开发。 3 f r e e d r a w 。 是一耱2 一d 公开源羁黪c a d 软终。宅还楚予磅铡努发黢段，功糍嫠攀， 拥有基本绘图功能，线形编辑、文字编辑、颜色编辑等模块。但还不具备尺寸 稀注、d x f 图形格式输入功能。 4 ，q c a d 系统软传包。 q c a d 是首漱以g p l 方式发行的l i n u x 平台c a d 软件包，还有几个项联目 前正在开发中，q c a d 已公开推出。q c a d 有一个简单的2 d 编辑器，使用d x f 乍为凌寇络式。q c a d 载名鑫q t 开发工爨集。黍子不袄藏于察瑟系统，所以郄 使不拥有k d e 桌面环境的用户也可使用。图标和菜单简洁，操作快捷。 5 c a m e x p e r t 系统。 c a me x p e r t 是鼬程奁褥韭庭雳静一款软 串。它与q c a d 寄籀戗静赛蘸， 不过在性能上更加倾向于n c 数控程序设计。它的功能包括n c 输入，n c 制作， 第4 页越7 9 页 圭耋圣兰鎏塞兰笙釜兰 薹= 茎筌毪 路径优化，切割优化，从内到外轮廓切割，n c 输出格式单独配鬣，c a m 模拟， 模拟速度撩铡，平涝模拟秘显示快速平移等。 6 v a r i c a d 。 v a r i c a d 是的3 d 实体和2 d 测绘软件包。用户可以选择使用图标面板或糟 下拉菜单系统。也可以夜努令状态提示输入命令。v a r i c a d 可输入或者输出d x f 和i g s 格式文件，也可以e b 铡缩放或髫旋转2 - d 几俺造鍪。实俸造型包括：棱 柱，圆柱体。截锥体，截圆锥，圆锥镎，螺旋体以及方圆变形体等。除了标准 的布尔船( 缀台) 和减( 切断) ，还可以进行切叛镙存，部件像存等。其余功 能还包括倒籀，切片。瓣仿，钻孔，镜削，开槽等。提供u n d o r e d o 功能。实体 生成后，可以计算并分析形体间距离，差心以及转动惯量等。 1 3 课越研究的目的与意义 在实际应用中，水射流切割技术具有广泛的用途和巨大的潜力。但由于水 辩滚蓠混会承鼓滚王艺懿特臻毪，缓戆篷接嚣臻袋蠢熊墨蓐软移实臻。露嚣， 结合上节掇剐的现在制i 矗业发展趋势，我们以前混含磨料水射流切割数控技术 为研究方向，开发出一襄有效而简便的磨料水射流集成化软件系统，以提高熬 个韬澍遂程牵静集戒纯，程瑗莰裁逵波熬理论应鼷裂实舔生产孛，实臻零袈浚 数控切割的集成化、智能化、可视化体系，这一系列的理论研究和实际功能囊 现是非常必要的。 琵辨，涟着l i n u x 羧零，许雾蔽授零蠹发震苏及撵络裁遥系绞，异避渗瓣 设计的实现，对整个水射流集成化软件系统的实时性，数据传输提出了更高的 要求。水射流集成化软件在开放式平台上豹再设计势必要尽早尽快完成，同时 毽有利于我 f 】真正蘸翔蠢鑫云蔽较懿熬成亿较传系统。 因此，我们提出分别在w i n d o w s 平台和l i n u x 平台上，结合磨料水射流的 切割特点，分别采用v c 十十6 0 o b j e c t a r x 和k d e q t 开发工具，开发适用予从 淹像妥数擦鸯鞋工豹集藏纯软彳串系统，遴一步提毫了求袈滚留鬣穰藤翦集成纯瞬 割能力，并降低磨料水射流切割操作的难度，便于进步推广威用磨料水射流 切割技术。 荆i i i i i i i i _ - - _ _ - _ - _ _ - _ - _ - - _ - - - _ _ - - _ _ - - _ 菇5 页共7 9 榭 上海大举硕士学位论文第一章绪论 1 4 论文的组织形式和主要研究成采 黻作者在谦题中承担并完成的工作为基礤，论文主要完成对水射流集戚仡 软件的研究开发，开发部分包括在w i n d o w s 操作系统下自主版权基于图像的水 射流计算机辅助设计模块、自燕版权计算机辅助水射流机床切割工艺设计与制 造开发以及在l i n u x 搽l 乍系绞下水射漉集成模块豹探讨。