CN110488756B - 一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于软件编程技术领域，公开了一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法及系统，读取分类的板材CAD图形几何信息，根据解析得到的板材CAD图形几何信息，进行板材前后定位值、水平钻座钻头位置、垂直钻座位置规划和机床工序分配，自动规划出多排钻机床的加工路径；然后生成对应的加工参数；再基于路径规划的优化原则，对生成的加工参数路进行优化。本发明集成了加工路径规划和仿真校核两大功能，提高了多排钻机床加工的效率和智能化程度，保证了板材加工过程的安全性和准确性。本发明集成了加工路径规划和仿真校核两大功能，提高了多排钻机床加工的效率和智能化程度，保证了板材加工过程的安全性和准确性。

Description

一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法及系统

技术领域

本发明属于软件编程技术领域，尤其涉及一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法及系统。

背景技术

目前，最接近的现有技术：

随着人们生活水平的提高，作为日常生活必需品的家具行业不断发展，其中板式家具的发展最为迅速，这为板式家具机械的发展奠定了基础，对板材加工机械设备的加工精度、自动化程度都提出更高的要求，同时板材加工过程的准确性、高效性和智能化程度受到了越来越多的关注。

多排钻作为一种木工加工机械，在板式家具的加工中应用广泛，它是零部件钻孔采用的主要方法，是各类排钻加工处理的主要手段。现代排钻具备多排钻头的钻座，并且排钻之间可以相互进行协同进行钻孔加工。在板式生产加工中，板式家具的组装部件大多采用多排钻来加工，钻座中钻头的间距都进行了科学的控制，保证了加工孔的精度以及板材的质量；另外，在排钻加工过程中往往采用数控技术来实现自动控制。

多排钻机床在进行钻孔加工时，机床上的伺服电机控制机床的多排钻座运动到指定位置进行加工。钻孔的钻座由多个安装钻头的夹具构成，根据运动方向分为垂直钻座和水平钻座，其中垂直钻座每排由两段独立的钻座构成，水平钻座为单排，当钻孔的数量较多时，加工工艺的繁琐性也会增加。

在大部分多排钻机床加工过程中都是由工程师人工分析加工板材图纸得出多排钻的钻孔加工路径，由于工程师对多排钻机床设备了解不够透彻，他们分析得出的机床加工路径有可能是效率较低的或者不够合理的，这种采用人工编程的方式要求工程师经验非常丰富，费事费力。而工人通常只负责某类产品的多排钻加工，对于产品的了解不够全面，他们不能确定科学的钻孔模式来指导排钻作业。因此，现在的家具企业在多排钻加工环节，生产过程较原始，效率和智能化程度不够，导致多排钻机床的加工效益不能充分发挥。

排钻工序控制了板材所有加工孔的位置，由于所加工的板材是用于家具组装，而工序中加工孔尺寸不准确等问题不进行到组装环节很难发现。因此，排钻工序中发生的错误对家具的生产组装流程都会产生很大的影响，排钻加工工艺的准确性对整个生产过程意义重大。

目前，德国HOMAG(豪迈公司)开发了CNC(Computerized Numerical Control)软件编程系统woodWOP， woodWOP基于Windows操作系统，它的主要特点包括通过组件快速编程、DXF格式下CAD图纸的导入、工件和加工流程的图形描述等，一个大的图形区域位于woodWOP界面的中心，工件、工序和夹紧装置可在三维环境中显示。用户可以使用软件导入DXF格式的板材CAD图纸，用户可以在软件界面中编辑板材图形，在确认板材图形之后，woodWOP可以自动生成加工路径。同时用户可通过编辑加工参数对排钻加工工序进行简单、快速的编程，并可立即在图形区域看到加工的板材图形，从而进行对照检查，对加工进行校核。

意大利BIESSE(比亚斯公司)开发了一款CAD/CAM(Computer Aided Design/Computer Aided Manufacturing)软件B_SOLID，该软件可导入或绘制任何类型的项目(2D和3D)，从最简单到最复杂的项目均可完成。用户只需在软件界面中输入板材尺寸，然后简单的点击一下就能在屏幕查看即将加工的板材产品图形。同时B_SOLID软件能够模拟排钻机床的加工操作，仿真出加工路径效果图，这有利于在加工前修改和检查加工产品。

根据以上研究现状可以看到，编程系统如woodWOP和B_SOLID以不同的形式集成了板材的加工路径规划功能和仿真功能。

在多排钻编程系统中，加工路径规划的功能是根据板材的DXF图纸信息进行算法处理，自动计算并规划出多排钻机床的加工路径。多排钻机床是通过控制多排钻座到指定位置实现对板材中分布的孔群进行钻孔加工，由于机床的钻座数量有限，加工孔较多的板材可能需要多次工序才能加工完成。因此，加工路径规划算法涉及多个机床钻座的位置规划，同时需要进行合理的工序分配，将钻座的加工位置对应分配到各个工序，以保证加工工序最少，同时避免单次工序中加工钻座不必要的机械移动。

目前，针对对孔群加工路径规划算法现有技术进行了大量的研究。Symbiosis等人提出相对较新的路径优化算法混合蛙跳算法，结合改进的蛙跳算法确定钻孔加工的最佳路径，以保证钻孔加工过程的总时间最短，效率最高。Senniappan等人提出了一种结合A*和遗传算法对没有障碍物的加工平面的钻孔路径行进行优化，可以找到每个钻孔位置之间的近似最佳安全加工行进路径。杨彩虹、林守金、杨明等人提出了最近邻、遗传算法和禁忌搜索相融合的改进遗传算法，将禁忌算法的理念加入到遗传算法中，基于孔群的分布特点，建立的分析模型和旅行商问题相似，同时采用优化算法求解最短的加工路径。曾议，孙莉，孙友文等人提出改进的启发式算法，引入模糊规则集，建立多目标模糊优化模型，实现孔群加工过程的多目标优化，增强了算法的适用性，以求得加工路径的全局最优解。陈琳、刘晓琳、潘海鸿等人提出蚁群算法与贪心算法相结合的混合算法，采用蚁群算法对同一类型的孔进行处理，实现对同一类孔加工的刀具的总空程最短，对于不同种类孔群间，采用贪心算法进行过渡加工路径处理，从而提高加工效率。

排钻机床是利用多排钻座进行钻孔加工，一旦确定了钻座和钻头位置之后，机床就确定了加工路径，这种加工方式是静态非连续变化的，而在以上的研究中大多数孔群加工工艺是单个钻头在钻孔过程中连续动态地变化钻孔位置，目前对于多排钻这种钻孔加工模式的加工路径规划算法研究很少。

目前数控系统的加工仿真技术主要有几何仿真和力学仿真两种，几何仿真只仿真出刀具作几何体的运动，以验证数控程序的正确性。力学仿真通过仿真切削运动，研究优化切削参数。现阶段，数控加工仿真技术大多以几何仿真为主，几何仿真的数据源有两种，一种是加工的路径数据，另一种是路径数据经过后置处理之后的数控程序。

排钻编程系统的仿真功能是根据路径规划之后生成的加工路径仿真出机床的加工路径图，并且显示出根据加工路径加工出的板材的二维图形，这种仿真方式属于几何仿真的范畴。

针对几何仿真技术的研究目前已经开发出了很多成熟的仿真软件，商业化程度也比较高。CNC公司开发的Master CAM软件仿真界面，仿真部分整合了实体切削验证和刀具路径，让工件的参数调整和刀具的加工运动显示在同一个视图窗。日本索尼公司研究出了FREDAM系统，可以仿真出球头铣刀加工自由曲面，并以三维模型在界面中显示刀具加工路径与零件模型。

数码大方公司开发的CAXA数控编程软件，提供了加工路径仿真功能，从而验证数控加工代码的正确性，同时可以通过实体真实感仿真模拟加工过程，显示出加工余量；实现加工机构或者刀具在加工过程中的位置排布和干涉情况的查看和检查功能。另外，南京宇航研究所研发的YHCNC系列仿真软件，上海宇龙、北京斐克科技、南京斯沃等公司的数控加工也开发了相应仿真软件。

综上所述，现有技术存在的问题是：

(1)传统的多排钻机床在进行钻孔加工时，水平钻座为单排，当钻孔的数量较多时，加工工艺的繁琐性也会增加。

(2)采用人工编程方式的多排钻加工过程要求工程师经验非常丰富，且费时费力，同时缺少机床加工仿真与校核的过程，不能保证加工的安全性和准确性。

(3)现在的家具企业在多排钻加工环节，生产过程较原始，效率和智能化程度不够，导致多排钻机床的加工效益不能充分发挥。

(4)排钻工序控制了板材所有加工孔的位置，由于所加工的板材是用于家具组装，而工序中加工孔尺寸不准确等问题不进行到组装环节很难发现。

(5)目前用于木工生产的编程系统的源代码应用效果差。

(6)大多数孔群加工工艺是单个钻头在钻孔过程中连续动态地变化钻孔位置，对于多排钻这种钻孔加工模式的加工路径规划算法研究很少。造成工作效率低下。

解决上述技术问题的难度：

在现有问题中，特别是排钻结构较为复杂时，存在多种可行的加工规划，如何寻找满足加工需求的较优规划是一个难点，常规的手工编程及逻辑推理方式不能够较好解决该问题。

解决上述技术问题的意义：

通过导入图纸，自动识别钻孔类型及钻孔信息，自动生成加工路径及参数，解决了低效、易错的问题，另外优化了复杂排钻孔加工的规划，提高了加工的效率。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法及系统。

本发明是这样实现的，一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，所述木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法包括：

在完成板材CAD图形几何信息的分类读取之后，程序开始进行机床加工路径的规划。路径规划算法的主要功能是根据解析得到的几何信息自动规划出多排钻机床的加工路径，然后生成对应的加工参数。基于路径规划的优化原则，路径规划算法需要进行优化计算，保证机床对板材的加工工序数最少，在此前提下，尽量减少机床机构的移动距离，从而实现整个加工过程的时间最短，效率最优。

路径规划算法的功能划分如下：板材前后定位值、水平钻座钻头位置、垂直钻座位置规划和机床工序分配，如图24。

进一步，以六排钻机床来描述路径规划算法的处理过程为例进行具体分析。

板材前后定位值的确定

板材的前后定位值是板材在机床坐标系Y轴上的位置值。由于水平钻座在机床坐标系的Y轴方向位置不变，板材的前后定位值以水平钻座上的固定基准点作为基准，设前后定位值为FB前后。根据钻座安装标准，水平钻座上有22个钻头，每个钻头对应一个编号，板材的前后定位值是以水平钻座的0A号钻头作为Y方向的基准位置。在此基准位置，板材的前后定位值为0，如果板材向Y轴正向运动，前后定位值增加，为正值。如果板材向Y轴负向运动，前后定位值减小，为负值，如图25所示。

确定板材前后定位值的过程为：如果板材上没有侧孔，程序设定前后定位值

FB前后默认为320mm。如果板材上有侧孔，程序寻找板材中圆心Y坐标值最大的侧孔，调整前后定位值FB前后使得这个侧孔的圆心与288A号的钻头对齐，这样可以保证水平钻座一定能够加工到左右的侧孔，同时垂直钻座也能完全覆盖整个板材。

