微波印制電路板數(shù)控加工拼板軟件開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

曾 策 謝國(guó)平 戴廣乾 林玉敏 邊方勝

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第二十九研究所，四川 成都 610036）

0 背景

微波印制電路板作為一種高價(jià)值產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于軍民電子設(shè)備[1]。由于微波電路布局的特殊需求，微波印制電路板通常含有異形孔、異形槽等復(fù)雜結(jié)構(gòu)，需要通過(guò)高精度的數(shù)控鉆銑床設(shè)備進(jìn)行復(fù)雜的異形加工[2]-[4]。新產(chǎn)品的數(shù)控加工程序需要通過(guò)仔細(xì)的人工審查和干預(yù)，確保文件的正確性，避免加工缺陷產(chǎn)生[5]。該步驟通常需要將制作的數(shù)控程序加載到設(shè)備上模擬運(yùn)行，占用大量的設(shè)備，影響生產(chǎn)效率。在產(chǎn)品打樣或小批量多品種生產(chǎn)情形下，微波印制電路板拼板尺寸小，僅占設(shè)備工作臺(tái)面1/4甚至更小的面積，單次加工時(shí)間短，操作人員頻繁執(zhí)行上下料操作，生產(chǎn)效率低下[6]。

為提高小板面微波印制電路板的數(shù)控加工生產(chǎn)效率，提出了數(shù)控加工工序“拼板”的作業(yè)模式，即將多張相同或不同的微波印制電路板臨時(shí)組合，盡量鋪滿整個(gè)鉆銑床的工作臺(tái)，一次性上料裝夾，并用一個(gè)組合的數(shù)控程序連續(xù)完成加工。新的作業(yè)模式上下料次數(shù)成倍減少，設(shè)備利用率和操作人員效率都可明顯提升。然而實(shí)施這種新的作業(yè)模式需要將多個(gè)已有的數(shù)控程序快速、準(zhǔn)確組合拼板，形成一個(gè)新的數(shù)控程序。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)已有的CAM軟件操作步驟煩瑣，不能很好地滿足提升效率的要求，因此決定開(kāi)發(fā)一款面向數(shù)控拼板加工需求的專(zhuān)用軟件，實(shí)現(xiàn)小批量多品種微波印制板高效率的數(shù)控加工。

本文首先分析數(shù)控加工拼板軟件的功能需求，然后設(shè)計(jì)了關(guān)鍵軟件算法，最后介紹了軟件的開(kāi)發(fā)方案及應(yīng)用成效。

1 功能需求分析

為提升小批量多品種微波印制板數(shù)控加工效率，提升產(chǎn)品質(zhì)量，基于拼板加工的思路對(duì)作業(yè)模式進(jìn)行了重新設(shè)計(jì)。新的作業(yè)模式下數(shù)控加工程序的準(zhǔn)備工作流程如圖1所示。

圖1 拼板數(shù)控加作業(yè)流程

基于以上工作流程，數(shù)控程序拼板軟件的核心功能項(xiàng)設(shè)計(jì)如下。

（1）加工仿真功能。通過(guò)實(shí)時(shí)的可視化仿真快速確認(rèn)單獨(dú)或拼板的數(shù)控加工程序的正誤；新制作的數(shù)控加工程序代碼極易存在低級(jí)錯(cuò)誤（如刀具半徑補(bǔ)償錯(cuò)誤、過(guò)切等）導(dǎo)致加工報(bào)廢，需要通過(guò)高效率的仿真工具快速發(fā)現(xiàn)、定位及修改包含錯(cuò)誤的加工程序代碼。

（2）快速拼板功能。對(duì)數(shù)控加工程序做平移、旋轉(zhuǎn)、鏡像等變換，使待加工的產(chǎn)品定位到設(shè)備工作臺(tái)不同的位置，并盡量布滿整個(gè)加工臺(tái)面，然后合并數(shù)控程序。此外需要調(diào)整程序段執(zhí)行順序，減少頻繁換刀等多余設(shè)備動(dòng)作，優(yōu)化執(zhí)行效率。

此外，本文基于Seib&Meyer 5000（SM5000）程序格式進(jìn)行算法及軟件開(kāi)發(fā)，僅需作適應(yīng)性修改即可兼容其他格式。

