CAD/CAM技术在数控加工中的应用

摘要：CAD/CAM 技术的发展与应用以及其强大的功能，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。从多方面介绍在现代化工业生产中 CAD/CAM 的重要性。
关键词：CAD/CAM, 数控加工, 系统集成, 仿真加工

1 引言

在现代激烈的市场竞争下，高质量、高效益、多 品种小批量的柔性生产方式已成为企业的主要生产模 式，传统的加工设备和制造方法已难于适应市场竞争 的要求。因此，从20世纪70年代开始，以电子信息技 术为基础的数控技术得以迅速发展和广泛应用，数控 机床有效地解决了复杂、多品种、小批量的产品加工问题，适应了各种机械产品更新换代快的需要，取得了明显的效益。

2 数控加工特点和原理

2.1 数控加工的特点

随着数控技术的发展，数控加工以经应用到各个领域之中，在数控加工过程中，加工程序的编制也越 来越得到重视。因此CAD/CAM技术对数控加工领域来 说显得越来越重要了。一个完整的CAD/CAM软件系统 是由多个功能模块组成的，如三维绘图、图形编辑、曲面造型、数控加工、有限元分析、仿真模拟、动态显示等。这些模块应该以工程数据库为基础，进行统 一管理。这样既保持了底层数据的完整性和一致性， 实现了数据共享，又节约了系统资源和运动时间。

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）。

2.2 数控加工的原理

机床控制技术就是以数字化的信息实现机床控制 的一门技术，采用数字信息控制的机床称为数字控制机床，简称数控机床。具体地说，凡是用代码化的数 字信息将刀具移动轨迹的信息记录在程序介质上，然 后输入数控系统经过译码、运算，控制机床的刀具与工件的相对运动，加工出所需工件的机床即为数控机床。

最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的， 因而称之为硬件数控系统。随着计算机技术的发展，硬件数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控系统CNC（Computer Numerial Contro1）。CNC的控制精度在很大程度上取决于硬件，而CNC的功能则主要取决于软件。CNC的逻辑控制、几何数据处理以及执行零件切削等均由CPU统一控制。CNC的控制软件主要完成如下基本任务：系统管理； 操作指令的 处理；零件程序的输入与编辑；零件程序的解释与执行；系统状态显示；手动数据输入MDI； 故障报警和诊断。

随着科学技术的进步，数控技术不仅应用于机床 的控制，还用于控制其它的设备，产生了诸如数控线切割机、数控绘图机、数控测量机、数控冲剪机等数控设备。

3 CAD/CAM概述

计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)能设计制作出既满足设计使用要求又适合CAM加工的零 件模型。CAD系统是一个高效的设计工具，具有参数化设计功能，三维实体模型与二维工程图形应能相互转化并关联，CAD可分为自动设计和交互设计两类。 实际上，几乎没有纯粹的自动设计或纯粹的交互设计软件，好的软件能根据产品对象恰当地处理自动设计和交互设计的配合。另外，开放型的结构不仅便于用户进行二次开发，同时也使软件系统本身能够不断地扩充与完善。一个好的CAD/CAM软件与其它CAD/CAM 软件的兼容性是非常重要的，软件所带的图形文件接口，要能支持多种图形文件转换，能从其它系统读取图形文件，或将本系统的图形文件传送到其它系统。

计算机辅助制造CAM (Computer Aided Manufacturing)是指应用计算机来进行产品制 造的统称，即利用计算机辅助完成从原料到产品的全部制造过程，在制造过程中的某些环节应用计算机， 包括直接制造过程和间接制造过程，主要包括计算机辅助工艺过程设计和计算机辅助加工两部分。

当前，计算机辅助加工大多是指机械加工，而且是数控加工(Numerical ControlMachining)，它的输 入信息是零件的工艺路线和工序内容，输出的是加工刀具的运动轨迹(刀位文件)和数控程序。软件方面有 数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计 划编制与调度、计算机辅助质量控制等。

CAM能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内 容。CAM软件应有以下几 方面功能:

