武漢理工大學碩士學位論文 摘要 數(shù)控技術廣泛應用于自動化產(chǎn)業(yè)，在整個現(xiàn)代制造系統(tǒng)中處于基礎性的、 核心的地位。而數(shù)控沖床因其成本低、操作簡單的特點在中小企業(yè)中應用廣泛。 目前，數(shù)控沖床的應用范圍主要限制在機械零部件及模具的加工，漢字加工技 術可以說是一個空白，亟需一套軟件來解決這一問題。因此本文從市場的實際 需求出發(fā)，對數(shù)控沖床的漢字加工技術進行研究，開發(fā)出了基于數(shù)控沖床的漢 字加工軟件，該軟件不僅可以準確的得到漢字的輪廓，并且針對沖床的加工特 點，設置了用戶的手動操作，最后生成所需要的數(shù)控加工代碼。將數(shù)控加工代 碼輸入到數(shù)控沖床，就可以進行漢字的輪廓打孔加工。本軟件操作簡單、成本 低廉、性價比高，因此具有較高的實際意義和經(jīng)濟意義。 論文首先分析了數(shù)控沖床的漢字加工技術，針對數(shù)控沖床的特點，提出了 其中需要解決的四個關鍵問題：輪廓提取和曲線擬合、留筋技術、沖孔軌跡、 路徑優(yōu)化。對于輪廓提取，本文經(jīng)過分析，確定采用t r u e t y p e 字體，使用w i n d o w s 中的函數(shù)g e t g l y p h o u t l i n e 進行輪廓信息提取，對提取的曲線信息采用d e c a s t e l j a u 算法進行曲線擬合。而留筋是一個很特殊的功能，對于數(shù)控沖床來說， 是獨有的也是必不可少的，論文對留筋技術進行了深入的分析，先解決了需要 用到的數(shù)學問題，然后給出了具體的留筋算法。沖孔軌跡的計算也是數(shù)控沖床 的一個特別功能，它需要對漢字的輪廓多邊形進行內(nèi)切或外切多邊形的計算， 在本文中對其計算流程分情況給與了討論。最后對于路徑優(yōu)化的算法，本文也 進行了分析。 在此基礎上，本文確定了軟件設計的總體結(jié)構(gòu)，對軟件的模塊進行了合理 的劃分，并介紹了軟件各個模塊的功能，同時介紹了本軟件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及存儲 方式，并給出了各個模塊的實現(xiàn)方法。 本軟件利用m i c r o s o f tv i s u a ls t u d i 0 2 0 0 5 作為工具開發(fā)完成，在本文的最后 部分用圖片和文字說明的方式詳細介紹了利用本軟件進行漢字加工的具體流程 和方法。 關鍵詞：數(shù)控沖床，輪廓提取，留筋技術，路徑優(yōu)化 武漢理工大學碩士學位論文 a b s t r a c t n u m e r i c a lc o n t r o lt e c h n o l o g yi sw i d e l yu s e di na u t o m a t i o ni n d u s t r y , a n di t so n b a s i ca n dk e r n e lg r o u n d n cp u n c hp r e s sg e t saw i d er a n g eo fa p p l i c a t i o n sb e c a u s eo f t h e i rf e a t u r e so fl o wc o s ta n ds i m p l eo p e r a t i o n si ns m a l la n dm e d i u me n t e r p r i s e s a t p r e s e n t ，t h ea p p l i c a t i o no fn cp u n c hp r e s sm a i n l yc o n s t r a i n ti nt h em e c h a n i c a lp a r t s a n dm o l dp r o c e s s i n g ，c h i n e s ec h a r a c t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yc a nb es a i dt ob ea b l a n k ，w h i c hn e e d sas y s t e mt or e s o l v et h i sp r o b l e m s t u d y i n gi nt h et e c h n o l o g yo f c h i n e s ec h a r a c t e rp r o c e s s i n g ，as y s t e mf o rn cp u n c hp r e s si sd e v e l o p e d t h e s o f t w a r ec a ng e tt h ec h i n e s ec h a r a c t e r sa c c u r a t e l y , s e tu pt h em a n u a lo p e r a t i o n sf o r u s e r sb a s e do nt h ep r o c e s s i n gf e a t u r e so fp u n c h ，a n df i n a l l yg e n e r a t et h en e c e s s a r y c o d e sf o rc n cm a c h i n i n g i n p u tt h en cc o d et on cc u t t i n gm a c h i n e ，t h em a c h i n e c a nc u ta l lk i n d so fc h a r a c t e rc o n t o u r s t h i ss y s t e mh a sah i l g he c o n o m i ca n dp r