2 關(guān)鍵算法設(shè)計(jì)

2.1 代碼行參數(shù)解析

實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工仿真及圖形化編輯等核心功能，首先需要對(duì)數(shù)控程序代碼行進(jìn)行參數(shù)解析。典型的數(shù)控加工程序如圖2所示，代碼行可分為注釋行、開(kāi)始行、加工行（鉆孔或銑切）、偏移行（OFFSET）、結(jié)束行等5類(lèi)。

圖2 典型SM5000格式數(shù)控程序結(jié)構(gòu)

加工行和偏移行為數(shù)控程序的主體，本軟件采用如圖3的流程進(jìn)行解析：首先將代碼行的坐標(biāo)文本和指令文本進(jìn)行分離，再進(jìn)一步解析坐標(biāo)（X-Y）及加工指令和偏移指令。此外，需要進(jìn)一步提取換刀指令Tn（n為刀具號(hào)）、刀補(bǔ)指令G40/G41/G42、進(jìn)給速度F、圓弧半徑R、字符鉆孔指令M97/M98的字符串等。

圖3 加工行和偏移行解析流程

代碼行的文本解析過(guò)程為復(fù)雜的字符串操作，軟件設(shè)計(jì)中采用正則表達(dá)式技術(shù)實(shí)現(xiàn)格式校驗(yàn)和信息提取。正則表達(dá)式是特定的字符組合形成“規(guī)則字符串”，用來(lái)表達(dá)對(duì)字符串的驗(yàn)證、查找、替換、提取等邏輯操作。在分離坐標(biāo)與指令文本的解析操作中，采用正則表達(dá)式如下：

該正則表達(dá)式驗(yàn)證程序行是否為“X*Y*”形式的坐標(biāo)格式，并同時(shí)將坐標(biāo)文本和指令文本分別提取為兩組字符串。對(duì)提取的坐標(biāo)字符串應(yīng)用“X(-?[0-9]*.?[0-9]*)”等正則表達(dá)式，進(jìn)一步提取X/Y坐標(biāo)值。同樣通過(guò)構(gòu)建適當(dāng)?shù)恼齽t表達(dá)式，在指令文本部分逐一將其余加工指令和偏移指令提取出來(lái)，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)。在代碼行解析過(guò)程中正則表達(dá)式的匹配錯(cuò)誤信息代表代碼行存在問(wèn)題，可根據(jù)錯(cuò)誤提示內(nèi)容快速進(jìn)行代碼的修改。

2.2 刀具半徑補(bǔ)償

銑切加工仿真功能需要計(jì)算并顯示刀具的實(shí)際移動(dòng)路徑，提高加工仿真的真實(shí)度，便于快速發(fā)現(xiàn)數(shù)控程序各種隱蔽錯(cuò)誤。數(shù)控程序一般依據(jù)產(chǎn)品的機(jī)械層坐標(biāo)轉(zhuǎn)換得到，需要利用刀具半徑補(bǔ)償指令（G41/G42）使機(jī)床在在印制板輪廓加工過(guò)程時(shí)自動(dòng)將刀具路徑向產(chǎn)品外部分向偏離一個(gè)刀具半徑的距離。刀具半徑補(bǔ)償技術(shù)是CNC系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，為了獲得精確的銑切邊緣，外形輪廓逆時(shí)針銑切，內(nèi)部輪廓順時(shí)針銑切，如圖4所示。

圖4 銑切路徑與刀具半徑補(bǔ)償示意

刀具半徑補(bǔ)償算法的目標(biāo)是獲得刀具實(shí)際的軌跡。一般銑切路徑由順序相連的直線或圓弧構(gòu)成，因此根據(jù)前后兩段軌跡的連接方式不同，將軌跡計(jì)算分為“直線-直線”“直線-圓弧”“圓弧-直線”“圓弧-圓弧”4種情形分別設(shè)計(jì)算法，如圖5所示。

圖5 銑切軌跡四種轉(zhuǎn)接模式

每一種軌跡轉(zhuǎn)接模式下，分兩種情況計(jì)算刀具軌跡，如圖6所示：當(dāng)兩段軌跡在交點(diǎn)A處夾角γ≤180°時(shí)為“相交型”，兩段軌跡平移刀具半徑Rt之后形成的新軌跡存在交點(diǎn)B，兩段新軌跡在點(diǎn)B完成轉(zhuǎn)接；當(dāng)γ>180°為“補(bǔ)充型”，需補(bǔ)充一段圓弧C1-C2連接兩段新軌跡。

