數(shù)控機(jī)床應(yīng)用中CADCAM軟件技術(shù)分析

1、【摘要】分析CAD/CAM技術(shù)在數(shù)控加工過(guò)程中的作用，數(shù)控機(jī)床在現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中的地位，介紹CAD/CAM技術(shù)與數(shù)控機(jī)床加工結(jié)合對(duì)傳統(tǒng)生產(chǎn)過(guò)程的改變及對(duì)生產(chǎn)效率提升的意義，以及CAD/CAM軟件在數(shù)控NC程序生成中前處理和后處理的方法。 中國(guó)論文網(wǎng) 【關(guān)鍵詞】數(shù)控機(jī)床；CAD；CAM；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換 1.引言 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造（CAD/CAM）技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在數(shù)控加工領(lǐng)域，手工編程以不能滿足復(fù)雜的曲面零件的程序編制，通過(guò)CAD軟件進(jìn)行實(shí)體建模、曲面建模，再通過(guò)CAM軟件進(jìn)行刀具軌跡處理，完成NC程序編制。 2.數(shù)控機(jī)床與CAD/CAM 數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工技術(shù)，微電子技

2、術(shù)、監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多種學(xué)科的集成，是一門新興而又發(fā)展十分迅速的高新技術(shù)，對(duì)機(jī)電行業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的作用。同時(shí)，數(shù)控技術(shù)也是發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。以數(shù)控技術(shù)為核心的數(shù)控機(jī)床、加工中心是具有代表性的、高水平的機(jī)電一體化產(chǎn)品，代表了當(dāng)今世界自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿。 CAD（Computer Aided Design），即計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，在數(shù)控加工過(guò)程中是一種生產(chǎn)輔助工具。它將計(jì)算機(jī)高速而精確的運(yùn)算功能、大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力，豐富而靈活的圖形、文字處理功能與設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維能力、綜合分析及邏輯判斷能力結(jié)合起來(lái)，形成一個(gè)設(shè)計(jì)者思想與計(jì)算機(jī)處理能力緊密配合的系

3、統(tǒng)，大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。CAD技術(shù)包括下列功能：幾何建模、參數(shù)建模，計(jì)算分析、模擬裝配，強(qiáng)度分析，仿真與實(shí)驗(yàn)、繪圖及技術(shù)文檔生成、工程數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和共享。 CAM（Computer Aided Manufac -turing），即計(jì)算機(jī)輔助制造。CAM概念是指從產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到加工制造的中的一切生產(chǎn)準(zhǔn)備活動(dòng)。應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床加工中指的是數(shù)控程序的編制，包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC程序的生成等。 目前較為主流的CAD/CAM軟件主要分為以下幾類： （1）設(shè)計(jì)軟件 近年來(lái)隨著一些制圖軟件在工業(yè)方面的應(yīng)用與普及，機(jī)械設(shè)計(jì)過(guò)程也發(fā)生了革命性的改變，如現(xiàn)在的徒手繪圖只出現(xiàn)在前期的輪

4、廓勾勒中，而在產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程中，尺規(guī)作圖全部被CAD軟件代替。CAD軟件也由傳統(tǒng)的點(diǎn)、線2D制圖發(fā)展成為線、面、體的3D制圖。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程是，設(shè)計(jì)師根據(jù)產(chǎn)品的性能和要求，在人腦中生成空間立體模型，再由設(shè)計(jì)師徒手繪制成平面圖形，準(zhǔn)確的表達(dá)出零件的結(jié)構(gòu)，出現(xiàn)了以AutoCAD為代表的2D制圖軟件。而實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中根據(jù)產(chǎn)品的總體性能，修改某一個(gè)零件的局部結(jié)構(gòu)和尺寸是常有的事，2D軟件就需要重新繪制圖形。包括零件的圖樣，該零件在其他裝配圖中的圖樣全部人工修改，工作量很大。2D制圖軟件只能表達(dá)出點(diǎn)、線信息，對(duì)零件的面、體信息不能表達(dá)，進(jìn)而要分析零件的面、體信息就要靠其他的計(jì)算手段獲得，設(shè)計(jì)師對(duì)某一產(chǎn)品

