毕业设计（论文）-CADCAM平台在进行数控铣削加工编程.doc

i 摘 要 本文简略介绍了通用典型 cadcam 平台在进行数控铣削加工 编程时，其三轴刀具轨迹设计、五轴刀具矢量控制及其轨迹设计、后 处理程序开发等方面的对比应用，并以实例的形式进行说明，希望能 为读者利用不同的 cam 软件平台进行数控编程时提供参考借鉴作用。 众所周知，在借助 cam 软件进行数控编程的过程中，工艺参数的选 择十分重要，它不仅对被加工零件的质量影响巨大，甚至可以决定着 机床功效的发挥和安全生产的顺利进行。本文作者针对模具零件的特 点，分析了模具零件数控铣削加工编程中工艺参数的选择对加工质量 的影响，并结合实际介绍了模具数控加工中 cam 编程时工艺参数的 设定方法和原则。 关键词：数控铣削编程、cadcam、后处理、吃刀量、进给速 度、清根处理。 ii 目目 录录 前 言 1 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 2 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 5 第 3 章 后处理程序开发模式 8 第 4 章 机床加工仿真模拟接口 .11 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 13 5.1 刀具的选择13 5.2 走刀方式和切削方式的确定 .15 5.3 刀具的切入与切出 17 5.4 切削参数的控制 18 5.5 其他参数 19 第 6 章 新一代 cam 的发展 .21 6.1 cam 的发展阶段 22 6.2 cam 发展现状 23 6.3 新一代 cam 的基本结构与主要特征预测 27 6.4 新一代 cam 技术对生产的影响29 第 7 章 结语 .31 参考文献 .32 前言 1 前 言 数控加工作为机械制造业中先进生产力的代表，经过十余年的引 进与发展，已经在汽车、航空、航天、模具等行业发挥了巨大的作用。 它推动了企业的技术进步和经济效益的增长。但是由于多方面原因， 国内不同行业在应用数控加工方面表现的差距较大。一方面由于机床 刀具软硬件配置等方面的原因，尤其是多坐标控制联动的高速铣削机 床，进口设备由于其成本很高，企业不得不考虑其投资效益问题。另 一方面多坐标联动高速铣削的 cam 软件选型、应用编程与开发方面， 需要一个长时期的技术积累才能赶上国外先进水平，尤其是对于人员 的技术水平要求较高的 cam 软件应用编程开发方面表现更为明显。 用于数控铣削加工编程的 cam 软件平台较多，比较常用的 ugnx、catia、pro/e、mastercam、cimatron、surfcam、powe rmill 等，这些 cam 软件平台在不同企业数控铣削编程方面发挥了 很大的作用，虽然各自应用流程略有差别，但各系统提供的基本数控 编程功能都比较相似。但是企业产品对象不同，使得对 cam 平台的 选型和应用方面的要求有所不同。数控三轴铣削编程上都能满足企业 的要求，但在五轴铣削编程，刀具轴矢量控制与后处理程序开发等方 面还是存在较大差别的，尤其是五轴机床的加工编程与后处理程序开 发表现更为突出。本文就通用的 cadcam 软件平台为环境，以几 个具体的产品对象的数控铣削加工编程应用实例，简要介绍它们在进 行数控三轴铣削、五坐标联动加工编程、后处理开发模式、机床仿真 加工模拟接口方面的实例应用。希望对读者有所借鉴作用。 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 2 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 现有典型 cam 平台在进行数控铣削编程时，其流程基本相同， 主要涉及加工对象定义、刀具选择、加工模式选择、轨迹优化编辑修 改控制、后处理与实体模拟等方面内容。典型 cam 平台在三轴联动 数控铣削加工编程方面，都包括为粗加工、精加工、清根加工三种模 式以及实体模拟仿真。在刀具轨迹的生成控制方式主要包括二维轮廓 粗精加工、 、深孔钻削加工、平行或环形等高分层铣削、螺旋铣削、 曲面流线、投影加工、曲面清根、放射加工等功能，在高速铣削加工 方面一般都提供高速 r 圆角控制、变速处理、直线拟合、样条插补等 轨迹优化策略。利用典型的 cam 平台在加工某薄壁空间曲面，其刀 具轨迹示意图如下图 1.11.3 所示。从图中可以看出，在粗加工方面， 各 cam 平台功能相当；但在清根处理上， ugnx、catia、cimatrone 可进行多次清根处理；在实体仿真 切削时，mastercam、catia、cimatrone、surfcam 等 平台相对而言模拟速度较快。 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 3 图 1 三轴粗铣加工轨迹对比示意图 图 2 三轴清根铣削加工轨迹对比示意图 第 1 章 三轴铣削刀具轨迹设计 4 unigraphicxnx 仿真加工 catia 仿真加工 mastercam 仿真加工 cimatrone/surfcam 仿真加工。 