进一步，水平钻座钻头位置规划

由于水平钻座在机床坐标系的X轴和Z轴方向位置固定，只沿着Y轴运动，算法只需要根据侧孔数组计算出水平钻座的钻头位置和钻孔深度。

在确定前后定位值之后，木板在机床坐标系Y方向的位置固定，程序根据侧孔的位置计算水平钻座上的钻头位置。设侧孔对应的钻头在机床坐标系的坐标为y_钻，结合图23和图25的机构位置关系，可以推导出：

y_侧＝w-(y1-y3)/2。

y_钻＝FB_前后-y_侧。

程序遍历侧孔动态数组sideHole，根据公式(3-5)和(3-6)计算出加工每个侧孔的钻头位置y钻。如果 y_钻≥0，侧孔用水平钻座的A部分来加工。如果y_钻＜0，侧孔用水平钻座的B部分来加工。

进一步，垂直钻座加工路径规划

垂直钻座的加工位置规划需要考虑很多因素，比如垂直钻座之间的位置干涉、板材加工的效率、工作人员手动操作的便利性等，因此算法处理较复杂。

设多排钻机床中相邻纵向垂直钻座的最小安全距离为d₁，相邻的纵向垂直钻座与横向垂直钻座的最小安全距离为d₂，相邻横向垂直钻座的最小安全距离为d₃。

基于多排钻运动模型的分析，垂直钻座A、B部分各自的旋转和Y轴方向的纵向移动都是工作人员手动操作的。在垂直钻座初始状态，A、B两部分的钻头夹具在Y方向的坐标值是与水平钻座相等的，并且所有钻座都是纵向排布(和X轴平行)，如图26。根据图22建立的机床坐标系，从Z轴正向的视角俯视XY 平面，垂直钻座以顺时针方向旋转，A部分的旋转中心是160A号钻头的中心点，B部分的旋转中心是192B 号钻头的中心点。垂直钻座在Y轴纵向的位置是由A、B部分各自安装的仪表来度量的。在初始状态时，A 部分的仪表值是160mm，B部分的仪表值是192mm，当A、B向远离X轴的方向运动时，仪表值变大，否则，仪表值变小。同时，当垂直钻座A、B部分都为纵向方向时，它们相距最近的钻头夹具最小安全距离为32mm。由于手动操作需要花费更多的时间，应该尽量减少垂直钻座中A、B部分的旋转和在Y轴方向的纵向移动。

为了减少垂直钻座的手动操作运动，算法优先选择纵向垂直钻座来加工木板上的正面孔，由于钻座的钻头夹具是以32mm等距排布的，程序首先在正面孔数组中搜索X轴坐标相等并且Y轴坐标差值为32整数倍的正面孔，对于有序的正面孔，程序采用二分搜索算法，保证搜索过程的时间复杂度处于对数级别。满足条件的正面孔可以用单个垂直钻座来加工，程序将它们作为一组存入纵向垂直钻座对应的二维数组v_hole中，并从正面孔数组中删除，然后在正面孔数组剩下的正面孔中寻找Y轴坐标相等并且X轴坐标差值为32整数倍的正面孔，同样地采用二分搜索算法进行寻找，将这些孔作为一组存入横向垂直钻座对应的二维数组h_hole。

在将所有的正面孔分组完成之后，判断v_hole的大小。如果v_hole的大小大于4，由于六排钻只有4 个垂直钻座，那么在这种情况下所需的工序数大于1。板材正面孔的排布会出现一些特殊情况，例如可以用横向垂直钻座加工的正面孔数大于4(垂直钻座数)而用纵向垂直钻座加工的正面孔很少，如图27。在这种特殊情况下，如果算法依然按照先寻找纵向垂直钻座再寻找横向垂直钻座的方式对正面孔进行分类，尽管可以减少钻座旋转等人工操作所花费的时间，但是导致的结果是加工的工序数一定大于1，在这种情况下，算法需要在加工工序数和单次加工时间两个因素之间做出权衡。

基于路径规划的优化原则，加工工序数在算法中的优先级最高，算法应该尽可能的保证工序数最小，在这种特殊情况下，算法需要调整处理逻辑，首先在数组中寻找用横向垂直钻座加工的正面孔，然后将剩下的正面孔中分组用纵向垂直钻座来加工，使得单次工序完成加工的概率更高。

在将横向垂直钻座和纵向垂直钻座加工的正面孔分类之后，算法需要计算每一个垂直钻座的位置信息，包括垂直钻座在X轴和Y轴的位置、AB两部分的仪表值和排布方向(横向或者纵向)等信息，它们确定了垂直钻座的加工路径。程序定义二维数组vertical_p存放纵向垂直钻座的位置信息，二维数组 horizontal_p存放横向垂直钻座的位置信息。

对于纵向垂直钻座，每一个纵向垂直钻座vertical_p[i]对应一个正面孔数组v_hole[i]，设v_hole[i]中所有正面孔的X轴坐标为x纵向，纵向垂直钻座A部分的仪表值为m纵向A，B部分的仪表值为m纵向B。

由于纵向垂直钻座与机床坐标系Y轴平行，可知x纵向等于v_hole[i]正面孔元素的X坐标。

对于仪表值的计算，程序遍历v_hole[i]找到vertical_p[i]加工的正面孔中Y轴坐标最大值ymax和最小值ymin，然后按以下公式计算：

y_max-w+FB_前后≥0，m_纵A＝160+(y_max-w+FB_前后)％32。

y_max-w+FB_前后≤-32，m_纵A＝160。

y_min-w+FB_前后≥0；m_纵B＝192。

y_min-w+FB_前后＜0；m_纵B＝192+(y_min-w+FB_前后)％32。

算法计算出垂直钻座的位置信息并存入二维数组vertical_p和horizontal_p，实现了垂直钻座的位置规划。

进一步，多排钻机床加工工序的分配。

本发明采用贪心算法来进行加工工序分配，保证垂直钻座加工工序数最少。算法的处理顺序是：先对纵向垂直钻座排序并进行工序分配，然后对横向垂直钻座排序并进行工序分配，最后综合横向纵向钻座和水平钻座进行工序分配。

对于纵向垂直钻座，定义二维数组mach_v，数组的每个元素mach_v[i]对应每个工序的纵向垂直钻座位置，由于机床加工工序数不会超过3，mach_v初始大小为3。

纵向垂直钻座工序分配的算法处理过程如图15。

程序对vertical_p数组按照X坐标值的升序进行排序，排序算法采用快速排序，可以保证时间复杂度约为O(nlogn)。算法将vertical作为原始数组，令mach_h[0]＝vertical。程序循环遍历mach_v[k]，设mach_v[k] 的大小为sz_v，在遍历过程中，如果|mach_v[k][i]–mach_[k][i-1]|<d1，则说明这个纵向垂直钻座和前一个位置的纵向垂直钻座距离小于安全距离，会发生干涉，程序将mach_v[k][i]从mach_v[k]中删除并添加到mach_v[k+1]，表示这个纵向垂直钻座用于下一个工序加工。

在遍历完mach_v[k]之后，如果mach_v[k]的大小大于4，由于垂直钻座个数不超过4，程序将mach_v[k] 第4个元素之后的所有元素添加到mach_v[k+1]，否则跳过，令k加1，然后判断如果mach_v[k+1]非空，程序进入下一次循环，用同样的方法循环处理mach_v[k+1]，否则，程序结束处理。在算法处理结束之后，工序数组mach_v[k]对应第k次工序纵向垂直钻座的位置信息，mach_v的大小代表工序数。

对于水平钻座，定义二维数组mach_h，数组的每一个元素mach_h对应每个工序的水平钻座位置， mach_h初始大小为3。

水平钻座工序分配的算法处理过程如图16，处理过程和垂直钻座类似，在算法处理结束之后，计算得到的工序数组mach_h[k]对应第k次工序水平垂直钻座的位置信息，mach_h的大小代表工序数。

在算法计算出mach_v和mach_h之后，结合纵向垂直钻座和水平钻座的位置信息处理如图17。

程序依次遍历水平钻座工序数组mach_h的每个元素mach_h[i]，对于mach_h[i]中每一个水平钻座 mach_h[i][j]，同时遍历纵向mach_v[i]的每个元素mach_v[i][k]。如果|mach_h[i][j]-mach_v[i][k]|＜d₂，将mach_h[i][j]从数组mach_h[i]中删除并添加到mach_h[i+1]，否则跳过，程序继续往后遍历。在循环处理完mach_h[i]之后，程序继续按照同样的方法处理mach_h[i+1]，以此类推，直到处理完整个数组mach_h 结束。

在对数组mach_v和mach_p计算完成之后，算法确定了多排钻机床的加工工序数以及每一次工序中垂直钻座的位置信息。

由于水平钻座和垂直钻座机构位置不会形成冲突，且水平钻座对侧孔的加工只需要一次工序，程序将水平钻座的加工加入到第一次工序中。

综上，路径规划算法通过以上步骤，对多排钻机床的加工路径进行规划，实现了加工工序最少。

本发明的另一目的在于提供一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统包括：界面显示模块、板材图形解析模块、数据管理模块、路径规划模块、仿真与校核模块。

界面显示模块，用于软件与用户的直接交互，显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图。

板材图形解析模块，用于实现在线浏览板材图形功能。

数据管理模块，用于加工参数的管理。

路径规划模块，通过路径规划算法处理，根据板材CAD图形的几何信息自动规划出加工路径。

加工仿真与校核模块，通过虚拟加工，仿真出加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形。和预期的加工板材进行尺寸对比，验证加工路径的正确性。

进一步，所述板材图形解析模块还用于：

(3)首先解析出板材CAD图形的几何信息，写入到几何信息存储文件中。

(4)同时几何信息被转换成用于图形显示的数据，然后被写入中间文件，用于实现在线浏览板材图形功能。

所述路径规划模块还用于：

(4)程序首先加载几何信息存储文件的数据。

(5)经路径规划算法处理，规划出机床的加工路径。

(6)通过优化计算对多排钻加工工序进行分配。

所述加工仿真与校核模块还用于：

(4)编程系统根据加工参数，模拟加工过程进行计算，将各个容器中的加工参数转换成板材加工数据。

(5)然后分别通过仿真和校核模块转换为圆、直线、点等几何数据。

(6)将这些几何数据传递给图形可视化模块，在界面视图仿真出机床的加工路径，并显示虚拟加工板材的二维图形。

进一步，所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统进一步包括：

界面层，用于显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，是软件与用户的直接交互界面，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图。

业务逻辑层，负责对应模块的业务逻辑处理，对传入的数据进行审核并作出相应的处理，把数据传送给数据通信层或者返回给界面层，包含板材图形解析模块、路径规划模块、仿真与校核模块和图形可视化模块。

数据通信层，根据业务逻辑层的请求对文件数据进行读写，或者使用通信协议与下位机进行数据传输。

综上所述，本发明的优点及积极效果为：

本发明集成了加工路径规划和仿真校核两大功能，提高了多排钻机床加工的效率和智能化程度，保证了板材加工过程的安全性和准确性。

本发明提供的自动编程系统能够根据加工参数显示出虚拟加工板材的二维图，用户通过查看二维图形中加工孔的尺寸并与板材CAD图形孔进行对比，可以对加工参数进行校核，验证了加工校核功能可以正常运行。

本发明通过了多排钻机床加工测试，首先选用长度650mm、宽度180mm、厚度20mm的板材，在CAD 软件上设计板材的加工孔图形；在编程系统图纸浏览界面选择板材图纸对应的DXF文件Test-F.dxf，编程系统处理图形，通过加工路径规划仿真的加工路径图和工序分配，对加工进行校核，可以验证加工路径的正确性。

