基于ObjectARX 的切割轨迹自动编程系统的设计与实现

刘德刚，李佳星，赵静赟

(中国地质大学(武汉)机械与电子信息学院，武汉 430074)

0 引言

目前的切割轨迹自动生成系统开发模式主要有参数图库、专用系统以及基于CAD 的二次开发系统等。参数化图库利用通用编程语言实现常用基本切割图形的参数化定制［3］。此种方式开发工作量小，系统使用简单，但是图库内容有限，不能满足实际复杂需求。专用系统也采用通用编程语言开发，实现了图形编辑、套料以及G 代码生成等功能。此种方式开发工作量大，开发难度高，系统使用复杂，价格高，代表软件为Fast-CAM［4-5］。基于CAD 的二次开发系统则可以综合前两种方式，既能使用CAD 原有的强大图形设计编辑功能，又可以降低开发及使用难度。

AutoCAD 应用广泛，提供了面向对象的开发库ObjectARX［6］。基于ObjectARX 已成功开发出了众多CAM 系统［7-10］。本系统也基于ObjectARX 开发，论文对系统的设计与实现进行阐述。

1 系统架构设计

自动编程系统的最终用户为工厂的CAM 设计人员或一线工人，他们熟悉切割业务，但计算机知识往往掌握得较少。针对这种情况，系统的主设计目标为“傻瓜化”，将复杂的处理逻辑尽量封装在算法内部，用户只需几个简单的操作就可以完成G 代码的生成，提高系统的实用性。

自动编程系统的动态运行是典型的数据流处理过程。切割图形作为原始数据输入，此图形经过多个处理环节，每个环节都对输入数据进行专业加工，输出加工后的数据，最终输出为G 代码。系统基本数据流图如图1 所示。

图1 基本数据流图

原始设计图可以利用AutoCAD 强大的设计功能绘制，经过图形规范化处理后，加入切割工艺相关描述信息。工艺编译根据用户输入的工艺参数，将规范后的图形进行编译，包括追踪封闭轮廓以及进行割缝补偿等。编译后的图形可以进行自动或手动排序。有了排序信息，系统就可以遍历切割图形，将其输出为加工G 代码。数据处理流程贯彻了“傻瓜化”的设计目标，步骤简单。

基于数据流图的设计模式，流程节点可以设计为单独的数据处理模块，实现输入—处理—输出的算法模式。各模块最终注册为AutoCAD 中的新命令组，通过键入命令或者点击菜单来调用。系统的功能架构设计如图2 所示。

图2 系统功能架构

工艺编译中包含多个子模块，用来实现多个处理逻辑。基于“傻瓜化”的设计目标，最终用户只需要使用“工艺编译”一个命令，工艺编译会自动调用子模块的处理逻辑完成图形的全部编译工作。

由于专业培养目标的不同，对于非计算机专业而言，其在Access数据库方面的教学呈现一种不够科学严谨的特点。主要体现为：

系统的设计采用面向对象技术，各个模块都利用类来实现。还设计了CBaseARX 基础类，该类封装了ObjectARX 的复杂接口，用简单的C++函数提供基本的CAD 数据操作功能，如标注、直线、多段线、图层的添加、删除、修改等基本函数，以及改变多段线方向、判断多段线的顺逆、轮廓缩放等复杂函数。上层模块需要时直接调用此类中的函数，从而简化了上层模块的复杂度，实现了代码重用。

2 主要模块设计

2.1 专业图层生成

AutoCAD 具有强大的图形设计功能，但设计出的图形并没有包含切割工艺相关的信息，比如一条多段线是属于外轮廓还是内轮廓，一条直线是空移线还是引入线等。普通的AutoCAD 图形中增加了这些专业切割信息后就变成了规范化的切割图形。

切割附属信息可以利用图元的扩展属性进行描述，但这种方式操作复杂，可视化效果差，当图元进行合并、打断等处理后，需要重新设置，所以不是一种好的方案。

经过研究，利用AutoCAD 的图层属性来完成切割信息描述。相同类型的图元放在同一层，每个图层设置不同的颜色，用户通过颜色就能直接判断图元切割属性，内部算法也可以根据图层进行查找与计算。主要的切割图层如表1 所示。

表1 主要切割用图层

前五个层与切割轮廓相关，描述了内外、顺逆、是否封闭等信息。切割顺序号层中放置切割顺序标注数字。

基于“傻瓜化”的设计目标，打开或者新建图形时，插件自动创建切割专用图层，不需要用户输入命令或者点击菜单。重载AcRxArxApp 类的On_kLoad-DwgMsg 函数，在其中调用切割图层创建函数，即可实现此效果。

