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工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 摘要 本文从工厂实际出发，在模具、复杂零件、钣金件、管路等设计制造中，广泛应 用了c a d c a m 技术。在实施过程中，充分开发u g 、p r o e 软件的相关功能，实现c a d c 心 一体化，重点解决了c a m 后置处理、数据通讯等难点问题。通过c a d c a m 技术在大连 机车厂的应用，实现设计、工艺、制造一体化，最终实现了产品无图化加 ：，达到了 缩短新产品丌发周期，提高了产品质量的目标。 主要工作目标：实现模具c a d 参数化建模和模具c a m 加工编程、仿真：针对不同 控制系统的加工中心完成后置处理程序编制；运用v c + + 语占面向对象技术开发了数 据通讯软件，实现加工程序在数控机床和计算机之间的双向通讯。 关键词：c a d c a m ，模具制造，后置处理，d n c 第1 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 a b s t r a c t t h i s p a p e r b a s e do nt h ea c t u a le x p e r i e n c ei nt h ef a c t o r yu s e sc a d c a m t e c h n o l o g yi n t h e d e s i g n a n dm a n u f a c t u r e o f m o u l d s ，c o m p l e xp a r t s ，p l a t ew o r kp a r t s ，p i p e l i n e sa n d s oo n i ni m p l e m e n t i n g p r o c e s s ，o p e n e ds u f f i c i e n t l yu pr e l e v a n t f u n c t i o n so fu ga n dp r o e s o f t w a r e ，r e a l i z e dc a d c a mi n t e g r a t i o n i tm a i n l yf o c u s e so ns o l v i n gt h ep r o b l e mo f c a m p o s tp r o c e s s i n ga n dd a t ac o m m u n i c a t i o ne t c i nd a l i a nl o c o m o t i v ea n dr o l l i n g s t o c kw o r k s ，c a r r i e do u tc a d c a mi n t e g r a t i o ni nt h ew h o l ep r o c e s so fd e s i g n i n g ， w o r k m a n s h i pa n dm a n u f a c t u r eo fp r o d u c t s a tl a s t ，i m p l e m e n t e dm a c h i n i n gp r o d u c t sn o d r a w i n g ，r e d u c e dd e v e l o p i n gc y c l eo f n e w p r o d u c t sa n di m p r o v e dp r o d u c t sq u a l i t y t h em a i nw o r ki st or e a l i z ec a d p a r a m e t e r i z e dm o u l d m a k i n ga n dc a m m o u l d m a c h i n ep r o g r a m m i n g ，s i m u l a t i o na n dc o m p i l i n g p o s tp r o g r a m m es u i t a b l e f o rv a r i e d m a c h i n e c e n t e r so fc o n t r o l s y s t e m s u s ev c c + + l a n g u a g e t o e x p l o i t t h ed a t a c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea n dr e a l i z et h et w o - w a yc o m m u n i c a t i o nb e t w e e nn cm a c h i n e s a n d c o m p u t e r s k e y w o r d s ：c a d c a mm o u l d sm a n u f a c t u r e p o s t p o s i t i o n t r e a t m e n td n c 第1 t 页 x 6 8 3 3 5 1 