a c t i c a l s i g n i f i c a n c eb e c a u s eo fi t ss i m p l e ，l o w - c o s ta n d c o s t - e f f e c t i v e f i r s to fa l l ，t h ep a p e ri n v e s t i g a t e sc h i n e s ec h a r a c t e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g yo n n cp u n c hp r e s s ，a n dt h e nf o u rk e yt e c h n i c a li s s u e sh a v eb e e np r o p o s e d ：c o n t o u r e x t r a c t i o na n dc u r v ef i t t i n g ，t e n d o n sl e a v i n g ，t r a c kp u n c h i n g ，p a t ho p t i m i z a t i o n a f t e r t h ea n a l y z i n g ，t h et r u e t y p ef o n t si su s e d ，t h ec o n t o u ri n f o r m a t i o no fw h i c hw i l lb e e x t r a c t e db yg e t g l y p h o u t l i n e af u n c t i o no fw i n d o w s t h ei n f o r m a t i o nw i l lf i tt h e c u r v e su s i n gt h ed ec a s t e l ja ua l g o r i t h m t e n d o nl e a v i n gi sas p e c i a lf u n c t i o n ，w h i c h i sa l s oe s s e n t i a la n du n i q u ef o rn cp u n c hp r e s s ad e e pa n a l y s i sh a sb e e ng i v e n t h e m a t hp r o b l e m sh a v eb e e ns o l v e da n dt h ed e t a i ls t e p so ft e n d o n sl c a v i n gh a v eb e e n g i v e n a n dt h ec a l c u l m i o no ft h et r a c kp u n c h i n gi sa l s oas p e c i a lf u n c t i o n i tn e e d st o c s _ r t yo u tt h ei n s c r i b e do rc i r c u m s c r i b e dp o l y g o no f t h ec o n t o u r sp o l y g o no fc h i n e s e c h a r a c t e r s i nt h ep a p e r , ad i s c u s s i o ni sg i v e na tt h es i t u a t i o n f i n a l l y , ad e t a i la n a l y s i s h a sb e e nc a r r i e do u tf o rp a t ho p t i m i z a t i o na l g o r i t h m t h e nt h en e e d so ft h es o f t w a r ef o r mt h ea n g l eo fu s e r si sg i v e n ，a n dt h es o f t w a r e s t r u c t u r eh a sb e e nd e s i g n e d f u r t h e r m o r e ，m o d u l e so ft h es o f t w a r ew e r er e a s o n a b l y d e c i d e d ，a n dt h ef u n c t i o no fe a c hm o d u l eh a sb e e ni n t r o d u c e d a n dt h ed a t as t r u c t u r e i i 武漢理工大學碩士學位論文 a n dt h es t o r a g eo ft h es o f t w a r eh a v e b e e ni n t r o d u c e d ，a n dar e a s o n a b l es o l u t i o nf o r t h ei s s u e si sg i v e n t h es o f t w a r ec n cs y s t e mo fc h i n e s ec h a r a c t e ri s d e v e l o p e dw i t hm i c r o s o f t v i s u a ls m d i 0 2 0 0 5 a tl a s to ft h ep a p e r , i ts h o w st h ed e t a i l e dp r o c e d u r eo fm a c h i n i n g w i t ht h es o f t w a r e k e y w o r d s ：n cp u n c hp r e s s ，c o n t o u re x t r a c t i o n ，t e n d o nl e a v i n g ，p a t ho p t i m i z a t i o n i i i 獨創(chuàng)性聲明 本人聲明，所呈交的論文是本人在導師指導下進行的研究工作及 取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標注和致謝的地方外， 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得 武漢理工大學或其它教育機構(gòu)的學位或證書而使用過的材料。