图 3 三轴铣削加工实体仿真示意图 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 5 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 在利用 cam 平台进行五轴数控铣削刀具轨迹设计时，其核心内 容主要包括刀具轴矢量控制、轨迹驱动方式、进退刀处理、五轴数控 机床后处理与五坐标机床加工仿真模拟等方面的工作。由于五轴加工 时产品的复杂性和刀具轴控制的灵活性和多样性，导致五坐标联动加 工编程的难度和复杂性较大。一般 cam 平台都提供五轴铣削数控编 程功能，其主要包括（a）旋转四轴：多用于带旋转工作台或配备绕 x、y 轴的旋转台的的四轴加工；（b）五轴底刃铣削：用于铣刀的 底刃对空间曲面进行加工，避免传统球头刀的加工，此时需要对刀轴 矢量进行合理的控制设计；（c）侧刃五轴：利用铣刀的侧刃对空间 的曲面进行加工，避免球头刀的 r 切削，能大幅度提高曲面粗精加 工的效率；（d）五轴顺序铣削与五面体加工：多用于铣削工步内容 比较多的多面体加工，如立卧转换五面体加工中心可一次加工产品上 的五个面或内外腔的场合，多用于工序的复合化加工；（e）曲线五 轴：对空间的曲面曲线进行五轴曲线加工；（f）五轴钻孔：对空间 的孔进行钻孔加工，多用于孔的位置不再三个基准平面上比较特殊的 场合，如圆锥面上的孔。 空间曲面五轴加工涉及的内容比较多，进行五轴加工时涉及加工 导动曲面、干涉面、轨迹限制区域、进退刀及刀轴矢量控制等关键技 术。四轴五轴加工的基础是理解刀具轴的矢量变化。四轴五轴加工的 关键技术之一是刀具轴的矢量（刀具轴的轴线矢量）在空间是如何发 生变化的，而刀具轴的矢量变化是通过摆动工作台或主轴的摆动来实 现的。对于矢量不发生变化的固定轴铣削场合，一般用三轴铣削即可 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 6 加工出产品，五轴加工关键就是通过控制刀具轴矢量在空间位置的不 断变化或使刀具轴的矢量与机床原始坐标系构成空间某个角度，利用 铣刀的侧刃或底刃切削加工来完成。刀具轴的矢量变化控制一般有固 定矢量、曲面法线、固定点、直线导动、直纹面导动、刀具轨迹投影、 点位与任意矢量连续插补等方式。 典型 cam 平台在对某变锥度零件数控铣削加工编程时，各平 台环境下的刀具轨迹示意图如下图 2.12.3 所示。可以看出，现有的 cam 平台一般能满足该产品五坐标铣削加工编程的需要。但是从用 户的使用经验上讲，unigraphicsnx 平台在刀具轴矢量控制方面表现 得更加灵活，尤其是其提供的插补刀具轴矢量控制和顺序铣削编程功 能能够使得用户很轻松得完成所期望的五坐标联动铣削刀具轨迹目标。 图 2.1 基于 unigraphicxnx 平台的五轴铣削刀具轨迹 图 2.2 基于 catia 平台的五轴铣削刀具轨迹 第 2 章 五轴数控铣削刀具轨迹设计 7 图 2.3 基于 pro/engineer 的五轴铣削刀具轨迹 8 第 3 章 后处理程序开发模式 五坐标数控铣削加工编程的后处理程序开发的主要内容包括： 算法处理：主要针对多坐标加工时的坐标变换、跨象限处理、进给速 度控制。数控系统控制指令的输出：主要包括机床种类及机床配置、 机床的定位、插补、主轴、进给、暂停、冷却、刀具补偿、固定循环、 程序头尾输出等方面的控制。格式转换：数据类型转换与圆整、字 符串处理等：主要针对数控系统的输出格式如单位、输出地址字符等 方面的控制。 五轴数控机床的配置形式多样，典型配置有绕 x 轴和 y 轴旋转 的两个摆动工作台，其二为主轴绕 x 轴或 y 轴摆动，另外的工作台 则相应绕 y 轴或 x 轴摆动来构造空间的五轴联动加工。对于主轴不 摆动的五轴数控机床，其摆动轴存在主次依赖关系，即主摆动轴 （primary table）的运动影响次摆动轴（secondary table）的空间 位置，而次摆动轴的运动则不影响主摆动轴的空间位置状态。用于对 典型的五轴机床运动方式进行配置，可对工作台双摆动、主轴头双摆 动、主轴摆动及工作台摆动、工作台复合摆动（回转） 、主轴复合摆 动（回转）等典型五轴机床进行设置。主轴回转或摆动对应于相应机 床，其所处于主动轴或从动轴的形式。在确定机床运动类型以后，其 旋转轴矢量平面和旋转中心等设置是非常重要的，：用于设置主动轴 及次动旋转轴矢量方向，设置主轴或工作台复合摆动轴矢量方向。旋 转轴中心、偏心设置及刀具轴输出设置。如下所示为在 mastercam 平台下的五轴机床类型设置。 9 #machine rotary routine settings mtype : 0 #machine type (define base and rotation plane below) #0 = table/table #1 = tilt head/table #2 = head/head #3 = nutator table/table #4 = nutator tilt head/table #5 = nutator head/head head_is_sec : 1 #set with mtype 1 and 4 to indicate head is on secondary 现有的 cam 平台提供的刀具路径的文件包括标准的可编译文件 （如 apt 文件）和二进制文件. catia, ugnx, surfcam,proe 等 cam 都支持这两种格式, mastercam 的 nci 则是另外的文字格式 档案.