编程系统校核成功之后，下位机控制多排钻机床进行钻孔加工得到板材。

测量实际加工的板材尺寸，然后和板材CAD图纸尺寸进行对比，验证了加工的板材符合预期尺寸要求。

通过机床加工的三步测试，表明，经过多排钻编程系统的加工路径规划和加工校核，六排钻机床能正确地加工出板材，验证了多排钻编程系统的实用性。

本发明基于数控多排钻机床的加工工艺以及上下位机的控制系统结构，分析了上位机自动编程系统的加工路径规划和加工仿真校核两大功能需求，搭建了自动编程系统的整体架构，并对架构中板材图形解析、路径规划、仿真与校核模块进行了分析设计，总结了设计开发的关键技术。

通过对数控多排钻机床运动模型的分析，提出了基于贪心法和二分搜索算法的路径规划算法。采用二分搜索算法进行加工孔的搜索，实现了多排钻机床钻座的位置规划，基于贪心算法实现机床加工工序的分配，对钻座加工路径和工序分配进行优化。

在六排钻机床上搭建了自动编程系统的功能测试平台，测试了自动编程系统的加工路径规划和加工校核功能，并进行了多排钻机床现场加工测试。测试结果表明多排钻自动编程系统可以根据板材DXF图纸正确地规划出机床加工路径，并进行加工路径仿真和二维图形尺寸校核，在校核成功之后多排钻机床能够加工出符合要求的板材，验证了自动编程系统良好的可用性和实用性。

附图说明

图1是本发明实施例提供的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统的模块划分和总体架构示意图。

图2是本发明实施例提供的多排钻编程系统的数据处理流程图。

图3是本发明实施例提供的路径规划算法的功能示意图。

图4是本发明实施例提供的多排钻数控系统整体结构。

图5是本发明实施例提供的人工编程的多排钻加工过程。

图6是本发明实施例提供的自动编程加工流程图。

图7是本发明实施例提供的自动编程系统主要功能。

图8是本发明实施例提供的自动编程系统分层架构图。

图9是本发明实施例提供的自动编程系统数据处理流程图。

图10是本发明实施例提供的板材CAD图形数据解析。

图11是本发明实施例提供的板材CAD图形预览。

图12是本发明实施例提供的机床加工路径规划过程。

图13是本发明实施例提供的虚拟加工过程。

图14是本发明实施例提供的处理几何信息文件流程图。

图15是本发明实施例提供的垂直钻座工序分配示意图。

图16是本发明实施例提供的水平钻座工序分配示意图。

图17是本发明实施例提供的垂直和水平钻座综合处理。

图18是本发明实施例提供的加工参数分类示意图。

图19是本发明实施例提供的加工参数界面布局设计。

图20是本发明实施例提供的模型/视图模式结构。

图21是本发明实施例提供的模型/视图结构UML图。

图22是本发明实施例提供的六排钻机床加工机构模型。

图23是本发明实施例提供的木板左视图。

图24是本发明实施例提供的路径规划算法主要功能示意图。

图25是本发明实施例提供的木工板材前后定位的基准位置。

图26是本发明实施例提供的垂直钻座初始位置。

图27是本发明实施例提供的正面孔排布特殊情况。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

传统的多排钻机床在进行钻孔加工时，水平钻座为单排，当钻孔的数量较多时，加工工艺的繁琐性也会增加。采用人工编程方式的多排钻加工过程要求工程师经验非常丰富，且费时费力，同时缺少机床加工仿真与校核的过程，不能保证加工的安全性和准确性。现在的家具企业在多排钻加工环节，生产过程较原始，效率和智能化程度不够，导致多排钻机床的加工效益不能充分发挥。

排钻工序控制了板材所有加工孔的位置，由于所加工的板材是用于家具组装，而工序中加工孔尺寸不准确等问题不进行到组装环节很难发现。

大多数孔群加工工艺是单个钻头在钻孔过程中连续动态地变化钻孔位置，对于多排钻这种钻孔加工模式的加工路径规划算法研究很少。造成工作效率低下。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统及方法。

下面结合具体方案对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明实施例提供的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统，具体包括：界面显示模块、板材图形解析模块、数据管理模块、路径规划模块、仿真与校核模块。

界面显示模块，用于软件与用户的直接交互，显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图。

板材图形解析模块，用于实现在线浏览板材图形功能。

数据管理模块，用于加工参数的管理。

路径规划模块，通过路径规划算法处理，根据板材CAD图形的几何信息自动规划出加工路径。

加工仿真与校核模块，通过虚拟加工，仿真出加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形。和预期的加工板材进行尺寸对比，验证加工路径的正确性。

在本发明实施例中，所述板材图形解析模块的实现过程为：

(1)首先解析出板材CAD图形的几何信息，写入到几何信息存储文件中。

(2)同时几何信息被转换成用于图形显示的数据，然后被写入中间文件，用于实现在线浏览板材图形功能。

在本发明实施例中，所述板材CAD图形几何信息的解析实现过程为：

(1)处理程序打开DXF文件，基于DXF文件格式特征，对文件数据进行解析处理，读取DXF文件中木工板材图形的相关几何数据到内存。

(2)并将图形几何数据转换成用于图形可视化的数据，然后将数据写入中间文件。

在本发明实施例中，所述板材图形在线浏览的实现过程为：

(1)程序打开中间文件，加载用于图形显示的数据，并传递给图形可视化模块，实现板材CAD图形的显示。

(2)同时本地文件列表被映射到自动编程系统界面中，方便用户选择对应的板材DXF文件。

在本发明实施例中，所述路径规划模块实现过程为：

(1)程序首先加载几何信息存储文件的数据。

(2)经路径规划算法处理，规划出机床的加工路径。

(3)通过优化计算对多排钻加工工序进行分配。

在本发明实施例中，所述加工路径包括机床钻座位置、钻孔深度、木板位置等信息，它们确定了多排钻机床的加工路径。

在本发明实施例中，所述加工仿真与校核模块的实现过程为：

(1)编程系统根据加工参数，模拟加工过程进行计算，将各个容器中的加工参数转换成板材加工数据。

(2)然后分别通过仿真和校核模块转换为圆、直线、点等几何数据。

(3)将这些几何数据传递给图形可视化模块，在界面视图仿真出机床的加工路径，并显示虚拟加工板材的二维图形。

在本发明实施例中，所述加工参数包括木板参数、机床钻座参数和钻头参数。显示钻头参数的视图表格使用Qt的模型/视图(Model/View)模式来设计，分离了界面显示的钻头信息和底层模型的数据，视图中钻头信息的显示效果由代理来渲染，当在界面表格中编辑钻头信息时，模型和视图直接进行通信。

在本发明实施例中，本发明提供一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统进一步包括：界面层、业务逻辑层、数据通信层。

界面层，主要是用于显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，是软件与用户的直接交互界面，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图。

业务逻辑层，负责对应模块的业务逻辑处理，对传入的数据进行审核并作出相应的处理，把数据传送给数据通信层或者返回给界面层，包含板材图形解析模块、路径规划模块、仿真与校核模块和图形可视化模块。

数据通信层，根据业务逻辑层的请求对文件数据进行读写，或者使用通信协议与下位机进行数据传输。

如图2所示，在本发明实施例中，所述多排钻编程系统的数据处理流程为：

(1)用户在自动编程系统界面选择板材图纸文件，程序解析出其中的图形几何信息，路径规划模块规划出机床加工路径，生成对应的加工参数。

(2)然后仿真与校核模块根据加工参数进行虚拟加工，仿真出机床的加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形，用户通过查看二维图形尺寸可以校核加工参数的正确性。

(3)校核成功之后，自动编程系统将加工参数转换成G代码存到文件并传输到下位机，下位机解析 G代码，控制多排钻机床加工。

如图3所示，在本发明实施例中，本发明提供一种基于贪心法的路径规划算法的实现方法，具体功能包括：处理木工板材的CAD图形几何信息。推算出多排钻机床的加工路径。同时生成对应的加工参数，用于指导加工。

路径规划算法的功能划分如下：板材前后定位值的确定、水平钻座钻头位置规划、垂直钻座位置规划、机床工序分配。

板材前后定位值，是板材在机床坐标系Y轴上的位置值。确定板材前后定位值的过程为：

(1)如果板材上没有侧孔，程序设定前后定位值FB_前后默认为320mm。

(2)如果板材上有侧孔，程序寻找板材中圆心Y坐标值最大的侧孔，调整前后定位值FB_前后后使得这个侧孔的圆心与288A号的钻头对齐，这样可以保证水平钻座一定能够加工到左右的侧孔，同时垂直钻座也能完全覆盖整个板材。

水平钻座钻头位置规划，在确定前后定位值之后，木板在机床坐标系Y方向的位置固定，程序根据侧孔的位置计算水平钻座上的钻头位置。

垂直钻座位置规划，利用二分搜索算法对垂直钻座加工路径进行规划。

机床工序分配，先对纵向垂直钻座排序并进行工序分配，然后对横向垂直钻座排序并进行工序分配，最后综合横向纵向钻座和水平钻座进行工序分配。

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的描述。

实施例

1、多排钻自动编程系统总体设计

多排钻机床数控系统采用上下位机设计，编程系统位于上位机部分，主要负责人机交互、数据处理、机床加工路径规划、加工仿真与校核等功能。本章基于数控多排钻机床加工工艺和控制系统的整体结构，分析了自动编程系统的需求，明确了编程系统要实现的功能，然后设计了编程系统的总体架构，最后对本发明中的关键技术进行了总结。

1.1数控多排钻机床结构及加工工艺

数控多排钻机床由多排垂直钻部件、左右水平钻部件、板材压料部件、左右输送部件组成，其中垂直钻座和水平钻座是钻孔加工的基本单元，不同类型的多排钻根据垂直钻座的数量来区分，水平钻座只有左右两个，每排钻座上有多个安装钻头的夹具，相邻夹具的钻头圆心距离是等距的，标准等距距离为32mm，可以选择性地在钻座上安装钻头。

垂直钻座的结构图中，伺服电机A控制钻座水平运动，伺服电机B控制钻座垂直于加工表面作进给运动，电机D控制钻头的旋转。垂直钻座由两段独立的排钻组成，两段排钻可以分别进行纵向移动，旋转气缸可以驱动钻座作旋转运动。这种设计的好处是保证垂直钻座可以加工到板材表面上的每个位置。

水平钻座的机械控制结构垂直钻座类似，不同的是水平钻座是单排钻座，只沿着水平方向运动做钻孔的进给运动。

当多排钻进行加工时，根据板材图纸上加工孔的位置，垂直钻座和水平钻座在指定的夹具位置安装钻头，然后伺服电机控制各个垂直钻座水平移动到指定位置，之后根据需要通过伺服电机控制钻座纵向移动，钻座也可以通过旋转气缸控制旋转90°。在垂直钻座位置确定之后，伺服电机启动各个钻座上的钻头，然后钻座垂直于加工表面作进给运动，实现钻孔加工。

由于多排钻机床中钻座、钻头等结构的距离限制，如果板材上一些相邻孔的距离如果小于机床机构的安全距离，为了避免机构的干涉，板材需要经过多次加工得到，导致板材成品需要经过多个工序加工完成。

