CADCAM软件在数控加工中的运用及前景.doc

2重庆理工大学毕 业 设 计 CAD/CAM软件在数控加工中的运用及前景 专业年级： 2011级数控班 学 号： 20111428924 学生姓名： 吴现明 指导教师： 曾志国 提交日期： 2014-05-29 摘要 现代制造业采用数控技术已是潮流和趋势，而CAD/CAM 技术的发展与应用以及其强大的功能，使得CAD/CAM软件技术广泛应用于机械产品、模具制造等企业的数控编程及加工。目前数控编程已基本取代了传统的手工编程方式，更重要的是将CAD/CAM软件当作工具，进行合理的数控工艺规划与数控编程，以实现高质量和高效率的数控加工。本文首先介绍了CAD/CAM的概念，并根据数控加工技术和CAD/CAM一体化技术的基本功能原理，结合数控编程与加工的实践，分析了CAD/CAM对机床数控系统的插补功能、刀具补偿功能和固定循环功能等的影响，进一步阐述了其在数控加工中的具体实施过程、在产品设计制造中的作用和优势，及CAD/CAM在数控行业的发展前景。 关键词：CAD/CAM 数控加工 应用 前景.目 录引 言.11 CAD/CAM概念介绍.2 1.1 CAD概念.2 1.2 CAM概念.22 数控技术与CAD/CAM.22.1 数控机床与数控技术.22.2 CAD/CAM一体化.3 2.2.1 CAD/CAM一体化概念.3 2.2.2 CAD/CAM一体化技术优越性.3 2.2.3 CAD/CAM一体化应用.43 CAD/CAM对机床数控系统的影响.53.1 对轮廓插补功能的影响.53.2 对刀具补偿功能的影响.5 3.3 对其它数控加工功能的影响.54 CAD/CAM的数控加工过程.7 4.1 CAD几何建模.7 4.2 数控工艺生产.8 4.3 刀位数据生成.9 4.4 数控程序生成.9 4.5 数控加工仿真.9 4.6 实体数控加工.9结 论.10致 谢.11参考文献.1211引言 随着制造技术的不断进步，数控机床在机械工业的应用越来越普遍，普通机床已经被逐步取代。但数控机床操作较难，数控加工程序编制较复杂，复杂工件和单件小批量生产时编程工作量大，致使数控机床使用效率和效益都比较低。因此，将计算机辅助设计与制造一体化技术(CAD/CAM)与数控机床加工结合，不仅能大大节省设计制造的时间周期，并在一定程度上提高了精度和速度。是实现制造业信急化的核心技术，也代表了未来制造业的发展方向。1 CAD/CAM概念介绍 1.1 CAD概念 CAD即计算机辅助设计(CAD-Computer Aided Design) ,是利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作，简称cad。在工程和产品设计中，计算机可以帮助设计人员担负计算、信息存储和制图等项工作。在设计中通常要用计算机对不同方案进行大量的计算、分析和比较，以决定最优方案；各种设计信息，不论是数字的、文字的或图形的，都能存放在计算机的内存或外存里，并能快速地检索；设计人员通常用草图开始设计，将草图变为工作图的繁重工作可以交给计算机完成，由计算机自动产生的设计结果，可以快速作出图形显示出来，使设计人员及时对设计作出判断和修改；利用计算机可以进行与图形的编辑、放大、缩小、平移和旋转等有关的图形数据加工工作。cad 能够减轻设计人员的计算画图等重复性劳动，专注于设计本身，缩短设计周期和提高设计质量。 1.2 CAM概念 CAM 即计算机辅助制造(computer Aided Manufacturing)，其核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。