后处理则各家大多有各自的后处理。典型 cam 平台的后处理 用户界面如下图 3.1 所示。 基于 ugpostbuilder 的设置 基于 imspost 的后处理设置 基于 gpost 的后处理设 置 图 3.1 典型 cam 平台后处理用户设置开发界面 除 mastercam 采用文本方式以外，大部分 cam 平台都提供自 己的后处理用户界面，操作设置比较方便，尤其是可用于多 cam 平 台和异构数控系统，如 imspost 后处理包可支持几乎所有的通用 10 cam 平台和流行的数控系统。后处理程序的开发编辑模式各不相同， 其 unigraphicsnx 采用 ugpostbuilder，采用基于 tcl 语言的二次 开发功能完成用户开发；mastercam 提供基于 generic fanuc 系 统通用五轴铣削后处理文件，用户需根据具体机床对其进行编辑修改， 达到最终的使用要求。其中 cimatrone、 catia 可采用 imspost 进 行后处理开发；spost/gpost 则采用宏程序方式用于 surfcam 、pro/engineer 平台。 第 4 章 机床加工仿真模拟接口 11 第 4 章 机床加工仿真模拟接口 美国 cgtech 的产品 vericut，它可用来在编程阶段校验加 工程序的准确性，能够让编程人员对 nc 加工环境进行仿真。应用 vericut，可对包括工装夹具在内的整个机床建模，它的易修改的 控制程序库使得 nc 程序在仿真环境中的运行，完全模拟了在机床上 的运行。一些 cam 系统本身具备校验功能，内部校验检查的是内部 的 cad/cam 数据，它们在上机床执行前往往已被转换多次了。外 部校验系统则不仅能检查内部 cam 文件，还能够校验 g 代码。nc 校验软件能够校验不同 cam 系统生成的程序，用同样的手段校验所 有的 nc 程序，使编程人员能够对所用的各种 cam 系统得到稳定的 可靠的结果。nc 校验软件能够减少甚至省略在机床上进行人工的修 正，这不仅节省了编程时间，更能使机床被解放出来完全用于加工产 品。 vericut 提供了许多功能，其中有对毛坯尺寸、位置和方位的完 全图形显示，可模拟 2.5 轴联动数控加工。现有的 cam 平台都提供 与 vericut 的嵌入式接口或转换功能。如下图所示分别为 ugnx、catia、mastercam 等平台与 vericut 之间的转换设置，且 它们可直接与 vericut 进行嵌入式链接仿真，如 pro/engineer、ugnx、catia、mastercam 平台等。其中 ugii/vericut 切削仿真模块是集成在 ugii 软件中的第三方模块， 它采用人机交互方式模拟、检验和显示 nc 加工程序，是一种方便的 验证数控程序的方法。由于省去了试切样件，可节省机床调试时间， 第 4 章 机床加工仿真模拟接口 12 减少刀具磨损和机床清理工作。通过定义被切零件的毛坯形状，调用 nc 刀位文件数据，就可检验由 nc 生成的刀具路径的正确性。 ugii/vericut 可以显示出加工后并着色的零件模型，用户可以容易 的检查出不正确的加工情况。如图 4.1 为 ugnx、catia、mastercam 与 vericut 的数据转换接口设置，图 4.2 为基于 vericut 环境的机床加工仿真模拟，能帮助用户大幅度提 高五坐标加工编程的效率和质量。 图 4.1 典型 cam 平台与 vericut 仿真接口 第 4 章 机床加工仿真模拟接口 13 图 4.2 基于 vericut 机床仿真加工模拟示意图 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 14 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 数控加工技术已广泛应用于模具制造业，如数控铣削、镗削、 车削、线切割、电火花加工等，其中数控铣削是复杂模具零件的 主要加工方法。数控设备为精密复杂零件的加工提供了基本条件， 但要达到预期的加工效果，编制高质量的数控程序是必不可少的， 这是因为数控加工程序不仅包括零件的工艺过程，而且还包括刀 具的形状和尺寸、切削用量、走刀路径等工艺信息。对于简单的 模具零件，通常采用手工编程的方法，对于复杂的模具零件，往 往需要借助于 cam 软件编制加工程序，如 pro/engineer、ug、cimatron、mastercam 等。无论是手 工编程或计算机辅助编程，在编制加工程序时，选择合理的工艺 参数，是编制高质量加工程序的前提。 