什么是CAD/CAM/CNC技術？

摘要：介紹了計算機輔助設計CAD及計算機輔助制造CAM的主要軟件系統(tǒng)及其特點，同時介紹了CNC數(shù)控技術的特點及其發(fā)展前景，闡述了CAD/CAM/CNC軟件系統(tǒng)之間的有機聯(lián)系。

關鍵詞：機械；計算機輔助設計；計算機數(shù)控技術

一、CAD/CAM的應用概況

CAD/CAM(計算機輔助設計及制造)技術產(chǎn)生于本世紀50年代后期發(fā)達國家的航空和軍事工業(yè)中，隨著計算機軟硬件技術和計算機圖形學技術的發(fā)展而迅速成長起來。CAD/CAM技術是一項綜合性的，集計算機圖形學、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通訊等計算機及其他領域知識于一體的高新技術；是先進制造技術的重要組成部分；也是提高設計水平、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、增強行業(yè)競爭能力的一項關鍵技術。在CAD技術發(fā)展的初期，CAD僅限于計算機輔助繪圖，隨著計算機軟、硬件技術的飛速發(fā)展，CAD技術才從三維平面繪圖發(fā)展到三維產(chǎn)品建模，隨之也就產(chǎn)生了三維線框造型、曲面造型以及實體造型技術。而如今參數(shù)化及變量化設計思想和特征造型則代表了當今CAD技術的發(fā)展方向。

經(jīng)過近五十年的發(fā)展，CAD/CAM技術有了長足的進步?，F(xiàn)代集成制造系統(tǒng)(CIMS)是借助計算機，把企業(yè)中與制造有關的各種技術系統(tǒng)地集成起來，進而提高企業(yè)適應市場競爭的能力。CIMS是工業(yè)自動化的發(fā)展方向。作為CIMS核心技術的CAD/CAM系統(tǒng)，主要支持和實現(xiàn)產(chǎn)品對象的設計、分析、工藝規(guī)劃、數(shù)控編程等一系列生產(chǎn)活動的自動化處理。近幾年，隨著計算機和數(shù)控技術的飛速發(fā)展，CAD/CAM已逐漸進入實用化階段，廣泛應用于航空航天、汽車、機械、模具制造、家電、玩具等行業(yè)。特別是CNC數(shù)控機床的普遍使用，使得CAD/CAM技術成為企業(yè)實現(xiàn)高度自動化設計及加工的有效手段之一。

二、CAD/CAM軟件系統(tǒng)的特點

CAD/CAM軟件系統(tǒng)具備以下特點：

1.操作使用的方便性

一個好的軟件應便于初學者掌握，操作簡便實用，一般應包含供初學者使用的學習模塊和即時幫助系統(tǒng)。

2.軟件的集成化程度

一個完整的CAD/CAM軟件系統(tǒng)是由多個功能模塊組成的，如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、數(shù)控加工、有限元分析、仿真模擬、動態(tài)顯示等。這些模塊應該以工程數(shù)據(jù)庫為基礎，進行統(tǒng)一管理。這樣既保持了底層數(shù)據(jù)的完整性和一致性，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，又節(jié)約了系統(tǒng)資源和運行時間。

3.CAD功能

CAD軟件系統(tǒng)能設計制作出既滿足設計使用要求又適合CAM加工的零件模型。優(yōu)秀的CAD系統(tǒng)是一個高效的設計工具，應具有參數(shù)化設計功能，三維實體模型與二維工程圖形應能相互轉(zhuǎn)化并關聯(lián)。CAD可分為自動設計和交互設計兩類。自動設計效率高，但靈活性差，只適用于標準化程度高、產(chǎn)品結構固定的產(chǎn)品；交互設計靈活性大，能充分發(fā)揮設計人員的主觀能動性，但效率低，交互愈多愈復雜效率愈低。