具体内容有：水射 流图像矢量化系统理论研究和自主版权的编稷实现：开发基于a u t o c a d 的水 瓣滚鹜形霞缘设诗模较；承射淡工鬈设计璎论骚究及缓程实瑷；萎； 究著开 发自主版权的水射流图形自动编程系统；讨论在l i n u x 平台上实现水射流集 成纯较俘酶应瘸实铸。 论文把这几个方面有机地结合起辩乏，分章节进行了详细阐述( 如图1 1 ) 。 ，。j e 。一 l第四章陵 l 计算机辅助承射流枫臻切割工芑设计与割造隧 懈 麓聚霜蕊赫蕊露露蕊溅誉毳蕊骊勰蒸露蕊；g 翼爨慧 鬻l 。1 论文章节框架 第二章主鼷进行糜料水射流集成化软件系统的总体概述。阐述了系统结构 第6 页共7 9 啊 。豢芸 上海大学硕士学位论文第一章绪论 和系统功能模块，特别提出了水射流集成化软件的系统通讯问题的解决方案。 第三章讨论基于图像的水射流计算机辅助设计系统。首先进行图像矢量化 理论的研究，主要分析了基于细化的水射流图像矢量化转化问题中实际编程所 用的算法。然后阐述设计系统中的优化子系统的组成，着重叙述了基于 a u t o c a d 开发具有水射流特点的图形预处理模块和图形整合模块。 第四章分为三部分。首先对水射流工艺过程进行了有效地分析，并提出了 面向制造的水射流制造工艺体系。其次，本文阐述了水射流g 代码的定义问题。 最后讨论了面向对象的水射流辅助制造系统，并且深入研究了如何从a u t o c a d 图形数据库中提取几何信息及相关函数操作和刀位轨迹选择集的生成的方法。 最后阐述了制造过程模块的功能和实现流程。 第五章详细阐述了基于l i n u x 平台上水射流集成化软件系统的设计和开 发。 附录一水射流矢量化软件使用说明 附录二水射流计算机辅助系统使用说明 第7 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第二章系统总体构成 2 1 系统体系结构 第二章系统总体构成 水射流集成软件系统由两个层次组成：支撑系统、应用分系统。支持系统 包括硬件系统平台和软件平台。软件平台又包括：计算机操作系统、开发语言 系统、图形支撑系统、数据库系统和网络系统等等。图2 1 为系统总体框架。 应用分系统 越匿= 翌2 墨譬墨囫 计算机辅助目 ：设计目口j t 一i 计算机辅助目 三苎垦兰9 霉军薹翮 制造 刚 计算机及网络系统 工业控制微机及其外围设备 网卡、集线器等以太网连接设备 硬 件 平 厶 图2 1 系统总体结构框架 水射流支持系统平台构建： 1 硬件平台： 本课题中的水射流数控系统硬件主要由以下几部分组成5 1 ( 如图2 2 ) 工业控制微机( i p c ) 1 块研华出品的三轴步进电机驱动卡p c l 8 3 9 ； 1 块研华出品的带光电隔离的1 6 位i 0 卡p c l d 7 8 2 ； 1 块研华出品的带光电隔离的1 6 位继电器输出卡p c l d 7 8 5 ； 手执控制器： o 网卡、集线器等以太网连接设备。 第8 页共7 9 页 上海夫学硕士学位论文第二章系统总体构成 丽2 2 系统硬件组成 2 软件平台： 1 ) 操作系统 窳麓渡是分爨猕建在嚣个搽律系统之上：一是w i n d o w s2 0 0 0 ，勇一个是开 放式系统平台l i n u xr e d h a t7 2 。 2 ) 图形支撑系统 a u t o c a d 是w i n d o w s 平台逐震懿图形设诗骏搏，搦鸯a s ci i 璃，d x f 文俦 易于水射流各模块储息集成，所以在w i n d o w s 平台我们选用a u t o c a d 为图形 支持系统。在开放斌平台下，水射流c a d 系统使用q c a d 圈形软件。 3 ) 开发语言 针对不同静操作系统，应麓静开发语言各不穗同：在w i n d o w s 2 0 0 0 环境下， 应用筒向对象技术v c + + 、o b j e c t a r x 语言开发整个系统：在l i n u x 环境基于 q c a d 开发应用q t 库实现整个系绞功能。 