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生魏型暨如叶年r 月d 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电：于和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研触酶岔垦争如蛑聊) 目 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 1 绪论 1 1 引言 1 9 7 0 年以来，世界市场由过去传统的相对稳定逐步演变成动态多变的特征，由 过去的局部竞争演变成全球范围内的竞争，同行业之间、跨行业之间的相互渗透、相 互竞争日益激烈。为了适应变化迅速的市场需求，为了提高竞争力，现代的制造企业 必须合理，科学地解决t q c s 问题，即以最快的上市速度( t - t i m et om a r k e t ) ，最好 的质量( q - q u a l i t y ) 、最低的成本( c - c o s t ) 和最优的服务( s - s e r v i c e ) 来满足不同顾客 的需求。 同时，信息技术的迅速发展，特别是计算机技术，网络技术，信息处理技术等取 得了人们意想不到进步。二十多年来的实践证明，将信息技术应用于制造业，进行传 统制造业的改造，是现代制造业发展的必由之路。随着计算机技术的发展，国外先进 发达国家和国内某些先进企业己广泛应用c a d c a m 技术进行模具及产品的设计制造 工作，即采用先进的计算机三维设计软件进行实体建模设计、计算机辅助制造编程， 实现计算机辅助的无图纸化加工，极大地提高了产品( 模具) 加工精度和生产效率， 提高了产品的生产质量。 1 2 国内外研究概况 国外自1 9 7 0 年以来，c a d c a m 技术发展取得了很大的进步，8 0 年代初，先进 制造技术以信息集成为核心的计算机集成制造系统( c l m s ，c o m p u t e ri n t e g r a t e d m a n u f a c t u r i n gs y s t e m ) 开始得到实施；8 0 年代未，以过程集成为核心的并行工程 ( c e ，c o c u r r e n te n g i n e e r i n g ) 技术进一步提高了制造水平；进入9 0 年代，先进制 造技术进一步向更高水平发展，出现了虚拟制造( v m ，v i r t u a lm a n u f a c t u r i n g ) 、 精益生产( l p ，l e a np r o d u c t i o n ) 、敏捷制造( a m ，a g i l em a n u f a c t u r i n g ) 、虚拟 企业( v e ，v i r t u a le n t e r p r i s e ) 等新概念。国外制造业公司如g e 、波音、摩托罗 拉等大公司一直走在c a d c a m 技术应用的前延，据资料统计，通过c a d c a m 技 术应用，设计变更缩短了2 0 5 0 ，制造周期缩短3 0 以上，制造成本大大降低， 新产品的下线周期明显缩短，如通用汽车新车型下线周期由过去一至两年缩短到现在 的三个月左右。c a d c a m 技术服务于制造企业需求，是现代制造业成功的必需。“3 由于我国起步较晚，又受到技术、资金等条件限制，目前国内对c a d c a m 技 术应用大多还处在初级阶段，部分大企业如海尔、一汽等应用c a d c a m 技术在产 品设计和制造中，均取得了良好的经济效益。自9 0 年代以来，国外高端c a d c a m 第】页 工程硬士学位论文c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 三维应用软件u g 、p r o - e 等全面进入国内市场，同时国产c a d c a m 软件发展也方 兴未艾，如c a x a 、新洲c a d 等软件的出现，不仅填补我国c a d c a m 软件的空白， 同时为我国中小企业c a d c a m 技术应用提供了可靠的保证。c a d c a m 发展方向是 参数化、智能化、网络化。为制造业提供产品从设计、分析、仿真、加工制造、仿型 设计到可视化管理于一体的全面解决方案。 我厂是全国机车行业的龙头企业，国家骨干大型企业，系生产内燃、电力机车的 主要生产厂家。随着国内外机车行业竞争同益激烈，我厂领导层清楚遗意识到运用 现代先进的设计和制造技术重新武装我们的企业势在必行。目前工厂经过“九血”信 息化建设，已经基本实现了工程设计现场计算机出图工作，即我们常说的“甩图舨工 程。但还存在如下问题： 1 信息化工具应用层次低 企业将投入数百万元、几十万元的信息化工具做极其简单的初级应用，使得大部 分信息化工具用不到功能的1 0 。如用p r o e n g i n e e r 仅限于三维建模、制作简单的 广告躅片用多轴加工中心做简单手工编程加工程序等等，其结果是信息化工具应用 效率低下，企业已有技术资源得不到发挥，高附加值定单不敢承接，关键性工作还得 通过委外加工。形成“抱着金饭碗要饭吃”的局面。 2 熏“硬”轻“软” 在传统思维影响下。