激光加工CAD/CAM系统的开发

　　国内外对各种切割技术的研究已经进行了很多年，但研究得更多的是各种切割技术在实际应用中碰到的题目，而对切割CAD/CAM的研究还很少。针对激光加工特点，数控激光加工机有切割和影雕两种加工方式。影雕是以早年的"针黑白"工艺为基础而发展并创新的新工艺，它具有浓厚的文化内涵、精美的成品效果，是一种新兴的产业。然而，由于传统加工水平和加工方式的限制，使它很难进行产业化和规模化的发展，随着激光技术、计算机图像处理技术的发展，以及计算机数控技术的广泛应用，为影雕走上产业化展平了道路。本文将激光技术、图像处理技术和计算机数控技术应用到影雕加工中，并把图像的影雕处理集成到激光加工CAD/CAM软件中。

1 系统的体系结构

　　激光加工CAD/CAM系统采用3层体系结构进行治理，如图1所示。图1中，上层为系统应用层，是本系统和用户的接口，通过它可完成从设计、分析、仿真到加工的所有任务，并实时地反馈各种结果信息。由系统应用层获取的设计、工艺等数据信息直接存储到数据层中，根据通过操纵信息的要求驱动功能层的相应功能函数进行功能的实现。中间层为基本功能层，实现系统的各种功能，是系统的核心，包括特征造型、图形图像的编辑处理、图形的前置、后置处理、影雕处理等。基本功能层的各种操纵通过应用层进行驱动，而它的数据信息由数据治理层获得，处理后又存回数据库。底层为产品数据治理层，实现各种数据的转换、存储和治理。通过数据库治理体系对数据库进行有效的治理;通过工作模式治理模块对系统的工作模式进行有效的治理，使得系统能在多种模式下工作;通过数据接口模块实现与其他系统的数据交换，如通过DXF, BMP等进行图形图像的数据交换等。

　　采用这种体系结构的优点在于，底层采用同一的数据治理方法，当产品模型改变时，数据的治理方式不变，对系统程序影响不大;系统为分层结构，并且每一层又是相对独立的，这样每一层进行功能扩充时，对其他层的影响很小。

图1 系统的体系结构框图

2 系统的信息流

　　图2为激光加工CAD/CAM系统的信息总流程图。通过它展示了产品从设计、规划到加工的所有可能的数据流程。其中数据治理系统是数据流程的关键和核心所在，所有的数据信息都由它存储、治理。数据治理系统又由图形数据治理体系和图像数据治理体系两大模块组成。对图形元素的治理，采用面向对象的治理机制，为每个图形元素创建的一个图形元素类对象，在创建这个对象时得到指向这个对图2系统的信息总流程图像的指针，并通过建立一个动态对象指针数组来治理这些指针。来达到治理所有图形元素对象的目的。在后置处理等有顺序要求的，则采用链表结构进行数据的治理。CAD设计系统中，数据的来源包括基于鼠标、键盘的输人互动设计、字体字符的提取设计和基于图像的描图设计。其中，基于图像的描图设计跨越了图形和图像两个数据治理区。各种编辑处理是对各种数据进行直接的操纵。在后置处理的时候要进行数据结构的转变改为用链表结构进行顺序的记录存储，并且最后天生刀具轨迹链表。加工模拟仿真的数据可以是后置处理后的数据，其目的是对工艺规划的公道性和正确性进行验证，它也可以从数控加工代码中获取，这时的功能是对代码进行校核。影雕有两种控制方式，一种为二值点图的直接控制，另一种则是二值点图通过连续化处理转换成数控(NC?代码的格式进行加工控制，通过激光加工CAD/CAM系统处理得到的控制文件，并通过传输模块传送给机床的数控系统。

3系统组成

　　激光加工CAD/CAM系统采用面向对象的编程方法和特征建模技术，通过对象并以类模块的方式进行信息的表达，从而实现系统的集成。根据用户的使用习惯和切割影雕的加工技术特点，系统分成如下5大功能模块。

　　3.1 系统接口模块

　　系统接口包括数据接口和网络接口。数据接口是为了使本系统能与其他通用系统可以很好地兼容，因此系统应该具有尽可能多的数据文件接口。本系统支持的数据文件接口有图形接口的DXF文件格式，图像接口的BMP,JEPJ,GIF,TIFF,TGA等图像格式文件，以及矢量文字轮廓自动提取。网络接口是为了实现网络数控技术，改着资源的配置，实现与机床进行直接的通讯。

　　3.2 CAD绘图模块

　　CAD绘图包括描图、设计、编辑3个部分。描图部分通过提供的各种图形、图案底板进行轮廓的描绘，克服了直接由图像驱动矢量化的各种缺点，可以方便地插人、删除底图，对底图进行各种操纵，如实时的动态缩放、位置的调整、对比度的调整，等等。设计部分提供友好的人机互动界面、互动地进行CAD零件的绘制，在CAD系统中起着重要的作用。通过它可以设计出各种工程零件图该类可以方便地提供各种图元的绘制，通过菜单或者图标进行驱动，可以通过鼠标进行操纵，也可以通过键盘进行各种数据信息的愉人，有各种特征点的捕捉功能等。

　　编辑部分首先可以很方便地进行点选、框选各种图形元素，鼠标拖动被选中图形元素的特征点，改变图形元素的几何参数、位置等，实现动态修改'可以对选取的图形元素进行复制、剪切、粘贴、平移、删除、镜像、旋转、缩放等操纵。

图2 系统的信息总流程图

　　3.3 图像处理模块

　　图像处理功能是为了对图像按要求进行调整、处理，以满足描图或者影雕半色调处理。其中灰度转换有均匀值法、最大值法和权值法3种方式。灰度调整是在灰度转换后，对屏幕的灰度进行调整，弹出的调整对话框，可以数据输人调整灰度调整曲线，也可以鼠标拖动调整，通过对直方图的显示可以知道灰度的分布，是后面的亮度对比度调整的依据。旋转和缩放是通过对话框的形式指定旋转的角度和缩放比例。图像位数转换提供1,2,4,8位之间的转换。删除图像应用在描图操纵中，描图操纵完成后应该删往背景图像;锐化增强是为了增强边沿。在描图操纵时，使得描绘的图形更正确;而在影雕处理时，可以补偿在半色调处理时被模糊的边沿细节。