2 2 系统功能描述与特点 承菇滚系统分裂在嚣令不麓平台下开发藏功，吴俸哥分为稳建在糊n d o w s 第9 页拭7 9 页 上海大学硕士学位论文第二章系统总体构成 平台上的水射流集成化软件系统和基于开放式平台的水射流集成化软件系统， 但要求实现相同功能。它们都是在微机平台为用户提供图像处理、计算机辅助 图形设计、计算机辅助切割工艺规划、切割加工刀位数据生成和加工轨迹图示 仿真等功能。图2 , 3 为系统功能集成 6 】。 蠊cad夯点 j l l 士工a 优化设计卜 = 3 ) 。如果k k 窗口中的像素满足条件，窗口中心的( k 一2 ) x ( k 一2 ) 的像素标上标记，扫描完毕所有的像素以后，将标有标记的像素点 用背景像素填充。依次对图像中的所有像素点经过多次循环扫描匹配，直到剩 下的都是前景骨架像素点为止。这样依据不同的线宽采用不同大小的模板，可 以最大限度的加快扫描的速度，减少每次扫描后所占的内存空间。细化k k 的基础模板如下所示： 圈酉图 图3 3 细化3 3 的基础模板 对于图像中某个前景像素满足模板之一则为骨架像素。各模板x 像素和y 像素不全为零，模板包括分别旋转9 0 01 8 0 。, 2 7 0 。后得到的模板。经过改进的k k 模板的方法，细化的速度加快，并达到了预期目标。 2 细化后的图形链码化 水射流图像在细化以后，变为单像素图像，但还是二值图像，需要用链码 化进行编码简化。编码化的图像信息。可以方便的用以提取图形的许多几何特 征量为后续曲直分离和识别做好铺垫。除此之外，经链码化的图形可以大大节 约存储空间，压缩所要处理的数据量。 f r e e m a n 链码法是国际上普遍使用的使单像素图形变为链码的通用方法。 f r e e m a n 链码把二值图像看作一个个网格点组成的栅格图。链码化的方法即是 在格点理论上用相邻像素点间的指向来表示一条连续曲线的方法。它分为4 领 域链码和8 领域链码如图3 4 所示。 第17 页共7 9 页 上海丈学硬学位论文第三章基予霸像戆承射藏计黧极辅助设诗系统 - - _ _ l - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ l _ i i i i i i i i i i _ - - _ - _ _ - _ l _ - - _ _ _ _ _ _ i _ _ _ _ _ - - _ _ _ ： 十 1 1 、卜一7 i | + 一尊_ 一02 + 一0 。、 ! 一 b v 7 y 63 c a ) 8 镬装链弱国) 4 镶壤链秘 图3 4 链码图 水射流链码化也采用8 领域f r e e m a n 链码法。利用从下到上，从左到右的 方法，蔹次绉箍溪形，簸终錾形孛戆务筵缓鼓表示戏为一争嚣续数缝。数缀熬 行表示图形中有几条连续曲线，数组的列表示各曲线的链码走向。扫描的过程 中，首先要判断出曲线的起始位置。我们用计算像索度数的方法，来判定哪个 像素是羲瓣瓣莛始点，薅令豫素是链璐夔终壹蠡。莠显，在莛效赢农终壹点处 分别标上标志、记录各自的坐标。扫描到起始点时，顺着起始点的临近目标像 素点的方向爬行到目标终点，同时记录当前像素相对于上一步像索的方向编号， 竞藏一条藏线翡链透证逡程。 第i 步：度数的计黧【】。度数是国像素p 的邻接像素进入p 的路径数或离 开像素尸而进入其邻接像素的路径数。 设霉( f z 0 , - - , 7 ) 依次洚箭录像素p 熬a 令邻按缳豢懿筐，粼该焦戆像素豹 度数d 为： ，7 d ，。去 霉“一p l 其中，塌= 只 铱攫上述定义，哥叛绥莰褥崮度数懿下蘩瞧袋： 度数为0 的像素为孤立像素； 度数为2 的像素为中间像素，不是自由端； 攀像豢线翊豹鞴煮度数最多戈霹： 第2 步：实际链码稷序实现过程如图3 5 。 