5.1 刀具的选择 在模具型腔数控铣削加工中，刀具的选择直接影响着模具零 件的加工质量、加工效率和加工成本，因此正确选择刀具有着十 分重要的意义。在模具铣削加工中，常用的刀具有平端立铣刀、 圆角立铣刀、球头刀和锥度铣刀等，如图 5.1 所示。 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 15 图 5.1 刀具定义 在模具型腔加工时刀具的选择应遵循以下原则： 1.根据被加工型面形状选择刀具类型 对于凹形表面，在半精加工和精加工时，应选择球头刀，以得到 好的表面质量，但在粗加工时宜选择平端立铣刀或圆角立铣刀，这是 因为球头刀切削条件较差；对凸形表面，粗加工时一般选择平端立铣 刀或圆角立铣刀，但在精加工时宜选择圆角立铣刀，这是因为圆角铣 刀的几何条件比平端立铣刀好；对带脱模斜度的侧面，宜选用锥度铣 刀，虽然采用平端立铣刀通过插值也可以加工斜面，但会使加工路径 变长而影响加工效率，同时会加大刀具的磨损而影响加工的精度。 2.根据从大到小的原则选择刀具 模具型腔一般包含有多个类型的曲面，因此在加工时一般不能选 择一把刀具完成整个零件的加工。 无论是粗加工还是精加工，应尽可能选择大直径的刀具，因为刀具直 径越小，加工路径越长，造成加工效率降低，同时刀具的磨损会造成 加工质量的明显差异。 3.根据型面曲率的大小选择刀具 在精加工时，所用最小刀具的半径应小于或等于被加工零件上的 内轮廓圆角半径，尤其是在拐角加工时，应选用半径小于拐角处圆角 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 16 半径的刀具并以圆弧插补的方式进行加工，这样可以避免采用直线插 补而出现过切现象；在粗加工时，考虑到尽可能采用大直径刀具的原 则，一般选择的刀具半径较大，这时需要考虑的是粗加工后所留余量 是否会给半精加工或精加工刀具造成过大的切削负荷，因为较大直径 的刀具在零件轮廓拐角处会留下更多的余量，这往往是精加工过程中 出现切削力的急剧变化而使刀具损坏或栽刀的直接原因。 4.粗加工时尽可能选择圆角铣刀 一方面圆角铣刀在切削中可以在刀刃与工件接触的 090范围内 给出比较连续的切削力变化，这不仅对加工质量有利，而且会使刀具 寿命大大延长；另一方面，在粗加工时选用圆角铣刀，与球头刀相比 具有良好的切削条件，与平端立铣刀相比可以留下较为均匀的精加工 余量，如图 5.2 所示，这对后续加工是十分有利的。 图 5.2 圆角铣刀与平端铣刀粗加工后余量比较 5.2 走刀方式和切削方式的确定 走刀方式是指加工过程中刀具轨迹的分布形式。切削方式是指加 工时刀具相对工件的运动方式。在数控加工中，切削方式和走刀方式 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 17 的选择直接影响着模具零件的加工质量和加工效率。其选择原则是根 据被加工零件表面的几何特征，在保证加工精度的前提下，使切削时 间尽可能短，切削过程中刀具受力平稳。 1.走刀方式 在模具加工中，常用的走刀方式包括单向走刀、往复走刀和环切 走刀三种形式，如图 5.3 所示。其中，图 5.3a 为单向走刀方式，在加 工中切削方式保持不变，这样可以保证顺铣或逆铣的一致性，但由于 增加了提刀和空走刀，切削效率较低。粗加工中，由于切削量较大， 一般选用单向走刀，以保证刀具受力均匀和切削过程的稳定性。图 5.3b 是往复走刀方式，在加工过程中不提刀进行连续切削，加工效 率较高，但逆铣和顺铣交替进行，加工质量较差。一般在粗加工时由 于切削量大不宜采用往复走刀，而在半精加工和表面质量要求不高的 精加工时可选用往复走刀。图 5.3c 是环切走刀方式，其刀具路径由 一组封闭的环形曲线组成，加工过程中不提刀，采用顺铣或逆铣切削 方式，是型腔加工常用的一种走刀方式。 图 5.3 走刀方式 2.铣削方式 铣削方式的选择直接影响到加工表面质量、刀具耐用度和加工过 程的平稳性。在采用圆周铣削时，根据加工余量的大小和表面质量的 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 18 要求，要合理选用顺铣和逆铣，一般地，粗加工过程中余量较大，应 选用逆铣加工方式，以减小机床的震动；精加工时，为达到精度和表 面粗糙度的要求，应选择顺铣加工方式。在采用端面铣削时，应根据 所加工材料的不同，选用不同的铣削方式，一般地，在加工高硬度的 材料时应选用对称铣削；在加工普通碳钢和高强度低合金钢时，应选 用不对称逆铣，可以延长刀具的使用寿命，得到较好的工件表面质量； 在加工高塑形材料时应选用不对称顺铣，以提高刀具的耐用度。 5.3 刀具的切入与切出 在模具型腔数控铣削中，由于模具型腔的复杂性，往往需要多次 更换不同的刀具才能完成对模具零件的加工。在粗加工时，每次加工 后残留余量形成的几何形状是在变化的，在下次进刀时如果切入方式 选择不当，很容易造成栽刀事故。在精加工时，切入和切出时切削条 件的变化往往会造成加工表面质量的差异。因此，合理选择刀具切入、 切出方式具有非常重要的意义。