对知识经济条件下信息化、智能化、软件化的认识不足在 “：看得见摸得着”的硬件投入上舍得花钱，如上千万大型加工中心购进，一年可以 引进几台，而与之配套的软件工具不舍得投入，造成软、硬件不配套。造成加工中心 柔性化程度低成为只能加工几种产品的专用机床，白自的浪费了设备资源。信息化 工具成为“肢体发达。头脑简单的低层次状态。 3 重“设计”轻“工艺” 工业设计作为产品形成的源头，企业重视无可厚非。但对工艺投入少、不重视， 必将制约产品的质量和制造效率，这绝对是短视行为。如某企业每年设计费用一千多 万而工艺费用投入不足百万，不及设计投入1 0 ，工艺和设计投入比例失调，一些 重要的工艺分析、工艺设计无法做，最终体现在产品创造的效益低，制约了企业的发 展。 4 产品制造流程串行化 我们企业现行工作状态是部门问关系是串行的只有上一级单位完成工作，传至 下一级部门，下一级部门才能丌始工作。当发现问题再将问题返回相应上一级部门解 决无形中增加了产品制造周期，同时增加了制造成本。其具体流程如下( 图1 31 不) ： 兰堡塑主兰篁笙苎 里垒望! 里垒坚垫查墨垄奎垄垫至! ：塑窒旦堑塞 。- 。_ 。- 。_ - _ - _ _ - - - _ 。- _ 。- 。- 。- 。_ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ - _ _ - ，- _ - - - l 产品设计( 设计邦) 产品工艺( 工艺部) 设计问题 工艺问题 赢i 蕊菊 掣 而函丽五矿、塑塑 合格产品 图1 3 1 产品制造工作流程图 1 4 项目实旌的条件与意义 大连机车厂现有数控机床5 0 余台，并在生产中得到了普遍的应用，但全部采用 的是手工编程方法，直接在加工中心上编程，效率低同时容易出错，数控加工机床柔 性加工能力的无法发挥。一体化的c a d c a m 三维软件u o 、p r o e 和二维a u t o c a d 软件已经在产品设计工作中采用，但仅限于二维工程图的输出，三维设计也仅局限在 某些零件的建模，严重浪费了软件资源。同时由于其各自均以独立的系统运行，无法 发挥各自优势，因此如何将两者有机的结合在一起，达到制造资源的合理配置和优化， 提高生产效率、保证产品质量和降低成本，实现c a d c a m 一体化过程是我们本课 题所研究的主要问题。 本论文研究的课题为大连机车厂“九五”c i m s 信息化工程实施的延续。“九h ” 大连机车厂c i m s 系统已顺利完成一期工程的实施，并获得了良好的应用效果。本课 题是在大连机车厂一期c i m s 的基础上，基于工厂现有条件，开发和应用c a d c a m 一 体化技术，推动工厂信息化建设的发展，同时它也是大连机车厂二期c m s 工程实施 第3 页 工程硕士学位论文c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 重要组成部分。 1 5 本文的主要工作 本文以模具c a d c a m 一体化实现过程为主线，通过设计、工艺、制造过程的并行， 实现模具制造的无图化加工。推而广之，实现钣金件、管路等制造的c a d c a m 一体化。 主要工作内容： 1 、模具c a d 参数化建模和模具c a m 加工编程、仿真。 2 、针对不同控制系统的加工中一t 3 完成后置处理程序编制。 3 、运用v c + + 语言面向对象技术开发了数据通讯软件，实现加工程序在数控 机床和计算机之间的双向通讯。 4 、完成钣金件、管路等制造的c a d c a m 一体化工作。 第4 负 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 2 c a d c a m 技术 2 1 c a d c a m 一体化 计算机辅助设计 ( c a d ) 与计算机辅助 制造( c a m ) 的组合 一c a d c a m ，是将设计 与制造集成( 一体化) 的术语。它配置了能 实现一定设计和制造 功能的计算机交互图 学系统。其主要功能 是实现c a d c a m 系统 内完成n c 零件编程。 c a d c a m 完成计算机 辅助编程中的两项任 务一定义零件的几何 形状、确定刀具运动 轨迹。图1 2 1 为 c a d c a m 一体化过程 图。 图2 1 1c a d c a m 一体化过程图 c a d c a m 应用关键技术： ( 1 ) 产品虚拟设计：引进参数化和面向特征实体建模、虚拟装配，建立计算分析 和仿真系统。 ( 2 ) 虚拟制造：主要任务是建立集产品研究、设计、工艺、制造、标准、资源共 享、技术共享、信息传递、市场需求、系统控制于一体的虚拟制造环境。 ( 3 ) 并行工程：建立支持团队工作的协同工作( c s c w ) 环境。研究支持t e a mw o r k 的协同工作环境，把支持产品开发的工具和团队工具集成在统一的环境中，在信息集 成的基础上，实现过程控制与管理。 ( 4 ) d n c 加工：实现制造设备的集中控制管理以及制造设备i h j 、制造设备与上层 第5 贝 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 控制计算机间信息交换。 