與我一 同工作的同志對本研究所做的任何貢獻均已在論文中作了明確的說 明并表示了謝意。 簽名：鹼生至 e t 期：盤顰：笸 學位論文使用授權(quán)書 本人完全了解武漢理工大學有關保留、使用學位論文的規(guī)定，即： 學校有權(quán)保留并向國家有關部門或機構(gòu)送交論文的復印件和電子版， 允許論文被查閱和借閱。本人授權(quán)武漢理工大學可以將本學位論文的 全部內(nèi)容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，可以采用影印、縮印或其他復制 手段保存或匯編本學位論文。同時授權(quán)經(jīng)武漢理工大學認可的國家有 關機構(gòu)或論文數(shù)據(jù)庫使用或收錄本學位論文，并向社會公眾提供信息 服務。 ( 保密的論文在解密后應遵守此規(guī)定) 研究生( 簽名) ：徐饉 導師( 簽名) 辦 期幽。了6 武漢理工大學碩士學位論文 1 1 課題來源 第1 章緒論 【1 】國家自然科學基金項目( 5 0 6 7 5 1 6 6 ) ：基于資源的網(wǎng)絡數(shù)字控制新理論及關 鍵技術研究。 【2 】橫向項目：基于嵌入式技術的沖床數(shù)控系統(tǒng)研究開發(fā)。 1 2 課題研究目的和意義 近年來，數(shù)控技術已廣泛應用于機械、汽車、航空、船舶、材料、軍工等 國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，是實現(xiàn)制造自動化的基礎技術和關鍵技術。目前，國際 上的大型c a d c a m 軟件在加工質(zhì)量和技術的集成度上都非常先進【l 】，但是對于 國內(nèi)的中小型企業(yè)來講，購買這種大型的c a d c a m 軟件，高昂的價格往往使 他們難以承受，而且其常用的功能也往往不能得到量身定做的效果。但是國內(nèi) 自主版權(quán)的軟件又較少，從而影響了這些企業(yè)的技術升級，直接消弱了企業(yè)在 國際市場的競爭力。 尤其對于數(shù)控沖床來說，這種情況尤為嚴重。因為它的操作簡單，運行成 本低，國內(nèi)的很多中小型企業(yè)都會選擇使用，但是國內(nèi)外的很多數(shù)控編程軟件 并不是專門針對它的，因此設計的軟件中，有很多功能對它也并不一定適用， 如果購買這樣的軟件，對于使用數(shù)控沖床進行加工的小公司來說，運行成本過 高，同時利用率又太低。 此外，數(shù)控沖床的應用范圍主要限制在機械零部件以及模具的加工，還沒 有將數(shù)控沖床運用到漢字加工方面，這項技術在國內(nèi)外可以說是一個空白。本 論文的研究目的就是為了解決這方面的市場需求。 開發(fā)數(shù)控沖床漢字加工編程軟件，適合于中小企業(yè)使用，使傳統(tǒng)的數(shù)控沖 床加工更為靈活，使之可以進行復雜的漢字加工，而且操作簡單、成本低廉、 性價比高。 因此本課題的研究具有較高的實際意義和經(jīng)濟意義。且本課題涉及到數(shù)控 加工、計算機圖形學、算法、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等眾多的知識內(nèi)容，將這些理論知識和 武漢理工大學碩士學位論文 實際編程結(jié)合起來，開發(fā)符合中國人習慣的漢字加工軟件，也具有較高的理論 意義。 1 3 國內(nèi)外研究水平及動態(tài) 圖形交互自動編程是利用機械計算機輔助設計( c a d ) 軟件的圖形編程 功能，將零件的幾何圖形繪制到計算機上，形成零件的圖形文件，或者直接 調(diào)用由c a d 系統(tǒng)完成的產(chǎn)品設計文件中的零件圖形文件，然后再直接調(diào)用計 算機內(nèi)相應的數(shù)控編程模塊，進行刀具軌跡處理，由計算機自動對零件加工 軌跡的每一節(jié)點上進行運算，數(shù)學處理，從而生成刀具軌跡后，再經(jīng)相應的 后置處理，生成數(shù)控程序。圖形交互自動編程簡化了編程過程，減少了編程 差錯，縮短了編程時間，降低了編程費用，因此，它是目前國內(nèi)外在實施 c a d c a m 中普遍采用的數(shù)控編程方法。 現(xiàn)代的數(shù)控加工技術使得機械制造過程發(fā)生了顯著變化?，F(xiàn)代數(shù)控加工 技術是指高效、優(yōu)質(zhì)的實現(xiàn)產(chǎn)品零件特別是復雜形狀零件加工的有關理論、 方法與實現(xiàn)技術，它是自動化、柔性化、敏捷化和數(shù)字化制造加工的基礎與 關鍵技術。 由于實際生產(chǎn)的強烈需要，國內(nèi)外對數(shù)控編程技術進行了廣泛的研究并 取得了豐碩的成果，出現(xiàn)了許多功能強大的c a d c a m 產(chǎn)品，在機械制造工 業(yè)、航空工業(yè)、汽車工業(yè)等領域得到了廣泛的應用【2 】。 目前，在國際上流行并且具有代表性的集成化c a d c a m 系統(tǒng)主要有： m a s t e r c a m 、u g i i 、s o l i d w o r k s 、p r o e n g i n e e r 等【3 】。