CAM软件是具有CAM功能的软件的统称，常见的有CAXA，UG，Hypermill等 2 数控技术与CAD/CAM 2.1 数控机床与数控技术 数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。 图1 数控技术是机械加工技术、微电子技术、监控检测技术、计算机技术、自动控制技术等多种学科的集成，是一门新兴而又发展十分迅速的高新技术，对机电工业及国民经济的发展具有十分重要的作用。同时，数控技术也是发展自动化技术的基础。以数控技术为核心的数控机床、加工中心是具有代表性的、高水平的机电一体化产品，代表了当今世界自动化技术发展的前沿。数控加工主要有以下特点：增强了加工能力；提高了生产效率；提高了产品加工精度；降低了加工成本（如图1）。 现代数控系统，采用了交流数字伺服系统。伺服电机的位置、速度和电流都实现数字化，作为伺服控制方式也采用了超出以前的控制理论.机床数控系统的作用是控制机床加工出合格的机械零件，它主要由硬件和软件两人部分构成。机床数控系统的功能主要靠软件实现。为了便于编程，数控系统有许多功能，如轮廓插补功能、刀具补偿功能、固定循环加工功能、辅助编程功能、子程序功能、宏程序功能、字符图形显示功能、故障自珍断功能、通讯网络功能等。这些功能提高了数控机床的加工能力，大大缩短了数控加工程序的长度，增强了程序的可读性。 2.2 CAD/CAM一体化2.2.1CAD/CAM一体化概念 整个CAD/CAM/过程以精锻件及其预锻毛坯的3D模型为中心，模具设计、有限元模拟分析、CNC加工、以及CMM（三坐标）检测、精锻件CMM检测都完全基于这些锻件3D模型的传递，从而消除了二维图纸传递几何信息的不准确性，使最终生产的精锻件和设计者的意图保持高度一致。 CAD/CAM一体化技术的实施主要需要工作站、数控硬加工设备、CMM测量等硬件，还需要配置三维CAD、CAM软件。当前三维CAD软件大部分都能输出IGS等通用模型文件格式，供CAM、CAE软件调用，从而实现CAD、CAM统一性。 2.2.2 CAD/CAM一体化技术优越性CAD/CAM一体化技术具有以下几方面的优越性： （1）所有模具设计、加工、检测都基于精锻件及其预锻毛坯的3D模型， 实现模具Cax链的封闭。 （2）基于三维装配的3D设计，可以方便控制精锻件及其预锻毛坯的体积；3D设计及装配可以及时排除模具设计错误。 （3）3D模型大大减少二维图纸在技术信息传递过程中的不准确性。特别是在模具全球化采购的条件下，可直接用于CAM加工的三维模型消除了模具几何信息传递歧义，借助Internet网，大幅度减少模具图往返确认次数，缩短交货周期。 （4）CAD参数化技术便于建立基于精锻生产线（模加）的精锻件、模具开发平台。 （5）硬加工技术与传统放电加工相比，省去电极制造一环，缩短了模具加工周期，提高模具加工精度。 2.2.3 CAD/CAM一体化应用 即系统可从CAD系统建立的零件数模（包括实体、曲面、曲线或线框）中直接识别和提取加工特征信息，经过选择合适的加工操作方法、加工工艺参数，自动生产刀具轨迹和刀位文件，再经后置处理转换为机床识别的NC程序代并可进行NC加工仿真，最后完成产品的数控加工过程。应用CAD/CAM一体化技术加工零件，避免了在零件加工过程中二次输入零件形状尺寸数据和加工信息，保证了产品数据的唯一性和准确性。一体化的结果减少了许多中间环节，从而缩短了产品的研制周期，提高了产品的加工质量。CAD/CAM一体化技术也是加速产品更新换代和降低产品研制成本的有效手段，是实现计算机集成制造系统的前提条件。 CAD/CAM软件的主要作用是自动生成数控加工程序，主要由加工造型、刀具加工轨迹生成和后置处理三部分组成。加工造型有线框造型、曲面造型和实体造型三种。