CAM編程軟件的發(fā)展歷史

1、CAM編程軟件的發(fā)展歷史CAM編程軟件的發(fā)展近年來CAD是CAD/CAM集成系統(tǒng)技術創(chuàng)新的主角。相比之下，CAM領域卻顯示出不應有的沉寂。然而，隨著信息化需求的不斷增加，企業(yè)同樣熱切企盼CAM，希望技術創(chuàng)新之風能吹進CAM領域，涌現(xiàn)出能夠與CAD系統(tǒng)相匹配的、功能強大、更符合加工工程化概念、易于普及的新一代CAM產(chǎn)品。 CAM作為整個集成系統(tǒng)的重要一級，向上與CAD、CAPP實現(xiàn)無縫集成，向下方便、快捷、智能、高效地為數(shù)控生產(chǎn)服務，這是CAM技術發(fā)展永遠不變的主題。面向?qū)ο?、面向工藝特征的新概念已?jīng)與CAD技術中面向?qū)ο蟮脑O計、特征建模等相呼應，在一些專業(yè)化的CAM系統(tǒng)中得到了成功的應用，為新

2、一代CAM的誕生進行了必要的經(jīng)驗積累、技術儲備與思想準備。當今CAM在學習、掌握與應用上的困難，與生產(chǎn)快速發(fā)展對CAM人才迫切要求之間的矛盾日益突出，為新一代CAM的成熟與發(fā)展提供了市場基礎。制造業(yè)不斷涌現(xiàn)的新技術、新工藝諸如高速加工技術等也對CAM技術提出了更高的要求。網(wǎng)絡技術的發(fā)展使CAD/CAPP/CAM/CAE/PDM集成化體系擺脫空間的約束，能夠更好地適應現(xiàn)代企業(yè)的生產(chǎn)布局及生產(chǎn)管理的要求。為適應集成化體系的要求，CAM的結(jié)構體系與功能構成也必然會發(fā)生相應的變化。因此我們有理由認為新一代的CAM技術正處在孕育、發(fā)展與成熟之中，新一代CAM會在不遠的將來興起。下面將對CAM技術的發(fā)展過

3、程、CAM的應用現(xiàn)狀、新技術對CAM的要求等方面進行分析，進而對CAM發(fā)展趨勢做一個主觀的預測。并對新一代CAM系統(tǒng)的結(jié)構體系做一個大膽的設想，希望能夠有益于我國CAM的研究、選型及應用，也希望借此與廣大同行交流提高。一、新一代CAM產(chǎn)生的必然性與發(fā)展趨勢 CAM技術發(fā)展至今，無論在軟、硬件平臺、系統(tǒng)結(jié)構、功能特點上都發(fā)生了翻天覆地的變化。當今流行的CAM系統(tǒng)在功能上也存在著巨大的差異。就其具有決定意義的基本處理方式與目標對象上看，主要可分為兩個主要發(fā)展階段，可認為是兩代產(chǎn)品。第一代CAM：APT 20世紀60年代在專業(yè)系統(tǒng)上開發(fā)的編程機及部分編程軟件如：FANOC、Semems編程機，系統(tǒng)結(jié)

4、構為專機形式，基本處理方式是人工或輔助式直接計算數(shù)控刀路，編程目標與對象也都是直接是數(shù)控刀路。特點是功能差，操作困難，專機專用。 第二代CAM：曲面CAM系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構一般是CAD/CAM混合系統(tǒng)，較好地利用了CAD模型，以幾何信息作為最終的結(jié)果，自動生成加工刀路。自動化、智能化程度得到了大幅度提高，具有代表性的是UG、DUCT、Cimatron、MarsterCAM等?；咎攸c是面向局部曲面的加工方式，表現(xiàn)為編程的難易程度與零件的復雜程度直接相關，而與產(chǎn)品的工藝特征、工藝復雜程度等沒有直接相關關系。盡管該時期的時間跨度達二十年，系統(tǒng)檔次差異很大，智能化水平高低亦不同，但在結(jié)構體系上沒有質(zhì)的變化