這些軟件一般都具有強 大的工程背景、完善的操作功能，以及專業(yè)化的技術服務。同時，也都具有 自己優(yōu)勢與特點。 其中，美國c n c 公司的m a s t e r c a m 是微機版c a d c a m 軟件，主要功 能包括：二維繪圖，曲線、曲面設計，點位加工，二軸到五軸銑削加工，數(shù) 控車削，二軸到四軸的線切割，火焰切割和激光切割。同時還具有二維曲線 和三維曲面的造型功能，以及曲面著色功能【4 】。數(shù)控加工功能提供多種走刀方 法，在刀具路徑選擇、刀具軌跡干涉處理，加工時的進退刀方式、多曲面加 工、五面加工、粗精加工、參數(shù)線法加工編程、截平面法加工編程、投影法 加工編程、刀具軌跡編輯、刀具管理、毛坯材料管理、通用后置處理、走刀 模式和測量等方面，都有很強的功能【5 j 。 2 武漢理工大學碩士學位論文 而由于在資金、人才、技術等方面的原因，國內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)的研究開發(fā)跟 國外先進的數(shù)控技術相比，還有很大的差距，且所開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)商業(yè)化程 度也普遍較低。目前的國內(nèi)市場中，中、高檔產(chǎn)品主要被進口產(chǎn)品產(chǎn)據(jù)，而 在較低檔的經(jīng)濟型數(shù)控機床的市場，我國的占據(jù)主要地位。隨著國際學術界 對數(shù)控系統(tǒng)研究的日益推進，我國相關研究越來越受到重視，國內(nèi)一些研究 機構(gòu)對數(shù)控技術進行了有針對性的研究、探討與開發(fā)，也取得了一些很好的 成果。例如：哈爾濱工業(yè)大學所開發(fā)的n c m p s 可建立n c 加工仿真環(huán)境，面 向多軸數(shù)控加工中心，在圖形工作站上實時顯示三維多軸n c 加工過程仿真。 北京科技大學所開發(fā)的s s c a d m 微機零件c a d c a m 集成化系統(tǒng)，可以實 現(xiàn)軸類零件的c a d c a m 集成等【6 j 。 在數(shù)控沖床編程技術方面，在國內(nèi)也有一些研究機構(gòu)和大學進行了卓有 成效的研究與開發(fā)。其中，清華大學研究與開發(fā)了“w i n d o w s 環(huán)境下轉(zhuǎn)塔式 數(shù)控沖床監(jiān)控與編程系統(tǒng)”，針對轉(zhuǎn)塔式數(shù)控沖床，提出了系統(tǒng)的設計原則、 總體架構(gòu)和技術方案，完成的監(jiān)控和編程系統(tǒng)界面友好，功能較強，可根據(jù) 生產(chǎn)實際情況修改和擴展，應用于實際生產(chǎn)中，該系統(tǒng)適合我國國情，具有 良好的應用前景。電子科技大學在數(shù)控轉(zhuǎn)塔沖床n c 自動編程研究中，提出了 一種“基于特征的動態(tài)滑動匹配算法”，用于從零件c a d 產(chǎn)生的圖形交換文 件中識別基孔類型、提取基孔的形位參數(shù)。并在此基礎上，結(jié)合沖壓工藝研 制開發(fā)了數(shù)控轉(zhuǎn)塔式?jīng)_床n c 自動編程系統(tǒng)，可由零件c a d 產(chǎn)生的d x f 格 式或i g e s 格式的圖形交換文件自動生成零件的n c 加工程序。 但這些c a d c a m 軟件產(chǎn)品都不具備漢字加工編程功能。而現(xiàn)有的漢字 加工編程軟件主要針對線切割機或者數(shù)控雕刻機。例如激光雕刻是利用激光 束在材料表面產(chǎn)生的三種作用即熔融、汽化及光化學反應，使材料的表面燒 蝕幾微米到幾十微米的深度，熔蝕區(qū)內(nèi)材料的表面質(zhì)地、顏色及反射率均發(fā) 生變化，從而造成可識別的符號標記。隨著機器人技術的發(fā)展，機器人在文 字處理方面的研究也開始被廣泛研究，現(xiàn)有的雕刻機器人( 三維電腦雕刻機) 以直角坐標型機器入構(gòu)型為基礎，采用了圖文編程自動走刀的創(chuàng)新設計理念。 雕刻機器人電腦雕刻系統(tǒng)集掃描、編輯、排版、雕刻諸功能于一體，是 c a d c a m 一體化的典型產(chǎn)品，能方便快捷的在各種材質(zhì)上雕刻出逼真、精 致、耐久的二維文字、圖形及三維立體浮雕。漢字的雕刻可以說是數(shù)控切n 雕刻機的主要功能之一。而電火花切割加工是在電火花加工基礎上發(fā)展起來 3 武漢理工大學碩士學位論文 的一種新的工藝形式，是用線狀電極靠電火花放電對工件進行切割加工，簡 稱為線切割加工。 而針對這些機床形成的比較成熟的雕刻軟件，例如法國的 g r a v o g r a p h n e wh e r m e s 公司的g r a v o s t y l e 9 8 三維雕刻軟件，此軟件 是最領先的雕刻系統(tǒng)軟件之一。具有自適應控制、工藝參數(shù)自動生成、三維 刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ埽胰藱C界面極為友好等特點【1 。 目前國內(nèi)較為成熟的面向廣告業(yè)和藝術雕刻的雕刻機軟件，有北京文泰 公司的文泰三維雕刻軟件和北航海爾的c a x a 雕刻軟件。文泰三維雕刻軟件 可以根據(jù)雕刻機上加工字和圖形的特點雕刻漢字。用戶可以根據(jù)切割材料的 尺寸預先在電腦上將所要的字和圖形擺滿，然后再用雕刻機輸出，無須考慮 復雜的圖形，文字筆畫相關順序和雕刻參數(shù)。此軟件可以輸出h p g l 指令機， 也可輸出標準g 代碼，用于數(shù)控雕刻機或數(shù)控系統(tǒng)【8 】。c a x a 雕刻軟件對漢 字的處理包括：方便調(diào)整文字大小、字體、間距、寬高等各種文字屬性?？?