1.2数控多排钻机床控制系统

数控多排钻控制系统一般采用上下位机结构，上位机采用PC实现人机交互界面，下位机进行运动控制，如图4。用户在上位机的界面上输入机床的加工参数，加工参数包含加工钻座的位置信息、板材尺寸、钻头尺寸等信息，可以确定多排钻机床的加工路径，上位机对加工参数进行逻辑处理之后，将加工参数转换成加工G代码并通过以太网传输给下位机的控制器。运动控制器根据上位机传输的加工参数对机床伺服系统进行运动控制，从而控制多排钻机床进行加工。本发明下位机控制器采用MC800-8型运动控制器。

1.3自动编程系统需求分析

在多排钻控制系统的应用过程中，如果没有自动编程系统，需要工程师根据经验，结合板材的CAD图形分析出机床的加工参数，实现人工编程确定加工路径，然后生成加工G代码，如图5。

采用人工编程方式的多排钻加工过程要求工程师经验非常丰富，且费时费力，同时缺少机床加工仿真与校核的过程，不能保证加工的安全性和准确性。

自动编程系统可以实现自动解析板材CAD图形尺寸信息，并采用路径规划算法规划出机床的加工路径，再经过逻辑处理生成加工G代码，从而提高整个加工过程的效率和智能化程度。在路径规划之后，编程系统可以进行虚拟加工，仿真出机床的加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形，用户可以将虚拟加工板材和期望加工板材进行尺寸对比，用于校核加工路径的正确性。

系统在加入自动编程之后，采用上下位机结构，其中多排钻编程系统位于上位机，代替了人工编程的方式，其数据流处理过程如图6。

根据以上分析，本发明研究的多排钻编程系统位于上位机，主要承担木工板材CAD图形解析、加工参数管理、加工路径规划、加工仿真与校核、友好的操作界面显示等功能，多排钻编程系统的功能需求如下：

界面设计友好，方便用户操作，可用性和可靠性好。

具有板材CAD图形的解析功能，能够解析出加工板材中的主要几何信息。

加工路径规划功能，通过路径规划算法处理，根据板材CAD图形的几何信息自动规划出加工路径。

具有机床加工仿真与校核功能，编程系统能够进行虚拟加工，仿真出加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形，用户能够查看二维图形的尺寸信息，然后和预期的加工板材进行尺寸对比，验证加工路径的正确性。

1.4自动编程系统总体架构

本发明针对数控多排钻系统结构和自动编程系统的需求分析，采用Windows操作系统，将 Qt5.3.2-msvc2010-openGL作为自动编程系统界面开发的平台。

在自动编程系统中，需要设计的主要功能有界面显示、数据管理、板材图形解析、路径规划和加工校核，如图7。

基于自动编程系统的功能需求，搭建三层架构如图8。界面层，主要是用于显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，是软件与用户的直接交互界面，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图。业务逻辑层，负责对应模块的业务逻辑处理，对传入的数据进行审核并作出相应的处理，把数据传送给数据通信层或者返回给界面层，包含板材图形解析模块、路径规划模块、仿真与校核模块和图形可视化模块。数据通信层，根据业务逻辑层的请求对文件数据进行读写，或者使用通信协议与下位机进行数据传输。

多排钻编程系统的数据处理流程为：用户在自动编程系统界面选择板材图纸文件，程序解析出其中的图形几何信息，路径规划模块规划出机床加工路径，生成对应的加工参数，然后仿真与校核模块根据加工参数进行虚拟加工，仿真出机床的加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形，用户通过查看二维图形尺寸可以校核加工参数的正确性。校核成功之后，自动编程系统将加工参数转换成G代码存到文件并传输到下位机，下位机解析G代码，控制多排钻机床加工，如图9所示。

在自动编程系统的分层架构图中，主要的功能模块有板材图形解析模块、路径规划模块和仿真与校核模块。

1.4.1板材图形解析模块

由于板材CAD图纸文件作为自动编程系统的输入，为了实现自动编程，板材的图形几何数据需要被解析出来，用于路径规划处理。同时为了方便用户查看本地板材图纸，自动编程系统需要具备图纸文件浏览功能，在界面能够直接预览出板材CAD图形。

本发明针对板材DXF格式的CAD图纸实现图形解析功能，首先解析出板材图形的几何信息，写入到几何信息存储文件中。同时几何信息被转换成用于图形显示的数据，然后被写入中间文件，用于实现在线浏览板材图形功能。

在板材CAD图形几何信息的解析实现过程中，处理程序打开DXF文件，基于DXF文件格式特征，对文件数据进行解析处理，读取DXF文件中木工板材图形的相关几何数据到内存，并将图形几何数据转换成用于图形可视化的数据，然后将数据写入中间文件，如图10。

板材图形在线浏览的实现过程为：程序打开中间文件，加载用于图形显示的数据，并传递给图形可视化模块，实现板材CAD图形的显示，同时本地文件列表被映射到自动编程系统界面中，方便用户选择对应的板材DXF文件，如图11所示。

1.4.2路径规划模块

通过木工板材的CAD图形几何信息，本发明采用合理的路径规划算法，规划多排钻机床的加工路径，同时生成加工参数。路径规划算法需要进行机床加工工序分配，规划出加工所需的工序数以及每个工序的加工路径。其过程的数据流如图12所示，程序首先加载几何信息存储文件的数据，经过路径规划算法处理，规划出机床的加工路径，加工路径包括机床钻座位置、钻孔深度、木板位置等信息，它们确定了多排钻机床的加工路径，之后通过优化计算对多排钻加工工序进行分配。

在数控多排钻的加工过程中，对于同一个板材，可以采用不同工艺实现不同加工路径得到，而由于加工路径的不同，加工的效率会存在差异。其中，加工工序数和单次加工工序的时间决定了多排钻加工效率。在每个工序中，机构移动到指定位置就确定了此次工序的加工路径，机床会以相同的加工路径批量加工板材，机床加工时间和工序次数正比例相关，加工工序数是影响多排钻加工时间的首要因素，单次工序中机构的移动时间是次要因素。因此，路径规划算法的优化原则是在工序分配的过程中，优化计算得出最少的加工工序次数，同时优化单次工序的加工时间。

1.4.3仿真与校核模块

在自动编程系统中进行机床的虚拟加工，可以通过加工路径图形的显示，给用户提供更加直观的体验，为了校核加工路径的正确性，编程系统需要显示虚拟加工板材的二维图形，并提供给用户尺寸查看功能，用于和预期板材尺寸对比。

经过路径规划生成的加工参数确定了加工路径，它们作为虚拟加工过程的输入，由于种类繁多，需要被分类并存入合适的数据容器中。

在虚拟加工过程中，编程系统根据多排钻机床加工过程中机构的位置关系，模拟加工过程进行计算，将各个容器中的加工参数转换成板材加工数据，然后分别通过仿真和校核模块转换为圆、直线、点等几何数据，将这些几何数据传递给图形可视化模块，在界面视图仿真出机床的加工路径，并显示虚拟加工板材的二维图形，如图13。

2、基于贪心法的路径规划算法分析

路径规划算法是多排钻编程系统的核心，它的主要功能是处理木工板材的CAD图形几何信息，推算出多排钻机床的加工路径，同时生成对应的加工参数，用于指导加工。分析了多排钻机床加工过程中钻座的运动特点，然后对路径规划算法进行设计实现，完成了从板材CAD图形自动生成加工路径的过程。

2.1数控多排钻机床运动模型分析

数控多排钻机床的加工对象是木板板材(形状为长方体)，加工方式是以板材的钻孔加工为主。以六排钻加工模型建立机床坐标系，它由四个下垂直钻座和两个水平钻座组成。

在机床坐标系中，板材在X方向和Z方向的位置是固定不变的，而在Y方向上，传送带可以调整板材在Y方向的前后定位位置，同时机床上安装有滑动挡块，它可以固定板材在Y方向的起始位置。

在机床坐标系中，伺服电机控制下垂直钻座沿着X轴水平移动，沿着Z轴正向作进给运动对加工板材下表面钻孔。每个垂直钻座分为A、B两段独立的部分，它们跟随垂直钻座作为整体沿着X轴方向运动，同时各自可以独立地旋转90°使得垂直钻座方向由纵向变为横向，并且可以沿着Y方向纵向运动。

水平钻座沿着X轴方向运动对板材左右表面进行钻孔，不能进行Y轴方向的移动，也不能旋转。由于板材左右表面加工孔固定在板材厚度的一半位置处，水平钻座不进行Z轴方向的运动。

在多排钻机床加工的过程中，首先固定加工板材到机床上，确定加工板材在Y轴方向的位置，在各个钻座(包括垂直和水平钻座)的指定夹具位置安装钻头，然后移动各个垂直钻座到X轴上指定的位置，按照需要旋转垂直钻座的A、B部分，调整它们在Y方向的纵向位置。在确定了所有加工机构的位置之后，启动加工钻头，各个钻座垂直于加工表面作进给运动进行钻孔，从而实现板材的加工。其中，机构的运动涉及到电机自动控制和工作人员手动操作，垂直钻座A、B部分各自的旋转和在Y方向上的运动是通过手动操作的，其他的运动都是伺服电机控制。

六排钻由下垂直钻座和左右水平钻座组成，下垂直钻座对板材下表面钻孔得到正面孔，水平钻座对板材左右表面钻孔得到侧孔。在六排钻的加工板材CAD图形中，大矩形代表板材轮廓，小矩形代表侧孔，圆形代表正面孔。

2.2板材CAD图形几何信息处理

在板材图形解析模块处理之后，会解析出板材CAD图形中的几何信息，这些几何信息不能被路径规划模块直接使用，需要将它们按照一定的格式写入几何信息存储文件，然后路径规划模块再进行读取处理。

2.2.1几何信息文件结构设计

加工板材CAD图形中包含圆形和矩形两种图形的几何信息，需要将它们根据类型分段存储到文件中。

板材图形几何信息文件的存储结构设计，代表正面孔的圆形信息以Circle字段开头，存储着正面孔的尺寸信息，其中包含孔的圆心在CAD坐标系中的X坐标、Y坐标以及孔的直径。代表侧孔或者板材轮廓的图形信息以POLYLINE4字段开头，其中的矩形顶点信息以VERTEX字段开头，包含了这些顶点在CAD坐标系中的坐标信息(包括X坐标、Y坐标)。

2.2.2几何信息分类读取的实现

在几何信息存储到文件之后，程序需要将它们分类读取到内存用于其他模块使用。基于几何信息存储文件的存储格式，几何信息分类读取的流程如图14。

程序打开文件，循环读取文件中每一行的信息。如果标志头为POLYLINE4，那么继续读取下一行信息，如果为VERTEX顶点标志，继续读取下一行信息，将顶点的坐标信息存入顶点数组vertex，否则，返回进入下一次循环。读取完所有的顶点信息之后，遍历顶点数组vertex，找到所有顶点中X、Y坐标值的最大值 x_max、y_max以及最小值x_min、y_min，设板材的长度为l，宽度为w，可以得出公式：

l＝x_max-x_min (3-1)

w＝y_max-y_min (3-2)

程序根据公式(3-1)和(3-2)计算出板材尺寸，然后继续寻找侧孔的尺寸信息，由于木板CAD图形中只有仰视图，侧孔是以矩形图形表示在其中，侧孔矩形中的顶点坐标是介于木板的顶点坐标范围之间。设组成侧孔矩形的顶点X轴坐标为x_侧，Y轴坐标为y_侧，可以得出坐标限制条件为：x_min≤x_侧≤x_max和 y_min≤y_侧≤y_max。

