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CADCAM技术在数控加工中的应用


CAD/CAM 技术在数控加工中的应用
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。

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。


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