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2026-02-17 01:35:09 +08:00
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+# G代码生成方案设计文档
+
+## 一、CAM模块架构
+
+### 1.1 整体架构
+```
+┌─────────────────────────────────────────────────────────┐
+│                    G代码生成系统                          │
+├─────────────────────────────────────────────────────────┤
+│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────────┐  │
+│  │  路径规划器   │  │  刀具选择器   │  │  后处理器       │  │
+│  │ • 粗加工     │  │ • 刀具库     │  │ • Fanuc格式     │  │
+│  │ • 精加工     │  │ • 切削参数    │  │ • Siemens格式   │  │
+│  │ • 清角加工    │  │ • 寿命管理    │  │ • Haas格式      │  │
+│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────────┘  │
+├─────────────────────────────────────────────────────────┤
+│                   加工策略层                             │
+│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────────┐  │
+│  │  型腔加工     │  │  电极加工     │  │  钻孔加工       │  │
+│  │ • 等高线     │  │ • 铜电极      │  │ • 冷却孔        │  │
+│  │ • 平行铣     │  │ • 石墨电极    │  │ • 顶针孔        │  │
+│  │ • 螺旋铣     │  │ • 精密加工    │  │ • 螺丝孔        │  │
+│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────────┘  │
+├─────────────────────────────────────────────────────────┤
+│                   几何处理层                             │
+│  ┌─────────────┐  ┌─────────────┐  ┌─────────────────┐  │
+│  │  STL处理器    │  │  网格优化器   │  │  碰撞检测       │  │
+│  │ • STL导入    │  │ • 网格修复    │  │ • 刀具干涉      │  │
+│  │ • 三角化     │  │ • 法线校正    │  │ • 机床限制      │  │
+│  │ • 精度控制    │  │ • 简化优化    │  │ • 安全区域      │  │
+│  └─────────────┘  └─────────────┘  └─────────────────┘  │
+└─────────────────────────────────────────────────────────┘
+```
+
+## 二、核心功能模块
+
+### 2.1 路径规划器 (PathPlanner)
+
+#### 粗加工策略
+```python
+class RoughingStrategy:
+    def adaptive_clearing(self, stock, tool):
+        """自适应清根粗加工"""
+        
+    def pocket_milling(self, cavity, tool):
+        """型腔铣削粗加工"""
+        
+    def rest_milling(self, previous_tool, current_tool):
+        """残留区域加工"""
+```
+
+#### 精加工策略
+```python
+class FinishingStrategy:
+    def contour_parallel(self, surface, stepover):
+        """等高线精加工"""
+        
+    def spiral_milling(self, cavity, stepover):
+        """螺旋精加工"""
+        
+    def pencil_milling(self, corners, tool):
+        """清角精加工"""
+```
+
+### 2.2 刀具选择器 (ToolSelector)
+
+#### 刀具库配置
+```python
+# config/tool_library.py
+
+TOOL_LIBRARY = {
+    "roughing_endmill_16mm": {
+        "type": "endmill",
+        "diameter": 16.0,
+        "flute_length": 50.0,
+        "shank_diameter": 16.0,
+        "cutting_edges": 4,
+        "material": "carbide",
+        "speeds_feeds": {
+            "cutting_speed": 120,    # m/min
+            "feed_per_tooth": 0.15,  # mm/tooth
+            "axial_depth": 8.0,      # mm
+            "radial_depth": 12.0     # mm
+        }
+    },
+    "finishing_ballnose_6mm": {
+        "type": "ballnose",
+        "diameter": 6.0,
+        "flute_length": 25.0,
+        "cutting_edges": 2,
+        "material": "carbide",
+        "speeds_feeds": {
+            "cutting_speed": 150,
+            "feed_per_tooth": 0.08,
+            "axial_depth": 0.3,