算法程序过滤掉不满足坐标限制条件的顶点得到所有侧孔的顶点坐标，然后计算出侧孔的直径和深度。基于木板的仰视图，建立平面坐标系，设侧孔的深度为s，直径为d，组成侧孔矩形的四个顶点为。 v1(x1,y1),v2(x2,y2),v3(x3,y3),v4(x4,y4)。

根据顶点位置关系，得出公式：

d＝y1-y4 (3-3)

s＝x2-x1 (3-4)

结合图23得出公式：

(3-5)

y_侧＝w-(y1-y3)/2

程序根据公式(3-3)、(3-4)和(3-5)计算出所有侧孔的深度s、直径d和y_侧，然后存入侧孔数组sideHole。

如果标志头为Circle，程序读取下一行信息，其中包含正面孔圆心的X轴坐标、Y轴坐标和直径，程序将它们存入正面孔数组circle中。

在处理完几何信息存储文件之后，处理程序将几何信息按照木板、侧孔和正面孔的类型分别存入了对应的变量和数组中，实现了几何信息的分类读取。

2.3加工路径规划算法的实现

在完成板材CAD图形几何信息的分类读取之后，程序开始进行机床加工路径的规划。路径规划算法的主要功能是根据解析得到的几何信息自动规划出多排钻机床的加工路径，然后生成对应的加工参数。基于路径规划的优化原则，路径规划算法需要进行优化计算，保证机床对板材的加工工序数最少，在此前提下，尽量减少机床机构的移动距离，从而实现整个加工过程的时间最短，效率最优。

路径规划算法的功能划分如下：板材前后定位值、水平钻座钻头位置、垂直钻座位置规划和机床工序分配。

以六排钻机床来描述路径规划算法的处理过程为例进行具体分析。

2.3.1板材前后定位值的确定

板材的前后定位值是板材在机床坐标系Y轴上的位置值。由于水平钻座在机床坐标系的Y轴方向位置不变，板材的前后定位值以水平钻座上的固定基准点作为基准，设前后定位值为FB前后。根据钻座安装标准，水平钻座上有22个钻头，每个钻头对应一个编号，板材的前后定位值是以水平钻座的0A号钻头作为Y方向的基准位置。在此基准位置，板材的前后定位值为0，如果板材向Y轴正向运动，前后定位值增加，为正值。如果板材向Y轴负向运动，前后定位值减小，为负值。

确定板材前后定位值的过程为：如果板材上没有侧孔，程序设定前后定位值

FB前后默认为320mm。如果板材上有侧孔，程序寻找板材中圆心Y坐标值最大的侧孔，调整前后定位值FB前后使得这个侧孔的圆心与288A号的钻头对齐，这样可以保证水平钻座一定能够加工到左右的侧孔，同时垂直钻座也能完全覆盖整个板材。

2.3.2水平钻座钻头位置规划

由于水平钻座在机床坐标系的Y轴和Z轴方向位置固定，只沿着X轴运动，算法只需要根据侧孔数组计算出水平钻座的钻头位置和钻孔深度。其中，钻孔深度等于对应侧孔数组元素的深度s。

在确定前后定位值之后，木板在机床坐标系Y方向的位置固定，程序根据侧孔的位置计算水平钻座上的钻头位置。设侧孔对应的钻头在机床坐标系的坐标为y_钻，结合机构位置关系，可以推导出：

y_钻＝FB_前后-y_侧 (3-6)

程序遍历侧孔动态数组sideHole，根据公式(3-5)和(3-6)计算出加工每个侧孔的钻头位置y钻。如果 y_钻≥0，侧孔用水平钻座的A部分来加工。如果y_钻＜0，侧孔用水平钻座的B部分来加工。

2.3.3垂直钻座加工路径规划

垂直钻座的加工位置规划需要考虑很多因素，比如垂直钻座之间的位置干涉、板材加工的效率、工作人员手动操作的便利性等，因此算法处理较复杂。

设多排钻机床中相邻纵向垂直钻座的最小安全距离为d₁，相邻的纵向垂直钻座与横向垂直钻座的最小安全距离为d₂，相邻横向垂直钻座的最小安全距离为d₃。

基于多排钻运动模型的分析，垂直钻座A、B部分各自的旋转和Y轴方向的纵向移动都是工作人员手动操作的。在垂直钻座初始状态，A、B两部分的钻头夹具在Y方向的坐标值是与水平钻座相等的，并且所有钻座都是纵向排布(和X轴平行)。根据建立的机床坐标系，从Z轴正向的视角俯视XY平面，垂直钻座以顺时针方向旋转，A部分的旋转中心是160A号钻头的中心点，B部分的旋转中心是192B号钻头的中心点。垂直钻座在Y轴纵向的位置是由A、B部分各自安装的仪表来度量的。在初始状态时，A部分的仪表值是160mm，B部分的仪表值是192mm，当A、B向远离X轴的方向运动时，仪表值变大，否则，仪表值变小。同时，当垂直钻座A、B部分都为纵向方向时，它们相距最近的钻头夹具最小安全距离为32mm。由于手动操作需要花费更多的时间，应该尽量减少垂直钻座中A、B部分的旋转和在Y轴方向的纵向移动。

为了减少垂直钻座的手动操作运动，算法优先选择纵向垂直钻座来加工木板上的正面孔，由于钻座的钻头夹具是以32mm等距排布的，程序首先在正面孔数组中搜索X轴坐标相等并且Y轴坐标差值为32整数倍的正面孔，对于有序的正面孔，程序采用二分搜索算法，保证搜索过程的时间复杂度处于对数级别。满足条件的正面孔可以用单个垂直钻座来加工，程序将它们作为一组存入纵向垂直钻座对应的二维数组 v_hole中，并从正面孔数组中删除，然后在正面孔数组剩下的正面孔中寻找Y轴坐标相等并且X轴坐标差值为32整数倍的正面孔，同样地采用二分搜索算法进行寻找，将这些孔作为一组存入横向垂直钻座对应的二维数组h_hole。

在将所有的正面孔分组完成之后，判断v_hole的大小。如果v_hole的大小大于4，由于六排钻只有4 个垂直钻座，那么在这种情况下所需的工序数大于1。板材正面孔的排布会出现一些特殊情况，例如可以用横向垂直钻座加工的正面孔数大于4(垂直钻座数)而用纵向垂直钻座加工的正面孔很少。在这种特殊情况下，如果算法依然按照先寻找纵向垂直钻座再寻找横向垂直钻座的方式对正面孔进行分类，尽管可以减少钻座旋转等人工操作所花费的时间，但是导致的结果是加工的工序数一定大于1，在这种情况下，算法需要在加工工序数和单次加工时间两个因素之间做出权衡。

基于路径规划的优化原则，加工工序数在算法中的优先级最高，算法应该尽可能的保证工序数最小，在这种特殊情况下，算法需要调整处理逻辑，首先在数组中寻找用横向垂直钻座加工的正面孔，然后将剩下的正面孔中分组用纵向垂直钻座来加工，使得单次工序完成加工的概率更高。

在将横向垂直钻座和纵向垂直钻座加工的正面孔分类之后，算法需要计算每一个垂直钻座的位置信息，包括垂直钻座在X轴和Y轴的位置、AB两部分的仪表值和排布方向(横向或者纵向)等信息，它们确定了垂直钻座的加工路径。程序定义二维数组vertical_p存放纵向垂直钻座的位置信息，二维数组 horizontal_p存放横向垂直钻座的位置信息。

对于纵向垂直钻座，每一个纵向垂直钻座vertical_p[i]对应一个正面孔数组v_hole[i]，设v_hole[i]中所有正面孔的X轴坐标为x纵向，纵向垂直钻座A部分的仪表值为m纵向A，B部分的仪表值为m纵向B。

由于纵向垂直钻座与机床坐标系Y轴平行，可知x纵向等于v_hole[i]正面孔元素的X坐标。

对于仪表值的计算，程序遍历v_hole[i]找到vertical_p[i]加工的正面孔中Y轴坐标最大值ymax和最小值ymin，然后按下面公式计算：

y_max-w+FB_前后≥0 m_纵A＝160+(y_max-w+FB_前后)％32

y_max-w+FB_前后≤-32 m_纵A＝160

y_min-w+FB_前后≥0 m_纵B＝192

y_min-w+FB_前后＜0 m_纵B＝192+(y_min-w+FB_前后)％32

算法计算出垂直钻座的位置信息并存入二维数组vertical_p和horizontal_p，实现了垂直钻座的位置规划。

2.3.4多排钻机床加工工序的分配

本发明采用贪心算法来进行加工工序分配，保证垂直钻座加工工序数最少。算法的处理顺序是：先对纵向垂直钻座排序并进行工序分配，然后对横向垂直钻座排序并进行工序分配，最后综合横向纵向钻座和水平钻座进行工序分配。

对于纵向垂直钻座，定义二维数组mach_v，数组的每个元素mach_v[i]对应每个工序的纵向垂直钻座位置，由于机床加工工序数不会超过3，mach_v初始大小为3。

纵向垂直钻座工序分配的算法处理过程如图15。

程序对vertical_p数组按照X坐标值的升序进行排序，排序算法采用快速排序，可以保证时间复杂度约为O(nlogn)。算法将vertical作为原始数组，令mach_h[0]＝vertical。程序循环遍历mach_v[k]，设mach_v[k] 的大小为sz_v，在遍历过程中，如果|mach_v[k][i]–mach_[k][i-1]|<d1，则说明这个纵向垂直钻座和前一个位置的纵向垂直钻座距离小于安全距离，会发生干涉，程序将mach_v[k][i]从mach_v[k]中删除并添加到mach_v[k+1]，表示这个纵向垂直钻座用于下一个工序加工。

在遍历完mach_v[k]之后，如果mach_v[k]的大小大于4，由于垂直钻座个数不超过4，程序将mach_v[k] 第4个元素之后的所有元素添加到mach_v[k+1]，否则跳过，令k加1，然后判断如果mach_v[k+1]非空，程序进入下一次循环，用同样的方法循环处理mach_v[k+1]，否则，程序结束处理。在算法处理结束之后，工序数组mach_v[k]对应第k次工序纵向垂直钻座的位置信息，mach_v的大小代表工序数。

对于水平钻座，定义二维数组mach_h，数组的每一个元素mach_h对应每个工序的水平钻座位置， mach_h初始大小为3。

水平钻座工序分配的算法处理过程如图16，处理过程和垂直钻座类似，在算法处理结束之后，计算得到的工序数组mach_h[k]对应第k次工序水平垂直钻座的位置信息，mach_h的大小代表工序数。

在算法计算出mach_v和mach_h之后，结合纵向垂直钻座和水平钻座的位置信息处理如图17。

程序依次遍历水平钻座工序数组mach_h的每个元素mach_h[i]，对于mach_h[i]中每一个水平钻座 mach_h[i][j]，同时遍历纵向mach_v[i]的每个元素mach_v[i][k]。如果|mach_h[i][j]-mach_v[i][k]|＜d₂，将mach_h[i][j]从数组mach_h[i]中删除并添加到mach_h[i+1]，否则跳过，程序继续往后遍历。在循环处理完mach_h[i]之后，程序继续按照同样的方法处理mach_h[i+1]，以此类推，直到处理完整个数组mach_h 结束。