加工造型获得的零件形状尺寸等数据信息既可用于绘图，也可用于加工。根据加工造型结果，系统软件自动生成刀具加工轨迹。不同的系统软件生成刀具加工轨迹的方法略有不同，常用的加工轨迹生成方法有平面轮廓加工、平面区域加工、导动加工、曲面区域加工、等高粗加工和等高精加工等。生成的刀具加工轨迹根据需要可以进行适当地编辑修改。后置处理主要根据具体的机床数控系统将刀具加工轨迹转化为数控加工程序。用CAD/CAM软件进行数控自动编程能节省大量的刀位点计算，数据准确可靠，效率高。 3 CAD/CAM对机床数控系统的影响 CAD/CAM的应用不仅把数控编程人员从繁琐的手工编程下作中解放了出来而且对机床数控系统软件也产生了重要影响。 3.1对轮廓插补功能的影响 轮廓插补功能是数控机床实现轮廓加工的基木功能。现常用的机床数控系统一般均有直线插补功能、圆弧插补功能、螺旋线插补功能和抛物线插补功能等。这些功能分别有各自的软件模块，因而数控系统软件比较庞大、复杂。由于任何形状的工件轮廓在满足加工精度要求的条件下均可用微小直线段来逼近，所以数控加工时理论上只需要直线插补功能，其他插补功能可省略。CAD/CAM软件可以在计算机上很方便地求出逼近轮廓的各微小直线段的刀位点数据，生成仅含有GO1代码的数控加工程序。 3.2 对刀具补偿功能的影响 刀具补偿是机床数控系统的又一个重要功能。手工编程时用G41. G42代码建立左、右刀具半径补偿，用G40撤销刀具半径补偿，用G43. G44建立刀具长度的正、负补偿，用G49撤销刀具长度补偿。加工时数控系统的刀具补偿软件根据工件轮廓、刀具参数和刀具补偿代码等自动计算出刀具加工轨迹。CAD/CAM软件同样可以实现刀具补偿功能，但不需要刀具补偿代码。 3.3 对其它数控加工功能的影响 机床数控系统中有若干固定循环功能，比如数控车床有简单循环（G90,G94）和多重固定循环（G70, G71、G75），数控铣床、加工中心有钻孔循环（G73, G81, G83）镗孔循环（85, G86）。镜像加工功能是对称零件编程时常用的重要功能。一个零件中几处形状相同或刀具加工轨迹相同时常用子程序功能或宏程序功能。此外还有图形旋转和缩放加工功能等。这此功能在手工编程时经常使用。使用CAD/CAM软件时，根据加工造型可以很方便地得到上述各功能的刀具加工轨迹，机床数控系统中没有上述功能完全不影响数控加工。 基于上述分析，CAD/CAM一体化技术对机床数控系统的影响主要表现在下列两方面: (1) 使用CAD/CAM一体化技术可以大幅度简化机床数控系统软件，有利于数控系统的更型换代和新系统的开发研制。 (2) CAD/CAM软件生成的数控加工程序所用G代码种类较少、编程难度低、效率高、可靠，有利于数控加高技术的推广应用。图24 CAD/CAM的数控加工过程 图2是CAD/CAM技术应用于数控加工的过程总体框图。由图可知在应用数控加工的过程中，利用CAD强大的建模技术和CAM的制造技术相结合。CAM软件从CAD建立的数模中提取有关图形的信息，再经过一系列处理生成所需的NC程序代码。 4.1 CAD几何建模在CAD/CAM中，建模技术是将现实世界中的物体及其属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法，是定义产品在计算机内部表示的数字模型、数字信息以及图形信息的工具，是产品信息化的源头，它为产品设计分析、工程图生成、数控加工编程与加工仿真、数字化加工与装配中的碰撞干涉检查、生产过程管理等，提供有关产品的信息描述与表达方法，是实现计算机辅助设计与制造的前提条件，也是实现CAD/CAM一体化的核心内容。针对零件的结构、尺寸等信息，进行实体几何建模，可以是立体模型，也可以是平面图形。按照1：1比例，并以DXF文件保存在磁盘上，它是数控加工的基础。