對文字進行橢圓、圓弧、及任意曲線排列；可對文字進行各種藝術變化。自 帶字庫，提供多種字體，同時可使用系統(tǒng)字庫，為用戶選用不同字體提供了 廣大的選擇空間。提供單線體字庫等。 但是沖床的漢字加工和前面分析的雕刻機及切割機的漢字加工有很大的 不同。其主要的區(qū)別在于，數(shù)控沖床的加工與雕刻機或者切割機的加工不同， 它是使用一定形狀的沖頭將圖形沖出來，所以沖床的漢字加工是需要使沖頭 內(nèi)切或者外切于字體輪廓的。同時，由于數(shù)控沖床在加工時，會將板擊穿， 如果使用它對一條封閉曲線加工，會將該封閉曲線的內(nèi)部沖掉，而如果該曲 線內(nèi)部還有嵌套的封閉曲線，則無法再進行加工了。而這種情況在漢字加工 中將經(jīng)常遇到。因此在沖這樣的曲線時，需要留筋功能，這是沖床所獨有的。 目前，國內(nèi)外還沒有專門的針對數(shù)控沖床字體加工開發(fā)的自動編程軟件。 1 4 本論文的主要研究工作 基于目前市場需求及技術空白，本論文旨在研究數(shù)控沖床的漢字加工技術， 并開發(fā)一套軟件實現(xiàn)這樣的功能，使數(shù)控沖床能夠進行復雜的曲線字體加工， 擴展其應用領域，并提高它的使用效率。 本論文的主要研究內(nèi)容包括：提取w i n d o w s 的字體輪廓，實現(xiàn)用戶的手動留 4 武漢理工大學碩士學位論文 筋功能，實現(xiàn)字體輪廓的內(nèi)切或外切軌跡轉(zhuǎn)化，基于字體的沖孔路徑優(yōu)化，n c 代碼自動生成等。 其關鍵技術在于：提取字體的輪廓并加以改進，實現(xiàn)任意部位的手動留筋， 及加工路徑優(yōu)化等。 1 5 本論文結(jié)構(gòu) 本論文共分為五章，各章的內(nèi)容具體安排如下 第一章緒論 介紹課題的背景和來源，作者所做的工作以及論文的結(jié)構(gòu)。 第二章漢字加工及關鍵技術原理 對漢字加工技術進行分析，提出了需要解決的技術問題：漢字輪廓提取和 曲線擬合、留筋、沖孔軌跡的計算、路徑優(yōu)化，并對這四個技術問題進行了詳 細的原理分析。 第三章數(shù)控沖床漢字加工c a m 軟件設計與實現(xiàn) 對系統(tǒng)需求進行分析，設計了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)，設計了軟件的功能模塊， 給出了關鍵技術的實現(xiàn)流程。 第四章應用實例 用圖片和文字說明的方式詳細介紹了利用本軟件進行漢字加工的具體流程 和方法。 第五章總結(jié)與展望 結(jié)束語總結(jié)了本文的研究成果，并根據(jù)設計實現(xiàn)過程中所進行的思考，提 出了目前系統(tǒng)還存在的不足之處，以及下一步改進工作的想法。 5 武漢理工大學碩士學位論文 第2 章漢字加工及關鍵技術原理 漢字加工技術的研究就是適應當前國內(nèi)市場需求，為我國中小企業(yè)研制適 合我國國情、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的沖床漢字加工軟件。本文的主要研究內(nèi)容是 建立一個曲線字型加工軟件，以滿足數(shù)控沖床的漢字加工需要。 目前數(shù)控沖床的加工圖形一般為圓孑l 、方形孔、腰形孔及各種形狀的曲線 輪廓等，但還沒有專門的作為漢字加工的軟件。雖然數(shù)控雕刻機已經(jīng)可以進行 漢字雕刻，但由于沖床和雕刻機就其工作方式有很大的差別，所以針對沖床的 漢字加工有其特殊的功能需求。在軟件開發(fā)前，首先需要對軟件的漢字加工技 術進行分析，理清其與現(xiàn)有技術的差別，針對數(shù)控沖床的特點，添加其獨有的 技術，使之能夠滿足用戶的實際需求。 2 1 漢字加工技術分析 現(xiàn)根據(jù)數(shù)控沖床的打孔特點，對基于沖床的漢字加工技術進行分析如下： 首先，數(shù)控沖床的漢字加工是對漢字的輪廓進行加工，因此必須先實現(xiàn)漢 字的輪廓提取【9 1 。例如，漢字“口 提取出來的輪廓，是兩條封閉曲線a 和b ， 沖床的加工將針對a 和b 進行加工，圖2 1 所示。 圖2 1 漢字輪廓 其次，數(shù)控沖床打孔時會將沖孔沖掉。例如上圖“口”字，如果直接加工 曲線a 和b ，沖床在沖完輪廓b 后，a 曲線連同內(nèi)部的板子就會掉落。如圖2 2 所示。 6 武漢理工大學碩士學位論文 圖2 2 直接加工漢字 因此，需要實現(xiàn)漢字留筋，避免這一現(xiàn)象。所謂留筋，就是在漢字輪廓上 留下一個細小的“缺口，稱為“筋 ，等輪廓線都沖完后，再將這條“筋”敲 掉。在“口”的b 曲線的右方留了一條筋。這樣a 曲線連同內(nèi)部的板子就不會掉 落，如圖2 3 所示。 圖2 3 漢字留筋加工 第三，數(shù)控沖床的沖頭打孔時，所留下的軌跡具有一定的寬度，即沖床沖 頭的直徑，如上圖2 3 所示。因此實際上，沖床進行打孔的軌跡應與漢字輪廓具 有一定的距離。否則將破壞漢字的字形。同時，漢字加工根據(jù)其用途分為字 的加工，即加工留下輪廓完整的漢字；板的加工，即加工留下輪廓完整的板。 所以需要根據(jù)選擇的加工方式，計算沖床實際的加工軌跡。 再者，為了提高沖床的加工效率，盡量縮減沖頭的移動距離也是很必要的， 因此需要對加工路徑進行優(yōu)化。 最后，程序?qū)褲h字轉(zhuǎn)換成數(shù)控加工的g 代碼輸出。 值得一提的是，由于實際的需要，在各個功能處提供修改功能，例如輪廓 的修改、沖孔的修改、留筋的修改及圖形放縮等也是很必要的。 7 武漢理工大學碩士學位論文 2 2 主要解決的技術問題 根據(jù)漢字加工技術的詳細分析，可以確定在軟件的開發(fā)中，主要面臨四個 需要解決的技術問題是： ( 1 ) 輪廓提取中的曲線擬合問題 ( 2 ) 輪廓中任意部位的留筋問題 ( 3 ) 基于漢字輪廓選擇沖孔方式的問題 ( 4 ) 路徑優(yōu)化的問題 2 3 漢字的輪廓提取 為了在終端顯示器繪圖儀上輸出字符，系統(tǒng)中必須裝備有相應的字符集，字 符庫中儲存了每個字符的形狀信息，字符庫分為點陣型和矢量型兩種【l o 】。 