综上所述，c a d c a m 技术是一个多学科交叉的技术，它涉及信息技术、自动化 技术、管理科学、系统科学、机械科学等诸多领域。它实旆难度较大，但却有重要的 应用价值。随着电子技术和信息技术的发展，人们对c a d c a m 技术的研究将会不 断达到新的起点，获得更广泛的应用。”3 2 2 产品虚拟设计 l 、产品参数化建模 在产品设计过程中，从构思到加工物料的制定是个逐渐细化描述的过程。在这一 过程中，频繁修改必然造成重复描述直至满足所有要求。为辅助这一过程，可利用具 有可变参数几何建模的参数化设计，参数化设计是目前虚拟设计的一个发展方向，目 前流行的绝大多数c a d 系统都提供了参数化设计功能。 产品的设计、制造、装配以及应用过程包含了许多信息，为使这些信息能够共享，并 保证其完整性和一致性，利用一般建模是无法满足要求的。而“特征”为训算机处理 设计任务提供应用的对象，特征中存储的信息涉及到产品开发的所有阶段，因此采用 面向特征的设计方法可以满足要求。“1 几何建模是产品虚拟开发的核心内容。几何建模的进一步应用是动态过程仿真、 图形数据处理、有限元分析和动画制作等。其中三维建模在产品虚拟设计过程中发挥 重要的作用。实体建模可以在计算机内部对几何物体进行唯一的、无冲突的和完整的 描述。这使得每一次有效的操作都可以产生一个有效的模型，从而使设计者从费时费 力的几何一致性检查中摆脱出来，把精力投入到创造性的工作中去。 实体建模的主要目标在于为产品虚拟提供数据库，在这个数据库不仅存储几何信 息，而且还以集成产品模型的形式存储开发过程中所搜集到的信息，并且提供给尽可 能大的应用范围和后续过程使用。因此对于设计人员来说，造型过程中良好的构思和 建模习惯可以为后续工作打下良好的基础。要使整个设计团队能够在计算机上查看并 操纵实体模型，能精确地交流设计意图，就必须在造型时全面考虑产品的制造、工艺、 装配等各种信息，使零件的造型顺序与实际加工顺序和条件一致，特征的定位也应与 实际j j l 3 5 基准相一致，应该让工艺设计人员能根据清晰的模型树快速地给出零件的加 1 3 5 艺。9 1 除了引进参数化设计和面向特征设计相结合的建模技术以及计算程序外，仿真在 产品开发中起着越来越重要的作用。仿真作为研究任意动态系统的方法正在越来越多 地在产品虚拟开发中得到应用。 利用仿真技术，人们在早期产品规划阶段就可预示产品的特性，了解所采用的加 第6 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 工方法的结果或加工进程的可行性，这样可以及早发现问题和错误，否则在以后阶段 才发现问题会增加修改的时间和成本。 2 、t o p d o w n 自顶向下( t o p - d o w n ) 是- - 9 0 先进的设计方法，即在产品开发的初期就按照 产品的功能要求先定义产品架构，并考虑组件与零件、零件与零件问的约束和定位关 系，在完成产品的方案设计和结构设计之后，再进行单个零件的详细设计。这种设计 过程最大限度地减少设计阶段不必要的重复工作，有利于提高工作效率。在方案设计 过程中可以对产品的结构、关键件进行仿真优化并进行强度、刚度校核，从而使设计 的产品更可靠。1 完整的t o p d o w n 设计方案，通过定义项层的设计意图从产品结构的顶层向下 将信息传递到有效的予装配或零件中。t o p d o w n 设计在组织方式上具有如卜- 几个 设计理念：确定设计意图、规划、创建产品结构，产品的三维空间规划，通过产品的 结构层次共享设计信息，元件间获取信息。在进行产品设计时，t o p d o w n 设计技 术是驾御和控制相关性设计工具最好的方法。 t o p d o w n 设计将产品按照结构和功能划分为不同的模块，每个模块分别定义 输入输出接口，这样，每个模块可以通过参数或者几何定位关系传递设计意图，共享 几何信息。 1 ) 定义设计意图 为了实现产品设计的目的和功能，所有的产品在设计之前要有初步规划，如 设计草图、提出各种想法、建议及设计规范等。这个规划帮助设计者更好地理解 产品并开始系统的设计结构和独立元件的详细需求，并利用三维参数化设计软件 进行设计。 2 ) 定义产品结构 产品结构由各层次装配和元件组成，在定义设计意图时，有许多必需的予装 配是要预先定义下来的。产品结构在软件中很容易创建，允许创建不含任何零件 的子装配或不含任何几种特征的零件。这种方式有助于确定关键件等的材质或类 型，及时提供b o m 以作成本预算和采购之用。 3 ) 零件设计的参数化 用三维参数化设计软件设计的好处之是可利用它的相关性。在设计意图修 改后，目标零件会作相应的自动更新。这需要通过外部参考关系，零部件相互依 赖性或参考控制来实现，这对于大型设计是十分重要的。 第7 页 工程硕士学位论文c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 2 3 虚拟制造技术 虚拟制造是这样一个概念，即与实际一样在计算机上执行制造过程，利用虚拟现 实技术将各种与制造相关的技术集成起来的研究领域，其范围包括从各种设计子功 能，如绘图、有限元分析以及原型生成的集成到对企业内的各种功能，如计划、加：l 、 控制的集成，通过模型来模拟和预估产品功能、性能及可加工性等各方面可能存在的 问题，实现产品制造的本质过程，包括产品的设计、工艺规划、加工制造、性能分 析、质量检验，并进行过程管理与控制。”