5、。筆者認為應屬于同一代產(chǎn)品。縱觀CAM技術的發(fā)展歷程，我們可以得出如下結(jié)論： 1.CAM的發(fā)展是一個不斷吸收和利用CAD及周邊相關技術的應用成果，不斷發(fā)展的過程；是自動化、智能化水平不斷提高的過程；是CAM系統(tǒng)結(jié)構及基本處理方式不斷向適應工程化概念的方向發(fā)展的過程。 2.系統(tǒng)的基本處理方式，即編程的目標對象對系統(tǒng)的結(jié)構、智能化水平等起著決定性作用。CAM系統(tǒng)在APT時代，編程的目標對象直接計算刀路軌跡。第二代CAM系統(tǒng)以CAD模型為編程的目標對象，自動生成刀路軌跡。因而系統(tǒng)的自動化、智能化水平得到了大幅度提高，系統(tǒng)的操作也更符合工程化概念。 3.第二代CAM系統(tǒng)以CAD模型的局部幾何特征為目標

6、對象的基本處理形式已經(jīng)成為智能、自動化水平進一步發(fā)展的制約因素。只有突破當今的固有模式，發(fā)展新一代的CAM系統(tǒng)：即面向模型、面向工藝特征的CAM系統(tǒng)，才能夠?qū)AM的自動化、智能化水平提高到一個新的高度。4.可以預見正在孕育、成熟、發(fā)展的新一代CAM系統(tǒng)將采用面向?qū)ο?、面向工藝特征的基本處理方式，使系統(tǒng)的自動化水平、智能化程度大大提高。系統(tǒng)結(jié)構將獨立于CAD、CAPP系統(tǒng)而存在，為CAPP的發(fā)展留下空間，更符合網(wǎng)絡集成化的要求。 二、CAM的創(chuàng)新方向 CAM作為應用性、實踐性極強的專業(yè)技術，直接面向數(shù)控生產(chǎn)實際。生產(chǎn)實際的需求是所有技術發(fā)展與創(chuàng)新的原動力。分析總結(jié)當今CAM的應用現(xiàn)狀、與生產(chǎn)實

7、際要求間的差距及其原因、新工藝、新技術對CAM的特殊需要以及相關外圍技術發(fā)展與要求等，有助于更好地了解今后CAM的發(fā)展趨勢。1.CAM的應用現(xiàn)狀及與實際需求間的差距 因為應用的實踐性更強，專業(yè)化分工更明確，就總體而言，CAM的專業(yè)化水平高于CAD的發(fā)展。縱觀當今占主導地位的CAM系統(tǒng)，無論其界面好壞、功能強弱，都存在著共同的缺陷。(1)CAD/CAM混合化的系統(tǒng)結(jié)構體系CAD功能與CAM功能交叉使用，不是面向整體模型的編程形式，工藝特征需由人工提取，或需進一步CAD處理產(chǎn)生。該結(jié)構體系的形成是歷史的產(chǎn)物。多年前，集成系統(tǒng)特別是網(wǎng)絡化集成的觀念還沒有成為系統(tǒng)開發(fā)的主體思想，模型的建立與編程在同一

8、地點由同一個操作者完成。由此會造成如下的問題。 1)不適應當今集成化的要求系統(tǒng)的模塊分布、功能側(cè)重必須與企業(yè)的組織形式、生產(chǎn)布局相匹配。系統(tǒng)混合化不等于集成化，更不利于網(wǎng)絡集成化的實現(xiàn)。 2)不適合現(xiàn)代企業(yè)專業(yè)化分工的要求 混合化系統(tǒng)，無法實現(xiàn)設計與加工在管理上的分工，增加了生產(chǎn)管理與分工的難度，也極大地阻礙了智能化、自動化水平的提高。另外，混合化系統(tǒng)要求操作者在CAD與CAM兩個方面都要有深厚的背景與經(jīng)驗才能很好地完成工作，增加了學習掌握與使用系統(tǒng)的難度。一般需13年的實踐才能成為稱職的CAM操作人員，對企業(yè)人才的管理造成了極大的負面影響。 3)沒有給CAPP的發(fā)展留下空間與可能 眾所周知，