① 能建立二维和三维 刀具路径的；
② 加工方法的多样 性；
③刀具路径易于编辑 和修改；
④ 有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速；
⑤ 有内置的防碰撞和防过切功能；
⑥ 能手动超调任何机加工缺省值(如进给速度，主 轴转速等)；
⑦ 能对加工过程进行模拟和估算加工时间。

4 常用模块

4.1 仿真加工模块

先进的CAD/CAM系统都提供了一定的NC仿真功能， 用于检查刀具切削过程的正确性，检查过切和干涉现象等，但直接通过NC代码来驱动仿真加工过程的方法 和软件还很少。采用NC代码驱动仿真加工过程以检验NC代码的正确性是迫切需要的。

数控程序是否正确，直接关系到加工的成本，因 此，数控加工程序在投入实际的加工之前，必须进行有效地检验和验证。仿真分为物理仿真和计算机仿 真。目前数控程序的检验方法主要有：刀具轨迹仿真和三维动态切削仿真等。刀具轨迹仿真是通过读取刀 位数据文件检查刀具位置计算是否正确，加工过程中 是否发生过切，所选刀具参数、加工参数、机床参数是否合理，刀具与限制面是否发生干涉或碰撞等。 刀具轨迹仿真法是一种比较成熟的仿真方法，图2是用PowerMILL软件进行的制件型腔加工的刀具轨迹仿 真图。这种仿真可采用动画显示方法，效果逼真。三 维动态切削仿真是采用实体造型技术建立加工零件毛 坯、机床、夹具、刀具等在加工过程中的实体几何模 型，采用真实感技术把加工过程动态地显示出来。图 3是用PowerMILL软件进行的制件型腔加工的三维动态 切削仿真图。

图2 刀具轨迹仿真

图3三维动态切削仿真

4.2 后处理程序及数控码输出模块

一般的CAD/CAM系统使用后处理程序提供用户化 的数控码输出，使用户能够灵活地使用不同的数控装置。

(1)提供的后处理和程序。一般包括车床、线切 割、电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序；(2)后处理程序能细调，以使数控输出符合用户的 要求；
(3)能将NC程序反向处理，显示刀具路径。

5 常见的CAD/CAM与PPC系统之间的转换

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；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、CAE、 CAPP、CAM和PPC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。目前 国内最常用的CAD/CAM软件有：CAXA、PowerMILL、 Master CAM、Pro/ENGINEER、UG等。

6 CAD/CAM软件的优缺点

CAD/CAM任务的实现过程十分复杂，很难确定地 描述其发生的先后顺序，有时是并行甚至逆向的，这 样必须有人的参与才能给予实现。实践中工人根据图 纸要求适当修改生成的代码。CAD/CAM软件自动编程 中，大多数加工方式默认只能采用直接垂直向下进刀 方式，如"外形铣削"、"平面铣削"、"曲面精加 工"等。立铣刀的端部中心部分没有切削刃，垂直进 刀的切削能力很小，而键槽铣刀是两刃刀具，其端部 刀刃通过铣刀中心，有垂直吃刀的能力，但由于键槽 铣刀只有两条切削刃，加工时不平稳，在大面积切削 中的加工效率较低，加工零件的表面粗糙度也不太理 想。在加工工艺孔时，该工艺孔的深度控制要准确。 深度太浅，在直接垂直进刀过程中很有可能使立铣刀 损坏;深度太深，超出了工件要求加工的位置，会导 致工件过切而报废。

CAD/CAM软件将微机与CNC机床组成面向车间的系 统，将大大提高设计效率和设计质量，充分发挥数控 机床的优越性，提高整体生产水平，实现系统集成和 设计制造一体化。现在，CAD/CAM技术在我国经济发 展较为活跃的大中城市应用日益广泛。

7 结语

CAD/CAM软件，将微机与CNC机床组成面向车间的系统，将大大提高设计效率和设计质量，充分发挥数控机 床的优越性，提高整体生产水平，实现系统集成和设计制造一体化集成化是CAD/CAM技术发展的一个最为显著 的趋势。它是指把CAD、CAE、CAPP、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。

参考文献
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