浅谈图像扫描矢量化的线切割编程系统

[摘要]电火花数控线切割加工作为特种加工的一种重要方法,其应用日益广泛,尤其在模具加工领域,它是一种不可缺少的先进加工方法。然而如今的大多数线切割图形编程软件都是以某一图形软件(例如AutoCAD)为开发平台,从二维图形的绘制、生成加工代码到刀位数据生成和后处理的过程,本文研究开发了一个图像矢量化的线切割程序生成系统,对于已经生成的复杂图像进行扫描、读取和处理其数据信息,生成我们需要的工程数据,进而生成刀具路径和数控程序代码。

[关键词]线切割编程 数字图像处理矢量化 刀位信息

电火花线切割加工(Wire cut Electrical Discharge Machining,简称 WEDM),有时又称线切割。20世纪中期,苏联拉扎林科夫妇研究开关触点受火花放电腐蚀损坏的现象和原因时,发现电火花的瞬时高温可以使局部的金属熔化、氧化而被腐蚀掉,从而开创和发明了电火花加工方法,线切割放电机也于 1960年发明于苏联。其基本工作原理是利用连续移动的细金属丝(称为电极丝)作电极,对工件进行脉冲火花放电蚀除金属、切割成型。它主要用于加工各种形状复杂和精密细小的工件,例如冲裁模的凸模、凹模、凸凹模、固定板、卸料板等,成形刀具、样板、电火花成型加工用的金属电极,各种微细孔槽、窄缝、任意曲线等,具有加工余量小、加工精度高、生产周期短、制造成本低等突出优点,已在生产中获得广泛的应用,目前国内外的电火花线切割机床已占电加工机床总数的 60%以上。

一、系统总体设计的依据原理

实际工程中由于产品结构复杂,图像的曲线关系复杂、线型种类繁多等特点,导致了绘制图像的难度。扫描矢量化是解决图像数字化难题的必然途径,所以利用扫描栅格数据的可视化,有效地提取关系复杂的线条,并确保矢量数据的质量满足要求,是本图像扫描矢量化编程软件系统的依据原理。采用计算机的图形学原理和图形处理技术,实现图像栅格化数据处理,有效地实现了扫描栅格图像数据的快速可视化,对图像进行二值化和滤波消噪,利用数学形态学原理对图像进行细化,在 Freeman链码基础上进行线条矢量跟踪,可以极大地提高线条识别的精度和效率。根据画法几何中的原理对线素拓扑关系进行分析和校正,确保矢量数据的质量。在矢量化处理的数据的基础上根据线切割加工中的实际情况对零件轮廓进行偏移和修改,建立描述刀具路径节点坐标信息和左右关系的节点表,将围成加工区域的轮廓分解为单调链并建立单调链表,通过单调链表建立刀具路径节点的前后关系,最后按照一定链接原则链接所有节点从而生成刀具路径。

二、系统总体设计的基本原则

根据软件开发者和使用者的实际情况,下面是设计和建立基于图像扫描矢量化线切割编程系统总体结构的基本原则:

1.实用性原则。要满足生产实际对线切割加工提出的要求,使扫描和编程系统能完成所要求的各项输入输出、数据管理和编程功能,实现实时控制和多任务。

2.有效性原则。在保证线切割加工编程和数据管理控制的功能和特点的前提下,简化系统结构,使得设计和建立的系统稳定可靠而有效。

3.通用性原则。软件的设计和开发要具有通用性,易于移植、扩展和修改。另一方面,软件的使用要简单易学,因此人机界面要友好,符合使用者的水平和要求,美观、简洁、易懂和操作方便的人机界面是系统开发的一个重要方面。

4.可扩展性原则。随着科学技术的发展,生产实际对线切割加工的功能会越来越多,所以,这里设计和建立的系统要能方便地扩展,以适应新的需求。

5.可靠性原则。产品设计和生产中,对数据来源的准确性要求比较高。因此对扫描的图像信息处理过程要保证其正确不失真。

6.采用结构化、模块化的设计方法。在软件系统设计过程中把软件划分成具有各种功能的模块。模块程序的编写要采用结构化程序设计的方法,保证系统结构的清晰,提高程序的可读性。

经过实际考察线切割加工编程的过程,查阅相关的资料,结合线切割加工行业的发展要求,分析软件编程的可行性,并结合扫描矢量化在其他领域中的应用,将本文研究的基于图像扫描矢量化的线切割编程系统的功能和特点总结如下:

首先,它是一个简单易用的图形矢量化软件。它把光栅图转换成可供AutoCAD编辑的矢量图形,可以处理图像信息,按照用户的需要设置参数,对光栅图像进行方向变换、清理、加粗线条等编辑功能,还可以结合外部编辑器对通过设置参数进行更进一步的处理,以获得更完美的效果。

其次,它是一个线切割编程系统。根据电火花走丝原理,可以把图像处理后的信息生成加工路线,进行必要的处理后以语言的形式表达出加工的全部内容,生成可以直接用于数控机床的 NC加工程序。本系统的图像信息可以通过现在广泛使用的各种硬件设备进行采集,如数字化仪、扫描仪、摄影测量设备等,随着科技水平的不断提高,其信息采集手段也不断提高和扩展,保证图像信息来源的质量。

另外系统图标命令及菜单功能、自动编程系统的基本操作方法简单易学,智能化和集成化的操作命令使得软件使用起来也方便快捷。

基于以上系统功能和特点分析及设计依据和原则,设计出了基于图像扫描矢量化的线切割编程系统的总体结构框图如下:

