1 引言

　　在現(xiàn)代激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)下，高質(zhì)量、高效益、多 品種小批量的柔性生產(chǎn)方式已成為企業(yè)的主要生產(chǎn)模 式，傳統(tǒng)的加工設(shè)備和制造方法已難于適應(yīng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng) 的要求。因此，從20世紀(jì)70年代開(kāi)始，以電子信息技 術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控技術(shù)得以迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，數(shù)控 機(jī)床有效地解決了復(fù)雜、多品種、小批量的產(chǎn)品加工問(wèn)題，適應(yīng)了各種機(jī)械產(chǎn)品更新?lián)Q代快的需要，取得了明顯的效益。

2 數(shù)控加工特點(diǎn)和原理

　　2.1 數(shù)控加工的特點(diǎn)

　　隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展，數(shù)控加工以經(jīng)應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域之中，在數(shù)控加工過(guò)程中，加工程序的編制也越 來(lái)越得到重視。因此CAD/CAM技術(shù)對(duì)數(shù)控加工領(lǐng)域來(lái) 說(shuō)顯得越來(lái)越重要了。一個(gè)完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng) 是由多個(gè)功能模塊組成的，如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、數(shù)控加工、有限元分析、仿真模擬、動(dòng)態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)該以工程數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，進(jìn)行統(tǒng) 一管理。這樣既保持了底層數(shù)據(jù)的完整性和一致性， 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，又節(jié)約了系統(tǒng)資源和運(yùn)動(dòng)時(shí)間。

　　數(shù)控加工主要有以下特點(diǎn)：增強(qiáng)了加工能力；提 高了生產(chǎn)效率；提高了產(chǎn)品加工精度；降低了加工成本（如圖1）。

　　2.2 數(shù)控加工的原理

　　機(jī)床控制技術(shù)就是以數(shù)字化的信息實(shí)現(xiàn)機(jī)床控制 的一門技術(shù)，采用數(shù)字信息控制的機(jī)床稱為數(shù)字控制機(jī)床，簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床。具體地說(shuō)，凡是用代碼化的數(shù) 字信息將刀具移動(dòng)軌跡的信息記錄在程序介質(zhì)上，然 后輸入數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)過(guò)譯碼、運(yùn)算，控制機(jī)床的刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，加工出所需工件的機(jī)床即為數(shù)控機(jī)床。

　　最初的數(shù)字控制系統(tǒng)是由數(shù)字邏輯電路構(gòu)成的， 因而稱之為硬件數(shù)控系統(tǒng)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，硬件數(shù)控系統(tǒng)已逐漸被淘汰，取而代之的是計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)CNC（Computer Numerial Contro1）。CNC的控制精度在很大程度上取決于硬件，而CNC的功能則主要取決于軟件。CNC的邏輯控制、幾何數(shù)據(jù)處理以及執(zhí)行零件切削等均由CPU統(tǒng)一控制。CNC的控制軟件主要完成如下基本任務(wù)：系統(tǒng)管理； 操作指令的 處理；零件程序的輸入與編輯；零件程序的解釋與執(zhí)行；系統(tǒng)狀態(tài)顯示；手動(dòng)數(shù)據(jù)輸入MDI； 故障報(bào)警和診斷。

　　隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，數(shù)控技術(shù)不僅應(yīng)用于機(jī)床 的控制，還用于控制其它的設(shè)備，產(chǎn)生了諸如數(shù)控線切割機(jī)、數(shù)控繪圖機(jī)、數(shù)控測(cè)量機(jī)、數(shù)控沖剪機(jī)等數(shù)控設(shè)備。

3 CAD/CAM概述

　　計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)CAD(Computer Aided Design)能設(shè)計(jì)制作出既滿足設(shè)計(jì)使用要求又適合CAM加工的零 件模型。CAD系統(tǒng)是一個(gè)高效的設(shè)計(jì)工具，具有參數(shù)化設(shè)計(jì)功能，三維實(shí)體模型與二維工程圖形應(yīng)能相互轉(zhuǎn)化并關(guān)聯(lián)，CAD可分為自動(dòng)設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)兩類。 實(shí)際上，幾乎沒(méi)有純粹的自動(dòng)設(shè)計(jì)或純粹的交互設(shè)計(jì)軟件，好的軟件能根據(jù)產(chǎn)品對(duì)象恰當(dāng)?shù)靥幚碜詣?dòng)設(shè)計(jì)和交互設(shè)計(jì)的配合。另外，開(kāi)放型的結(jié)構(gòu)不僅便于用戶進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)也使軟件系統(tǒng)本身能夠不斷地?cái)U(kuò)充與完善。一個(gè)好的CAD/CAM軟件與其它CAD/CAM 軟件的兼容性是非常重要的，軟件所帶的圖形文件接口，要能支持多種圖形文件轉(zhuǎn)換，能從其它系統(tǒng)讀取圖形文件，或?qū)⒈鞠到y(tǒng)的圖形文件傳送到其它系統(tǒng)。