一般的 cam 软件提供的切入切出方 式有刀具垂直切入切出工件(plunge)、刀具以斜线切入工件(ramp)、 刀具以螺旋轨迹下降切入工件(spiral)、刀具通过预加工工艺孔切入 工件(entry hole)以及圆弧切入切出工件(arc_tangent)。 其中刀具垂直切入切出工件是最简单、最常用的方式，适用于可 以从工件外部切入的凸模类工件的粗加工和精加工以及模具型腔侧壁 的精加工；刀具以斜线或螺旋线切入工件常用于较软材料的粗加工； 通过预加工工艺孔切入工件是凹模粗加工常用的下刀方式；圆弧切入 切出工件由于可以消除接刀痕而常用于曲面的精加工。需要说明的是 在粗加工型腔时，如果采用单向走刀(zig)方式，一般 cad/cam 系 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 19 统提供的切入方式是一个加工操作开始时的切入方式，并不定义在加 工过程中每次的切入方式，这个问题有时是造成刀具或工件损坏的主 要原因，解决这一问题的一种方法是采用环切走刀方式或双向走刀方 式，另一种方法是减小加工的步距(step-over)，使背吃刀量小于铣 刀半径。 5.4 切削参数的控制 切削参数的选择对加工质量、加工效率以及刀具耐用度有着直接 的影响。在 cam 软件中与切削相关的参数主要有主轴转速 (spindlespeed)、进给速率(cut feed)、刀具切入时的进给速率(lead in feed rate)、步距宽度（step-over）和切削深度（step depth）等。 1.主轴转速 主轴转速一般根据切削速度来计算，其计算公式为：n = 1 0 0 0 v c /d，式中 d 为刀具直径（mm） ，vc 为切削速度(m/min)。切削 速度的选择与刀具的耐用度密切相关，当工件材料、刀具材料和结构 确定后，切削速度就成为影响刀具耐用度的最主要因素，过低或过高 的切削速度都会使刀具耐用度急剧下降。在模具加工，尤其是模具的 精加工时，应尽量避免中途换刀，以得到较高的加工质量，因此应结 合刀具耐用度认真选择切削速度。 2.进给速度与刀具切入进给速度 进给速度的选择直接影响着模具零件的加工精度和表面粗糙度， 其计算公式为 f=nzf，式中 n 为主轴转速（r/min） ，z 为铣刀齿数， 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 20 f 为每齿进给量(mm/齿)。每齿进给量的选取取决于工件材料的力学 性能、刀具材料和铣刀结构。工件的硬度和强度越高，每齿进给量越 小；硬质合金铣刀比同类高速钢铣刀每齿进给量要高；当加工精度和 表面粗糙度要求较高时，应选择较低的进给量；刀具切入进给速度应 小于切削进给速度。 3.吃刀量 吃刀量的大小主要受机床、工件和刀具刚度的限制，其选择原则 是在满足工艺要求和工艺系统刚度许可的条件下，选用尽可能大的吃 刀量，以提高加工效率。为保证加工精度和表面粗糙度，应留 0.20.5mm 的精加工余量。在粗加工时，余量的切除往往采用层切的 方法，在 cam 编程时，需要设置每层切削深度和最大步距宽度，而实 际步距往往与工件形状有关。 在精加工时，吃刀量的选择与表面粗糙度有关，cam 软件中通 常提供有两种参数控制表面粗糙度：步距宽度（stepover）和残留高 度(scallop)。采用步距宽度控制表面粗糙度时，步距宽度越小，表 面粗糙度越小，但加工路径和加工时间会大大延长，因此步距宽度不 宜设置得太小，在实践中可以通过改变半精加工和精加工走刀路径的 方法（二者成正交关系）改善表面质量；采用残留高度控制表面粗糙 度时，步距宽度会依据工件形状自动调整。 5.5 其他参数 在模具数控加工编程中，除以上参数的设定外，还有诸如工件坐 标系（work coordinate） 、刀具快速运动平面（rapid plane） 、加工 安全平面（clearance plane） 、加工余量参数（allowance）以及后置 第 5 章 cam 编程在模具中工艺参数的确定 21 处理参数等的设定。工件坐标系的设定一般应与工件的工艺基准相重 合；刀具快速运动平面和加工安全平面的选择应结合工件形状和夹具 结构，在保证安全的情况下，尽量减小空刀行程；加工余量的选择不 宜过小或过大，过小容易造成粗加工时的过切，过大则会影响精加工 质量；后置处理参数应结合数控机床控制系统的特点来设定。总之， 模具零件数控编程具有很大的灵活性，只有正确理解以上工艺参数， 在实践中不断进行总结，才能编制出高质量的加工程序，加工出高质 量的模具零件。 第 6 章 新一代 cam 的发展 22 第 6 章 新一代 cam 的发展 近年来 cad 是 cad/cam 集成系统技术创新的主角。相比之下， cam 领域却显示出不应有的沉寂。然而，随着信息化需求的不断增 加，企业同样热切企盼 cam, 希望技术创新之风能吹进 cam 领域， 涌现出能够与 cad 系统相匹配的、功能强大、更符合加工工程化概 念、易于普及的新一代 cam 产品。cam 作为整个集成系统的重要 一级，向上与 cad、capp 实现无缝集成，向下方便、快捷、智能、 高效地为数控生产服务，这是 cam 技术发展永远不变的主题。