5、的體信息，如質(zhì)心、慣性矩等不得不需通過(guò)計(jì)算得到，3D設(shè)計(jì)軟件的出現(xiàn)使得這一計(jì)算過(guò)程變得非常容易，只需要通過(guò)軟件分析即可得到，大大提升了設(shè)計(jì)效率。3D軟件最大的優(yōu)點(diǎn)在于首先將人腦中的立體模型通過(guò)實(shí)體信息出現(xiàn)在顯示器中，直觀性非常高，再由用戶根據(jù)實(shí)體模型自動(dòng)成產(chǎn)不同視角的2D圖形，3D軟件普遍具有全參數(shù)建模功能，在修改設(shè)計(jì)時(shí)3D實(shí)體圖形與2D工程圖形時(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，使得設(shè)計(jì)過(guò)程的效率發(fā)生了質(zhì)的改變。3D繪圖的代表軟件有UG、PRO/E、Cimatron、CAXA等。 （2）制造軟件 通常指CAM軟件，是以已有的CAD圖形來(lái)生成執(zhí)行語(yǔ)言。執(zhí)行語(yǔ)言分為ATL語(yǔ)言和NC語(yǔ)言，ATL語(yǔ)言由CAM產(chǎn)生，用來(lái)說(shuō)明刀

6、具軌跡的一種描述性語(yǔ)言，并且可以在CAM軟件里逐行進(jìn)行加工仿真模擬。NC語(yǔ)言是由后處理器產(chǎn)生，是實(shí)際輸入機(jī)床的加工語(yǔ)言。大部分的制造軟件也具有建模繪圖功能。根據(jù)制造對(duì)象不同分為二維（點(diǎn)、線信息），二維半（線、面信息）和三維（實(shí)體信息）的CAM軟件。如：北航海爾的CAXA制造工程師以及MasterCAM，Cimatron，UG、PRO/E等。由制造軟件生成標(biāo)準(zhǔn)的NC執(zhí)行程序，這個(gè)過(guò)程主要包括設(shè)置加工環(huán)境，加工工序，生成軌跡文件，及后置處理等。然后將NC執(zhí)行程序送入機(jī)床，機(jī)床按照指令自動(dòng)加工出來(lái)。 （3）執(zhí)行軟件 采用不同數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床在加工時(shí)要求的NC執(zhí)行程序的語(yǔ)言結(jié)構(gòu)不同。比如國(guó)產(chǎn)廣數(shù)系統(tǒng)、華

7、中系統(tǒng)、進(jìn)口的FANUC系統(tǒng)、SIEMENS系統(tǒng)，其NC語(yǔ)言的指令含義、指令格式不盡相同，這就使得同一零件在不同系統(tǒng)的機(jī)床上加工時(shí)，其指令程序不同。CAD圖形相同、刀具路徑相同、ATL程序描述內(nèi)容相同、NC程序不同，那么要得到不同數(shù)控系統(tǒng)的指令程序，就要求有不同的后處理程序來(lái)得到適合不同數(shù)控系統(tǒng)加工的NC程序。通過(guò)R232數(shù)據(jù)接口或閃存等方式傳送到機(jī)床存儲(chǔ)器上來(lái)完成加工。 3.不同軟件數(shù)據(jù)間的文件轉(zhuǎn)換 CAD/CAM軟件較多，其應(yīng)用范圍各有不同，所以不同軟件間的圖形交互也是必須進(jìn)行的。以常用的設(shè)計(jì)軟件AutoCAD和常用的輔助制造軟Master- CAM軟件為例，AutoCAD和MasterC

8、AM兩款軟件隸屬不同的公司，其內(nèi)核數(shù)據(jù)庫(kù)，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)類型都不相同，要想用MasterCAM軟件直接打開AutoCAD圖形來(lái)整理NC程序是不行的。那么怎樣完成AutoCAD和MasterCAM之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，圖形共享，優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，達(dá)到軟件間的互相兼容呢？ AutoCAD軟件以ACIS（數(shù)據(jù)格式：*.sat）為開發(fā)平臺(tái)，而Master -CAM以Parasolid（數(shù)據(jù)格式：*.X-T）為開發(fā)平臺(tái)，要完成兩者之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，就必須將圖像格式輸出成各自能被識(shí)別的形式，各軟件公司整理設(shè)計(jì)制造軟件時(shí)已經(jīng)考慮到了這個(gè)問(wèn)題，每個(gè)軟件幾乎都有與其他軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口，這些接口就體現(xiàn)在可以進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)換。這些軟件