+            "radial_depth": 0.5
+        }
+    }
+}
+```
+
+#### 自动刀具选择算法
+```python
+class AutoToolSelector:
+    def select_roughing_tool(self, cavity_volume, material):
+        """根据型腔体积选择粗加工刀具"""
+        
+    def select_finishing_tool(self, surface_quality, corner_radius):
+        """根据表面质量要求选择精加工刀具"""
+        
+    def optimize_tool_sequence(self, operations):
+        """优化刀具使用顺序"""
+```
+
+### 2.3 后处理器 (PostProcessor)
+
+#### 支持的数控系统
+```python
+# config/post_processors.py
+
+SUPPORTED_CONTROLLERS = {
+    "fanuc": {
+        "g_code_dialect": "fanuc",
+        "circular_interpolation": "G02/G03",
+        "tool_change": "M06",
+        "coolant": "M08/M09"
+    },
+    "siemens": {
+        "g_code_dialect": "sinumerik",
+        "circular_interpolation": "G02/G03",
+        "tool_change": "T... M06",
+        "coolant": "M08/M09"
+    },
+    "haas": {
+        "g_code_dialect": "haas",
+        "circular_interpolation": "G02/G03",
+        "tool_change": "M06",
+        "coolant": "M08/M09"
+    },
+    "heidenhain": {
+        "g_code_dialect": "heidenhain",
+        "circular_interpolation": "DR+",
+        "tool_change": "TOOL CALL",
+        "coolant": "M08/M09"
+    }
+}
+```
+
+## 三、加工工艺流程
+
+### 3.1 标准加工序列
+
+#### 型腔加工流程
+```python
+PROCESS_SEQUENCE = [
+    # 阶段1: 粗加工
+    {
+        "operation": "roughing",
+        "tool": "roughing_endmill_16mm",
+        "strategy": "adaptive_clearing",
+        "stock_allowance": 0.5
+    },
+    
+    # 阶段2: 半精加工
+    {
+        "operation": "semi_finishing", 
+        "tool": "endmill_10mm",
+        "strategy": "contour_parallel",
+        "stock_allowance": 0.1
+    },
+    
+    # 阶段3: 精加工
+    {
+        "operation": "finishing",
+        "tool": "ballnose_6mm", 
+        "strategy": "spiral_milling",
+        "stepover": 0.3
+    },
+    
+    # 阶段4: 清角加工
+    {
+        "operation": "corner_cleaning",
+        "tool": "ballnose_3mm",
+        "strategy": "pencil_milling"
+    }
+]
+```
+
+### 3.2 电极加工流程
+
+#### 铜电极加工
+```python
+ELECTRODE_PROCESS = [
+    # 粗加工
+    {"tool": "endmill_8mm", "strategy": "roughing"},
+    
+    # 精加工
+    {"tool": "ballnose_3mm", "strategy": "finishing"},
+    
+    # 放电区域加工
+    {"tool": "ballnose_1mm", "strategy": "detail_milling"}
+]
+```
+
+## 四、G代码格式规范
+
+### 4.1 基本G代码结构
+```gcode
+% 程序开始
+O1000 (模具型腔加工程序)
+G17 G40 G49 G80 G90 (安全初始化)
+G54 (工件坐标系)
+
+(=== 粗加工 ===)
+T01 M06 (换刀: 16mm端铣刀)
+G43 H01 Z100.0 (刀具长度补偿)
+S1800 M03 (主轴启动)
+G00 X0 Y0 Z10.0 (快速定位)
+M08 (冷却液开)
+
+G01 Z-5.0 F500 (下刀)
+G01 X50.0 Y30.0 F800 (直线插补)
+G02 X60.0 Y40.0 I10.0 J0.0 F600 (圆弧插补)
+
+(=== 精加工 ===)  
+T02 M06 (换刀: 6mm球头刀)
+G43 H02 Z100.0
+S3000 M03
+
+(程序结束)
+M09 (冷却液关)
+M05 (主轴停)
+G28 G91 Z0 (Z轴回零)
+G28 G91 X0 Y0 (XY轴回零)
+M30 (程序结束)
+% 程序结束
+```
+
+### 4.2 加工参数计算
+
+#### 切削参数计算
+```python
+class CuttingParameters:
+    def calculate_spindle_speed(self, tool_diameter, cutting_speed):
+        """计算主轴转速"""
+        # N = (1000 * Vc) / (π * D)
+        return (1000 * cutting_speed) / (math.pi * tool_diameter)
+    
+    def calculate_feed_rate(self, spindle_speed, feed_per_tooth, teeth):
+        """计算进给速率"""
+        # F = N * fz * z