面向 对象、面向工艺特征的新概念已经与 cad 技术中面向对象的设计、 特征建模等相呼应，在一些专业化的 cam 系统中得到了成功的应用， 为新一代 cam 的诞生进行了必要的经验积累、技术储备与思想准备。 当今 cam 在学习、掌握与应用上的困难，与生产快速发展对 cam 人才迫切要求之间的矛盾日益突出，为新一代 cam 的成熟与发展提 供了市场基础。制造业不断涌现的新技术、新工艺诸如高速加工技术 等也对 cam 技术提出了更高的要求。网络技术的发展使 cad/capp/cam/cae/pdm 集成化体系摆脱空间的约束，能够更好 地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。为适应集成化体系的 要求，cam 的结构体系与功能构成也必然会发生相应的变化。因此 我们有理由认为新一代的 cam 技术正处在孕育、发展与成熟之中， 新一代 cam 会在不远的将来兴起。下面将对 cam 技术的发展过程、 cam 的应用现状、新技术对 cam 的要求等方面进行分析，进而对 cam 发展趋势做一个主观的预测。并对新一代 cam 系统的结构体系 做一个大胆的设想， 希望能够有益于我国 cam 的研究、选型及应 第 6 章 新一代 cam 的发展 23 用， 也希望借此与广大同行交流提高。 6.1 cam 的发展阶段 新一代 cam 产生的必然性与发展趋势 cam 技术发展至今，无 论在软、硬件平台、系统结构、功能特点上都发生了翻天覆地的变化。 当今流行的 cam 系统在功能上也存在着巨大的差异。就其具有决 定意义的基本处理方式与目标对象上看，主要可分为两个主要发展阶 段，可认为是两代产品。 第一代 cam：apt20 世纪 60 年代在专业系统上开发的编程机 及部分编程软件如：fanuc、semems 编程机，系统结构为专机形 式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对 象也都直接是数控刀路。特点是功能差，操作困难，专机专用。 第二代 cam：曲面 cam 系统系统结构一般是 cad/cam 混合 系统，较好地利用了 cad 模型，以几何信息作为最终的结果，自动 生成加工刀路。自动化、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。基本特点是面向 局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接 相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。尽 管该时期的时间跨度达二十年，系统档次差异很大，智能化水平高低 亦不同，但在结构体系上没有质的变化。笔者认为应属于同一代产品。 纵观 cam 技术的发展历程，我们可以得出如下结论： 1cam 的发展是一个不断吸收和利用 cad 及周边相关技术的 应用成果， 不断发展的过程；是自动化、智能化水平不断提高的过 程；是 cam 系统结构及基本处理方式不断向适应工程化概念的方向 第 6 章 新一代 cam 的发展 24 发展的过程。 2系统的基本处理方式，即编程的目标对象对系统的结构、智 能化水平等起着决定性作用。cam 系统在 apt 时代，编程的目标 对象直接计算刀路轨迹。第二代 cam 系统以 cad 模型为编程的目 标对象，自动生成刀路轨迹。因而系统的自动化、智能化水平得到了 大幅度提高，系统的操作也更符合工程化概念。 3第二代 cam 系统以 cad 模型的局部几何特征为目标对象 的基本处理形式已经成为智能化、自动化水平进一步发展的制约因素。 只有突破当今的固有模式，发展新一代的 cam 系统：即面向模型、 面向工艺特征的 cam 系统，才能够将 cam 的自动化、智能化水平 提高到一个新的高度。 4可以预见正在孕育、成熟、发展的新一代 cam 系统将采用 面向对象、面向工艺特征的基本处理方式，使系统的自动化水平、智 能化程度大大提高。 系统结构将独立于 cad、capp 系统而存在， 为 capp 的发展留下空间，更符合网络集成化的要求。 6.2 cam 发展现状 cam 的创新方向 cam 作为应用性、实践性极强的专业技术， 直接面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原 动力。分析总结当今 cam 的应用现状、 与生产实际要求间的差距 及其原因、新工艺、新技术对 cam 的特殊需要以及相关外围技术发 展与要求等，有助于更好地了解今后 cam 的发展趋势。 1cam 的应用现状及与实际需求间的差距因为应用的实践性 更强，专业化分工更明确，就总体而言，cam 的专业化水平高于 第 6 章 新一代 cam 的发展 25 cad 的发展。纵观当今占主导地位的 cam 系统，无论其界面好坏、 功能强弱，都存在着共同的缺陷。 (1) cad/cam 混合化的系统结构体系 cad 功能与 cam 功能 交叉使用，不是面向整体模型的编程形式，工艺特征需由人工提取， 或需进一步 cad 处理产生。