2.2 工艺编译

工艺编译是系统的核心模块，内部实现了多个子处理功能，算法基本流程图如图3 所示。

图3 工艺编译算法基本流程图

工艺编译首先进行图形数据预处理，包括统一转换图形为世界坐标系，将图形左下角平移到原点，转换椭圆为多段线等。因为G 代码中只支持直线和圆弧，椭圆须转换为多段线。算法实现原理为利用Object-ARX 设置为折线绘制模式，自动重画椭圆，画出的椭圆即为多短线，然后删除原始椭圆。样条曲线可以利用AutoCAD Express Tools 中的flatten 命令转换为多段线。

轮廓追踪算法取出图层信息，以此对五个轮廓相关层进行处理。首先是将轮廓层中的图元自动转换为多段线，通过ObjectARX 获取图层范围，自动执行pedit 命令，自动设置转换参数，完成多段线的转换。多段线转换完成后，计算出多段线的顺逆，再根据所属图层判断是否需要进行多段线方向反转。由于系统可以自动追踪出多段线并调整方向，用户绘图的时候就没有额外限制，可以按照自己的习惯进行设计。封闭轮廓中的多段线如果不能闭合，系统会提示错误信息。

由于设计原因或者一些转换软件的算法原因，切割图形中有时存在过多点坐标，导致切割效率严重下降，甚至不能正常切割。删除多余点算法根据用户设置的允许误差，对轮廓坐标进行判断，删除多余的点坐标。

由于割炬存在宽度，需要对轮廓进行补偿，根据补偿值放大外轮廓，缩小内轮廓。补偿算法通过Object-ARX 调用AutoCAD 所提供的offset 函数，通过图层取出顺逆属性，计算出偏移的正确参数，完成偏移操作。

引入线生成算法对依次对轮廓层进行遍历，得到多段线坐标，根据引入线长度参数，自动生成引入线。引入线的终点坐标与轮廓的首点坐标重合，通过坐标位置建立拓扑关系。不封闭轮廓的引入线可以是轮廓本身的一部分或者额外添加引入线，由用户在切割工艺参数中设置。

2.3 排序与G 代码输出

自动排序功能未集成在工艺编译模块中，是为了用户可以调整引入线，比如可以改变引入线的引入位置或者使用圆弧引入线等。

引入线符合要求后，可以利用系统提供的自动排序算法自动编排切割顺序。算法的基本原则是先切割内轮廓，再切割外轮廓，切割的总路径最短。系统采用LK 算法［11］进行最优路径的寻找。切割顺序以数字标注形式放置于切割顺序号图层。标注的内容为轮廓切割的顺序，标注的坐标与引入线的坐标开始坐标重合，通过坐标建立顺序标注与引入线之间的拓扑关系。

系统还提供了手动排序功能，根据用户点击轮廓的向后顺序进行排序。排序完成后，还可以进行排序号的调整。利用MFC 开发图形界面对话框，用户设置需要调整的序号。

排序完成后，就可以遍历图形输出G 代码。通过图层属性以及坐标拓扑属性可以完成轮廓的寻找，空移线可以自动生成。G 代码输出算法的基本流程图如图4 所示。

图4 G 代码输出算法基本流程图

3 系统实现与运行情况

本插件系统支持AutoCAD2004 至AutoCAD2014各个版本，提供中英两种语言版本。由于ObjectARX的版本较多，与开发环境关系密切，在支持不同版本的AutoCAD 时，ObjectARX 的版本与开发平台都不同，发布前需要在多种环境下编译。以支持AutoCAD2010的情况为例，ObjectARX 版本为ObjectARX2010，开发平台为Visual Studio.NET 2008 SP1，开发语言为Visual C++，使用MFC 进行图形界面开发。

插件安装后，在AutoCAD 中增加了“切割机”菜单，点击菜单即可以实现切割轨迹自动编程功能，如图5 所示。

图5 自动编程系统运行界面

本插件系统与切割机厂商合作，已投入实际运行多年。系统在众多用户处已成功生成了上万个的G代码文件。系统运行稳定，使用简单，达到了“傻瓜化”的设计目标，算法的稳定性与正确性也得到了验证。

4 结束语

本文利用面向对象技术，基于ObjectARX 二次开发平台设计开发了适用于数控火焰/等离子切割机的切割轨迹自动编程系统。该系统已成功投入实际运行。系统遵循“傻瓜化”的设计目标，简单易用，符合现场工人需求。开发经验表明，基于ObjectARX 进行二次开发，能够充分利用AutoCAD 已有的强大功能，快速开发出领域专用功能，是CAM 开发中的一种重要开发方式。本文对类似系统的设计开发具有参考意义。未来还可以将参数化典型图库的功能集成进本系统中，进一步增强系统的实用性。

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