9、CAPP是CAD/CAM一體化集成的橋梁，CAD/CAPP/CAM混合化體系決定了永遠不可能實現(xiàn)CAM的智能與自動化。因為生產(chǎn)工藝的標準化程度低，受到生產(chǎn)設備、刀具、管理等因素的影響，至今沒有一個成熟的，以創(chuàng)成法或派生法為推理機制的商品化的CAPP系統(tǒng)。CAPP轉(zhuǎn)向了類似于開發(fā)環(huán)境類軟件系統(tǒng)的開發(fā)與研究。但隨著企業(yè)CAD、CAM等技術的成功應用，工藝庫、知識庫的完善，將來CAPP也會有相應的發(fā)展。逐步以實現(xiàn)CAD/CAPP/CAM按科學意義上的一體化集成。而混合化的系統(tǒng)從結(jié)構上的一體化集成。而混合化的系統(tǒng)從結(jié)構上為今后的發(fā)展留下了不可彌補的隱患。 (2)面向曲面、以局部加工為基本處理方式當今C

10、AM系統(tǒng)一般都是曲面CAM系統(tǒng)，是面向局部加工的處理方式，而數(shù)控加工是以模型為結(jié)果，以工藝為核心的工程過程。應該采取面向整體模型、面向工藝特征的處理方式。這種非工程化概念的處理方式肯定會造成一系列的問題。 1)不能有效地利用CAD模型的幾何信息，無法自動提取模型的工藝特征，只能夠人工提取，甚至靠重新模擬計算來取得必要的控制信息，無疑增大了操作的煩瑣性，影響了編程質(zhì)量與效率。致使系統(tǒng)的自動化程度與智能化程度很低。 2)局部加工計算方式靠人工或半自動進行仿過切處理，因不是面向整體模型為編程對象，系統(tǒng)沒有從根本上杜絕過切現(xiàn)象產(chǎn)生的可能，因而不適合高速加工等新工藝在高速條件下對安全的要求。2.當今CA

11、M應用在生產(chǎn)組織與管理上的問題 CAD/CAPP/CAM需要在信息流上集成一體、無縫連接，但往往忽略了企業(yè)在生產(chǎn)組織與管理上要求CAD、CAPP、CAM在應用場合、操作人員、系統(tǒng)功能上按照生產(chǎn)布局合理安排。網(wǎng)絡技術的成功應用已經(jīng)為此奠定了基礎。CAM系統(tǒng)及操作人員遠離生產(chǎn)現(xiàn)場，致使因不了解現(xiàn)場情況造成不應有的反復，浪費了時間，降低了效率，甚至造成廢品。 傳統(tǒng)的CAM系統(tǒng)不僅要求操作人員有深厚的工藝知識背景，還需要有很高的CAD應用技巧。一般需1至3個月專門培訓入門，1至3年的實踐才能成為稱職的工作人員。對CAM的應用普及造成了極大的困難，使CAM后備人員嚴重不足，因而造成人才競爭異常激烈、生產(chǎn)

12、隊伍不穩(wěn)定，產(chǎn)生嚴重人才管理問題，我國的廣大國營企業(yè)，情況更加嚴峻。故企業(yè)迫切需要新一代的易學易用、易于普及、高智能化、專業(yè)性強的CAM系統(tǒng)。3.制造業(yè)新技術對CAM的特殊要求 毋庸置疑，近年來制造業(yè)新技術的最大熱點是高速加工技術。據(jù)最新的工藝研究表明，高速加工技術在簡化生產(chǎn)工藝與工序，減少后續(xù)處理工作量、提高加工效率、提高表面質(zhì)量等幾個方面，能夠極大地提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本、縮短生產(chǎn)周期。高速加工技術對CAM也提出了新的特殊要求。(1)安全性要求 高速加工采用小切削深度、小切削量、高進給速度，特征加工的一般切削速度(F值)為傳統(tǒng)加工的10倍以上(F可達到20008000mm/min)，在

