什么是CAD/CAM/CNC技術(shù)？

摘要：介紹了計算機(jī)輔助設(shè)計CAD及計算機(jī)輔助制造CAM的主要軟件系統(tǒng)及其特點(diǎn)，同時介紹了CNC數(shù)控技術(shù)的特點(diǎn)及其發(fā)展前景，闡述了CAD/CAM/CNC軟件系統(tǒng)之間的有機(jī)聯(lián)系。

關(guān)鍵詞：機(jī)械；計算機(jī)輔助設(shè)計；計算機(jī)數(shù)控技術(shù)

一、CAD/CAM的應(yīng)用概況

CAD/CAM(計算機(jī)輔助設(shè)計及制造)技術(shù)產(chǎn)生于本世紀(jì)50年代后期發(fā)達(dá)國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)和計算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)的發(fā)展而迅速成長起來。CAD/CAM技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的，集計算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡(luò)通訊等計算機(jī)及其他領(lǐng)域知識于一體的高新技術(shù)；是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分；也是提高設(shè)計水平、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強(qiáng)行業(yè)競爭能力的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。在CAD技術(shù)發(fā)展的初期，CAD僅限于計算機(jī)輔助繪圖，隨著計算機(jī)軟、硬件技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD技術(shù)才從三維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，隨之也就產(chǎn)生了三維線框造型、曲面造型以及實(shí)體造型技術(shù)。而如今參數(shù)化及變量化設(shè)計思想和特征造型則代表了當(dāng)今CAD技術(shù)的發(fā)展方向。

經(jīng)過近五十年的發(fā)展，CAD/CAM技術(shù)有了長足的進(jìn)步?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)是借助計算機(jī)，把企業(yè)中與制造有關(guān)的各種技術(shù)系統(tǒng)地集成起來，進(jìn)而提高企業(yè)適應(yīng)市場競爭的能力。CIMS是工業(yè)自動化的發(fā)展方向。作為CIMS核心技術(shù)的CAD/CAM系統(tǒng)，主要支持和實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品對象的設(shè)計、分析、工藝規(guī)劃、數(shù)控編程等一系列生產(chǎn)活動的自動化處理。近幾年，隨著計算機(jī)和數(shù)控技術(shù)的飛速發(fā)展，CAD/CAM已逐漸進(jìn)入實(shí)用化階段，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、機(jī)械、模具制造、家電、玩具等行業(yè)。特別是CNC數(shù)控機(jī)床的普遍使用，使得CAD/CAM技術(shù)成為企業(yè)實(shí)現(xiàn)高度自動化設(shè)計及加工的有效手段之一。

二、CAD/CAM軟件系統(tǒng)的特點(diǎn)

CAD/CAM軟件系統(tǒng)具備以下特點(diǎn)：

1.操作使用的方便性

一個好的軟件應(yīng)便于初學(xué)者掌握，操作簡便實(shí)用，一般應(yīng)包含供初學(xué)者使用的學(xué)習(xí)模塊和即時幫助系統(tǒng)。

2.軟件的集成化程度

一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的，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、動態(tài)顯示等。這些模塊應(yīng)該以工程數(shù)據(jù)庫為基礎(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)行時間。

3.CAD功能

CAD軟件系統(tǒng)能設(shè)計制作出既滿足設(shè)計使用要求又適合CAM加工的零件模型。優(yōu)秀的CAD系統(tǒng)是一個高效的設(shè)計工具，應(yīng)具有參數(shù)化設(shè)計功能，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可分為自動設(shè)計和交互設(shè)計兩類。自動設(shè)計效率高，但靈活性差，只適用于標(biāo)準(zhǔn)化程度高、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)固定的產(chǎn)品；交互設(shè)計靈活性大，能充分發(fā)揮設(shè)計人員的主觀能動性，但效率低，交互愈多愈復(fù)雜效率愈低。