4.CAM功能

CAM功能提供一種交互式編程并產(chǎn)生加工軌跡的方法，它包括加工規(guī)劃、刀具設定、工藝參數(shù)設置等內(nèi)容。CAM功能檢測應注意以下幾方面：

(1)建立三維和三維刀具路徑的難易程度；

(2)加工方法的多樣性；

(3)刀具路徑是否易于編輯和修改；

(4)是否有刀具和材料數(shù)據(jù)庫，使系統(tǒng)能自動生成進給速度和主軸轉(zhuǎn)速；

(5)有無內(nèi)置的防碰撞和防過切功能；

(6)能否手動超調(diào)任何機加工缺省值(如進給速度，主軸轉(zhuǎn)速等)；

(7)能否對加工過程進行模擬和估算加工時間。

5.后處理程序及數(shù)控碼輸出

一般的CAD/CAM系統(tǒng)使用后處理程序提供用戶化的數(shù)控碼輸出，使用戶能夠靈活地使用不同的數(shù)控裝置。選擇軟件時，應了解以下幾方面：

(1)提供哪些后處理和程序。是否包括車床、線切割、電火花機床或三維五軸數(shù)控編程的后處理程序；

(2)后處理程序能否細調(diào)，以使數(shù)控輸出符合用戶的要求；

(3)能否將NC程序反向處理，顯示刀具路徑。

常見的CAD/CAM軟件有美國UGS公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件NX、當今最流行的二維繪圖軟件AutoCAD、美國參數(shù)技術公司(PTC)開發(fā)的CAD/CAM軟件Pro/ENGINEER、應用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件MasterCAM等。這些軟件在制造業(yè)的應用非常廣泛，并且市場需求的快速變化和全球經(jīng)濟一體化極大地拓展了制造活動的深度和廣度，推動制造業(yè)朝著自動化、智能化、集成化、網(wǎng)絡化和全球化的方向發(fā)展。

三、數(shù)控編程技術

設計的最終目標是生產(chǎn)。CAD技術的發(fā)展及普及為設計工程師提供了先進的設計手段。然而，傳統(tǒng)的加工技術及工具己不能適應設計技術的發(fā)展，計算機輔助制造技術(CAM)越來越成為加工需求的熱點。數(shù)控編程是目前CAD/ＣＡＰＰ/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實現(xiàn)設計加工自動化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過程。它的主要任務是計算加工走刀中的刀位點(cutterlocationpoint簡稱CL點)。刀位點一般取為刀具軸線與刀具表面的交點，多軸加工中還要給出刀軸矢量。

數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。包括基于點、線、面和體的NC刀軌生成方法及基于特征的NC刀軌生成方法。

四、CAD/CAM及CNC系統(tǒng)之間的聯(lián)系

目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)集成：一體化的CAD/CAM系統(tǒng)和相對獨立的CAM系統(tǒng)如：MasterCAM、SurfCAM等)。前者以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型，而后者主要通過中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。然而，無論是哪種形式的CAM系統(tǒng)，都由五個模塊組成，即交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動態(tài)仿真模塊和后置處理模塊。

按照傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)的工作方式，CAM系統(tǒng)以直接或間接(通過中性文件)的方式從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)模型。CAM系統(tǒng)以三維幾何模型中的點、線、面、或?qū)嶓w為驅(qū)動對象，生成加工刀具軌跡，并以刀具定位文件的形式經(jīng)后置處理，以NC代碼的形式提供給CNC機床，在整個CAD/CAM及CNC系統(tǒng)的運行過程中存在以下幾方面的問題：

ｌ.CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息，無法自動捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語義信息。因此，整個CAM過程必須在經(jīng)驗豐富的制造工程師的參與下，通過圖形交互來完成。如：制造工程師必須選擇加工對象(點、線、面或?qū)嶓w)、約束條件(裝夾、干涉和碰撞等)、刀具、加工參數(shù)(切削方向、切深、進給量、進給速度等)。整個系統(tǒng)的自動化程度較低。

