虛擬環(huán)境下的CAM集成技術(shù)研究

第1章虛擬環(huán)境下的CAM集成技術(shù)研究21世紀(jì)的市場(chǎng)將面向全球化，企業(yè)經(jīng)營(yíng)環(huán)境持續(xù)變化且不可預(yù)測(cè)，產(chǎn)品需求更加個(gè)性化。因此，未來的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)企業(yè)提出了更高的要求。敏捷制造正是適用這種形式、面向21世紀(jì)的新型生產(chǎn)規(guī)模。虛擬制造是實(shí)現(xiàn)敏捷制造的一種手段和方法它以現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合運(yùn)用了仿真、建模、虛擬現(xiàn)實(shí)等技術(shù)，在計(jì)算機(jī)對(duì)設(shè)計(jì)、制造等生產(chǎn)全過程和制造環(huán)境統(tǒng)一建模，實(shí)現(xiàn)從產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)最終實(shí)現(xiàn)的全過程模擬和仿真。CIMS是敏捷制造的運(yùn)行基礎(chǔ)。CAD/CAPP/CAM/MPS（加工過程仿真）集成技術(shù)作為CIMS和虛擬制造的關(guān)鍵技術(shù)，是實(shí)施敏捷制造的技術(shù)。因此，開展對(duì)CAD/CAPP/CAM/MPS單元技術(shù)研究對(duì)未來敏捷制造的全面實(shí)施有著非常重要的意義。CAD、CAM技術(shù)已逐漸步入了成熟和商品化，計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)也越來越多的運(yùn)用在制造業(yè)中。而CAPP由于自身多元的復(fù)雜性，一直未能緊跟上CAD和CAM的發(fā)展步伐，因此它也制約著CAD/CAPP/CAM/MPS集成技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)有許多的CAD/CAM/CPPP集成系統(tǒng)自動(dòng)生成NC代碼，依靠將加工零件分為最基本的加工單元——特征，對(duì)每一個(gè)加工特征的每一加工工布設(shè)計(jì)固定的NC程序庫(kù)，根據(jù)CAPP的加工工布排序結(jié)果，刀具選擇，切削參數(shù)選擇，生成對(duì)特定的數(shù)控系統(tǒng)，因此靈活性差，不具有柔性。另外，它不能與加工過程有效集成。不符合未來制造系統(tǒng)高度柔性化和集成化的發(fā)展趨勢(shì)。Pro/E作為新一代的自動(dòng)化設(shè)計(jì)軟件被工業(yè)界廣泛運(yùn)用，它將設(shè)計(jì)與加工過程及NC代碼生成集成在統(tǒng)一平臺(tái)下，有著較強(qiáng)的設(shè)計(jì)功能和加工功能，但由于缺乏與CAPP的信息集成，使得CAD/CAPP/CAM/MPS的信息集成出現(xiàn)斷流。CAPP產(chǎn)生的大量的加工信息無法被CAM這些CAD/CAM所使用。而且，現(xiàn)有的CAD/CAM軟件的加工仿真功能過于簡(jiǎn)單，而許多專用的仿真軟件與這些CAD/CAM軟件沒有成熟的接口，并為MPS提供加工過程仿真所需信息，實(shí)現(xiàn)從CAPP到CAM和MPS的信息集成和功能集成。1.1.1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)CAD/CAPP/CAM/MPS集成系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)如圖1-1所示。整個(gè)系統(tǒng)集成基于STEP標(biāo)準(zhǔn)，針對(duì)非回轉(zhuǎn)體類零件，由CAD利用Pro/E完成零件造型并提取零件加工特征信息以STEP中性文件的格式輸出到CAPP，由CAPP自動(dòng)完成工藝規(guī)劃，CAM讀取工藝規(guī)劃結(jié)果后，利用Pro/E的加工功能，在計(jì)算機(jī)上自動(dòng)完成加工過程仿真后，輸出刀位文件，刀位仿真完成刀位驅(qū)動(dòng)的材料切除檢驗(yàn)。