點陣字符庫，直接用0 ，1 點陣圖形來描述。即字庫中的字符是位圖形式給 出的，這是字模數(shù)字化過程中出現(xiàn)最早的一種技術。點陣字的優(yōu)點是：字庫組 織和管理簡單，還原速度快，小字質(zhì)量好。目前仍應用于顯示或打印等低分辨 率的輸出場合，但點陣字也有很多缺點，比如數(shù)據(jù)量大、大字邊緣產(chǎn)生鋸齒、 不易進行旋轉(zhuǎn)或變形等【1 1 1 。 矢量字庫有兩種，一種是早期的u cd o s 操作系統(tǒng)中的矢量漢字庫；另一 種是w i n d o w s 操作系統(tǒng)中的t r u e t y p e 矢量漢字庫。t r u e t y p e 字體( t r u e t y p e f o n t ，簡稱r r f ) 與世界上的主要文種都有良好的兼容性，其最大的優(yōu)點是可以 很方便的把字符輪廓轉(zhuǎn)換成曲線，且可以實現(xiàn)無極放縮而不影響字體的輸出質(zhì) 量【1 2 】。 相應的，提取輪廓信息的方法也有三種【1 3 】： ( 1 ) 利用現(xiàn)成的文字矢量文件或矢量信息，如a u t o c a d 公司的矢量文件 奎s h x ，或a u t o c a d 的打印文件木p l t ，或早期的u c d o s 漢字矢量庫，使用這 種辦法的前提是要了解矢量字庫的文件結(jié)構(gòu)； ( 2 ) 利用文字點陣信息對字符進行矢量化，字符的點陣信息可以通過v c 抖 的控件讀取計算機顯示緩沖區(qū)內(nèi)字符的點陣信息獲得，或通過讀取早期w p s 印 刷系統(tǒng)的打印輸出文件母s p t 內(nèi)含的文字點陣信息或點陣字庫的信息來獲得【1 4 】； ( 3 ) 禾l j 用w i n d o w s 的a p i 函數(shù)讀取w i n d o w s 系統(tǒng)本身的t r u e t y p e 字體矢量 字的輪廓信息，這樣可以利用w i n d o w s 系統(tǒng)豐富的字體。 8 武漢理工大學碩士學位論文 2 3 1t r u e t y p e 字體的特點 隨著w i n d o w s 操作系統(tǒng)在p c 平臺的普及，t r u e t y p e 已經(jīng)成為事實上的字 形描述標準之一。t r u e t y p e 采用幾何學中的二次b 樣條( b e z i e r - s p l i n e ) 曲線及 直線來描述字體的外形輪廓，克服了以往點陣字體、筆劃字體和向量輪廓字體 的缺點，在描述漢字方面有著明顯的優(yōu)勢，表現(xiàn)出強大的應用能力【l 副。 r r f 矢量字體有兩種存儲的格式：其一是筆劃輪廓，其二是整體外形輪廓。 構(gòu)成一個輪廓上的各點，在計算機內(nèi)是按照一定的順序存儲的。點的存儲順序 決定了該輪廓的“旋向 ，即輪廓是順時針走向還是逆時針走向。對于整體外形 輪廓字模數(shù)據(jù)，在1 v r f 中規(guī)定，如果一個輪廓為外輪廓，則其旋向必為順時針 走向，如果是內(nèi)輪廓，則必為逆時針走向【l6 ，1 1 7 1 。 在t r u e t y p e 字體中字符由直線和曲線的集合以及對字體的描述信息組成。 直線和曲線定義了字符的外形輪廓，描述信息是字符輪廓的尺寸，因此可在保 持原始形狀的條件下，進行放大、縮小等處理。二次b e z i e r 曲線在保證輪廓曲 線的光滑性的基礎上，大大提高了字形還原的速度【1 8 , 1 9 】。 鑒于以上的特點，本系統(tǒng)采用t r u e t y p e 字體來進行輪廓提取。 2 3 2 漢字輪廓提取 t r u e t y p e 字體的字形描述包括兩個部分：描述字形輪廓的數(shù)據(jù)信息和修正 字形輪廓的指令信息。數(shù)據(jù)信息包含一系列的輪廓點坐標，構(gòu)成字符的原始輪 廓，指令信息則對原始輪廓進行修正。t r u e t y p e 文件結(jié)構(gòu)由一些表組成，這些 表包括：代碼映射表( c m a p ) ，輪廓數(shù)據(jù)表( g l y f ) 和輪廓數(shù)據(jù)索引表( l o c a ) 等1 2 0 2 1 1 。使用t m e t y p e 文字，只需給出字符的內(nèi)碼，根據(jù)字符內(nèi)碼獲取字形輪廓數(shù) 據(jù)的處理步驟為： ( 1 ) 根據(jù)給出的字符代碼查找c m a p 獲得對應的索引號； ( 2 ) 根據(jù)索引號從輪廓數(shù)據(jù)索引表( l o c a ) 中得到它在輪廓數(shù)據(jù)表( g l y f ) 中 的開始和結(jié)束位置； ( 3 ) 從輪廓數(shù)據(jù)表( g l y f ) 中得到字體輪廓數(shù)據(jù)【2 2 。 2 3 3 漢字曲線擬合 從t r u e t y p e 字體中提取的輪廓控制點可以用b e z i e r 曲線方程計算，但在本 9 武漢理工大學碩士學位論文 軟件中使用d ec a s t e l j a u 提出的遞推算法則更為簡便1 2 3 1 。 ( 1 ) d ec a s t e l j a u 算法 如圖2 4 所示，設島、尸0 2 、n 是一條拋物線上順序三個不同的點。過尸。和 段點的兩切線交于尸l 點，在聹點的切線交臚l 和島一于尸0 1 和尸1 1 ，則下面 比例式成立： r 露一r 式武瑤 礙日日1 弓印日1 ( 2 1 ) 這是所謂拋物線的三切線定理【2 4 】。 