13、高速進給條件下，一旦發(fā)生過切，幾何干涉等，后果將是災難性的，故安全性要求是第一位的。傳統(tǒng)的CAM系統(tǒng)靠人工或半自動防過切處理方式，沒有從根本上杜絕過切現(xiàn)象的發(fā)生。靠操作者的細心、責任心等人的因素是沒有安全保障的。所以無法滿足高速加工安全性的基本要求。 (2)工藝性要求 高速加工要求刀路的平穩(wěn)性，避免刀路軌跡的尖角(刀路突然轉(zhuǎn)向)、盡量避免空刀切削、減少切入/切出等，故要求CAM系統(tǒng)具有基于殘余模型的智能化分析處理功能、刀路光順化處理功能、符合高速加工工藝的優(yōu)化處理功能及進給量(F值)優(yōu)化處理功能(切削優(yōu)化處理)等。為適應高速加工設備的高檔數(shù)控系統(tǒng)，CAM應支持最新的NURBS編程技術。 (3)

14、高效率要求 高效率體現(xiàn)在兩個方面：1)編程的高效率：高速加工的工藝性要求比傳統(tǒng)數(shù)控加工高了很多，刀路長度是傳統(tǒng)加工的上百倍，一般編程時間遠大于加工時間，故編程效率已成為影響總體效率的關鍵因素之一。傳統(tǒng)的CAM系統(tǒng)采用面向局部曲面的編程方式，系統(tǒng)無法自動提供工藝特征，編程復雜程度很大，對編程人員除工藝水平之外(基本要求)，還要求有很高的使用技巧。迫切需要具有高速加工知識庫的、智能化程度高的、面向整體模型的、新一代CAM系統(tǒng)。2)優(yōu)化的刀路確保高效率的數(shù)控加工，如基于殘余模型的智能化編程可有效地避免空刀，進給量(F值)優(yōu)化處理可提高切削效率30%等。 綜上所述，當今的CAM系統(tǒng)雖然為現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)

15、展立了汗馬功勞，但在生產(chǎn)管理、操作使用上存在著與實際要求的巨大矛盾；在結(jié)構上、功能專業(yè)化等方面與網(wǎng)絡下系統(tǒng)集成化的要求存在嚴重的不協(xié)調(diào)；基本處理方式嚴重阻礙智能化、自動化水平的提高。這一切都使新一代CAM的誕生與發(fā)展成為必需。CAD技術中面向?qū)ο蟆⒚嫦蛱卣鞯慕７绞降木薮蟪晒?，為新一代CAM的發(fā)展提供了參考模式，網(wǎng)絡技術為CAM的專業(yè)化分離與系統(tǒng)集成提供了可能。通過以上的分析，新一代CAM系統(tǒng)的大致輪廓已經(jīng)顯現(xiàn)。 三、新一代CAM的基本結(jié)構與主要特征預測 1.新一代CAM的軟硬件平臺 WinTel結(jié)構體系因優(yōu)異的價格性能比、方便的維護、優(yōu)異的表現(xiàn)、平實的外圍軟件支持，已經(jīng)取代UNIX操作系統(tǒng)成

16、為CAD/CAM集成系統(tǒng)的支持平臺。OLE技術及D&M技術的應用將會使系統(tǒng)集成更方便。今后CAM的軟件平臺無疑將是WindowsNT或Windows2000，硬件平臺將是高檔PC或NT工作站系列。隨著高檔NC控制系統(tǒng)的PC化、網(wǎng)絡化及CAM的專業(yè)化與智能化的發(fā)展，甚至機上編程也可能會有較大的發(fā)展。 2.新一代CAM系統(tǒng)的界面形式 今后將擯棄多層菜單式的界面形式，取而代之的是Windows界面，操作簡便，并附有項目管理、工藝管理樹結(jié)構，為PDM的集成打下基礎。 3.新一代CAM系統(tǒng)的基本特點 (1)面向?qū)ο?、面向工藝特征的CAM系統(tǒng) 傳統(tǒng)CAM局布曲面為目標的體系結(jié)構將被改變面向整體模型(實體)