在对数组mach_v和mach_p计算完成之后，算法确定了多排钻机床的加工工序数以及每一次工序中垂直钻座的位置信息。

由于水平钻座和垂直钻座机构位置不会形成冲突，且水平钻座对侧孔的加工只需要一次工序，程序将水平钻座的加工加入到第一次工序中。

综上，路径规划算法通过以上步骤，对多排钻机床的加工路径进行规划，实现了加工工序最少。

在本发明上述描述中，涉及的附图有：图22是本发明实施例提供的六排钻机床加工机构模型。

图23是本发明实施例提供的木板左视图。

图24是本发明实施例提供的路径规划算法主要功能示意图。

图25是本发明实施例提供的木工板材前后定位的基准位置。

图26是本发明实施例提供的垂直钻座初始位置。

图27是本发明实施例提供的正面孔排布特殊情况。

3、数控多排钻机床加工仿真与校核

加工仿真与校核通过对路径规划模块生成的加工参数进行处理，仿真出机床加工路径图，然后显示虚拟加工的板材二维图形，从而验证加工路径的正确性，保证了多排钻机床加工的安全性和准确性。本章首先分析了编程系统对加工参数的管理过程，然后设计了仿真与校核模块的数据转换过程，最后分析图形可视化过程，实现了加工路径的仿真与板材二维图形显示的功能。

由于加工参数比较繁多，编程系统需要对它们进行管理分类，并显示在人机界面，方便用户查看或者编辑。之后编程系统进行虚拟加工过程，通过计算处理，将加工参数转换成板材加工数据，用于仿真预校核模块处理。

3.1加工参数的管理

加工参数包括木板参数、机床钻座参数和钻头参数。其中，板材的尺寸参数包括板材的长度、宽度、厚度和前后定位值。机床的钻座参数包括水平钻座和垂直钻座位置参数，水平钻座位置参数包括水平钻座的钻孔深度和高度，垂直钻座的位置参数包括垂直钻座的左右位置(X轴位置)、垂直钻座的钻孔深度、垂直钻座A、B部分的仪表值和方向。钻头参数包括钻头编号、直径以及旋转方向。通过这些参数可以确定机床的加工路径，编程系统首先对它们进行分类管理。

3.1.1加工参数的分类实现

对于加工参数，其中木板尺寸参数信息放入数组board_vec。在钻头参数中，钻头编号信息存入数组 holeNum_vec，钻头旋转方向信息存入数组holeDirection，钻头直径信息存入数组holeDiameter_vec。在机床钻座参数中，垂直钻座的仪表值信息存入数组meter_vec，垂直钻座的左右位置(X轴坐标值)信息存入数组LR_position_vec，钻座加工深度信息存入数组rowDepth_vec，水平钻座高度信息存入数组 rowDepth_vec，垂直钻座的方向信息存入数组direction_vec，分类过程如图18所示。

3.1.2加工参数界面的设计

加工参数界面提供加工参数的输入、编辑和显示功能，本发明以六排钻机床来设计加工参数界面，为了让用户直观地查看加工参数和加工路径图，将界面按照参数类型分为木板参数、钻座参数和钻头参数三个区域，它们分别位于界面的上侧、右侧和下侧部分，在界面中央是加工路径仿真图显示区域，如图19 所示。

木板参数区域包含板长、板宽、板厚和木板前后定位值的输入框。为了方便用户直观地编辑钻座参数，钻座加工参数区域采用类似六排钻钻座俯视图的布局方式，两个水平钻座用P1和P2表示，包含了水平钻座的钻孔深度和侧面高度信息输入框，4个垂直钻座用V1、V2、V3和V4表示，包含了垂直钻座的X轴坐标、钻孔深度、AB部分各自的仪表值和排布方向(横向或是纵向)。这些参数的输入框使用Qt控件 QPushButton类来进行参数的传递。

由于加工钻头的数量随着加工板材的不同变动较大，为了方便用户更直观得查看编辑钻头信息，钻头参数区域采用表格视图来显示，用户可以在表格中进行钻头号、钻头直径信息和钻座方向的输入和编辑，同时可以使用添加、删除按钮分别添加、删除钻头的信息。

在自动编程系统中，钻头参数会用到其他功能模块，为了提高钻头数据的可复用性，降低模块间的耦合性，显示钻头参数的视图表格使用Qt的模型/视图(Model/View)模式来设计，这种模式类似于MVC(Model View Controller)设计模式，分离了界面显示的钻头信息和底层模型的数据，视图中钻头信息的显示效果由代理来渲染，当在界面表格中编辑钻头信息时，模型和视图直接进行通信，如图20。

模型/视图模式中钻头参数相关类的UML设计如图21，LayerTableView类继承自Qt的QtableView控件类，提供界面上钻头信息表格的显示和编辑功能。LayerTableModel类继承自Qt的QabstractTableModel 控件类，存储钻头信息对应的数据，钻头数据使用动态数组来存储，可以保证添加钻头数据的时间复杂度为常数级。LayerItemDelegate类继承自Qt的QstyledItemDelegate控件类，它用于渲染界面上钻头表格的显示效果。

在类LayerItemDelegate中，设计方法paint用于自定义钻头数据在表格的渲染效果。为了建立界面表格视图和底层模型之间的钻头数据传递，设计方法setEditorData周期性地调用LayerTableModel类的data 方法读取底层钻头数据并将数据显示在界面视图的表格中，设计方法setModelData周期性地获取表格控件对象中的钻头信息，然后调用LayerTableModel类的setData方法向存储钻头数据的动态数组写入数据。为了保证钻头数据按照钻头号有序地显示在表格中，采用选择排序算法对钻头数据按照钻头号升序进行排序，这种排序算法可以减少数据的交换次数，降低时间复杂度。

界面需要提供钻头数据的添加/删除功能，程序在LayerTableView类中建立添加按钮点击信号和槽函数 addNewLayer的关联，addNewLayer可以调用类LayerTableModel的addItem方法在动态数组中添加一个钻头的数据。当用户点击添加按钮，触发槽函数addNewLayer调用addItem，同时由于类LayerItemDelegate 的setEditorData方法会周期性地获取动态数组的数据，然后将数据显示在界面的钻头表格，因此动态数组中添加的钻头数据会在界面表格中显示。同样的，建立删除按钮点击信号和槽函数deleteNewLayer的关联，当用户点击删除按钮时，触发deleteNewLayer，然后调用类LayerTableModel的deleteTableView方法从动态数组中删除对应的钻头信息，同时界面的表格中也会删除一行钻头的信息。

用户需要对钻头信息进行编辑，程序在类LayerItemDelegate中设计setModelData方法，它会周期性地获取视图表格中控件对象包含的钻头数据，然后调用类LayerTableModel的setData方法将钻头数据重新写入动态数组，当用户在界面编辑钻头信息后，底层模型钻头数据的动态数组也会同时更新。

3.2虚拟加工过程的数据转换

根据分类处理之后的加工参数，程序结合机床机构位置模拟机床虚拟加工进行计算，生成板材加工数据，包括木板矩形的尺寸信息和加工孔的位置信息。

3.2.1加工板材类的设计

由于需要对计算得到的板材加工数据进行结构化的存储，本发明设计类board代表虚拟加工板材，类 row代表钻座加工信息，类hole代表加工孔。由于加工的孔是以钻座分类为多组，board类中包含类型为 row的私有成员，代表木板上的孔由多个钻座加工而成，类board和类row是组合关系。row类中包含类型为hole的私有成员，代表一个钻座可以加工多个孔，row和类hole也是组合关系。

3.2.2虚拟加工数据转换的实现

在加工参数中，木板参数可以确定木板矩形的尺寸，board类的length成员等于木板参数中的木板长度值，height成员等于木板参数中的木板厚度值，width参数等于木板参数中的木板宽度值，FB_position 等于木板参数中的前后定位值。

根据钻座参数可以计算得到类row的数据成员。其中，hole类中的depth成员等于数组rowDepth_vec 对应的深度值，height成员等于数组rowHeight_vec对应的高度值，meter_value成员等于数组meter_vec 中对应的仪表值，LR_position等于数组LR_position_vec中对应的钻座X轴坐标值，direction成员等于数组 direction_vec中对应的钻座方向。

根据钻头参数，类hole的diameter成员等于钻头的直径，row_num成员等于钻头的编号。由于加工孔的位置数据需要结合木板参数和钻座参数计算，因此类hole的x_position、y_position和z_position成员根据类board和类row中的数据成员计算得到。基于多排钻机床的运动模型分析，水平钻座和垂直钻座的机构特点有所不同，水平钻座在机床坐标系的Y轴方向和Z轴方向位置是固定不变的，钻孔高度始终等于木板厚度的一半。垂直钻座在机床坐标系的X轴、Y轴和Z轴三个方向都可以移动，钻座可以分为A、B 两部分，它们可以纵向移动和旋转。水平钻座和垂直钻座运动方式的不同导致这两种钻座加工孔的位置计算有所不同。

对于六排钻，从机床坐标系Z轴正方向俯视的角度看，水平钻座1的钻头序号范围是1～22，垂直钻座 1的钻头序号范围是23～44，垂直钻座2的钻头序号范围是45～66，垂直钻座3的钻头序号范围是67～88，垂直钻座4的钻头序号范围是89～110，水平钻座2的钻头编号是111～132。

设板材的前后定位值为FB_position，加工孔对应的钻头序号为num，钻头在其所在的钻座的索引号为num1，可以得到方程：

num1＝(num-1)％22 (4-1)

对于水平钻座加工的孔，侧孔在左视图坐标系中的X轴坐标为x_侧，Y轴坐标为y_侧，结合机构位置关系，可以得到方程：

x_侧+320-32*num1＝FB_position (4-2)

y_侧*2＝w (4-3)

根据方程(4-1)和(4-2)，可以计算得到：

x_侧＝FB_position-320+[(num-1)％22]*32 (4-4)

y_侧＝w*0.5 (4-5)

因此，水平钻座加工孔对应的hole对象中，x_position成员等于0，y_position成员等于公式(4-4)计算得到的x_侧，z_position成员等于公式(4-5)计算得到的y_侧。如果侧孔由水平钻座1来加工，z_position成员等于0。如果侧孔由水平钻座2来加工，z_position成员等于板材的宽度w。

对于垂直钻座加工的孔，设垂直钻座的X轴坐标值为LR_position，建立俯视图坐标系，设x_孔为加工孔的X轴坐标，y_孔为加工孔的Y轴坐标。

当加工孔是由垂直钻座A部分来加工时，设A部分的仪表值为meter_A。如果垂直钻座A部分是纵向方向，根据垂直钻座运动位置分析，可以得到方程：

x_孔＝LR_position (4-6)

FB_position-y_孔＝meter_A-32*5+(320-32*num1) (4-7)

结合公式(4-1)和(4-7)计算得到：

y_孔＝FB_position+[(num-1)％32]*32-meter_A-160 (4-8)

如果垂直钻座A部分是横向方向排布，可以得到方程：

x_孔+32*num1-160＝LR_position (4-9)

meter_A-160+y_孔+5*32＝FB_position (4-10)

结合方程(4-1)、(4-9)和(4-10)，计算得到：

x_孔＝LR_position-[(num-1)％22]*32 (4-11)

y_孔＝FB_position-meter_A (4-12)

当加工孔是由垂直钻座B部分来加工时，设B部分的仪表值为meter_B。如果垂直钻座B部分是纵向方向排布，可以得到方程：

x_孔＝LR_position (4-13)

-(num1-10)*32-(meter_B-192)+y_孔＝FB_position (4-14)