9、都支持多種文件格式，這樣就可以在一種軟件中將文件保存或者導(dǎo)出成其他相關(guān)軟件也支持的文件格式，然后再在相關(guān)軟件中打開或者導(dǎo)入這個(gè)文件中，完成文件共享。然而，這種轉(zhuǎn)換過(guò)程也同樣按情況的不同要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。比如：很多CAM軟件都接受dxf文件，但是CAD實(shí)體文件若以dxf格式轉(zhuǎn)化到CAM中，CAD實(shí)體圖形會(huì)由實(shí)體信息分解成點(diǎn)線信息。在轉(zhuǎn)化過(guò)程中可能會(huì)有數(shù)據(jù)的丟失。 4.后置處理文件 后置處理文件是CAM軟件特有的一種在NC程序語(yǔ)言生成之前的ATL（刀位運(yùn)動(dòng)軌跡信息）文件。因?yàn)闆](méi)有針對(duì)某種數(shù)控機(jī)床的特定的CAM軟件，而每個(gè)數(shù)控機(jī)床對(duì)指令代碼即NC程序語(yǔ)言的格式要求不同，對(duì)生成NC程序起決定作用的是CA

10、M軟件的后置文件，所以要對(duì)不同的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行不同的后置文件選擇，并且根據(jù)不同的數(shù)控機(jī)床的參數(shù)對(duì)后置處理程序進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，以使進(jìn)入機(jī)床的NC程序能夠被識(shí)別。后置處理實(shí)際上是一個(gè)文本編輯處理過(guò)程，其作用就是將計(jì)算出的刀軌（刀位運(yùn)動(dòng)軌跡）以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)化為NC程序并輸出，此代碼再通過(guò)接口傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床的控制器上，由控制器按程序語(yǔ)句驅(qū)動(dòng)機(jī)床加工。 5.CAD/CAM的集成軟件 不同的CAD軟件和CAM軟件在進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時(shí)存在數(shù)據(jù)丟失、參數(shù)失效等問(wèn)題。隨著CAD/CAM技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于這兩者的獨(dú)立發(fā)展，從而出現(xiàn)了CAM和CAD的組合，即將兩者集成（一體化），這樣以適應(yīng)設(shè)計(jì)與制

11、造自動(dòng)化的要求。這種一體化的結(jié)合可使在CAD中設(shè)計(jì)生成的零件信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換成CAM所需要的輸入信息，防止了信息數(shù)據(jù)的丟失。在同一軟件中即可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工制造的全過(guò)程，提高了生產(chǎn)效率，出現(xiàn)了產(chǎn)品生命周期全過(guò)程控制工程。因此，在數(shù)控加工應(yīng)用中開發(fā)CAD/CAM集成軟件可省去中間繁瑣的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。CAD/CAM集成的關(guān)鍵是信息的交換和共享，如UG、Pro/E等，在集成軟件內(nèi)部是以統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。目前許多三維CAD/CAM軟件提供實(shí)體設(shè)計(jì)模塊和軟件包。我們利用的是UG和Pro/E的實(shí)體建模功能，包括零件的幾何形狀，尺寸和技術(shù)要求；然后利用UG或Pr

12、o/E特有的CAM軟件包，建立起刀具庫(kù)，完成對(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù)設(shè)定；最后通過(guò)軟件包的翻譯文件將刀具軌跡文件翻譯成NC程序。 6.結(jié)束語(yǔ) 計(jì)算機(jī)的發(fā)展及軟件業(yè)的發(fā)展，推動(dòng)著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的不斷改進(jìn)。CAD/CAM技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展，在數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用越來(lái)越廣泛，以PC技術(shù)為基礎(chǔ)的DNC開放式系統(tǒng)成為軟件的發(fā)展方向，另外，CAD/CAM技術(shù)也在朝著網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，借助PC技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通訊，可以高效地滿足生產(chǎn)的需求。比如在學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室，實(shí)驗(yàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享是極為迫切的，利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與CAD/CAM技術(shù)的結(jié)合，建立CAD/CAM設(shè)計(jì)代碼傳輸機(jī)床執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控整條流程的共享，可實(shí)現(xiàn)全部師生共用幾臺(tái)甚