一种电火花线切割3B代码解码算法与QT实现

2021-07-02李丹

现代制造技术与装备 2021年5期

李丹

（湖南科技职业学院，长沙 410118）

电火花线切割机床是一种特种加工机床。它的加工精度和加工性价比较高，在各类高精密零部件加工方面应用广泛[1]。由于成本等因素的限制，目前我国大部分电火花线切割机床采用单板机作为控制器，而单板机多年未更新，且人机交互性能差[2-5]。

QT具有优秀的跨平台界面反馈和设计功能[6-7]。本文基于QT平台，验证电火花线切割3B加工指令的解码算法，并通过图形方式显示用户导入的3B程序对应的加工图形，可供用户直观检验3B代码对应的零件形状是否符合加工要求，增强了人机交互性，节约了时间成本。

1 电火花线切割3B代码解码算法

1.1 电火花线切割3B代码格式

3B代码的格式是BXBYBJGZ[8]。代码中，3个B表示数据的分隔符；X、Y、J、G和Z代表5个必要的参数。其中：B为分隔符，用于区分隔离X、Y和J等数码，B后的数字若为0，则可省略不写；X、Y为直线的终点坐标值或圆弧的起点坐标值，编程时均取绝对值，单位为μm；J为计数长度，单位为μm；G为计数方向，分Gx或Gy，可按x方向或y方向计数，工作台在该方向每走1 μm即计数累减1，当累减到计数长度J=0时，表示这段程序加工完成；Z为加工类型，分为直线L和圆弧R两大类。直线按照走向和终点所在象限，分为L1、L2、L3、L4，如图1所示。圆弧按照第一步进入的象限及其走向的顺圆或逆圆，分为SR1、SR2、SR3、SR4及NR1、NR2、NR3、NR4，如图2所示。

图1 直线所在象限情况

图2 圆弧所在象限情况

1.2 电火花线切割直线3B代码解码

根据读入的直线3B代码，结合直线的加工类型（L1～L4），可确定直线终点坐标所在象限。如果当前直线3B代码为程序首行，则起点坐标（X0，Y0）为（0，0），否则当前直线的起点坐标为上一段的终点坐标。由于直线3B代码中的X和Y值是相对于起点坐标的绝对值，则可通过区分的象限确定直线3B代码中的X和Y的符号，从而获得直线的终点坐标。

通过式（1）可求得直线的长度Lz：

1.3 电火花线切割圆弧3B代码解码

根据圆弧3B代码，可得圆弧的绝对值起点坐标（X，Y）及计数长度J，通过式（2）计算圆弧半径R：

假设圆弧上一线段的终点坐标为（Xe，Ye），可结合圆弧起点所在象限求得圆心坐标。如果圆弧起点所在象限为SR1或NR1，则圆心坐标（Xc、Yc）计算方法分别为：

则对应的圆弧起始角α为：

如果圆弧起点所在象限为SR2或者NR2，则圆心坐标（Xc、Yc）的计算方法为：

则对应的圆弧起始角α为：

根据以上方法可推算出圆弧起点在第3象限和第4象限时，圆弧的圆心坐标（Xc、Yc）和起始角α。

整圆的判定方法为圆弧3B代码中计数长度J是否与4R相等，若相等则为整圆。整圆的终点坐标和终止角与起点坐标和起始角保持一致。

当圆弧不为整圆时，则需通过判断起点所在象限（L1～L4）、顺圆（SR1～SR4）或逆圆（NR1～NR4）、短轴上投影的长度J，确定圆弧终点所在象限及该象限的短轴长度Jn，再得出圆弧的终点坐标（Xn，Yn）与终止角β。

具体方法：当X为短轴即Gx且圆弧为起点在第1象限或第2象限的顺圆即SR1或者SR3时，先判断式（9）的值：

J＜R-Y（9）

当式（9）的值为真时，可得起始角α和终止角β在同一象限，则圆弧终点坐标（Xn，Yn）的绝对值可通过式（10）和式（11）求得：

结合式（12）中得到的象限数N，通过式（13）可得圆弧终点所在象限的短轴投影长度Jn：

当圆弧终点在第1象限、第3象限时，|Xn|=Jn；当圆弧终点在第2象限、第4象限时，|Xn|=R-Jn。根据圆弧解析式，结合式（11），可得|Yn|的值。由圆弧终点所在象限，可知|Xn|、|Yn|的正负符号。根据终点坐标所在象限，结合式（5）、式（8）等，可求得圆弧的终止角β。其他的起点象限或者Y为短轴，都以此类推求出圆弧的终点坐标（Xn，Yn）和终止角β。需要说明的是，以上所述的圆弧起始角α和终止角β均为弧度。

圆弧的弧长Lc为：

式中，圆弧终止角β减去起始角α为圆弧弧度。

2 3B代码图形界面的QT设计过程

在电火花线切割过程中，按照阐述的直线或圆弧解码算法，对加工图形生成的3B代码进行解码，再通过人机交互界面将3B代码程序所对应的加工图形在电火花线切割数控系统进行显示，方便操作人员实时查看加工图形的形状。

采用QT开发电火花线切割的加工图形界面，绘制直线的指令为DrawLine（起点坐标X0，起点坐标Y0，终点坐标Xz，终点坐标Yz），绘制椭圆指令为DrawEllipse（椭圆边框左上角X坐标，椭圆边框左上角Y坐标，椭圆边框宽度，椭圆边框高度），则整圆绘制指令为DrawEllipse（圆心Xc坐标-半径R，圆心Yc坐标-半径R，直径D，直径D）。弧线绘制指令为DrawArc（椭圆矩形左上角X坐标，椭圆矩形左上角Y坐标，椭圆的矩形宽度，椭圆的矩形高度，从X轴到弧线起始点沿顺时针方向度量的角（以1/16度为单位），从StartAngle参数到弧线结束点沿顺时针方向度量的角（以1/16度为单位））。由此可知，绘制圆弧段的指令为DrawArc（圆心Xc坐标-半径R，圆心Yc坐标-半径R，直径D，直径D，起始角度*16，终止角度*16）。