该结构体系的形成是历史的产物。多年 前，集成系统特别是网络化集成的观念还没有成为系统开发的主体思 想，模型的建立与编程在同一地点由同一个操作者完成。由此会造成 如下的问题。1）不适应当今集成化的要求现代生产企业要求网络集 成系统的模块分布、功能侧重必须与企业的组织形式、生产布局相匹 配。系统混合化不等于集成化，更不利于网络集成化的实现。2）不 适合现代企业专业化分工的要求混合化系统，无法实现设计与加工在 管理上的分工，增加了生产管理与分工的难度，也极大地阻碍了智能 化、自动化水平的提高。另外，混合化系统要求操作者在 cad 与 cam 两个方面都要有深厚的背景与经验才能很好地完成工作，增加 了学习掌握与使用系统的难度。一般需 13 年的实践才能成为称职 的 cam 操作人员，对企业人才的管理造成了极大的负面影响。3） 没有给 capp 的发展留下空间与可能众所周知，capp 是 cad/cam 一体化集成的桥梁，cad/capp/cam 混合化体系决定 了永远不可能实现 cam 的智能化与自动化。因为生产工艺的标准化程 度低，受到生产设备、刀具、管理等因素的影响，至今没有一个成熟 的，以创成法或派生法为推理机制的商品化的 capp 系统。capp 转向了类似于开发环境类软件系统的开发与研究。但随着企业 cad、cam 等技术的成功应用，工艺库、知识库的完善，将来 capp 也会有相应的发展。逐步实现 cad-capp-cam 按科学意义 第 6 章 新一代 cam 的发展 26 上的一体化集成。而混合化的系统从结构上为今后的发展留下了不可 弥补的隐患。 （2）面向曲面、以局部加工为基本处理方式当今 cam 系统一 般都是曲面 cam 系统，是面向局部加工的处理方式，而数控加工是 以模型为结果，以工艺为核心的工程过程。应该采取面向整体模型、 面向工艺特征的处理方式。这种非工程化概念的处理方式肯定会造成 一系列的问题。1）不能有效地利用 cad 模型的几何信息，无法自 动提取模型的工艺特征，只能够人工提取，甚至靠重新模拟计算来取 得必要的控制信息，无疑增大了操作的烦琐性，影响了编程质量与效 率。致使系统的自动化程度与智能化程度很低。2）局部加工计算方 式靠人工或半自动进行仿过切处理，因不是面向整体模型为编程对象， 系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而不适合高速加工等 新工艺在高速条件下对安全性的要求。 2当今 cam 应用在生产组织与管理上的问题 cad/capp/cam 需要在信息流上集成一体、无缝连接，但往往忽 略了企业在生产组织与管理上要求 cad、capp、cam 在应用场合、 操作人员、系统功能上按照生产布局合理安排。网络技术的成功应用 已经为此奠定了基础。cam 系统及操作人员远离生产现场，致使因 不了解现场情况造成不应有的反复，浪费了时间，降低了效率，甚至 造成废品。传统的 cam 系统不仅要求操作人员有深厚的工艺知识背 景，还需要有很高的 cad 应用技巧。一般需 1 至 3 个月专门培训入 门，1 至 3 年的实践才能成为称职的工作人员。对 cam 的应用普及 造成了极大的困难，使 cam 后备人员严重不足，因而造成人才竞争 异常激烈、生产队伍不稳定，产生严重人才管理问题，我国的广大国 营企业，情况更加严峻。故企业迫切需要新一代的易学易用、易于普 第 6 章 新一代 cam 的发展 27 及、高智能化、专业性强的 cam 系统。 3制造业新技术对 cam 的特殊要求毋庸置疑，近年来制造业 新技术的最大热点是高速加工技术。据最新的工艺研究表明，高速加 工技术在简化生产工艺与工序，减少后续处理工作量、提高加工效率、 提高表面质量等几个方面，能够极大地提高产品质量、降低生产成本、 缩短生产周期。高速加工技术对 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、高进给 速度，特征加工的一般切削速度（f 值）为传统加工的 10 倍以上 （f 可达到 20008000mm/min），在高速进给条件下，一旦发生过 切，几何干涉等，后果将是灾难性的，故安全性要求是第一位的。传 统的 cam 系统靠人工或半自动防过切处理方式，没有从根本上杜绝 过切现象的发生。靠操作者的细心、责任心等人的因素是没有安全保 障的。所以无法满足高速加工安全性的基本要求。 （2）工艺性要求高速加工要求刀路的平稳性，避免刀路轨迹的 尖角（刀路突然转向）、尽量避免空刀切削、减少切入/切出等，故 要求 cam 系统具有基于残余模型的智能化分析处理功能、刀路光顺化 处理功能、符合高速加工工艺的优化处理功能及进给量（f 值）优化 处理功能（切削优化处理）等。为适应高速加工设备的高档数控系统， cam 应支持最新的 nurbs 编程技术。 （3）高效率要求高效率体现在两个方面：1）编程的高效率：高 速加工的工艺性要求比传统数控加工高了很多，刀路长度是传统加工 的上百倍，一般编程时间远大于加工时间，故编程效率已成为影响总 体效率的关键因素之一。