第1 8 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第三章基于图像的水射流计算机辅助设计系统 开始) 计算每个节点的度数d 一i 一 把度数不为2 的设置节点标记 _ = 干= = = = = = = 一1 ，! 从方向为0 的p 的邻接像素起，逆 ： 时针查找第一个背景像素 r ! 从找到的背景像素起找出第一个前景像素 一一! 一 记录第一个前景像素的链码编号 i 把链码编号保存数组a 中 ! 一 节点的度数减去1 。 一 i 鲢 结柬 j 图3 5 链码化流程图 3 链码拟合： 1 ) 选取特征点( d o m i n a n t p o i n t ) ： 水射流选取特征点利用“二阶差分”定理，求出曲线的曲率变化最大的点 为特征点。经f r e e m a n 链码变化后的图形，依然是用一些离散的点表示的图形。 其中由于噪声干扰或原图质量差，并不是每一点都表示图形的几何特征，有许 多冗余信息点。为了达到用首尾依次相连的直线和曲线拟合图形信息的最终目 的，首先，我们要剔除冗余点，求出特征点，只有用这些特征点才能真正的表 达图形的几何特征：然后，进行曲直分离：最后，才能拟合成直线和圆弧，完 成全过程。 二阶差分定理【1 4 l ： 如下所示，如果x 数列的函数为y = 厂g ) 则有： 圭鎏銮耋堡圭兰笙笙兰釜三差莲王罾堡墼奎堑篓迂兰塾黧筮鎏盐蚕签 x lz ox lx 2 0 ) l ，g 。) ，0 ，) ，g 。) i 厂0 ) 的一阶差分( 对应予一阶微分) 由下式表示： f ( x i ，t ) =；妊一恕3 x l x j 丽群遗，翔采，b ，_ ；与厂融，颤) 其有一个稽闻交鲎，是，0 ) 楚琵令一淤 差分，这对茗) 遗二黔差分 k 3 ，如果【f + 卅譬o ，= 1 ，2 ，k 一1 ：则p d + 门对应点选为 关键点：否则f 尹p + ，】 | p f f + ，】，j = l ，2 ，k - 1 ，则尸【f + ，】对应点选为关键点 2 ) 曲线拟合【1 5 对于判断为曲线上的点以最小二乘法去拟合它。考虑到处理的一般为圆、 弧段、椭圆等二次曲线，故可直接给出二次曲线方程表达式： f ( x ，y ) = a x 2 + b x y + c y 2 + d r + 毋+ 1 = 0 为使善厂2 ，取极小值，令f ：厂：( ) ，则删铲o ，吡 a ，b ，c ，d ，e 。由式甜1 a 吼2 0 得到的一组方程易解得待定系数a , b ，c ，d ，e 。对 于圆弧设只，只分别维护的起点，终点。则另有条件厂( x ，y ，) = o ，f ( x c ，一，) 2o 。 同时定义一误差函数e ， e ，= m a x m i n ( d 7 d 。沁，i = 1 , 2 ，n d “的含义是数据点( x ，y 。) 沿水平方向到拟合曲线上点的距离；d ”的含义 是数据点数据点( 。，y ，) 沿垂直方向到拟合曲线上点的距离。若e r ，j 、于给定阈值 7 ，则系数被接受；否则拟合不成立，应该为直线拟合。 3 ) 直线拟合 第2 2 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第三章基于图像的水射流计算机辅助设计系统 直线拟合的方法通常有偏差补偿法、代数多项式法、不等精度测量法、最 d - - 值法和平均点法。如果具体的应用哪一种方法都不利于避免各自存在的缺 点。在水射流直线拟合的过程中，我们采用平均点法和最小二乘法两种方法相 结合。首先，求出平均点法的最大方差。如果最大方差在理想的范围内，就利 用平均点法求出直线的起始点和终止点：如果最大方差超出最大的范围，即利 用最小二乘法求出直线，所以我们采用的是“平均点法一最d - - 乘法” 1 6 】。即 保证计算速度，又保证所求直线的准确性。 平均点法： 首先已知用个点( m 为偶数) 的坐标( x 。