“ l 、虚拟制造具有如下特征： 1 ) 高度集成 产品与制造环境是虚拟模型，在计算机上对虚拟模型进行产品设计、制造、 测试，甚至设计人员或用户可“进入”虚拟的制造环境检验其设计、加工、装配和 操作，而不依赖于传统的原型样机的反复修改。因此，应综合运用系统工程、 知识工程、并行工程系统仿真和人机工程等多学科先进技术，实现信息集成、知 识集成、串并行交错工作机制集成和人机集成。 2 ) 支持敏捷制造 开发的产品( 部件) 可存放在计算机里，不但大大节省仓储费用，更能根据 用户需求或市场变化快速改型设计，快速投入批量生产，从而能大幅度压缩新 产品的开发时间，提高质量，降低成本。 3 ) 分布合作 可使分布在不同地点、不同部门的不同专业人员在同一个产品模型上同时工 作，相互交流，信息共享，减少大量的文档生成及其传递的时r 日j ? h 误差，从而使 产品开发以快捷、优质、低耗响应市场变化。 2 、虚拟制造相关技术 1 ) v m 与v x 技术关系 表2 ，31v m 与v x 技术的相互关系 v m 是v r 的一个应用领域。备注： lv m 与v r v r 为v m 提供可视化环境 v m v i r t u a l m a n u f a c t u r i n g ，虚拟制 v e 是一种企业组织模式，v m 造 2v m 与v e 为v e 提供技术支持 v r v i r t u a lr e a l i t y 虚拟现实 3 v e v i r t u a le n t e r p r i s e 虚拟企业 v m 与v pv p 是v m 的一种技术 v p - v i r t u a lp r o t o t y p e p r o t o t y p i n g ， 虚拟原型，虚拟原型构造 第8 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车一的应用研究 2 ) v m 与c e 、a m 技术关系 表232v m 与c e 洲技术的相互关系 备注： 1 c e 的有效实现依赖于v m v m - v i r t u a lm a n u f a c t u r i r ! g ，虚拟制 v m 与c e 造 2 c e c o n c u r r e n te n g i n e e r i n g ，并行t v m 与a mv m 是a m 的技术支持 稗 a m - a g i l em a n u f a c t u r i n g 敏捷制造 按照与生产各个阶段的关系，将虚拟制造分成三类，即以设计为核心的虚拟制造 ( d e s i g n c e n t e r e dv m ) 、以生产为核心的虚拟制造( p r o d u c t i o n c e n t e r e dv m ) 和以 控制为中心的虚拟制造( c o n t r o l c e n t e r e dv m ) 。这三类虚拟制造的特点及其它不同 点的比较可以用表2 3 3 表示。 表2 3 3 三类虚拟制造的比较 主要目 类别特点主要支持技术麻j j 领域 标 在设计阶段为设计特征造型造犁设计 人员提供制造信息； 面向数学模型设热力学分析 使用基于制造的仿计 以设计为中心 真以优化产品和上 评价可 运动学分析 的虚拟制造 艺的设计； 伟b 造性 加工过程仿真技 术 动力学分析 通过“在计算机上制 容筹分析 造”产生多个“软”样 机； 加工过程仿真 将仿真能力_ i = j 于制虚拟现实工厂或产鼎的物理布局 造过程模型，以便低传统制造：主要考虑空间 费用、快速地评价不 嵌入式仿真 虚拟制造：总体协调、优 以生产为中心 同的工艺方案化动态过程，人、环境、效 评价可 塞 的虚拟制造用于资源需求规划、 生产性 生产计划的产生及生产计划的编排 评价的环境传统制造：静态、确定型 虚拟制造：动态、随机犁 将仿真加到控制模对离散制造基于 型和实际处理中仿真的实时动态 以控制为中心 调度 以控制为中心的虚拟制 的虚拟制造 可“无缝”地仿真使造 得实际生产周期期对连续制造基于 间不问断地优化仿真的最优控制 第9 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应弁j | 研究 3 、虚拟制造实现过程 虚拟制造是在计算机上实现产品加工过程，也就是狭义上的产品虚拟制造。c a m 系统主要包括设置加工环境( 刀具库、夹具设定等) ，设置加工工序( 数控加工工艺) ， 生成刀轨文件，n c 后处理等。为了加工的正确性，首先要建立刀具数据库，并可以 随时调用需要的刀具和修改刀具的几何参数。由c a m 系统自动计算刀具调整数据，确 定刀具的运动轨迹。最基本的刀具轨迹生成方法是利用交互图形学系统逐步生成全部 运动指令( 类似于计算机辅助零件编程) 。每个语句采用a p t 编程语占或其它编程语 言编写。最先进的刀具轨迹指令生成法是采用与c a m 系统兼容的自动软件程序这些程 序是为轮廓铣、点位与表面轮廓加工循环所用。它们被设计成n c 编程软件包，供编 程时调用。”“ 虚拟制造的主要功能： 1 1 三维建模进行分析 根据上道工序、下道工序以及中间穿插的必须的其它加工规范，确定需要加 工的零部件尺寸以及加工中间是否需要重新装夹等。