传统的 cam 系统采用面向局部曲面的编程 方式，系统无法自动提供工艺特征，编程复杂程度很大，对编程人员 除工艺水平之外（基本要求），还要求有很高的使用技巧。迫切需要 第 6 章 新一代 cam 的发展 28 具有高速加工知识库的、智能化程度高的、面向整体模型的、新一代 的 cam 系统。2）优化的刀路确保高效率的数控加工， 如基于残余 模型的智能化编程可有效地避免空刀，进给量（f 值）优化处理可提 高切削效率 30%等。 综上所述，当今的 cam 系统虽然为现代制造 业的发展立了汗马功劳，但在生产管理、操作使用上存在着与实际要 求的巨大矛盾；在结构上、功能专业化等方面与网络下系统集成化的 要求存在严重的不协调；基本处理方式严重阻碍智能化、自动化水平 的提高。这一切都使新一代 cam 的诞生与发展成为必需。cad 技 术中面向对象、面向特征的建模方式的巨大成功，为新一代 cam 的 发展提供了参考模式，网络技术为 cam 的专业化分离与系统集成提 供了可能。通过以上的分析， 新一代 cam 系统的大致轮廓已经显 现。 6.3 新一代 cam 的基本结构与主要特征预测 1新一代 cam 的软硬件平台 wintel 结构体系因优异的价格 性能比、方便的维护、优异的表现、平实的外围软件支持，已经取代 unix 操作系统成为 cad/cam 集成系统的支持平台。ole 技术及 d&m 技术的应用将会使系统集成更方便。今后 cam 的软件平台无 疑将是 windows nt 或 windows 2000，硬件平台将是高档 pc 或 nt 工作站系列。随着高档 nc 控制系统的 pc 化、网络化及 cam 的 专业化与智能化的发展，甚至机上编程也可能会有较大的发展。 2新一代 cam 系统的界面形式今后将摈弃多层菜单式的界面 形式，取而代之的是 windows 界面，操作简便，并附有项目管理、 工艺管理树结构，为 pdm 的集成打下基础。 第 6 章 新一代 cam 的发展 29 3新一代 cam 系统的基本特点 （1） 面向对象、面向工艺特征的 cam 系统传统 cam 局布曲 面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（实体）、面向工艺特 征的结构体系。系统将能够按照工艺要求（capp 要求）自动识别并 提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使 cad/capp/cam 的集成化、一体化、自动化、智能化成为可能。 （2）基于知识的智能化的 cam 系统新一代的 cam 系统不仅 可继承并智能化判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与 判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时面向整体模型的形式 也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能，提高操作的安全 性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识 库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。 （3）能够独立运行的 cam 系统实现与 cad 系统在功能上分 离，在网络环境下集成。这需要 cam 系统必须具备相当的智能化水 平。cam 系统不需要借助 cad 功能，根据工艺规程文件自动进行 编程，大大降低了对操作人员的要求，也使编程过程更符合数控加工 的工程化要求。 （4）使相关性编程成为可能尺寸相关、参数式设计、修改的灵 活性等 cad 领域的特性，自然希望被引伸到 cam 系统之中。据笔 者观察，在该方向的研究有两条不同的思路，以 delcam 公司的 powermill 及 worknc 为代表，采用面向工艺特征的处理方式， 系统以工艺特征提取的自动化来实现 cam 编程的自动化。当模型发 生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实现 cam 的自动修 改。由计算机自动进行工艺特征与工艺区域的重新判断并全自动处理， 使相关性编程成为可能。目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲 第 6 章 新一代 cam 的发展 30 等发达国家的工模具界所接受。另据报导，已有公司试图直接将参数 化的概念引入 cam 中，据称是同一数据库的方式来解决参数化编程 问题。据笔者了解，至今未见成功的应用实例及相关报道。从技术角 度上，笔者认为，实体的参数化设计是在有限参数下的特殊概念， cam 是按照工艺要求对模型进行的离散化处理，具有无限化（或不 确定）参数的特性。因而与参数化 cad 有着完全不同的特点。就象 参数化的概念一直无法成功地引申到曲面 cad 中一样，cam 的参 数化也将面临着巨大的困难。按加工的工程化概念，cam 不是以几 何特征，而应是以工艺特征为目标进行处理。几何特征与工艺特征之 间没有必然的、唯一