，y i ) 其中( f = 1 , 2 m ) 。求出赢线 的的参数方程y = a + b x 的参数a 和b 。 第1 步：计算平均点坐标： ，= m 2 s = r + 1 m s + l = r x t = g 】+ x 2 + + 工，) r y l = + y 2 + + y ，) r x 2 = g ；+ h 1 ”+ ) ， 万- - 6 , 。+ y 。+ + y 。沙 第2 步：拟合直线的参数计算： 6 = e 一万) ( _ 一一x t )( 3 1 ) a = y l b x l = y 2 一b x 2 f 3 2 ) 联立( 3 1 ) 和( 3 2 ) 解出d 和b 的值，直线方程为 y = 口+ b x 圭耋盔主鎏圭兰簦鲨苎茎三耋茎三里堡塑奎墨鎏生茎塑茎墅丝盐至笙 第3 步：方差仃2 的估计 ( ；，2 ：杰【y ，一( 口+ b x 善，2 ：至 汗( m 一2 ) 一q 、) b 飞7 b一2 ) 最小二乘法： 己知m 个点( , 为偶数) 的坐标( x ，y 。) 其中( i = 1 , 2 埘) e 根据在给定点 误差平方和为最小的原则，定出参数和a ，从而求出直线的的参数方程 ( 3 3 ) y 2 + a 】x 第1 步：误差平方和公式： ， 口1 ) ：至盼。蝎一) 咄r f j l 第2 步：由二元函数求极值的必要条件可得 化简后得 2 0 0 + d l x 。一y ，) = 0 2 x ，( 口o + 口l x ，一y ，) = 0 在水射流直线拟合的过程中，主要是确定直线的方向，因此主要是求出d 由( 3 3 ) 式可得： 其中 a a l = b 第2 4 页共7 9 页 。 = 一一 矽一可一舐 。h丸厂 = k - 陲 x 陲卜 一 x 眠陲 圭誊盔兰堡圭兰笙丝苎茎三兰茎王璺垡墼奎型鎏生兰垫塑墅丝生至釜 4 = 2 - m ( 别 b = ( 喜一 ( 喜y 。) 一聊( 喜，y ， 当a 0 时， a i = b a 当b 0 时，可求出与直线y = a 。+ a t x 相垂直的直线斜率 k ：= 1 ：= a a 1 b 3 2 3 矢量文件的生成。 经矢量化的图像，已经提取了图形中的直线和圆弧的几何信息。只要按照 一定格式存储，就可以生成标准矢量文件。d x f 图形文件格式是当今c a d 系统 和数控机床行业通用的文件格式。它是a u t o d e s k 公司推出的数据交互文件，是 一个具有专门格式的a s c i i 码文本文件，它可以用各种文本编辑器打开、修改。 不同的a u t o c a d 版本，d x f 的文件内容都不相同，但基本框架相似。我们采 用的是a u t o c a d l 2 0 版本的d x f 文件格式作为图像矢量化之后的图像存储格 式作为图像矢量化的转换文件格式。 一个完整的d x f 文件是由4 个段( s e c t i o n ) 和1 个文件结尾组成 1 7 】。其顺序 如下： 1 标题段( h e a d e r ) 有关图形的一般信息都可以d x f 文件的这一节找到，每一个参数具有一 个变量名和一个相关值。例如：a u t o c a d 的版本号、插入基点、绘图界限的左 下角和右上角、s n a p 捕捉的当前状态、栅格间距、式样、当前图层名、当前 线型、当前颜色等。 2 表段( t a b l e ) 表段包含了8 个表，每个表又包含可变数目的表项。按照这些表在文件中 出现的顺序是线型表( l i n e ) 、图层表( l a y e r ) 、字样表( s t y l e ) 、视表( v i e w ) 、用户 第2 5 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第三章基于图像的水射流计算机辅助设计系统 坐标系统表( u c s ) 、视窗配置表( v p o r t ) 、标注字体表( d i m s t y l e ) 、申 请符号表( a p p i d ) 。 