其中数据转换和参数设定分 析最为重要。 数据转换是程序编制的第一步工作。现代的产业结构调整以及产品开发周期 的缩短，极大地增加了c a d 与c a m 的异地化生产的机率，这就使得c a d 模型 的转换成为现代生产的关键环节。p r o e n g i n e e r 转换数据稳定可靠，能够读入 c a t i a 、u g 等1 4 种格式的数据。与其他c a d c a m 软件联合使用，充分地利 用了各软件的优势，大大提高了编程的效率和质量。 模型读取结束，我们首先要进行加工参数的设定。加工参数主要包括毛坯、 进给率、快进高度、开始点、切入切出连接方式和加工刀具等。 ( 1 ) 毛坯大小的设定 在p r o e n g i n e e r 中，毛坯扩展值的设定很重要。如果该值设得过大将增大 程序的计算量，大大增加编程的时间，如果设得过小，程序将以毛坯的大小为极 限进行计算，这样很有可能有的型面加工不到位，所以，毛坯扩展的设定一般要 稍大予加工刀具的半径，同时还要考虑它的加工余量。笔者的经验是，扩展值应 等于加工刀具的半径加上加工余量，再加上2 5 m m 。例如，d 5 0 r 2 5 的刀具， 型面余量l ，那么毛坯扩展可设定为3 0 。 ( 2 ) 进给率的设定 进给率的设定较为方便，可根据加工车间的习惯而定。 ( 3 ) 快进高度的设定 快进高度包括两项：安全高度和开始高度。安全高度一般要在p r o e n g i n e e r 第l0 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 计算出来的值的基础e ，再加上1 0 0 m m 左右。开始高度的值最好不要与安全高 度一样，一般将它设为比安全高度小1 0 m m 。这样的设定足为了在n c 程序输出 中增加一个z 值，有利于数控加工的安全性。 2 ) 确定加工工艺方案 先对实体模型进行工艺分析，根据加工性质修改增补造型，根据加工特点以 及加工能力需要加工三维实体面，再分析实体的组成情况，确定加工步骤。加工 工艺的确定也包括对零件尺寸、公差等技术要求的核准，装夹方式的确定，切削 刀具的选定，机床调校和参数设定等等。 3 1 生成加工轨迹 根据须加工零件的形状特点及工艺要求，利用软件提供的加工方法，灵活选 定需要加工的实体部分，输入相关的数据参数和要求，快速生成刀具轨迹和刀具 切削路径。 针对实体不同的加工性质和加工特点的部位，采用不同的加工方法而生成的 粗加工或精加工轨迹。编程人员可以根据实际需要，灵活选择加工部位和加工方 法，利用软件提供的刀位编辑、轨迹连接和参数修改等功能，优化加工的刀具轨 迹。同时运用轨迹仿真功能检验生成的刀具轨迹是否满足要求，查看切削后的工 件各个加工轨迹截面，确保不出现过切现象。 4 ) 加工程序生成 加工轨迹生成后，需要由加工刀具轨迹生成数控机床g 代码，方可应用。不 同的数控机床其数控控制系统不尽相同，目前流行的数控控制系统有：f ：= i 本 f u n u c 、德国s i e m e n s 、美国a c r a m a t i c 、西班牙f a g o r 等。不同的数控 系统其g 代码功能有所不同，加工程序的格式也有所区别，所以要针对不同系统 的机床定制不同的后置处理程序进行处理。 2 4 并行工程 1 、建立并行工程环境平台 随着我国全面进入市场经济的大环境，并面临日益激烈的竞争，企业更加希单 缩短产品开发周期、降低成本、提高质量。并行工程在国外一些企业的应用已获得可 观的经济效益，证明是解决企业产品开发过程中的有效方法。为了解决我国企业目前 存在的产品设计领域的一些问题，提高企业产品开发和市场竞争能力。c e 在中国的 研究与应用分为以下几个阶段： 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 ( 1 ) 1 9 9 2 年前：并行工程的预研阶段。8 6 3 c i m s 年度计划和国家自然科学基金资助 了一些并行工程相关技术的研究课题，如面向产品设计的智能d f m ，并行设计方法研 究，产品丌发过程建模与仿真技术研究等。 ( 2 ) 1 9 9 3 年：8 6 3 c i m 8 主题组织清华大学、北航、上海交大、华工和航天2 0 4 所等 单位，组成c e 可行性论汪小组，提出在c i m s 实验工程的基础上开展c e 的攻关研究。 ( 3 ) 1 9 9 5 年5 月：8 6 3 c i m s 主题重大关键技术攻关项目“并行 ：程”j 下式立项，投 入大量资金丌展c e 方法、关键技术和应用实施的研究。 ( 4 ) 1 9 9 5 年5 月1 9 9 7 年1 2 月：“并行工程”项目的攻关研究。 ( 5 ) 1 9 9 8 年起至今：航天并行工程攻关与应用，是在“并行工程”已有攻关成果的 进一步研究。 ( 6 ) 1 9 9 8 年起至今：并行工程在中国若干工厂进行应用实施。 戍用 攻关 研究 9 4 摹缃2 0 0 0 图2 4 1 并行t 程应用状况”“ 概括起来，目前研究主要集中在以下几个主要方匾： ( 1 ) 面向并行工程的产品开发过程建模与仿真技术研究。