图形处理技术在数控加工中的应用

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摘要

数控系统是数控机床的核心部件，数控技术是装备制造业实现自动化、柔性化、

集成化、网络化和智能化的关键技术。加快发展数控系统对装备制造业振兴具有

前瞻性、先导性和基础性的战略意义。图形化编辑是中高档数控系统的一个基本

功能，它可以减少和简化加工零件的程序编制工作，降低对编程人员的技术基础，

受到用户的欢迎。目前，国外中高档数控系统都有这项功能，并把此功能移植到

低端数控系统中，以增强产品的竞争力。

本文根据实际项目开发需要，研究各种二维图形处理技术，并将该技术应用于

数控加工中。本文首先研究了图形的基本组成，针对数控加工的需要，设计了一

套完整的图形数据存储结构，并基于该图形数据结构编写并实现了多个图形处理

功能模块：图形数据提取模块、图形数据预处理模块（包括图形离散化、图形加

工区域自动识别、图形轮廓方向判断等）、图形区域填充模块、图形中线提取模块

等。该图形处理模块不仅能够运行在 PC 上，并且能够集成到数控系统内，成为数

控系统的一个图形处理功能。各个模块采用 C++高级编程语言编写。在实现图形

区域填充时，本文提出了沿轮廓的模板填充法，采用该方法不仅能正确填充所有

加工区域的内部，还能获得加工区域内部各点的位置和深度信息，从而能够对图

形进行各种三维拉伸，实现浮雕加工。在实现中线加工时，本文提出了基于内切

圆提取中心线的方法，并提出了膨胀法和矢量法获得内切圆。使用该方法能获得

任意两条图形轮廓线的中心线和宽度，从而实现了小图形的快速雕刻。

图形处理的最终目的是生成图形的数控加工代码，图形经过本文各模块处理

后，能够得到图形的数控加工代码，生成的代码经过各种仿真验证，证明该代码

符合加工要求。并且该生成 G代码也通过了实际机床加工验证，得到较满意的结

果。

图形处理技术应用于数控加工，并集成到数控系统内成为数控系统的一个功

能，要求数控系统具有较强的数据处理能力。在今后，随着数控系统处理能力的

不断增强、功能的不断完善，数控系统将能处理更为复杂的图形，得到更高质量

的图形数控加工代码。

关键字：图形，算法，数控加工，图形填充，图形中心线

ABSTRACT

NC system is the core component of CNC machine tools and CNC is the critical

technology to realize manufacturing of automated, flexible, integrated, networking and

intelligent equipment in machine tool building industry. Acceleration of the

development of CNC system would be a forward-looking, foreseeing and essential

strategy to revitalization of the equipment manufacturing industry. Graphical editor is

a basic feature for medium and high-end CNC system, which can reduce and simplify

the effort for part programming, as well as the skill level of programmers, so that this

feature can satisfy users' needs. At present，most low-end CNC system has this feature

embedded in original medium and high-end CNC system to enhance its competitive

edge.

This article, based on the actual needs for project development, present a study of a

variety of two-dimensional graphics processing technology and technical applications to

CNC machining. This article makes a study of basic components of the graphics,

design a complete set of graphic data storage structure against the needs of CNC

machining and program and realize a various of function modules on graphic

processing based on this graphic data structure: Graphic data acquisition module,

graphical data pre - processing module (including discrete graphics, automatic

identification of graphics processing region , judgment of graphic profile direction etc.),

graphics block filling modules, graphics centerline pick-up module etc. IN addition to

be run on PC the graphics processing module could be integrated into the numerical

control system, as a function for graphic processing. Each module is programmed by

high-level programming language C++ .On realization of graphics block filling; this

article introduces a method of template filling by which the area is filled along the

contour. In addition to fill all interior process region, it can get the information of

positions and depths within the interior processes region, allowing to stretch a variety of

graphics in three-dimensions to achieve embossment. For realization of centerline

processing, this article sets forth a method by which the centerline is picked up base on

inscribed circle, and introduces the methods to obtain inscribed circle by expanded

circle and by vector. These methods are available to obtain centerline and width from

any two graphic contour lines so that rapid engraving for small graphics could be

achieved.

The ultimate objective in graphic processing is to generate program codes for CNC.

With these graphic processing modules, the program codes will be generated for CNC

to process the graphics. The generated codes should be verified by a variety of

simulations to prove that the codes could meet with the processing requirements. The

generated G codes should also pass the verification by physical machining with satisfied

results.

For application of graphic processing technology to CNC machining, and

integration of it into CNC system it requires a numerical control system with strong data

processing capabilities. In the future, along with processing ability enhancement,

improved function, CNC system will be capable to handle more complex graphics, and

generate high-grade graphic program codes for CNC machining.