圖2 4 拋物線三切線定理 當n ，p 2 固定，引入?yún)?shù)，令上述比值為f ：( 卜f ) ，即有： p 0 1 = ( 1 - t ) p o + 理 弓1 = ( 1 - t ) p , + t 6 p 0 2 = ( 1 - t ) p 0 1 + 嵋1 t 從o 變到1 ，2 2 ，2 3 式就分別表示控制二邊形的第一、二條邊， 兩條一次b e z i e r 曲線。將2 2 ，2 3 式代入2 4 式得： ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 它們是 g = o - t ) z 2 0 + 2 t o f ) 日+ f z 昱 ( 25 ) 當f 從0 變到1 時，它表示了由三頂點凡、尸l 、兄三點定義的一條二次b e z i e r 曲線。并且表明：這二次b e z i e r 曲線凡2 可以定義為分別由前兩個頂點( 尸o ，p 1 ) 和后兩個頂點l ，b ) 決定的一次b e z i e r 曲線的線性組合。依次類推，由四個控 制點定義的三次b e z i e r 曲線p 0 3 可被定義為分別由( p o ，p l ，p 2 ) 和( 只，p 2 ，p 3 ) 確定 的二條二次b e z i e r 曲線的線性組合，由( n + 1 ) 個控制點片( i = 0 ，1 ，刀) 定義的 1 0 武漢理工大學碩士學位論文 刀次b e z i e r 曲線雕可被定義為分別由前、后聆個控制點定義的兩條( 療一1 ) 次 b e z i e r 曲線r 硝與p l 加1 的線性組合： 譬= ( 1 一t ) f o1 + 岬一te 1 0 3 ( 2 6 ) 由此得到b e z i e r 曲線的遞推計算公式： m 一 號 肛：0 q h 一) 礦1 + t p m 七- 1 七= 1 2 ， 扛o ，1 ，門一七 ( 2 7 ) 這便是著名的d ec a s t e l j a u 算法【2 5 1 。用這一遞推公式，在給定參數(shù)下，求 b e z i e r 曲線上一點p ( t ) 非常有效。上式中：p i 0 = p i 是定義b e z i e r 曲線的控制 點，p 0 n 即為曲線p ( t ) 上具有參數(shù)t 的點。d ec a s t e l j a u 算法穩(wěn)定可靠，直觀 簡便，可以編出十分簡捷的程序，是計算b e z i e r 曲線的基本算法和標準算法【2 6 1 。 2 4 漢字留筋技術 對于數(shù)控沖床來說，漢字的留筋是一個十分重要且不可缺少的功能。從用 戶的角度，手動留筋可能發(fā)生在漢字的任何部位，需要對漢字的不同多邊形或 同一個多邊形內(nèi)進行留筋操作。仍然以“口”字為例，如圖2 5 所示。 圖2 5留筋示例 2 4 1 留筋點的計算 首先需要研究留筋點中涉及到平面內(nèi)有關矢量圖形運算的數(shù)學問題。因為 在留筋點的求取過程中，不可避免的要涉及到諸如：求與直線距離為r 的直線方 程、求相交線段的交點等復雜的算法問題。因此首先需要將這些復雜的算法逐 武漢理工大學碩士學位論文 步分解、簡化，最后得到合理的解決方案。 ( 1 ) 相交線段的交點 平面內(nèi)兩線段相互位置關系可分為圖2 6 所示幾種情況。圖中a 所示兩條線 段相互平行；b 所示兩條線段不相交，但由線段所在的直線在平面內(nèi)是相交的； c 所示的兩條線段相交；d 兩條線段交于某一線段的端點。 b 忽赴b 廠 b 1 cd 圖2 6 平面線段的各種關系 在求兩條線段的關系時，可以根據(jù)兩條線段的表達式，直接求其交點。 考慮到如果線段的直線方程采用y = k x + b 的形式，必須分別分析兩條線段當 k = 0 時的情況，因此決定采用直線方程的一般形式：a x + b y + c = 0 。 假設：線段1 的兩端點分別為( x l l ，y 1 1 ) 和( x 1 2 ，y 1 2 ) ，線段2 的兩端點分別 為( x 2 1 ，y 2 1 ) 和( x 2 2 ，y 2 2 ) ，則兩線段的直線方程分別為： a l x + b l y + c a 2 0 ( 2 8 ) 4 x + b 2 y + c 22 0 ( 2 9 ) 利用線段的兩個端點，求取線段的直線方程為： ( 西一x 1 2 ) ( 少一咒t ) = ( m - 一乃：) ( x 一而- ) ( 2 1 0 ) 整理得：4 2 y l l m 2 ，8 12 五2 一h ，c 1 = x l l 簟y 1 2 一五2 掌m l 。同理可得線段2 的直線方程。 求取線段的交點，首先需要判斷線段所在的直線是否相交，再判斷交點p 是否在線段1 和2 上。 判斷直線相交，設d = 4 島一4 置，當d o 時，兩條直線相交，則求得交點 p ( p x ，p y ) 為： 蹦：芻：芻二芻：壘 d ( 2 1 1 ) p y ：壘：芻二魚：芻 一d ( 2 1 2 ) 判斷交點p 是否在線段1 上，就是要判斷點p 在以線段兩端點為對角線的 1 2 武漢理工大學碩士學位論文 矩形內(nèi)，即：( p x 一五1 ) ( 彤一五2 ) a l 、a 2 、b l 、b 2 四點求出后，需要按照一定的順序存放。在曲線a 的數(shù)據(jù) 中，a l 、a 2 的順序可由a ，a ，關系確定，同理b l 、b 2 的順序可由b b ”確定，而 a l 、a 2 與b l 、b 2 間的關系，取決于曲線a 和b 的旋轉(zhuǎn)方向，若不求其旋轉(zhuǎn)方向， a l 、a 2 與b l 、b 2 間的關系可簡單如下確定： 確定線段a l b l 和a 2 8 2 ，判斷兩線段問的交點是否存在，如果存在，則存放 順序為a 1 8 2 b l a 2 ，如果不存在，存放順序為a i b l b 2 a 2 。同理可判斷曲線b 上的 順序。 