研究并行产品开发过 程中的产品信息、丌发活动、组织和资源的内容及其建模方法；同时采用仿真、优化 算法对串行开发过程进行改进，得到优化的并行产品丌发过程模型；通过对工作流程 的管理和监控，及时获取产品开发过程进度信息。 第12 页 工程硕士学位论文 c a d c a j v i 技术及在：久连机车厂的应用研究 ( 2 ) 集成产品开发团队：研究i p t 的建立与实施模式，以及在中国企业的现有 体制下t e a mw o r k 的组织方式与管理方法。 ( 3 ) 数字化产品建模及产品信息集成技术。研究产品生命周期中的产品建模技 术，特别是基于s t e p 标准的产品特征建模技术，以及基于s t e p 标准的c a x d f x 集成 技术与实现方法。 ( 4 ) 支持并行产品设计的c a x d f x 的设计技术及其工具。d f x 是实现并行设计 的最有效方法之一。如面向装配的设计( d f a ) ，面向制造的设计( d f f f ) ，计算机辅 助铸造分析( z c a e ) ，计算机辅助工艺设计( c a p p ) ，计算机辅助工装系统设计( c a f d ) 等。 ( 5 ) 支持并行设计系统的产品数据管理技术。研究并行设计环境下p d m 系统如 何对产品数据和产品开发过程进行管理，如零部件结构与配置管理、版本管理、工作 组与权限管理、更改控制等，使分布在异地的产品开发团队成员可以实时共享各种产 品数据。 ( 6 ) 支持团队工作的协同工作( e s c w ) 环境。研究支持t e a mw o r k 的协同工作 环境，把支持产品开发的工具和团队工具集成在统一的环境中，在信息集成的基础上， 实现过程控制与管理。 ( 7 ) 并行工程集成框架技术。研究基于c o r b a 规范的即插即用“软总线”式的 并行工程企业层集成框架，开发开放体系的集成框架系统，支持企业内机械领域、电 子领域和经营管理领域各应用系统的信息集成、功能集成和过程集成。”“ 并行工程环境下的产品信息集成与交换具有以下特点： ( 1 ) 产品信息应支持不同应用之间准确、完全和无二义性的信息交换； ( 2 ) 产品信息存在简单和复杂的结构化信息，也有非结构化信息，需要根据产品信 息的特点用不同的模型加以描述； ( 3 ) 产品信息模型应是中性的，不同的应用系统需要通过各自的应用接口进行访 问： ( 4 ) 产品开发过程中数据资源的并发占用和设计更改冲突经常发生； ( 5 ) 对数据交换、设计更改、文档管理提出了更高的要求。【1 4 1 通常情况下，每个项目都由一个项目组( t e a m ) 来完成，成员之问分别完成不同 的工作，最后由主管工艺师汇总。这需要一个本部门内部乃至整个企业的通用平台， 它是产品信息沟通和共享的纽带。最直接有效的方法是：睦立系列模板文件。在该 类文件中确立面基准、层基准、视图基准、质量特性、及应用制作b o m 表相关的技术， 使将来做装配时无障碍自动生成b o m 表。同时也有利于模具组件的系列化和标准化。 际准化结构目录。给每类产品定制一套完整的目录结构，使工作条理化，分工明确， 便于检索和数据共享。 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 2 、并行工程环境下建模和分析 产品开发过程的建模和分析是并行工程过程管理研究的核心，项目管理、工作流 管理等信息技术是过程管理实施的基础。下面我们主要就这两个方而介绍并行工程过 程管理的方法和技术。 1 ) 、产品开发过程建模 一般来说，模型的作用是解释、预测和实现。就产品开发过程模型来说，其作用 可以概括为以下三个方面： 表示以可视化的形式表达产品开发所需经历的步骤及需要考虑的关键因素， 加强团队成员对过程的理解和团队协作。 分析用定量的手段形式化地描述产品开发过程，支持过程规划、分析和改进。 实现用计算机、网络、数据库等技术实现基于过程的协同设计环境，支持分 布的和自动的任务分配、信息管理、通信、监控、协调等功能。 依照不同的建模目的，过程模型可以分为描述性的( d e s c r i p t i v e ) 和规范性的 ( p r e s c r i p t i v e ) 。描述性的过程模型其主要作用是解释和分析，如i d e f o 模型：规 范性的过程模型其主要作用是强制和指导，如i s 0 9 0 0 0 的过程规范。 按照建模方法的不同，过程模型可以分为基于活动( a c t i v i t y b a s e d ) 的过程模型 和基于阶段( p h a s e b a s e d ) 的过程模型。基于活动的过程模型在决策支持、过程性能 分析方面具有显著的优点；而基于阶段的过程模型主要强调设计信息由抽象到具体、 由定性到定量的发展过程。 过程建模的方法和工具包括i d e f 方法、结构化分析方法、p e t r i 网建模方法、实 时结构化分析过程建模方法、过程规划( p r o c e s sp r o g r a m m i n g ) 和系统动态方法等。 2 ) 过程性能的定量分析 过程性能的分析以基于活动的过程模型为基础，分析活动的排序、资源分配、迭 代、评审等因素对过程性能( 主要是时间和成本) 的影响，它主要为特定项目的计划 和调度服务。传统的项目计划与评审技术和设计过程所特有的迭代分析构成了产品丌 发过程性能分析的两大主流。 