结合方程(4-1)、(4-14)可以计算得到：

y_孔＝FB_position+[(num-1)％22]*32+meter_B-512 (4-15)

如果垂直钻座B部分是横向方向排布，可以得到方程：

x_孔+32*num1-160＝LR_position (4-16)

y_孔-6*32-(meter_B-192)＝FB_position (4-17)

结合方程(4-1)、(4-16)和(4-17)可以计算得到：

x_孔＝LR_position-[(num-1)％22]*32+160 (4-18)

y_孔＝FB_position+meter_B (4-19)

因此，对于垂直钻座加工的正面孔，它所对应的类hole对象的z_position等于板材厚度h，x_position 成员等于公式(4-18)计算得到的x_孔，y_position成员等于公式(4-19)计算得到的y_孔。

程序根据加工参数计算出木工板材的尺寸信息，然后存入类board对象，就完成了虚拟加工的数据转换过程。

3.3仿真与校核模块的数据处理

仿真模块数据处理的过程是将板材加工数据转换为可以构成多排钻机床加工路径图形的几何数据，这些几何数据输入到图形可视化模块用于显示机床加工路径，实现仿真功能。校核模块数据处理的过程是将板材加工数据转换为虚拟加工的板材二维图形几何数据，用于显示板材二维图形，并提供二维图形尺寸查看功能，实现校核功能。

3.3.1仿真模块数据处理

在完成虚拟加工的数据转换之后，类board对象包含了板材加工数据，同时确定了多排钻机床机构的加工路径，仿真模块读取board类的数据，并转换为机床机构加工路径对应的几何数据。

在仿真视图中建立坐标系，坐标系X轴与水平钻座的0A号钻头相交，木板板材关于Y轴对称，视图中机构的几何图形的坐标都是基于视图坐标系。

水平钻座的钻头夹具用矩形来表示，垂直钻座的钻头夹具用圆形来表示，交叉线代表在夹具上安装钻头。设水平钻座1与加工木板在X轴的距离为d_p1，水平钻座2与加工木板在X轴的距离为d_p2，相邻钻头夹具中心之间的间距为d_钻，木板长度为l，木板宽度为w。

水平钻座机构几何信息的基本元素为矩形，在矩形长宽已知的情况下，确定矩形中心的坐标位置，就可以进行矩形的绘制。例如，对于水平钻座1的绘制，首先绘制320A号钻头夹具对应的矩形，设它的中心点坐标为(x₀,y₀)，根据几何关系位置可以得到：

x₀＝-0.5*l-d_p1-0.5*l_矩 (4-20)

y₀＝10*d_钻 (4-21)

根据公式(4-20)和(4-21)计算得到x₀,y₀以及矩形长度l_矩和宽度w_矩，就可以确定320A号钻头夹具对应矩形的几何信息。同样的，水平钻座的其他钻头对应的矩形可按照相同的方法计算出几何信息。

安装钻头的夹具对应的矩形需要加上交叉线，它的几何信息和不安装钻头的夹具有所差异，在确定了矩形几何信息的基础上，程序根据board类中的钻头号的信息，可以确定钻座上安装钻头的夹具位置，然后将交叉线的几何信息添加到矩形中。

垂直钻座机构几何信息的基本元素为圆形。圆心位置和直径值可以确定圆形的几何信息。程序通过读取类board对象中成员row的数据，可以确定垂直钻座的X轴位置值LR_position以及A、B部分的仪表值和旋转方向，从而确定每个垂直钻座整体在视图坐标系的位置信息。结合垂直钻座整体的位置信息，程序对垂直钻座中每个钻头夹具的圆形几何信息进行移动旋转地计算，就能得到指定的垂直钻座几何信息。

3.3.2校核模块数据处理

校核模块读取类board对象的数据，可以将其中的数据转换为虚拟加工之后的板材对应的二维图形几何信息。

二维图形包含加工板材图形的左视图、俯视图和右视图，其中的几何元素有圆形和矩形。

类board的length、width和height可以确定加工板材的长度、宽度和厚度，从而可以确定左视图、俯视图和右视图各自对应矩形的几何信息。

类hole对象中的diameter成员可以确定每个加工孔的直径大小。对于侧孔，程序读取类hole对象中的y_position和z_position成员的数据，可以确定侧孔在左视图或者右视图矩形中的位置。对于正面孔，程序读取类hole对象中的x_position和y_position数据成员，可以确定正面孔在俯视图中的位置。加工孔的直径和在各个视图矩形中的位置计算出来之后，加工孔对应的圆形几何数据就确定了。

3.4图形可视化的实现

图形可视化模块基于仿真模块和校核模块中处理得到的几何数据，采用OpenGL图形接口，在界面视图上显示仿真过程的机构加工路径图以及虚拟加工板材的二维图形。

程序设计ShaderDrawable类用于管理图形显示的几何数据，它继承自Qt的QOpenGLFunctions类， QOpenGLFunctions类可以调用OpenGL的API来进行图形绘制，因此ShaderDrawable同时具备绘图功能。由于仿真模块和校核模块的绘图图形有所差异，管理几何数据的方式是不同的，设计LayoutDrawer类用来管理仿真模块的几何数据，CheckDrawer类用来管理校核模块的几何数据，它们作为ShaderDrawable的派生类，它们重定义了基类ShaderDrawable中虚函数updateData，从而实现以不同的方式来分别管理仿真模块和校核模块的几何数据。

仿真和校核图形需要显示在界面视图中，程序设计GLWidget类用于图形显示的视图窗口，它继承自 Qt中的QGLWidget类和QOpenGLFunctions类，QGLWidget类作为Qt的视图窗口基类，GLWidget多重继承了这两个类，同时具备窗口显示和绘图的功能。

为了实现图形的显示，在GLWidget类中，设计槽函数onFramesTimer，它触发定时器，实现视图图形的定时刷新。方法initializeGL初始化视图窗的显示。方法wheelEvent捕捉鼠标滚轮事件，实现显示视图的缩放功能。方法paintEvent处理核心的绘制逻辑，它遍历GLWidget类中ShaderDrawable类型的动态数组，在程序运行时，动态绑定LayoutDrawer或者CheckDrawer类对象，然后调用其中的updateData函数，实现对仿真模块和校核模块几何数据的处理与图形显示。

实施例2

自动编程系统测试与分析：

多排钻编程系统要应用到实际的多排钻机床加工过程中，系统运行的稳定性和功能的可用性十分重要。在对多排钻机床自动编程系统详细设计的基础之上，本章搭建了测试平台，对自动编程系统的加工路径规划和校核功能进行验证，并进行多排钻机床现场加工测试。

1、测试平台。

1.1测试平台的结构

在六排钻机床(包含四个垂直钻座和两个水平钻座)上搭建了测试平台，包括上位机电脑、多排钻机床本体、控制柜。下位机控制器安装在控制柜中，上位机电脑通过网线与控制柜中的控制器连接。

1.2自动编程系统人机界面

多排钻编程系统安装在Windows系统的PC端电脑上，提供板材DXF文件浏览、机床加工路径规划、机床加工仿真与校核等功能。

板材DXF文件浏览界面将文件系统中的DXF文件目录映射到编程系统的文件列表中，在界面的文件列表右侧是显示木工板材原图形的视图窗，当用户在文件目录中操作鼠标双击选中指定加工板材的DXF文件时，视图窗会显示出板材DXF文件对应的CAD图形。

编程系统主界面提供加工参数的输入、编辑和显示功能，用户可以在主界面上手动输入或编辑加工参数，编程系统也能够通过自动生成加工参数并将它们显示在界面用于指导加工。同时，编程系统主界面在表格中显示了路径规划算法规划出的机床加工工序以及每次工序的加工孔数，当用户双击表格中每次工序对应的行时，在视图窗中会显示这次工序机床机构的加工路径，从而提供加工仿真功能。

二维图形显示界面提供了校核功能，它将编程系统根据加工参数虚拟加工生成的板材二维图形的三视图显示在界面视图窗，同时提供图形的尺寸标注功能，用户可以通过查看二维图形中各个位置孔的尺寸信息并与板材CAD图形尺寸进行对比，从而实现了加工校核功能。

2、测试内容与结果分析

自动编程系统测试内容主要包括加工路径规划功能测试、加工校核功能测试以及机床加工测试。实验环节将六排钻机床加工板材DXF格式的图纸文件作为编程系统的测试输入。

2.1加工路径规划测试

加工路径规划功能是编程系统根据输入的DXF文件进行算法处理，规划出机床的加工工序以及每次工序中的加工路径，生成对应的加工参数显示在界面上，并在界面上进行加工仿真，显示出机床的加工路径图。

根据板材正面孔的数量、复杂程度和有无侧孔，将板材图形进行分类：

没有侧孔并且正面孔数量不大于10的板材为无侧孔稀疏型板材。

有侧孔并且正面孔数量不大于10的板材为有侧孔稀疏型板材。

无侧孔并且正面孔数量大于10的板材为无侧孔密集型板材。

有侧孔并且正面孔数量大于10的板材为有侧孔密集型板材。

对于每一种板材类型，测试环节选取一个DXF文件作为测试用例。

路径规划功能的测试分为三步：运行编程系统、选择板材DXF文件、加工仿真测试。

按照路径规划测试步骤进行测试：

打开编程系统的运行程序所在的文件目录，双击编程系统对应的exe文件编程系统主界面显示，运行成功。

在主界面鼠标点击选择图纸文件按钮，主界面会弹出板材DXF文件浏

浏览界面是将本地DXF文件列表映射到多排钻编程系统的界面中，用户可以直接在界面上双击选择 DXF文件，板材CAD图形会预览在界面视图中，使得用户查看板材DXF文件更加方便。

在界面的DXF文件列表中浏览并双击选择加工板材对应的文件，分别选

择四种类型板材的DXF文件，视图窗中会显示加工板材的图形。选择无侧孔稀疏型板材文件Test-A.dxf，选择有侧孔稀疏型板材文件Test-B.dxf，选择无侧孔密集型板材文件Test-C.dxf，选择有侧孔密集型板材文件Test-D.dxf。

对于所选择的四种类型板材的DXF文件，视图窗中显示的板材图形与板材文件实际的CAD图形是一致的，这验证了板材图形预览的正确性。

加工仿真测试是将编程系统路径规划之后仿真出的加工路径图和板材

CAD图形进行对比，验证加工路径的正确性。将步骤2)选择的四种类型的板材作为的测试用例，然后编程系统仿真出对应的加工路径图，分别将四种类型板材的加工路径图与各自的板材CAD图形对比。

对于无侧孔稀疏型板材的路径规划，在主界面中显示了工序分配表格，可以看到测试的板材需要一次工序加工完成。

对于有侧孔稀疏型板材的加工路径规划，可以看到测试的板材需要两次工序加工完成，第一次工序加工孔数为4，第二次工序加工孔数为3。

对于有侧孔密集型板材，可以看到测试的板材需要三次工序加工完成，第一次工序加工孔数为22，第二次工序加工孔数为10，第三次工序加工孔数为8。

对于有侧孔密集型板材，可以看到测试的板材需要三次工序加工完成，第一次工序加工孔数为22，第二次工序加工孔数为10，第三次工序加工孔数为8。

2.2加工校核功能测试

加工校核功能是自动编程系统将虚拟加工的板材二维图形显示在界面中，并提供加工孔尺寸的查看功能，用户可以通过查看加工孔的尺寸，然后和板材CAD图形进行对比，从而实现加工校核。