4.CAM功能

CAM功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功能檢測應(yīng)注意以下幾方面：

(1)建立三維和三維刀具路徑的難易程度；

(2)加工方法的多樣性；

(3)刀具路徑是否易于編輯和修改；

(4)是否有刀具和材料數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)能自動生成進(jìn)給速度和主軸轉(zhuǎn)速；

(5)有無內(nèi)置的防碰撞和防過切功能；

(6)能否手動超調(diào)任何機(jī)加工缺省值(如進(jìn)給速度，主軸轉(zhuǎn)速等)；

(7)能否對加工過程進(jìn)行模擬和估算加工時間。

5.后處理程序及數(shù)控碼輸出

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。選擇軟件時，應(yīng)了解以下幾方面：

(1)提供哪些后處理和程序。是否包括車床、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)后處理程序能否細(xì)調(diào)，以使數(shù)控輸出符合用戶的要求；

(3)能否將NC程序反向處理，顯示刀具路徑。

常見的CAD/CAM軟件有美國UGS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件NX、當(dāng)今最流行的二維繪圖軟件AutoCAD、美國參數(shù)技術(shù)公司(PTC)開發(fā)的CAD/CAM軟件Pro/ENGINEER、應(yīng)用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件MasterCAM等。這些軟件在制造業(yè)的應(yīng)用非常廣泛，并且市場需求的快速變化和全球經(jīng)濟(jì)一體化極大地拓展了制造活動的深度和廣度，推動制造業(yè)朝著自動化、智能化、集成化、網(wǎng)絡(luò)化和全球化的方向發(fā)展。

三、數(shù)控編程技術(shù)

設(shè)計的最終目標(biāo)是生產(chǎn)。CAD技術(shù)的發(fā)展及普及為設(shè)計工程師提供了先進(jìn)的設(shè)計手段。然而，傳統(tǒng)的加工技術(shù)及工具己不能適應(yīng)設(shè)計技術(shù)的發(fā)展，計算機(jī)輔助制造技術(shù)(CAM)越來越成為加工需求的熱點(diǎn)。數(shù)控編程是目前CAD/ＣＡＰＰ/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實(shí)現(xiàn)設(shè)計加工自動化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務(wù)是計算加工走刀中的刀位點(diǎn)(cutterlocationpoint簡稱CL點(diǎn))。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具表面的交點(diǎn)，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點(diǎn)，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。包括基于點(diǎn)、線、面和體的NC刀軌生成方法及基于特征的NC刀軌生成方法。

四、CAD/CAM及CNC系統(tǒng)之間的聯(lián)系

目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實(shí)現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)集成：一體化的CAD/CAM系統(tǒng)和相對獨(dú)立的CAM系統(tǒng)如：MasterCAM、SurfCAM等)。前者以內(nèi)部統(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，而后者主要通過中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。然而，無論是哪種形式的CAM系統(tǒng)，都由五個模塊組成，即交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態(tài)仿真模塊和后置處理模塊。

按照傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)的工作方式，CAM系統(tǒng)以直接或間接(通過中性文件)的方式從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)模型。CAM系統(tǒng)以三維幾何模型中的點(diǎn)、線、面、或?qū)嶓w為驅(qū)動對象，生成加工刀具軌跡，并以刀具定位文件的形式經(jīng)后置處理，以NC代碼的形式提供給CNC機(jī)床，在整個CAD/CAM及CNC系統(tǒng)的運(yùn)行過程中存在以下幾方面的問題：

ｌ.CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息，無法自動捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語義信息。因此，整個CAM過程必須在經(jīng)驗(yàn)豐富的制造工程師的參與下，通過圖形交互來完成。如：制造工程師必須選擇加工對象(點(diǎn)、線、面或?qū)嶓w)、約束條件(裝夾、干涉和碰撞等)、刀具、加工參數(shù)(切削方向、切深、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等)。整個系統(tǒng)的自動化程度較低。