项目计划与评审技术以活动网络为过程模型，以关键路径法为主要依据，进行过 程的规划和调度。其原理是从一个项目的开始到结束，把应完成的任务用图或表的形 式表示出来。通常用两张表来定义网络图，一张表给出与一特定项目有关的所有任务， 另一张表则给出应当按照什么样的次序来完成这些任务。通过这种方法，可以对项目 的任务进行规划，统计、估测出完成任务所需的时间和完成项目所需的时间。c p m 与 p e r t 的缺点是活动间的信息流是单向的，因而不支持过程迭代分析。 工程硕士学位论文c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 2 5 d n c 加工 微机控制下数控机床d n c 加工，是提高数控机床柔性加工能力和应用范围的重要 手段。进入9 0 年代以来，微电子技术、计算机技术的日新月异，以p c 技术为基础的 d n c 正在发展成为世界潮流的方向。随着制造业对多变化、中批量柔性制造和计算机 综合制造的需要，借助p c 技术可方便实现网络化通信，快速而高效地满足生产的需 求。 d n c 控制是目前车间生产控制的种重要实现形式，它的基本思想是实现计算机 对数控设备实施综合数字控制，是实现c a d c a m d n c 计算机辅助制造系统的纽带。本 文提出并实现了微机控制下数控机床d n c 加工，以后章节将对其作具体分析和讨论， 这里不在赘述。 本章小结：本章重点论述了c a d c a m 及其相关技术，为c a d c a m 一体化实现提 供相应的理论支持，为我厂在产品设计、工艺、制造活动中如何应用c a d c a m 技术指 明了方向。 工程硕士学位论文c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 3 工厂模具c a d c a m 3 1 工厂模具制造的现状和方向 我厂模具主要涉及铸造、锻造、压型模具生产，目前的生产状况主要是工人根据 设计图纸，直接作木模，模具形状、尺寸、精度都无法保证，同时容易出错，严重制 约了后续生产。由于机车行业竞争同益激烈，过去那种按客户单品种大批量的牛产模 式已不复存在，单件小批量的机车定单逐年增加，按传统模式生产无法保证定单保质 保量的按时完成。尤其前期模具生产无法满足生产的矛盾日益突出，因此模具 c a d c a m 一体化的实现势在必行。 模具c a d c a m 是在模具c a d 和模具c a m 分别发展的基础上发展起来的，它 是计算机技术在模具生产中综合应用的一个新的飞跃。 采用单独的c a d 和c a m 技术设计生产模具，就其整个生产过程来看，与传统 模具设计生产过程没有什么本质变化，仍然分成两个环节一设计与制造，且二者之间 有着明显的分界，图纸是它们之间传递信息的最重要的手段。 模具c a d c a m 则是把c a d 和c a m 紧密地联系起来，实现设计制造一体化， 其实质是设计与制造的综合计算机化。在c a d c a m 系统中，产品的几何模型是关 于产品的最基本核心数据，并作为整个设计、计算、分析过程中最原始的数据。其结 果可运用数据库和网络技术将其存储和直接传送到生产制造环节的各有关方面，从而 实现设计制造的一体化。这时，图纸不再是设计与制造环节的分界线，也不再是制造 过程的唯一依据，在系统中传递的是整个设计、计算、分析后所获得的大量信息，最 终实现模具制造无图化加工。 3 2 工厂模具c a d c a m 实施条件 我厂现有的条件： 1 、已建成较完善工厂的计算机局域网络。 2 、拥有高端的c a d c a m 于一体的应用软件p r 0 e 和u g ，基于分析的c a e 软件a n s y s 和基于铸造模拟分析的m a g m a 软件，以及开始工艺设计c a p p 软件的应用。 3 、建立了p r o e 和u g 软件的p d m 数据管理系统。 4 、拥有6 0 余台数控加工设备。 5 、拥有一支素质和技术较高的职工队伍。 在工厂模具c a d c a m 一体化过程中，我们先后实验完成了2 8 0 摇臂轴座精锻模具、 第1 6 页 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 2 4 0 柴油机气缸盖水腔芯模具、曲轴小拐芯模具、2 8 0 机体芯盒样板模具、z s g 敝车 闸瓦托模具等，以下给出部分模具三维实体模型，同时详细介绍2 8 0 摇臂轴喹精锻模 具c a d c a m 实现过程。 图3 2 1 闸瓦托模具下模图( u g 模型) 图3 2 2 气缸盖水腔芯模具图( u g 模型) 图3 2 32 8 0 柴油机机体模具样板倒( p r 0 e 模犁) 3 32 8 0 摇臂轴座精锻模具c a d c a m 1 、技术调查与方案选择 2 8 0 柴油机摇臂轴座是我厂新型柴油机上的部件。零件形状如图3 3 1 所示。该 零件一端为薄而高的三角法兰，另一端带摇臂轴孔，结构复杂。 第j 7 睫 工程硕士学位论文 c a d c a m 技术及在大连机车厂的应用研究 图3 3 1 锻造图图3 3 2 铸造图 摇臂轴座传统采用铸造方案，原零件形状如图3 3 2 所示。尺寸精度差，生产率 低，综合机械性能低。随着铁路向“高