图1 基于图像扫描矢量化的线切割编程系统的总体结构框图

1.通过了解开发基于扫描图像矢量化的线切割编程系统的研究现状,指出它是推动线切割技术进一步发展的需要,它的成就将是推动整个自动编程技术向更高层次发展的重要手段,提高机床的应用层次,也是现阶段必须突破的关键技术,是机械制造领域的重要方面,并引出本文研究的主要内容,即:(1)信息扫描输入;(2)信息预处理;(3)矢量化跟踪处理;(4)数据质量的检验和数据优化整理;(5)刀具路径生成。

2.主要讨论了基于扫描图像矢量化的线切割编程系统的设计依据和原则及其主要功能,根据扫描图像矢量化的线切割编程系统功能的需求和结构特点,划分了系统的各个模块,从而构建系统的结构,分析了该系统总体工作的流程,给软件开发提供了参照和方向指导。

3.主要研究了计算机图形学中的图像的存储和管理特点,初步提出了图形矢量化的原理,阐明了图像信息预处理的的主要方法及其解决方案,阐述了其运算和处理过程,并用VC++语言实现了图像处理的功能。比较不同图元处理的各种方法,选择较优的和适合本系统的方法,完成了图像的灰度变换、二值化处理和滤波去噪及图形细化的功能。

4.介绍了图像矢量跟踪的原理和方法,实现了图像的矢量化处理,Freeman链表和矢量化使得矢量化后的图像分支点、交叉点、切点等处仍很好保持了原图中的拓扑关系,为后续曲线的拟合及线段拼合等处理提供了有利条件。通过研究图形元素的特征和属性,利用最小二乘化方法进行曲线的拟合,并进一步进行图元的识别,拟合的精度高,提高了机械工程图形矢量处理的水平。

5.针对图像预处理和矢量化过程中产生的数据信息偏差,结合人机界面交互的方式,系统通过对图形信息的智能化验证和修改和优化整理,使得图元间的拓扑关系忠实于设计图像,减少错误的产生,最终使图形矢量化信息达到准确性、一致性、完整性。

6.讨论了基于矢量化图形的线切割编程模块的实现原理和方法,研究了图形轮廓排序的方法和步骤及轨迹生成中转接情况的判别算法。给出了系统设计的主要步骤和流程,实现了根据用户输入的零件设计参数,根据数控代码的编制规则生成机床加工所需要的数控代码。

7.用简单的实例说明系统操作的界面和基本功能,主要包括系统运行的主界面、图形预处理和矢量化操作界面及其结果、轨迹生成界面、程序代码生成界面。界面的操作简单、易学,界面简洁,对使用者的技术水平和知识水平要求不高,有助于系统的普及。

线切割编程与加工技术在机械制造中的应用非常广泛,同时扫描图像矢量化以图像形式输入,以富含逻辑关系和结构特征及属性的矢量模型输出,因此它在线切割行业的中有一定的应用前景。

基于此目的,研究了基于扫描图像矢量化的线切割编程系统的设计和实现方法,主要要进行了以下研究工作:

1.研究了计算机图形学中的图像的存储和管理特点,并在此基础上指导图像信息的处理和变换。

2.研究了图像信息预处理的方法,用程序语言实现了运算和处理过程。完成了用浮点法处理图像的灰度变换;采用最大类间方差法求最佳阈值,完成了图像的二值化处理和滤波去噪功能;为了得到图像的轮廓和结构信息,结合数学形态学的原理对图像信息进行了图形细化和图像轮廓的提取。

3.实现了图像的矢量化跟踪,用Freeman链表存储和矢量化处理,使图像由一个没有逻辑联系的图像点阵图片变成一个有着自己的特征和属性的可识别和追踪的矢量图像。

4.研究了图形元素的识别和调整方法,利用最小二乘化方法进行了直线、圆弧等曲线的拟合,并对图元进行了识别和校正。

5.总结了图像矢量化过程中导致误差产生的各种因素,针对这些情况对矢量后的数据进行后处理,对数据进行检验和优化整理,对图元间的拓扑关系进行识别和修正,使得图元自身更加精确,使它们之间的逻辑关系符合机械制图的一般规律,满足了编程的基本要求。

6.最后在矢量化图形数据信息的基础上,根据实际线切割加工的情况,对图形轮廓进行了排序,形成适合实际加工的刀具路径,最后用数控代码实现线切割编程,形成数控代码。

虽然本系统已经基本达到了所必需的功能,但是还有许多工作需要去做,从而使系统更完善,以适应更多的需求和发展。主要有以下几方面:

1.随着线切割加工技术的发展,它所加工的零件也在不断变化,图像图线的结构变化过多,之间的拓扑关系也越来越复杂,要随着技术的发展不断更新和改进。

2.编程过程中所面临的困难是实际加工时情况复杂,将本编程系统与数据库技术相结合在大量试验基础上建立数据库和知识库,引入专家系统等技术以获得最佳的综合加工指标,最大限度地发挥本线切割编程功能,其实际应用价值将是巨大的。

3.在充分发挥自身特点的基础上应采用集成的概念。充分开放各自的开发技术平台,允许并欢迎各种其他领域的软件共同实现集成,集成各个软件的优秀功能。

4.另外加强对文件的组织管理以及引入远程邮件管理等,以扩展该系统的应用范围,使其功能提高一个档次。

三、本文小结

本文主要讨论了基于图像扫描矢量化的线切割编程系统的设计依据和原则及其主要功能,根据图像扫描矢量化的线切割编程系统功能的需求和结构特点,划分了系统的各个模块,从而构建系统的结构。分析了该系统总体工作的流程,给软件开发提供了参照和方向指导。

参考文献:

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