+        return spindle_speed * feed_per_tooth * teeth
+    
+    def calculate_machining_time(self, toolpath_length, feed_rate):
+        """估算加工时间"""
+        return toolpath_length / feed_rate * 60  # 分钟
+```
+
+## 五、碰撞检测与安全
+
+### 5.1 碰撞检测算法
+```python
+class CollisionDetector:
+    def check_tool_holder_collision(self, toolpath, stock, tool_geometry):
+        """检测刀柄碰撞"""
+        
+    def check_rapid_moves(self, rapid_paths, obstacles):
+        """检测快速移动碰撞"""
+        
+    def verify_machine_limits(self, coordinates, machine_limits):
+        """验证机床行程限制"""
+```
+
+### 5.2 安全策略
+```python
+SAFETY_STRATEGIES = {
+    "retract_height": 10.0,           # 抬刀高度
+    "safe_clearance": 5.0,            # 安全距离
+    "max_feed_rate": 5000.0,          # 最大进给速率
+    "max_spindle_speed": 24000.0,     # 最大主轴转速
+    "emergency_stop_conditions": [
+        "tool_breakage",
+        "collision_detected", 
+        "over_temperature"
+    ]
+}
+```
+
+## 六、仿真与验证
+
+### 6.1 刀具路径仿真
+```python
+class ToolpathSimulator:
+    def visualize_toolpath(self, gcode_file):
+        """可视化刀具路径"""
+        
+    def simulate_material_removal(self, toolpath, stock):
+        """模拟材料去除"""
+        
+    def detect_gouging(self, toolpath, design_surface):
+        """检测过切"""
+```
+
+### 6.2 加工质量分析
+```python
+class QualityAnalyzer:
+    def analyze_surface_roughness(self, toolpath, stepover):
+        """分析表面粗糙度"""
+        
+    def check_dimensional_accuracy(self, simulated_part, design):
+        """检查尺寸精度"""
+        
+    def estimate_tool_wear(self, cutting_length, material):
+        """估算刀具磨损"""
+```
+
+## 七、文件输出格式
+
+### 7.1 G代码文件结构
+```python
+# src/core/gcode_writer.py
+
+class GCodeWriter:
+    def write_program_header(self, program_number, program_name):
+        """写入程序头"""
+        
+    def write_tool_change(self, tool_number, tool_description):
+        """写入换刀指令"""
+        
+    def write_motion_commands(self, toolpath, feed_rate):
+        """写入运动指令"""
+        
+    def write_program_footer(self):
+        """写入程序尾"""
+```
+
+### 7.2 工艺文档输出
+```python
+class ProcessDocumentation:
+    def generate_setup_sheet(self, operations, tools, materials):
+        """生成加工作业指导书"""
+        
+    def generate_tool_list(self, tools_used):
+        """生成刀具清单"""
+        
+    def generate_inspection_report(self, quality_metrics):
+        """生成检测报告"""
+```
+
+## 八、实施计划
+
+### 8.1 第一阶段：基础路径生成（3-4周）
+1. 实现STL几何导入和预处理
+2. 开发基础粗精加工算法
+3. 创建Fanuc格式后处理器
+
+### 8.2 第二阶段：高级功能（4-5周）
+1. 实现碰撞检测和安全策略
+2. 开发刀具路径优化算法
+3. 添加多轴加工支持
+
+### 8.3 第三阶段：完善优化（2-3周）
+1. 集成加工仿真功能
+2. 优化性能和用户体验
+3. 添加更多数控系统支持
+
+## 九、技术选型
+
+### 9.1 几何处理库
+- **FreeCAD Path Workbench** - 开源CAM解决方案
+- **PyCAM** - 纯Python CAM库
+- **OpenCASCADE** - 几何内核，用于复杂运算
+
+### 9.2 可视化库
+- **PyVista** - 3D数据可视化
+- **Matplotlib** - 2D图表和路径显示
+- **Plotly** - 交互式3D可视化
+
+### 9.3 数值计算
+- **NumPy** - 数值计算基础
+- **SciPy** - 科学计算和优化
+- **OpenGL** - 实时3D渲染
+
+## 十、质量保证
+
+### 10.1 测试策略
+- **单元测试** - 每个算法模块单独测试
+- **集成测试** - 完整加工流程测试
+- **回归测试** - 确保新功能不破坏现有功能
+
+### 10.2 验证标准
+- **G代码语法正确性** - 符合数控系统规范
+- **加工安全性** - 无碰撞风险
+- **加工质量** - 满足精度要求
+- **加工效率** - 优化加工时间
+
+---
+*文档版本：v1.0*  
+*创建日期：2026-02-17*