2.在CAM系統(tǒng)生成的刀具軌跡中，同樣也只包含低層的幾何信息(直線和圓弧的幾何定位信息)，以及少量的過程控制信息(如進給率、主軸轉(zhuǎn)速、換刀等)。因此，下游的CNC系統(tǒng)既無法獲取更高層的設計要求(如公差、表面光潔度等)，也無法得到與生成刀具軌跡有關的加工工藝參數(shù)。

3.CAM系統(tǒng)各個模塊之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，各模塊相對獨立。例如刀具定位文件只記錄刀具軌跡而不記錄相應的加工工藝參數(shù)，三維動態(tài)仿真只記錄刀具軌跡的干涉與碰撞，而不記錄與其發(fā)生干涉和碰撞的加工對象及相關的加工工藝參數(shù)。

4.CAM系統(tǒng)是一個獨立的系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)之間沒有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，即使是在一體化的集成CAD/CAM系統(tǒng)中，信息的共享也只是單向的和單一的。CAM系統(tǒng)不能充分理解和利用CAD系統(tǒng)有關產(chǎn)品的全部信息，尤其是與加工有關的特征信息，同樣CAD系統(tǒng)也無法獲取CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的加工數(shù)據(jù)信息。這就給并行工程的實施帶來了困難。實際上解決這些問題也是我們繼續(xù)完善、發(fā)展CAD/CAM/CNC技術的努力方向。CNC的發(fā)展與CAD、CAM、CAE互相促進，相輔相成。CAD的發(fā)展，可以加速NC機床的設計；CAM的發(fā)展，可加速NC機床在實際生產(chǎn)中的應用；CAE的發(fā)展，使NC機床在整個機器制造業(yè)中應用更加廣泛。

五、CAD/CAM技術的發(fā)展前景

從CAD的發(fā)展來看，未來的趨勢將是與計算機模擬和工業(yè)設計技術的結合。在計算機網(wǎng)絡化迅速發(fā)展，可用計算資源的豐富，計算機模擬在設計中的地位日見重要。隨著CAD技術的普及應用越來越廣泛，越來越深入，CAD技術正向著開放、集成、智能和標準化的方向發(fā)展。這在很大程度上說明了當今CAD/CAM技術的發(fā)展趨勢。首先，開放性是決定一個系統(tǒng)能否真正達到實用化并轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實生產(chǎn)力的基礎，這主要體現(xiàn)在系統(tǒng)的工作平臺用戶接口、應用開發(fā)環(huán)境及與其他系統(tǒng)的信息交換等方面。所謂集成就是向企業(yè)提供一體化的解決方案。并行工程是一種集成，企業(yè)的產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理了(ＰＤＭ)也是一種集成。通過集成能最大限度地實現(xiàn)企業(yè)信息共享，建立新的企業(yè)運行方式，提高生產(chǎn)效率。另外，計算機仿真是借助計算機，利用系統(tǒng)模型對實際系統(tǒng)進行實驗研究的過程。它隨著計算機技術的發(fā)展而迅速地發(fā)展，在仿真中占有越來越重要的地位。計算機仿真技術的發(fā)展趨勢；應用領域的擴大和仿真計算機的智能化。計算機仿真技術不僅在傳統(tǒng)的工程技術領域(航空、航天、化工等方面)繼續(xù)發(fā)展，而且擴大到社會經(jīng)濟、生物等許多非工程領域，此外，并行處理、人工智能、知識庫和專家系統(tǒng)等技術的發(fā)展正影響著仿真計算機的發(fā)展。數(shù)控加工仿真利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數(shù)控加工程序的可靠性和預測切削過程約有力工具，以減少工件的試切，提高生產(chǎn)效率。另一方面，按照個人不同偏好的個性化的定制生產(chǎn)將是新世紀制造業(yè)的主流。如何滿足這些要求，是CAD領域的研究者非常關注的問題。