　　計(jì)算機(jī)輔助制造CAM (Computer Aided Manufacturing)是指應(yīng)用計(jì)算機(jī)來(lái)進(jìn)行產(chǎn)品制 造的統(tǒng)稱，即利用計(jì)算機(jī)輔助完成從原料到產(chǎn)品的全部制造過(guò)程，在制造過(guò)程中的某些環(huán)節(jié)應(yīng)用計(jì)算機(jī)， 包括直接制造過(guò)程和間接制造過(guò)程，主要包括計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助加工兩部分。

　　當(dāng)前，計(jì)算機(jī)輔助加工大多是指機(jī)械加工，而且是數(shù)控加工(Numerical ControlMachining)，它的輸 入信息是零件的工藝路線和工序內(nèi)容，輸出的是加工刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡(刀位文件)和數(shù)控程序。軟件方面有 數(shù)據(jù)庫(kù)、計(jì)算機(jī)輔助工藝過(guò)程設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控程序編制、計(jì)算機(jī)輔助工裝設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助作業(yè)計(jì) 劃編制與調(diào)度、計(jì)算機(jī)輔助質(zhì)量控制等。

　　CAM能提供一種交互式編程并產(chǎn)生加工軌跡的方法，它包括加工規(guī)劃、刀具設(shè)定、工藝參數(shù)設(shè)置等內(nèi) 容。CAM軟件應(yīng)有以下幾 方面功能:

　?、?能建立二維和三維 刀具路徑的；　?、?加工方法的多樣 性；　?、鄣毒呗窂揭子诰庉?和修改；　?、?有刀具和材料數(shù)據(jù)庫(kù)，使系統(tǒng)能自動(dòng)生成進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速；　?、?有內(nèi)置的防碰撞和防過(guò)切功能；　?、?能手動(dòng)超調(diào)任何機(jī)加工缺省值(如進(jìn)給速度，主 軸轉(zhuǎn)速等)；　　⑦ 能對(duì)加工過(guò)程進(jìn)行模擬和估算加工時(shí)間。

4 常用模塊

　　4.1 仿真加工模塊

　　先進(jìn)的CAD/CAM系統(tǒng)都提供了一定的NC仿真功能， 用于檢查刀具切削過(guò)程的正確性，檢查過(guò)切和干涉現(xiàn)象等，但直接通過(guò)NC代碼來(lái)驅(qū)動(dòng)仿真加工過(guò)程的方法 和軟件還很少。采用NC代碼驅(qū)動(dòng)仿真加工過(guò)程以檢驗(yàn)NC代碼的正確性是迫切需要的。

　　數(shù)控程序是否正確，直接關(guān)系到加工的成本，因 此，數(shù)控加工程序在投入實(shí)際的加工之前，必須進(jìn)行有效地檢驗(yàn)和驗(yàn)證。仿真分為物理仿真和計(jì)算機(jī)仿 真。目前數(shù)控程序的檢驗(yàn)方法主要有：刀具軌跡仿真和三維動(dòng)態(tài)切削仿真等。刀具軌跡仿真是通過(guò)讀取刀 位數(shù)據(jù)文件檢查刀具位置計(jì)算是否正確，加工過(guò)程中 是否發(fā)生過(guò)切，所選刀具參數(shù)、加工參數(shù)、機(jī)床參數(shù)是否合理，刀具與限制面是否發(fā)生干涉或碰撞等。 刀具軌跡仿真法是一種比較成熟的仿真方法，圖2是用PowerMILL軟件進(jìn)行的制件型腔加工的刀具軌跡仿 真圖。這種仿真可采用動(dòng)畫(huà)顯示方法，效果逼真。三 維動(dòng)態(tài)切削仿真是采用實(shí)體造型技術(shù)建立加工零件毛 坯、機(jī)床、夾具、刀具等在加工過(guò)程中的實(shí)體幾何模 型，采用真實(shí)感技術(shù)把加工過(guò)程動(dòng)態(tài)地顯示出來(lái)。圖 3是用PowerMILL軟件進(jìn)行的制件型腔加工的三維動(dòng)態(tài) 切削仿真圖。