Keywords: Graphics, Algorithm, Numerical Control Processing,

Graphics Filling, Graphics Centerline

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ................................................................................................................ 1

1.1 计算机图形学的起源和发展 .......................................................................... 1

1.1.1 图形学的起源和发展 .......................................................................... 1

1.1.2 计算机图形学的研究内容和应用 ...................................................... 1

1.2 数控技术发展概况 .......................................................................................... 3

1.2.1 数控技术的发展和趋势 ...................................................................... 3

1.2.2 我国数控技术的发展 .......................................................................... 4

1.3 课题的背景和研究的主要内容 ....................................................................... 5

1.4 本章小结 ........................................................................................................... 6

第二章图形处理系统方案设计 .................................................................................... 7

2.1 图形处理系统功能分析 .................................................................................. 7

2.2 图形数据结构设计 .......................................................................................... 7

2.3 图形处理系统规划与接口设计 ..................................................................... 12

2.4 本章小结 ......................................................................................................... 12

第三章图形数据的来源与获取 .................................................................................. 13

3.1.矢量字体 ........................................................................................................ 13

3.1.1 矢量字体简介 .................................................................................... 13

3.1.2 Windows True Type 字体 ................................................................. 13

3.1.3 True Type 字体矢量数据提取 ......................................................... 14

3.2 DXF 绘图交换文件 ......................................................................................... 24

3.2.1 DXF 文件格式简介 ............................................................................. 24

3.2.2 DXF 文件实体数据提取 ..................................................................... 25

3.3 本章小结 ......................................................................................................... 28

第四章图形数据预处理 .............................................................................................. 29

4.1 图形加工区域划分 ........................................................................................ 29

4.1.1 区域划分的原理和依据 ..................................................................... 29

4.1.2 角度划分方法 .................................................................................... 30

4.2 闭合轮廓的方向 ............................................................................................ 37

4.3 曲线离散处理 ................................................................................................ 39

4.3.1 直线离散 ............................................................................................ 40

4.3.2 贝塞尔曲线离散 ................................................................................ 46

4.4 离散数据优化 ................................................................................................ 50

4.4.1 邻接和连通 ........................................................................................ 50

4.4.2 数据优化算法 .................................................................................... 50

4.5 本章小结 ........................................................................................................ 52

第五章图形处理算法及加工方式实现 ...................................................................... 53

5.1 图形加工区域填充 ........................................................................................ 53

5.1.1 区域填充算法简介 ............................................................................ 53

5.1.2 基于深度信息的轮廓填充算法 ........................................................ 53

5.1.3 基于模板的区域填充 ........................................................................ 54

5.1.4 填充数据实现图形三维拉伸 ............................................................. 60

5.1.5 验证填充数据 ..................................................................................... 61

5.2 中心骨架线提取 ............................................................................................. 61

5.2.1 中心线提取在加工中的意义 ............................................................ 61

5.2.2 基于内切圆方法提取轮廓中心线 .................................................... 62

5.2.3 膨胀法获取内切圆 ............................................................................ 62

5.2.4 矢量法获取内切圆 ............................................................................ 65

5.2.5 两种算法结果比较 ............................................................................ 66

5.3 本章小结 ........................................................................................................ 67

第六章模拟仿真与机床加工试验 .............................................................................. 68

6.1 刀具路径计算 ................................................................................................. 68

6.2 模拟仿真 ......................................................................................................... 68

6.3 机床加工 ......................................................................................................... 69

6.4 本章小结 ......................................................................................................... 70

第七章总结与展望 ...................................................................................................... 71

7.1 全文总结 ........................................................................................................ 71

7.2 研究展望 ........................................................................................................ 71

参考文献 ........................................................................................................................ 73

在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ............................................ 76

致谢 ............................................................................................................................ 77

第一章绪论

1.1 计算机图形学的起源和发展

1.1.1 图形学的起源和发展

计算机图形学最早是美国麻省理工学院 Ivan E. Sutherlan 于1963 年在他的

博士论文“Sketchpad：一个人-机通信的图形系统”中首次提出的。此前麻省理

工学院于 1950 年采用了类似示波器的 CRT 研制了第一台图形显示器，1958 年Cal

comp 公司将数字记录仪发展成滚筒式绘图仪，Gerber 公司基于数控机床研制出平

板式绘图仪。这些工作为计算机图形学的诞生奠定了硬件基础。Ivan E. Sutherlan

在Sketchpad 系统中实现了用光笔在图形显示器上选择、定位等交互功能，是交

互式计算机图形学的开端，他本人被世人公认为“计算机图形学之父”。

一个完整的计算机图形系统包括硬件和软件两部分。硬件部分涉及图形输入、

处理、显示、存储和输出等设备，软件部分涉及图形生成、显示、处理算法以及

图形数据存储、交换的格式等。自 20 世纪 60 年代计算机图形学诞生至今，计算

机图形学的软硬件一直在发展、更新。[1]