加工校核功能测试分三步：编辑加工参数、打开二维图界面、校核测试。

按照加工校核测试步骤进行测试：

1)编程系统在进行路径规划之后，会生成加工路径对应的加工参数显示在主界面上，可以在界面上对加工参数进行编辑修改。

2)在编辑完加工参数之后，用鼠标点击主界面上的二维图按钮，主界面会弹出二维图显示界面，界面显示图形的左视图、俯视图和右视图，并提供图形缩放控制和加工孔尺寸查看功能。

3)校核测试是通过查看对板材二维图中的加工孔的尺寸，然后与板材CAD图形尺寸对比，验证加工参数的正确性。

二维图形的三视图坐标系建立如图，其中俯视图的坐标系与板材图形的CAD坐标系一致。

鼠标点击标注尺寸开按钮，然后用鼠标点击二维图中需要查看尺寸的加工孔，图形会显示出对应孔的加工尺寸尺寸信息包含四个值，分别是三视图对应坐标系下孔的X坐标、Y坐标、孔的直径和孔的深度。

将CAD图形中孔1～孔6的尺寸和二维图形中对应孔的尺寸进行对比，所有6个孔的尺寸信息相同，可以验证加工参数符合加工要求，加工校核成功。

通过测试可以得出结论，自动编程系统能够根据加工参数显示出虚拟加工板材的二维图，用户通过查看二维图形中加工孔的尺寸并与板材CAD图形孔进行对比，可以对加工参数进行校核，验证了加工校核功能可以正常运行。

2.3多排钻机床加工测试

多排钻机床加工测试步骤分为3步：设计板材图纸、编程系统路径规划和仿真校核、机床加工板材。

按照机床加工测试步骤进行测试：

1)首先选用长度650mm、宽度180mm、厚度20mm的板材，在CAD软件上设计板材的加工孔图形，板材加工孔的详细尺寸。

2)在编程系统图纸浏览界面选择板材图纸对应的DXF文件Test-F.dxf。

通过对比虚拟加工板材和CAD图形尺寸，对加工进行校核，可以验证加工路径的正确性。

3)编程系统校核成功之后，下位机控制多排钻机床进行钻孔加工得到板材。

测量实际加工的板材尺寸，然后和板材CAD图纸尺寸进行对比，可以验证加工的板材符合预期尺寸要求。

通过机床加工的三步测试，可以看到，经过多排钻编程系统的加工路径规划和加工校核，六排钻机床可以正确地加工出板材，验证了多排钻编程系统的实用性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，所述木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法包括：

读取分类的板材CAD图形几何信息，根据解析得到的板材CAD图形几何信息，进行板材前后定位值、水平钻座钻头位置、垂直钻座位置规划和机床工序分配，自动规划出多排钻机床的加工路径；然后生成对应的加工参数；

再基于路径规划的优化原则，对生成的加工参数进行优化，最终获得机床对板材的加工工序数最少，整个加工过程时间最短，效率最优的优化方案；

所述垂直钻座位置规划的方法包括：

在正面孔数组中搜索X轴坐标相等并且Y轴坐标差值为钻座距离整数倍的正面孔，对于有序的正面孔，采用二分搜索算法，使搜索过程的时间复杂度处于对数级别；满足条件的正面孔用单个垂直钻座加工，作为一组存入纵向垂直钻座对应的二维数组v_hole中，并从正面孔数组中删除；

在正面孔数组剩下的正面孔中寻找Y轴坐标相等并且X轴坐标差值为钻座距离整数倍的正面孔，同样地采用二分搜索算法进行寻找，将这些孔作为一组存入横向垂直钻座对应的二维数组h_hole；

将所有的正面孔分组完成后，判断v_hole的大小；v_hole大于4，所需的工序数大于1；

将横向垂直钻座和纵向垂直钻座加工的正面孔分类后，计算每一个垂直钻座的位置信息，包括垂直钻座在X轴位置、AB两部分的各自前后位置值和排布方向信息；

定义二维数组vertical_p存放纵向垂直钻座的位置信息，二维数组horizontal_p存放横向垂直钻座的位置信息；

对于纵向垂直钻座，每一个纵向垂直钻座vertical_p[i]对应一个正面孔数组v_hole[i]，v_hole[i]中所有正面孔的X轴坐标为x纵向，纵向垂直钻座A部分的仪表值为m纵向A，B部分的仪表值为m纵向B；

纵向垂直钻座与机床坐标系Y轴平行，x纵向等于v_hole[i]正面孔元素的X坐标；

对于仪表值，遍历v_hole[i]找到vertical_p[i]加工的正面孔中Y轴坐标最大值ymax和最小值ymin；

y_max-w+FB_前后≥0，m_纵A＝160+(y_max-w+FB_前后)％32；

y_max-w+FB_前后≤-32，m_纵A＝160；

y_min-w+FB_前后≥0；m_纵B＝192；

y_min-w+FB_前后＜0；m_纵B＝192+(y_min-w+FB_前后)％32；

对于横向垂直钻座，用同样的方式计算钻座位置；

计算出垂直钻座的位置信息并存入二维数组vertical_p和horizontal_p，实现垂直钻座的位置规划。

2.如权利要求1所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，所述板材前后定位值的确定方法包括：

板材上没有侧孔，设定前后定位值；

板材上有侧孔，确定板材中圆心Y坐标值最大的侧孔，调整前后定位值FB使所述侧孔的圆心与钻头对齐。

3.如权利要求1所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，所述水平钻座钻头位置规划的方法包括：

在确定前后定位值后，木板在机床坐标系Y方向的位置固定，程序根据侧孔的位置计算水平钻座上的钻头位置；侧孔对应的钻头在机床坐标系的坐标为y_钻，推导出：

y_侧＝w-(y1-y3)/2；

y_钻＝FB_前后-y_侧。

4.如权利要求1所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，所述机床工序分配方法包括：

采用贪心算法先对纵向垂直钻座排序并进行工序分配，然后对横向垂直钻座排序并进行工序分配，最后综合纵向垂直钻座排序工序分配和横向垂直钻座排序工序分配进行工序分配。

5.如权利要求4所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，对纵向垂直钻座排序并进行工序分配的方法包括：

对于纵向垂直钻座，定义二维数组mach_v，数组的每个元素mach_v[i]对应每个工序的纵向垂直钻座位置，mach_v初始大小为3；

对vertical_p数组按照X坐标值的升序进行快速排序，将vertical作为原始数组，令mach_h[0]＝vertical；程序循环遍历mach_v[k]，mach_v[k]的大小为sz_v，在遍历过程中，|mach_v[k][i]–mach_[k][i-1]|<d1，所述纵向垂直钻座和前一个位置的纵向垂直钻座距离小于安全距离，发生干涉，将mach_v[k][i]从mach_v[k]中删除并添加到mach_v[k+1]，表示这个纵向垂直钻座用于下一个工序加工；

在遍历完mach_v[k]后，mach_v[k]的大小大于4，将mach_v[k]第4个元素之后的所有元素添加到mach_v[k+1]，否则跳过，令k加1，然后判断如果mach_v[k+1]非空，程序进入下一次循环，用同样的方法循环处理mach_v[k+1]，否则，程序结束处理；

处理结束后，工序数组mach_v[k]对应第k次工序纵向垂直钻座的位置信息，mach_v的大小代表工序数。

6.如权利要求4所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，横向垂直钻座排序并进行工序分配方法包括：

对于水平钻座，定义二维数组mach_h，数组的每一个元素mach_h对应每个工序的水平钻座位置，mach_h初始大小为3；

对vertical_p数组按照X坐标值的升序进行快速排序，将vertical作为原始数组，令mach_h[0]＝vertical；程序循环遍历mach_v[k]，mach_v[k]的大小为sz_v，在遍历过程中，|mach_v[k][i]–mach_[k][i-1]|<d1，所述横向垂直钻座和前一个位置的横向垂直钻座距离小于安全距离，发生干涉，将mach_v[k][i]从mach_v[k]中删除并添加到mach_v[k+1]，表示这个横向垂直钻座用于下一个工序加工；

在遍历完mach_v[k]后，mach_v[k]的大小大于4，将mach_v[k]第4个元素之后的所有元素添加到mach_v[k+1]，否则跳过，令k加1，然后判断如果mach_v[k+1]非空，程序进入下一次循环，用同样的方法循环处理mach_v[k+1]，否则，程序结束处理；

处理结束之后，计算得到的工序数组mach_h[k]对应第k次工序水平垂直钻座的位置信息，mach_h的大小代表工序数。

7.如权利要求4所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法，其特征在于，综合纵向垂直钻座排序工序分配和横向垂直钻座排序工序分配进行工序分配的方法包括：

依次遍历水平钻座工序数组mach_h的每个元素mach_h[i]，对于mach_h[i]中每一个水平钻座mach_h[i][j]，同时遍历纵向mach_v[i]的每个元素mach_v[i][k]；|mach_h[i][j]-mach_v[i][k]|＜d₂，将mach_h[i][j]从数组mach_h[i]中删除并添加到mach_h[i+1]，否则跳过，程序继续往后遍历；在循环处理完mach_h[i]之后，程序继续按照同样的方法处理mach_h[i+1]，以此类推，直到处理完整个数组mach_h结束；

在对数组mach_v和mach_p计算完成后，确定多排钻机床的加工工序数以及每一次工序中垂直钻座的位置信息。

8.一种实施权利要求1所述木工板材数控多排钻加工参数自动计算的方法的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统，其特征在于，所述木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统包括：

界面显示模块，用于软件与用户的直接交互，显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图；

板材图形解析模块，用于实现在线浏览板材图形功能；

数据管理模块，用于加工参数的管理；

路径规划模块，通过路径规划算法处理，根据板材CAD图形的几何信息自动规划出加工路径；

加工仿真与校核模块，通过虚拟加工，仿真出加工路径图，显示虚拟加工板材的二维图形；和预期的加工板材进行尺寸对比，验证加工路径的正确性；

所述板材图形解析模块还用于：

(1)首先解析出板材CAD图形的几何信息，写入到几何信息存储文件中；

(2)同时几何信息被转换成用于图形显示的数据，然后被写入中间文件，用于实现在线浏览板材图形功能；

所述路径规划模块还用于：

(1)程序首先加载几何信息存储文件的数据；

(2)经路径规划算法处理，规划出机床的加工路径；

(3)通过优化计算对多排钻加工工序进行分配；

所述加工仿真与校核模块还用于：

(1)编程系统根据加工参数，模拟加工过程进行计算，将各个容器中的加工参数转换成板材加工数据；

(2)然后分别通过仿真和校核模块转换为圆、直线、点几何数据；

(3)将这些几何数据传递给图形可视化模块，在界面视图仿真出机床的加工路径，并显示虚拟加工板材的二维图形。

9.如权利要求8所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统，其特征在于，所述的木工板材数控多排钻加工参数自动计算系统进一步包括：

界面层，用于显示处理后的数据或者图形以及接收用户直接输入的数据，是软件与用户的直接交互界面，包含板材文件浏览界面、加工参数编辑、二维图形显示、加工仿真视图；

业务逻辑层，负责对应模块的业务逻辑处理，对传入的数据进行审核并作出相应的处理，把数据传送给数据通信层或者返回给界面层，包含板材图形解析模块、路径规划模块、仿真与校核模块和图形可视化模块；

数据通信层，根据业务逻辑层的请求对文件数据进行读写，或者使用通信协议与下位机进行数据传输。

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