2.在CAM系統(tǒng)生成的刀具軌跡中，同樣也只包含低層的幾何信息(直線和圓弧的幾何定位信息)，以及少量的過程控制信息(如進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、換刀等)。因此，下游的CNC系統(tǒng)既無法獲取更高層的設(shè)計要求(如公差、表面光潔度等)，也無法得到與生成刀具軌跡有關(guān)的加工工藝參數(shù)。

3.CAM系統(tǒng)各個模塊之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，各模塊相對獨(dú)立。例如刀具定位文件只記錄刀具軌跡而不記錄相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，三維動態(tài)仿真只記錄刀具軌跡的干涉與碰撞，而不記錄與其發(fā)生干涉和碰撞的加工對象及相關(guān)的加工工藝參數(shù)。

4.CAM系統(tǒng)是一個獨(dú)立的系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，即使是在一體化的集成CAD/CAM系統(tǒng)中，信息的共享也只是單向的和單一的。CAM系統(tǒng)不能充分理解和利用CAD系統(tǒng)有關(guān)產(chǎn)品的全部信息，尤其是與加工有關(guān)的特征信息，同樣CAD系統(tǒng)也無法獲取CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的加工數(shù)據(jù)信息。這就給并行工程的實(shí)施帶來了困難。實(shí)際上解決這些問題也是我們繼續(xù)完善、發(fā)展CAD/CAM/CNC技術(shù)的努力方向。CNC的發(fā)展與CAD、CAM、CAE互相促進(jìn)，相輔相成。CAD的發(fā)展，可以加速NC機(jī)床的設(shè)計；CAM的發(fā)展，可加速NC機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中的應(yīng)用；CAE的發(fā)展，使NC機(jī)床在整個機(jī)器制造業(yè)中應(yīng)用更加廣泛。

五、CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展前景

從CAD的發(fā)展來看，未來的趨勢將是與計算機(jī)模擬和工業(yè)設(shè)計技術(shù)的結(jié)合。在計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)化迅速發(fā)展，可用計算資源的豐富，計算機(jī)模擬在設(shè)計中的地位日見重要。隨著CAD技術(shù)的普及應(yīng)用越來越廣泛，越來越深入，CAD技術(shù)正向著開放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。這在很大程度上說明了當(dāng)今CAD/CAM技術(shù)的發(fā)展趨勢。首先，開放性是決定一個系統(tǒng)能否真正達(dá)到實(shí)用化并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)力的基礎(chǔ)，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的工作平臺用戶接口、應(yīng)用開發(fā)環(huán)境及與其他系統(tǒng)的信息交換等方面。所謂集成就是向企業(yè)提供一體化的解決方案。并行工程是一種集成，企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理了(ＰＤＭ)也是一種集成。通過集成能最大限度地實(shí)現(xiàn)企業(yè)信息共享，建立新的企業(yè)運(yùn)行方式，提高生產(chǎn)效率。另外，計算機(jī)仿真是借助計算機(jī)，利用系統(tǒng)模型對實(shí)際系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究的過程。它隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展而迅速地發(fā)展，在仿真中占有越來越重要的地位。計算機(jī)仿真技術(shù)的發(fā)展趨勢；應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大和仿真計算機(jī)的智能化。計算機(jī)仿真技術(shù)不僅在傳統(tǒng)的工程技術(shù)領(lǐng)域(航空、航天、化工等方面)繼續(xù)發(fā)展，而且擴(kuò)大到社會經(jīng)濟(jì)、生物等許多非工程領(lǐng)域，此外，并行處理、人工智能、知識庫和專家系統(tǒng)等技術(shù)的發(fā)展正影響著仿真計算機(jī)的發(fā)展。數(shù)控加工仿真利用計算機(jī)來模擬實(shí)際的加工過程，是驗(yàn)證數(shù)控加工程序的可靠性和預(yù)測切削過程約有力工具，以減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率。另一方面，按照個人不同偏好的個性化的定制生產(chǎn)將是新世紀(jì)制造業(yè)的主流。如何滿足這些要求，是CAD領(lǐng)域的研究者非常關(guān)注的問題。