下面以圖6的兩種典型情況舉例給出計(jì)算步驟及公式。

首先計(jì)算兩段軌跡的夾角γ，先分別計(jì)算第一段和第二段軌跡與X軸的夾角α、β，然后得到：

（1）當(dāng)時(shí)，計(jì)算兩段新軌跡的交點(diǎn)。以圖6（A）“圓弧-圓弧”轉(zhuǎn)接為例，中利用三角形余弦定理解得：

（2）當(dāng)時(shí)，以圖6（B）“直線-直線”轉(zhuǎn)接為例，計(jì)算點(diǎn)、的坐標(biāo)，并在軌跡中插入一段以A為圓心、半徑為Rt的圓弧：

圖6 軌跡轉(zhuǎn)接的相交型（A）與補(bǔ)充型（B）

以上兩個(gè)例子為基礎(chǔ)，進(jìn)一步考慮補(bǔ)償方向（左補(bǔ)償G41、右補(bǔ)償G42）和圓弧方向（順時(shí)針G2、逆時(shí)針G3）的不同，即可將完成所有組合情況下刀具半徑補(bǔ)償路徑計(jì)算。

2.3 坐標(biāo)線性變換

坐標(biāo)線性變換算法實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序的平移、旋轉(zhuǎn)、縮放及X/Y軸鏡像四項(xiàng)功能。

（1）平移變換算法：如需平移坐標(biāo)增量為（10.000，20.000），通過(guò)增加一層嵌套偏移指令“X10.000Y20.000M50M30”實(shí)現(xiàn)程序位置的整體平移；

（2）旋轉(zhuǎn)變換算法：如需以坐標(biāo)零點(diǎn)為中心旋轉(zhuǎn)角度，分別將加工代碼行和偏移代碼行的X/Y坐標(biāo)做如下線性變換：

（3）縮放變換算法：如需對(duì)加工X和Y尺寸分別作比例為縮放變換，將加工代碼行和偏移代碼行的X/Y坐標(biāo)做如下線性變換：

（4）X/Y軸鏡像變換像算法：分別將加工代碼行和偏移代碼行的X/Y坐標(biāo)做如下變換。需注意對(duì)包含路徑銑切的數(shù)控程序做鏡像變換時(shí)，為滿足外輪廓逆時(shí)針銑和內(nèi)輪廓順時(shí)針銑的要求，還需將銑切路徑反向，也就是交換每段路徑的起點(diǎn)和終點(diǎn)，其中包含的圓弧代碼（G2/G3）和半徑補(bǔ)償代碼（G41/G42）不變。

3 軟件開(kāi)發(fā)及應(yīng)用成效

3.1 軟件開(kāi)發(fā)

為便于與MES系統(tǒng)及CAM軟件的集成，本項(xiàng)目選擇Windows下的Microsoft Visual Studio作為開(kāi)發(fā)環(huán)境。圖形編程采用功能豐富且面向快速編程的.NET Framework GDI+，它是基于類(lèi)的一種托管代碼應(yīng)用程序編程接口（API），支持2D矢量圖形和位圖的處理和顯示，代碼運(yùn)行安全高效，可滿足本項(xiàng)目的需求。程序使用面向?qū)ο蠹夹g(shù)開(kāi)發(fā)，軟件開(kāi)發(fā)中涉及的核心類(lèi)及相關(guān)枚舉/結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)對(duì)象如圖7，其中NCP為數(shù)控加工程序?qū)ο?，通過(guò)遞歸包含關(guān)系構(gòu)建層次化的數(shù)控加工程序；NCBlock為程序行代碼對(duì)象，包含了坐標(biāo)、加工指令、補(bǔ)償指令等信息；Router為銑切加工的運(yùn)行模擬器，通過(guò)輸入程序代碼行（NCBlock）序列，輸出刀具加工路徑圖形對(duì)象；NCMath為靜態(tài)類(lèi)，實(shí)現(xiàn)平面坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換等幾何運(yùn)算共性函數(shù)。