CAM-POST（CAM后置處理）完成從刀位文件向NC代碼的轉(zhuǎn)換。NC代碼仿真器在建立了加工設(shè)備模型、零件模型、毛坯模型、夾具模型和刀具模型的基礎(chǔ)上，完成由NC代碼驅(qū)動(dòng)的虛擬加工。檢查加工過程中的碰撞干涉和NC代碼的錯(cuò)誤，提出修改意見。-1-1.1.2CAM的功能集成與許多其它CAD/CAPP/CAM集成系統(tǒng)不同，本系統(tǒng)的CAM充分利用成熟的商品化CAD/CAM軟件——Pro/E的加工功能。但同時(shí)又對(duì)Pro/E進(jìn)行二次開發(fā)，避免了直接利用Pro/E加工功能時(shí)所需的大量的人機(jī)交互。本系統(tǒng)功能集成如圖2所示。在Pro/E環(huán)境下，手工完成一個(gè)特征的一個(gè)加工工步需要人機(jī)交互地選擇一種加工方法，指定加工特征及和此加工特征有關(guān)的各種特征幾何參數(shù)，填寫刀具參數(shù)表，切削參數(shù)表等。因此，實(shí)際上相當(dāng)于完成了一個(gè)工藝規(guī)劃人員的工作。這就需要用戶是一個(gè)有經(jīng)驗(yàn)的工藝人員，同時(shí)又是一個(gè)Pro/E的熟練用戶，對(duì)用戶要求高，工作量大。本系統(tǒng)的CAM對(duì)Pro/E加工信息的獲取進(jìn)行了新的設(shè)計(jì)開發(fā)，由CAPP完成加工工藝排序，加工刀具選擇，切削參數(shù)選擇。CAM讀取CAPP的結(jié)果后寫成Pro/E能識(shí)別的菜單點(diǎn)取文件格式，在Pro/E中自動(dòng)運(yùn)行此菜單點(diǎn)取文件，自動(dòng)完成零件加工過程仿真并生成刀位文件。因此，節(jié)省了大量的手工交互時(shí)間并降低了對(duì)操作人員的要求，同時(shí)完成與CAD，CAPP的有效集成。所生成的刀位文件可以用于刀位驅(qū)動(dòng)的毛坯材料切除仿真，使CAM能與仿真有效地集成。刀位文件還輸入到CAM-POST處理器，完成后置處理，由后置處理器根據(jù)特定的數(shù)控系統(tǒng)生成合適的數(shù)控代碼，避免了以往利用NC子程序庫(kù)生成NC代碼靈活性差的缺點(diǎn)。CAM-POST生成的NC代碼作為NC代碼仿真器的輸入。仿真器對(duì)實(shí)際加工設(shè)備建模，構(gòu)造加工中心的主軸頭和工作平臺(tái)模型，讀取CAM提供的由零件、毛坯和夾具組成的加工模型和刀具信息。在計(jì)算機(jī)內(nèi)建立完全與實(shí)際物理環(huán)境一致的虛擬加工環(huán)境，完成加工過程的仿真，大大減少了試切的時(shí)間和費(fèi)用。如圖1-2：1.1.3CAM信息集成與以往的CAD/CAPP/CAM/MPS集成系統(tǒng)相比，本CAM系統(tǒng)對(duì)于加工零件信息和工藝信息有一些特殊的要求。在Pro/E環(huán)境下完成一個(gè)零件的加工時(shí)，首先需要建立一個(gè)加工模型(.mfg文件)，加工模型如圖3所示，由零件模型，毛坯模型和夾具模型組成。零件模型，毛坯模型和夾具模型分別由零件CAD、毛坯CAD與夾具CAD完成，由于Pro/E具有統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫(kù)和全相關(guān)的特點(diǎn)，任何在CAD部分的改動(dòng)都會(huì)在加工模型中如實(shí)地反應(yīng)出來，保證了信息的完備和統(tǒng)一。在具備了零件信息、毛坯信息和夾具信息的基礎(chǔ)上，加工的所有工藝信息均由CAPP模塊提供，保證信息流向的合理性，由于Pro/E加工的特殊要求，使得本系統(tǒng)的CAPP不同于傳統(tǒng)的CAPP系統(tǒng)。CAPP提供特征加工的排序結(jié)果，刀具參數(shù)描述文件，切削參數(shù)描述文件和加工特征描述文件。其中刀具參數(shù)描述文件和切削參數(shù)描述文件均需符合Pro/E的要求，不但描述了普通CAPP系統(tǒng)所提供的關(guān)于刀具參數(shù)和切削參數(shù)，如刀具類型、刀具長(zhǎng)度、刀具直徑、切削速度、進(jìn)給速度等。還提供諸如控制切削走刀次數(shù)、走刀方向和退刀高度等一些更加具體和完善的加工參數(shù)。相對(duì)于其它CAPP系統(tǒng)，本系統(tǒng)CAPP模