1.1.2 计算机图形学的研究内容和应用

图形通常由点、线、面、体等几何元素和灰度、色彩、线型、线宽等非几何属

性组成。从处理技术上来看，图形主要分为两类，一类是基于线条信息表示的，

如工程图、等高线地图、曲面的线框图等，另一类是明暗图，也就是通常所说的

真实感图形。

计算机图形学一个主要的目的就是要利用计算机产生令人赏心悦目的真实感

图形。为此，必须建立图形所描述的场景的几何表示，再用某种光照模型，计算

在假想的光源、纹理、材质属性下的光照明效果。所以计算机图形学与另一门学

科计算机辅助几何设计有着密切的关系。事实上，图形学也把可以表示几何场景

的曲线曲面造型技术和实体造型技术作为其主要的研究内容。同时，真实感图形

计算的结果是以数字图像的方式提供的，计算机图形学也就和图像处理有着密切

的关系。

图形处理技术在数控加工中的应用

图形与图像两个概念间的区别越来越模糊，但还是有区别的：图像是指计算

机内以位图形式存在的灰度信息，而图形含有几何属性，或者说更强调场景的几

何表示，是由场景的几何模型和景物的物理属性共同组成的。

计算机图形学的研究内容非常广泛，如图形硬件、图形标准、图形交互技术、光

栅图形生成算法、曲线曲面造型、实体造型、真实感图形计算与显示算法、非真

实感绘制，以及科学计算可视化、计算机动画、自然景物仿真、虚拟现实等。[2]

目前，在工业生产自动装配线中用于检测零件的质量、并对零件进行分类，检

查印刷电路板疵病，对弹性力学照片、流体力学图片的阻力和升力进行分析，采

用工业视觉跟踪先进的设计和制造技术等。计算机图形学在设计与制造业的应用

被称为计算机辅助设计(Computer Aided Design ,CAD) 和计算机辅助制造

(Computer Aided Manufacturing ,CAM)。应用CAD/CAM技术可以缩短设计与制造

周期，降低设计与制造成本，提高设计与制造质量。尤其CAD/CAM与网络和数据库

技术的集成，计算机集成制造系统(CIMS)在飞机、船舶、电子和轻纺等工业领域

的应用明显地提高了生产效率。[3]

计算机图形学与数控雕刻技术有机的结合，使得雕刻技术有了长足的发展。[4]

现在的雕刻已经完全由计算机自动处理、生成代码、自动控制，完成一系列复杂

的操作，图形学的发展和数控技术的发展也使得雕刻向着三维、高精度、高复杂

度的方向发展。图1-1为北京精雕公司在2008年工业博览会上展出的部分雕刻作

品。

图 1- 1 2008 上海工博会展出

第一章绪论

Fig. 1- 1 display of 2008 shanghai industry fair

1.2 数控技术发展概况

1.2.1 数控技术的发展和趋势

数控技术是一种采用计算机对机械加工过程中各种控制信息进行数字化运算、

处理，并通过高性能的驱动单元对机械执行构件进行自动化控制的高新技术。随

着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，它对国计民生的一些重要行业（IT、

汽车、轻工、医疗等）的发展起着非常重要的作用。从目前世界上数控技术发展

的趋势上看，其主要有以下几个方面。[5.6]

(一)高速度、高精度加工技术的趋势

高速度、高精度加工技术是先进制造技术的主体。高速度、高精度加工技术可

以提高切削效率和改善加工表面的质量，在控制系统方面采用高性能的计算机提

高位置控制时插补计算的速度，使用新的曲线拟合算法减少插补误差的产生。近

10 年来，普通级数控机床的加工精度已由 10μm提高到 5μm，精密级加工中心则

从3~5μm提高到 1~1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级(0.01μm)。

高速加工中心的主轴转速已达 60 000r/min，进给速度已达 80m/min，空运行速度

100m/min 左右甚至更高，加速度达 2g。从而极大地提高了效率，提高了产品的质

量和档次，缩短了生产周期和提高市场的竞争能力。

为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机也得到了

广泛的应用和快速的发展，进一步促进高速度、高精度加工技术的发展。

(二)智能化、开放式、网络化成为数控系统发展的主要趋势

由于现代机械加工业逐步向柔性化、集成化、智能化方向发展，因此新一代数控

技术就必需强调具有开放式、智能化的特征。所谓智能化数控系统，是指具有拟

人智能特征，在数控系统中具有模拟、延伸、扩展的智能行为的知识处理活动。

智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行检测、建模、提取特征、

自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，

对进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时自适应控制，

使机床的加工过程处于最佳状态。当前数控系统所需要的功能将不只是高的性能

（高速、高精度、高可靠性），而且还包括许多智能功能，如加工运动规划、推理、

决策能力以及加工环境的感知能力、制造网络通信能力（包括与人的交互）、智能

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摘要：

摘要数控系统是数控机床的核心部件，数控技术是装备制造业实现自动化、柔性化、集成化、网络化和智能化的关键技术。加快发展数控系统对装备制造业振兴具有前瞻性、先导性和基础性的战略意义。图形化编辑是中高档数控系统的一个基本功能，它可以减少和简化加工零件的程序编制工作，降低对编程人员的技术基础，受到用户的欢迎。目前，国外中高档数控系统都有这项功能，并把此功能移植到低端数控系统中，以增强产品的竞争力。本文根据实际项目开发需要，研究各种二维图形处理技术，并将该技术应用于数控加工中。本文首先研究了图形的基本组成，针对数控加工的需要，设计了一套完整的图形数据存储结构，并基于该图形数据结构编写并实现了多个图形处理...

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