17、、面向工藝特征的結(jié)構體系。系統(tǒng)將能夠按照工藝要求(CAPP要求)自動識別并提取所有的工藝特征及具有特定工藝特征的區(qū)域，使CAD/CAPP/CAM的集成化、一體化、自動化、智能化成為可能。 (2)基于知識的智能化的CAM系統(tǒng) 新一代的CAM系統(tǒng)不僅可繼承并智能化判斷工藝特征，而且具有模型對比、殘余模型分析與判斷功能，使刀具路徑更優(yōu)化，效率更高。同時面向整體模型的形式也具有對工件包括夾具的防過切、防碰撞修理功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工藝要求，并開放工藝相關聯(lián)的工藝庫、知識庫、材料庫和刀具庫，使工藝知識積累、學習、運用成為可能。 (3)能夠獨立運行的CAM系統(tǒng) 實現(xiàn)與CAD系統(tǒng)在功能上

18、分離，在網(wǎng)絡環(huán)境下集成。這需要CAM系統(tǒng)必須具備相當?shù)闹悄芑?。CAM系統(tǒng)不需要借助CAD功能，根據(jù)工藝規(guī)程文件自動進行編程，大大降低了對操作人員的要求，也使編程過程更符合數(shù)控加工的工程化要求。 (4)使相關性編程成為可能 尺寸相關、參數(shù)式設計、修改的靈活性等CAD領域的特征，自然希望被引伸到CAM系統(tǒng)之中。據(jù)筆者觀察，在該方向的研究有兩條不同的思路，以Delcam公司的PowerMILL及WorkNC為代表，采用面向工藝特征的處理方式，系統(tǒng)以工藝特征提取的自動化來實現(xiàn)CAM編程的自動化。當模型發(fā)生變化后，只要按原來的工藝路線重新計算，即實現(xiàn)CAM的自動修改。由計算機自動進行工藝特征與工藝區(qū)

19、域的重新判斷并全自動處理，使相關性編程成為可能。目前已有成熟的產(chǎn)品上市，并為北美、歐洲等發(fā)達國家的工模具界所接受。另據(jù)報導，已有公司試圖直接將參數(shù)化的概念引入CAM中，據(jù)稱是同一數(shù)據(jù)庫的方式來解決參數(shù)化編程問題。據(jù)筆者了解，至今未見成功的應用實例及相關報道。從技術角度上，筆者認為，實體的參數(shù)化設計是在有限參數(shù)下的特殊概念，CAM是按照工藝要求對模型進行的離散化處理，具有無限化(或不確定)參數(shù)的特性。因而與參數(shù)化CAD有著完全不同的特點。就象參數(shù)化的概念一直無法成功地引申到曲面CAD中一樣，CAM的參數(shù)化也將面臨著巨大的困難。按加工的工程化概念，CAM不是以幾何特征，而應是以工藝特征為目標進行處理。幾何特征與工藝特征之間沒有必然的、唯一的相關關系，而當幾何參數(shù)發(fā)生變化時，工藝特征的變化沒有相關性，存在著某些工藝特征消失或新的工藝特征產(chǎn)生的可能性。所以真正要實現(xiàn)參數(shù)式CAM，需要對幾何參數(shù)與工藝特征間的相關性進入深入研究，并得出確切的，而且是唯一的相關關系之后，才能真正實現(xiàn)。所以就系統(tǒng)的實用性、成功的可能性而言，筆者在技術上更傾向于前者?；蛟S兩者會殊途同歸。我們將時刻關注并熱切希望后者能在技術上有所突破，使CAM技術在參數(shù)化道路上實現(xiàn)質(zhì)的飛躍。 (5)提供更方便的工藝管理手段 CAM的工藝管理是數(shù)控生產(chǎn)