圖7 軟件開(kāi)發(fā)核心對(duì)象及關(guān)系設(shè)計(jì)

數(shù)控加工拼板軟件界面如圖8所示，分為“文件列表”“程序樹(shù)”“代碼窗”及“加工仿真圖形”幾個(gè)部分，配合上下文菜單和快捷按鈕實(shí)現(xiàn)第1節(jié)中提出的功能需求。

圖8 數(shù)控拼板軟件界面

3.2 加工仿真與編輯功能

加工仿真圖形給出了刀具精確的實(shí)際路徑，如圖9所示。由于軟件對(duì)數(shù)控程序進(jìn)行了詳細(xì)的結(jié)構(gòu)解析并以程序樹(shù)的方式展示，可快速實(shí)現(xiàn)錯(cuò)誤定位和修正。需要對(duì)數(shù)控加工作漲縮控制，輸入X/Y縮放比例值即可完成。加工仿真、檢查確認(rèn)及修改工作完全在計(jì)算機(jī)端以離線方式操作，無(wú)須在設(shè)備上進(jìn)行的模擬運(yùn)行檢查，節(jié)約大量設(shè)備時(shí)間。

圖9 加工仿真呈現(xiàn)的典型路徑銑切錯(cuò)誤

3.3 快速拼板功能

將多個(gè)小尺寸板面的數(shù)控加工程序拼板組合為單個(gè)加工程序的軟件操作步驟為：

（1）通過(guò)鼠標(biāo)拖動(dòng)仿真圖形，平移或旋轉(zhuǎn)各子程序到臺(tái)面適當(dāng)位置，盡量鋪滿整個(gè)設(shè)備臺(tái)面；

（2）合并子程序?yàn)閱蝹€(gè)數(shù)控文件；

（3）復(fù)制偏移指令代碼段到所有刀具代碼段，減少設(shè)備執(zhí)行中的換刀次數(shù)；

（4）按刀具號(hào)自動(dòng)重排代碼段，進(jìn)一步減少換刀次數(shù)。

針對(duì)以上4個(gè)步驟軟件均設(shè)計(jì)了“一鍵式”功能，一般能在2分鐘左右完成全部操作，并通過(guò)圖形仿真實(shí)時(shí)查看拼板效果，確保數(shù)控程序正確無(wú)誤。

3.5 效率提升應(yīng)用效果

新開(kāi)發(fā)的數(shù)控加工拼板軟件從三個(gè)方面提升數(shù)控鉆銑床設(shè)備效率：

（1）數(shù)控加工程序的檢查確認(rèn)全部離線操作，不占用設(shè)備時(shí)間；

（2）拼板加工將產(chǎn)品上下料裝夾次數(shù)減少為原來(lái)的1/n（n為拼板數(shù)量）；

（3）連續(xù)加工多個(gè)產(chǎn)品，數(shù)倍減少了設(shè)備執(zhí)行刀具拾取/放還的無(wú)效動(dòng)作時(shí)間。如圖9所示，拼板之后連續(xù)加工量成倍增加，設(shè)備和人員的時(shí)間離散度下降，連續(xù)性增加。實(shí)際應(yīng)用表明，在典型情況下拼板加工相比逐一加工的整體時(shí)間縮短43%，設(shè)備效率提升達(dá)75%。此外，作業(yè)人員在設(shè)備運(yùn)行期間有充足的時(shí)間完成下一輪加工的拼板操作，甚至可以同時(shí)照料2臺(tái)設(shè)備運(yùn)行。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)“小批量多品種”類(lèi)型的微波印制電路板數(shù)控加工生產(chǎn)效率低、數(shù)控程序易出錯(cuò)等問(wèn)題，通過(guò)開(kāi)發(fā)數(shù)控加工拼板軟件，并應(yīng)用拼板加工的作業(yè)模式得到了很好的解決。在此基礎(chǔ)上將進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)與MES（制造執(zhí)行系統(tǒng)）的集成，實(shí)現(xiàn)拼板的產(chǎn)品組合的自動(dòng)規(guī)劃，進(jìn)一步提升數(shù)控加工的智能化水平。

圖10 拼板加工提升設(shè)備效率示意