圖2 刀具軌跡仿真

圖3三維動(dòng)態(tài)切削仿真

　　4.2 后處理程序及數(shù)控碼輸出模塊

　　一般的CAD/CAM系統(tǒng)使用后處理程序提供用戶化 的數(shù)控碼輸出，使用戶能夠靈活地使用不同的數(shù)控裝置。

　　(1)提供的后處理和程序。一般包括車床、線切 割、電火花機(jī)床或三維五軸數(shù)控編程的后處理程序；(2)后處理程序能細(xì)調(diào)，以使數(shù)控輸出符合用戶的 要求；

　　(3)能將NC程序反向處理，顯示刀具路徑。

5 常見(jiàn)的CAD/CAM與PPC系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換

　　CAD系統(tǒng)的效益往往不是從其本身，而是通過(guò)CAM 和PPC系統(tǒng)體現(xiàn)出來(lái)；反過(guò)來(lái)，CAM系統(tǒng)如果沒(méi)有CAD 系統(tǒng)的支持；PPC系統(tǒng)如果沒(méi)有CAD和CAM的支持，既 得不到完整、及時(shí)和準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)作為計(jì)劃的依據(jù)， 訂出的計(jì)劃也較難貫徹執(zhí)行，所謂的生產(chǎn)計(jì)劃和控制 將得不到實(shí)際效益。因此，人們著手將CAD、CAE、 CAPP、CAM和PPC等系統(tǒng)有機(jī)地、統(tǒng)一地集成在一起， 從而消除"自動(dòng)化孤島"，取得最佳的效益。目前 國(guó)內(nèi)最常用的CAD/CAM軟件有：CAXA、PowerMILL、 Master CAM、Pro/ENGINEER、UG等。

6 CAD/CAM軟件的優(yōu)缺點(diǎn)

　　CAD/CAM任務(wù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程十分復(fù)雜，很難確定地 描述其發(fā)生的先后順序，有時(shí)是并行甚至逆向的，這 樣必須有人的參與才能給予實(shí)現(xiàn)。實(shí)踐中工人根據(jù)圖 紙要求適當(dāng)修改生成的代碼。CAD/CAM軟件自動(dòng)編程 中，大多數(shù)加工方式默認(rèn)只能采用直接垂直向下進(jìn)刀 方式，如"外形銑削"、"平面銑削"、"曲面精加 工"等。立銑刀的端部中心部分沒(méi)有切削刃，垂直進(jìn) 刀的切削能力很小，而鍵槽銑刀是兩刃刀具，其端部 刀刃通過(guò)銑刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于鍵槽 銑刀只有兩條切削刃，加工時(shí)不平穩(wěn)，在大面積切削 中的加工效率較低，加工零件的表面粗糙度也不太理 想。在加工工藝孔時(shí)，該工藝孔的深度控制要準(zhǔn)確。 深度太淺，在直接垂直進(jìn)刀過(guò)程中很有可能使立銑刀 損壞;深度太深，超出了工件要求加工的位置，會(huì)導(dǎo) 致工件過(guò)切而報(bào)廢。

　　CAD/CAM軟件將微機(jī)與CNC機(jī)床組成面向車間的系 統(tǒng)，將大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，充分發(fā)揮數(shù)控 機(jī)床的優(yōu)越性，提高整體生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和 設(shè)計(jì)制造一體化。現(xiàn)在，CAD/CAM技術(shù)在我國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā) 展較為活躍的大中城市應(yīng)用日益廣泛。

7 結(jié)語(yǔ)

　　CAD/CAM軟件，將微機(jī)與CNC機(jī)床組成面向車間的系統(tǒng)，將大大提高設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)質(zhì)量，充分發(fā)揮數(shù)控機(jī) 床的優(yōu)越性，提高整體生產(chǎn)水平，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成和設(shè)計(jì)制造一體化集成化是CAD/CAM技術(shù)發(fā)展的一個(gè)最為顯著 的趨勢(shì)。它是指把CAD、CAE、CAPP、CAM以至PPC(生產(chǎn)計(jì)劃與控制)等各種功能不同的軟件有機(jī)地結(jié)合起來(lái)，用 統(tǒng)一的執(zhí)行控制程序來(lái)組織各種信息的提取、交換、共享和處理，保證系統(tǒng)內(nèi)部信息流的暢通并協(xié)調(diào)各個(gè)系統(tǒng) 有效地運(yùn)行。