虚拟环境下的CAM集成技术研究

第1章虚拟环境下的CAM集成技术研究21世纪的市场将面向全球化，企业经营环境持续变化且不可预测，产品需求更加个性化。因此，未来的市场竞争对企业提出了更高的要求。敏捷制造正是适用这种形式、面向21世纪的新型生产规模。虚拟制造是实现敏捷制造的一种手段和方法它以现代的计算机网络技术、信息技术为基础，综合运用了仿真、建模、虚拟现实等技术，在计算机对设计、制造等生产全过程和制造环境统一建模，实现从产品概念设计最终实现的全过程模拟和仿真。CIMS是敏捷制造的运行基础。CAD/CAPP/CAM/MPS（加工过程仿真）集成技术作为CIMS和虚拟制造的关键技术，是实施敏捷制造的技术。因此，开展对CAD/CAPP/CAM/MPS单元技术研究对未来敏捷制造的全面实施有着非常重要的意义。CAD、CAM技术已逐渐步入了成熟和商品化，计算机仿真技术也越来越多的运用在制造业中。而CAPP由于自身多元的复杂性，一直未能紧跟上CAD和CAM的发展步伐，因此它也制约着CAD/CAPP/CAM/MPS集成技术的发展。现有许多的CAD/CAM/CPPP集成系统自动生成NC代码，依靠将加工零件分为最基本的加工单元——特征，对每一个加工特征的每一加工工布设计固定的NC程序库，根据CAPP的加工工布排序结果，刀具选择，切削参数选择，生成对特定的数控系统，因此灵活性差，不具有柔性。另外，它不能与加工过程有效集成。不符合未来制造系统高度柔性化和集成化的发展趋势。Pro/E作为新一代的自动化设计软件被工业界广泛运用，它将设计与加工过程及NC代码生成集成在统一平台下，有着较强的设计功能和加工功能，但由于缺乏与CAPP的信息集成，使得CAD/CAPP/CAM/MPS的信息集成出现断流。CAPP产生的大量的加工信息无法被CAM这些CAD/CAM所使用。而且，现有的CAD/CAM软件的加工仿真功能过于简单，而许多专用的仿真软件与这些CAD/CAM软件没有成熟的接口，并为MPS提供加工过程仿真所需信息，实现从CAPP到CAM和MPS的信息集成和功能集成。1.1.1系统总体结构CAD/CAPP/CAM/MPS集成系统的体系结构如图1-1所示。整个系统集成基于STEP标准，针对非回转体类零件，由CAD利用Pro/E完成零件造型并提取零件加工特征信息以STEP中性文件的格式输出到CAPP，由CAPP自动完成工艺规划，CAM读取工艺规划结果后，利用Pro/E的加工功能，在计算机上自动完成加工过程仿真后，输出刀位文件，刀位仿真完成刀位驱动的材料切除检验。CAM-POST（CAM后置处理）完成从刀位文件向NC代码的转换。NC代码仿真器在建立了加工设备模型、零件模型、毛坯模型、夹具模型和刀具模型的基础上，完成由NC代码驱动的虚拟加工。检查加工过程中的碰撞干涉和NC代码的错误，提出修改意见。-1-1.1.2CAM的功能集成与许多其它CAD/CAPP/CAM集成系统不同，本系统的CAM充分利用成熟的商品化CAD/CAM软件——Pro/E的加工功能。但同时又对Pro/E进行二次开发，避免了直接利用Pro/E加工功能时所需的大量的人机交互。本系统功能集成如图2所示。在Pro/E环境下，手工完成一个特征的一个加工工步需要人机交互地选择一种加工方法，指定加工特征及和此加工特征有关的各种特征几何参数，填写刀具参数表，切削参数表等。因此，实际上相当于完成了一个工艺规划人员的工作。这就需要用户是一个有经验的工艺人员，同时又是一个Pro/E的熟练用户，对用户要求高，工作量大。本系统的CAM对Pro/E加工信息的获取进行了新的设计开发，由CAPP完成加工工艺排序，加工刀具选择，切削参数选择。CAM读取CAPP的结果后写成Pro/E能识别的菜单点取文件格式，在Pro/E中自动运行此菜单点取文件，自动完成零件加工过程仿真并生成刀位文件。因此，节省了大量的手工交互时间并降低了对操作人员的要求，同时完成与CAD，CAPP的有效集成。所生成的刀位文件可以用于刀位驱动的毛坯材料切除仿真，使CAM能与仿真有效地集成。刀位文件还输入到CAM-POST处理器，完成后置处理，由后置处理器根据特定的数控系统生成合适的数控代码，避免了以往利用NC子程序库生成NC代码灵活性差的缺点。CAM-POST生成的NC代码作为NC代码仿真器的输入。仿真器对实际加工设备建模，构造加工中心的主轴头和工作平台模型，读取CAM提供的由零件、毛坯和夹具组成的加工模型和刀具信息。在计算机内建立完全与实际物理环境一致的虚拟加工环境，完成加工过程的仿真，大大减少了试切的时间和费用。如图1-2：1.1.3CAM信息集成与以往的CAD/CAPP/CAM/MPS集成系统相比，本CAM系统对于加工零件信息和工艺信息有一些特殊的要求。在Pro/E环境下完成一个零件的加工时，首先需要建立一个加工模型(.mfg文件)，加工模型如图3所示，由零件模型，毛坯模型和夹具模型组成。零件模型，毛坯模型和夹具模型分别由零件CAD、毛坯CAD与夹具CAD完成，由于Pro/E具有统一数据库和全相关的特点，任何在CAD部分的改动都会在加工模型中如实地反应出来，保证了信息的完备和统一。在具备了零件信息、毛坯信息和夹具信息的基础上，加工的所有工艺信息均由CAPP模块提供，保证信息流向的合理性，由于Pro/E加工的特殊要求，使得本系统的CAPP不同于传统的CAPP系统。CAPP提供特征加工的排序结果，刀具参数描述文件，切削参数描述文件和加工特征描述文件。其中刀具参数描述文件和切削参数描述文件均需符合Pro/E的要求，不但描述了普通CAPP系统所提供的关于刀具参数和切削参数，如刀具类型、刀具长度、刀具直径、切削速度、进给速度等。还提供诸如控制切削走刀次数、走刀方向和退刀高度等一些更加具体和完善的加工参数。相对于其它CAPP系统，本系统CAPP模