3 块段( b l o c k ) 块段记录了定义每一个块时的块名、当前图层名、块的种类、块的插入基 点、及组成该块的所有成员。块的种类分为图形块、带有属性的块和无名块3 种。无名块包括用h a t c h 命令生成的剖面线和用d i m 命令生成的尺寸标注。当 然，块的成员由若干几何元素构成，这些几何元素在块段的格式与在几何元素 段完全相同，块本身也可以作为另一个块的成员。 4 元素段( e l e m e n t ) 元素段记录了每个几何元素的名称、所在图层名、线型名、颜色号、基面 高度、厚度及有关的几何数据。 5 文件结尾( e o f ) d x f 文件由若干组构成。每个组有两行：第一行为组代码，第二行为组值。 组代码相当于数据类型代码，每个组代码的含义由a u t o c a d 系统约定好( 详见 表3 1 ) ，组值相当于数据的值。组代码和组值和起来表示一个数据的含义和它 的值 1 7 】。例如：有一个组，它的第一行是8 ，第二行是a ，8 就是组代码，它表 示这个组表达的是图层名，组值a 表示这个图层名是a 。 实体段记录了除块段出现的实体以外的所有图元实体内容，实体段以0 组 码开始，以0 组码结束。不同的实体( 如：p o i n t 、l i n e 、c i r c l e 、a r c 、t e x t 等) 有不同数量和内容的组码定义。并且组码的定义没有固定的顺序。在d x f 文件中，可以只改变存在实体段数据。表3 ，1 、表3 2 详细列举几种实体的定义 1 7 1 表3 1 实体段通用组码 组码含义 一l 实体名称，每一次新图开始时都改变，省路为缺省值 o 实体定义的开始，不能省路 6线型名，8 y b l o c k 表示浮动线型，缺省为b y l a y e r 8 层名，不能省路 3 9厚度，缺省为0 6 2颜色代码，0 表示浮动颜色，缺省为b y l a y e r 6 7此码缺省为0 ，表示实体在模型空间，此值为1 在图纸空间 第2 6 页共7 9 页 上海大学硕士学位论文第三章基于图像的水射流计算机辅助设计系统 表3 2 凡种实髂静专髑组羁 实体稻称缎码含义 p o i n t1 0 ，2 0 ，3 0点的x ，y 。z 坐标 5 0避点时u c s 起佟月，且p d m o d e 不为0 时的u c s 的x 轴角度 l i n e1 0 ，2 0 ，3 0 越点的x ，y z 坐标 l l ，2 0 ，3 0终点的x ，y 。z 坐标 c i e c l el o ，2 0 ，3 0 斓心的x ，y 。z 坐标 4 0恻半径 a r ci 0 ，2 e ，3 0 戮。懿x ，￥，z 坐标 4 0巍半经 5 0 起始点与x 轴正肉夹角 5 l 起始点与y 轴正向夹角 3 。3 面斑卷l 遗的图形优化设计子系统。 垂囱割造黪设量 l s 】( d f md e s i g nf o rm a n u f a c t u r e ) 是基予并章亍工程设诗躲 一个重嚣方面，其出发点是整个制造系统追求熬个生产过程的优化。它强调整 个产品的生命周期综合考虑，在产品设计时不仅要优先考虑满足产晶的功能要 求，目辩还要考虑产黠夔霹撩工蛙， 美及豢l 造豹经济。黢。 水射流计算机优化设计子系统雁是利用面向制造的原理，在设计的过穰中， 丽时兼顾水射流加工特点。它改变了传统设计与制造相互脱节的形式，在产品 设计溺嚣雩考虑铡透懿王艺特点，著暂缓诗，兔去爨遥辩对产熬设计鹣返工，提 高加工速度，降低设计和制造的成本，缩短产品周期的目的。系统在 a u t o c a d 2 0 0 0 平台上设计开发，主要包括：图形设计、闰形预处理、图形熬合、 数据存德嚣大功麓。求袈滚计算枫後讫设计子系统框絮麴蚕3 7 。 第2 7 页熊7 9 页 上海大学硕士学位论文第三章基于图像的水射流