图3建模将现实世界中的物体及属性转化为计算机内部数字化表达的原理和方法。建模过程就是一个产生、存储、处理、表达现实世界的过程。如图3所示。 4.2 数控工艺生产 根据CAD子系统提供的相关数据，该模块完成零件数控加工工艺的各项任务，包括自动或交互地对各特征进行加工方法选择、机床选择、夹具选择、刀具选择、量具选择、切削参数选择、装夹方案选择以及加工余量分配及工序尺寸的自动求解等，CAM软件会自动生成刀具轨迹，用连接命令将同组各孔的刀具轨迹首尾相接后，输出若干个刀位文件，它是数控机床使用的NC程序代码的源程序。 4.3 刀位数据生成 刀位数据包括刀具中心轨迹和相应的刀具姿态数据。刀位数据生成模块根据CAD子系统生成的几何特征数据和数控工艺自动生成模块提供的工艺数据，经过计算生成刀具中心轨迹和相应的刀具姿态数据。 4.4 数控程序生成 根据所用数控机床和数控装置的具体条件，利用工艺数据和辅助信息，对刀位数据进行处理，按照具体的数控系统所要求的指令和程序格式，输出零件加工程序数据，送数控加工仿真或直接传送给数控系统进行加工。 4.5 数控加工仿真 利用系统生成的NC代码，对数控加工过程进行三维图形仿真，同时利用数控机床的经验数据，预测加工误差，判断利用NC程序是否能够满足加工要求。如果不能满足要求，就需要对原NC程序进行修正，并重新进行数控加工仿真，直至达到要求为止。 4.6 实体数控加工通讯无误后，由NC程序传输服务器将CAD/CAM系统生成的修正后的NC程序传入到数控机床。通过机床接口将NC程序自动输入到机床控制系统，机床按程序加工出合格的零件。5 CAD/CAM技术的发展趋势 5.1 CAD/CAM的发展趋势 （1）集成化 集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著的趋势。它是指把CAD、CAM以至PPC（生产计划与控制）等各种功能不同的软件有机地结合起来，用统一的执行控制程序来组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内部信息流的畅通并协调各个系统有效地运行。国内外大量的经验表明，CAD系统的效益往往不是从其本身，而是通过CAM和PPC系统体现出来；反过来，CAM系统如果没有CAD系统的支持，花巨资引进的设备往往很难得到有效地利用；PPC系统如果没有CAD和CAM的支持，既得不到完整、及时和准确的数据作为计划的依据，订出的计划也较难贯彻执行，所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此，人们着手将CAD、CAM等系统有机地、统一地集成在一起，从而消除自动化孤岛，取得最佳的效益。 （2）网络化 21世纪网络将全球化，制造业也将全球化，从获取需求信息，到产品分析设计、选购原辅材料和零部件、进行加工制造，直至营销，整个生产过程也将全球化。CAD/CAM系统的网络化能使设计人员对产品方案在费用、流动时间和功能上并行处理的并行化产品设计应用系统；能提供产品、进程和整个企业性能仿真、建模和分析技术的拟实制造系统；能开发自动化系统，产生和优化工作计划和车间级控制，支持敏捷制造的制造计划和控制应用系统；对生产过程中物流，能进行管理的物料管理应用系统等。 （3）智能化 人工智能在CAD中的应用主要集中在知识工程的引入，发展专家CAD系统。专家系统具有逻辑推理和决策判断能力。它将许多实例和有关专业范围内的经验、准则结合在一起, 给设计者更全面，更可靠的指导。应用这些实例和启发准则，根据设计的目标不断缩小探索的范围，使问题得到解决。 结论 随着计算机及软件业的发展，推动着计算机辅助设计软件的不断改进。CAD /CAM技