現(xiàn)假設這四個留筋點的存放順序為a l b l b 2 a 2 ，選擇線上打孔，其留筋部分 1 5 武漢理工大學碩士學位論文 的打孔示例如圖2 9 所示。 可以看到，沖頭打孔到a l 點時，孔將切于線段a l b l 進行，而線段a i b l 、 b l b 2 、b 2 a 2 都不進行打孔，到a 2 點時，孔將切于線段b 2 a 2 。因此需要使用 p 0 1 n t b l 中的t e n d o n s 進行標識，以便于在軌跡計算中做不同的計算。 這里，當t e n d o n s = 1 時，表示線段a 1 b l ，當t e n d o n s = 1 時，表示線段b i b 2 和b 2 a 2 ，當t e n d o n s _ 2 時，表示a 2 后面一節(jié)的線段。標記好了后，將這些元素 插入到原來點a 的位置，并刪除點a 。曲線b 也做同樣處理，留筋點便算做好 了。 2 5 沖孔軌跡 數(shù)控沖床不能直接在輪廓上打點，實際的沖孔軌跡需要與輪廓偏離沖頭半徑 的距離( r ) 。沖孔的加工方式分為兩種：字的加工和板的加工。 如圖2 1 0 所示的兩個“口 字，第一個“口字：曲線a 是采用內(nèi)切軌跡 來沖孔，曲線b 采用外切軌跡來沖，這樣一來，整體的效果就是將漢字輪廓完 整的保留下來了，屬于之前所說的漢字的加工。第二個“口”字：曲線a 是采用 外切軌跡來沖孔，曲線b 采用內(nèi)切軌跡來沖，則是將漢字輪廓完整的保留在板 上，屬于板的加工。 1 6 武漢理工大學碩士學位論文 圖2 1 0 沖孔的加工 i a - - - - - - - - - l - - - - - - - - - 方式 本系統(tǒng)采用用戶手動選擇，逐個對多邊形選擇哪種加工方式。而沖孔軌跡的 總的計算流程圖如圖2 1 1 所示。 圖2 11 沖孔軌跡計算流程圖 1 7 武漢理工大學碩士學位論文 2 5 1 分析多邊形的旋轉(zhuǎn)方向 軌跡的計算則需要先分析多邊形的旋轉(zhuǎn)方向。一個多邊形的順時針的定義是 這樣的，如果從多邊形的一個頂點出發(fā)，沿著多邊形的各條邊前進，對于凸多 邊形來說，如果多邊形內(nèi)的區(qū)域始終在我們的右手邊，那么這個多邊形就是順 時針走向的，反之，該多邊形是逆時針走向的。但是對于凹多邊形來說，這種 情況有所變化。經(jīng)過分析，無論是凹多邊形還是凸多邊形，其中y 值最大的頂 點，一定是一個凸角。判斷這個角的正負就可以判斷多邊形的旋向。 所謂角度的正負，就是在笛卡爾坐標系上，自x 軸逆時針轉(zhuǎn)動的直線與x 軸 夾角就定義為正角，x 軸逆時針轉(zhuǎn)動的直線與x 軸的夾角定義為負角。 一7 了1 一 如何求多邊形兩條邊之間的夾角呢? 假設給定兩個矢量口2 口t 口2 和d 2 島， n - 者的叉積就等于他們各自的模與它們之間夾角正弦的乘積，用數(shù)學表達式 ， 一_，、 來表示就是a x b 2 i a i l b i s m ) ，所以有： s i n ( a ) = 0 x b ) iai lbi f ，1 4 ) 一 因此，判斷角的正負，只需要判斷a x b 的正負即可。 2 5 2 計算沖孔軌跡 假設用戶設定沖頭的半徑為r ，求沖孔軌跡，就是求多邊形的內(nèi)切或外切多 邊形。利用其數(shù)學特性可知，內(nèi)切多邊形及外切多邊形的頂點就是原多邊形頂 點的角平分線上，與兩邊的距離為r 。如圖2 1 2 所示。 ： ， b ：內(nèi)角切點b ”：外角切點 圖2 1 2 外切和內(nèi)切多邊形頂點 計算內(nèi)切或外切多邊形，首先需要計算b 或b ”。但不管是b 還是b ”，計 1 8 武漢理工大學碩士學位論文 算方法是相同的： ( 1 ) 分析多邊形的旋轉(zhuǎn)方向。 ( 2 ) 計算直線a b 、b c 的角度，并根據(jù)旋向，計算a b 與b c 的夾角z a b c 。 _ a b c ( 3 ) 以內(nèi)角為例， = 2 _ _ _ a b b ，如上圖，b 到a b 邊的距離為r ，利用三 角公式計算b b 。 ( 4 ) 利用b 點坐標及b b 長度，計算b 點坐標。同理可以計算b ”點坐標。 對于b 點，就可以計算沖孔了。但是對于外角，即大于1 8 0 。的角，僅是 計算出b ”點，是不夠的。其原因在于，b b ”的長度大于沖頭的半徑r ，如果沖 頭沿著軌跡沖到b ”點，就已經(jīng)偏離a b c 邊了，不僅打孑l 效率降低，還有可能 造成軌跡的越界。因此需要對b ”點進行進一步的處理。如圖3 1 2 所示。 a 圖2 1 3 點b ”的處理分析 從圖中可以看到，b b ”的距離遠遠大于沖頭半徑r ，這樣打孔的話會多出很 多無效的沖孑l ，并且由于漢字的多邊形一般比較密集，很有可能，沖孔軌跡會 影響到其他多邊形的打孔。 最好的解決方法就是，計算出點b ”后，求出b 點距離b ”邊上距離為r 的 點d 和e 。計算方法為：利用線段b b ”和r ，求出d b ”，進而求出d 點坐標。 同理可求出e 點坐標。 沖孔軌跡就是從d 到e 半徑為r 的圓弧a r c 。這樣可以完整的切下z a b c 。 但是，進一步的提高計算速度和效率的話，考慮到?jīng)_頭的半徑很小，則圓弧a r c 與線段d e 的誤差不是很大，因此用線段d e 來代替圓弧a r c 。 1 9 武漢理工大學碩士學位論文 2 6 路徑優(yōu)化 數(shù)控沖床的沖頭有不同的形狀，如圓形、正方形、六邊形，以及具有不同的 大小。在輸出n c 代碼文件前需要進行路徑優(yōu)化，使得相同形狀的沖孔可以連續(xù) 加工，節(jié)省沖頭轉(zhuǎn)換的時間。并對具有同種沖孔的漢字的打孔順序進行調(diào)節(jié)， 節(jié)省沖頭行走時間，提高運行效率，增加生產(chǎn)效益【2 丌。 本系統(tǒng)實現(xiàn)了基于漢字的自動排序功能。簡單的講，就是先將所有要加