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CAD


第 27 卷第 2 期 2005 年 3 月

南              京 工 业 大 学 学 报

JOURNAL OF NANJ I G UN I ERSITY OF TECHNOLOGY N V

Vol 27 No. 2 . M ar 2005 .

CAD /CAM 软件技术及其在数控

机床中的应用
夏美娟 , 舒志兵
(南京工业大学 自动化学院 ,江苏 南京 210009 )
摘   : 介绍了 CAD /CAM 及其软件产品 ,并结合数控机床 ,详细叙述了在加工过程中使用 CAD /CAM 软件的流程 要 步骤 ,适用范围和各模块在加工过程中的重要作用 ,提出了数据文件转换中的问题和解决方法以及数控加工 CAD /
CAM 集成系统的开发 ,概述了网络化的发展趋势 。

   计算机辅助设计及制造 ( CAD /CAM ) 技术已经 越来越多地应用在数控加工领域 , CAD /CAM 软件 技术也在飞速发展 ,出现了很多的软件产品 ,这些产 品根据自身的开发档次及其适用度 , 被广泛应用在 不同加工场合 ,大大节省了设计制造的时间周期 ,并 在一定程度上提高了精度和速度 。

1  数控机床与 CAD /CAM

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 [1] 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 。 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 , 实现了不 受机械负荷变动影响的高速响应伺服系统 。从世界 伺服系统的发展来看 , 已经经历了步进电机 → 直流 伺服电机 → 电机 → 交流伺服电机阶段 。 目前 , 国内大部分数控机床没有配备专门的计 算机辅助制造软件 , 所以此课题有很广泛的发展空 间。

3 收稿日期 : 2004 - 09 - 13 作者简介 : 夏美娟 ( 1977 - ) ,女 ,河北沧州人 ,助教 ,硕士 ,主要研究方向为机械制造 、 数控机床及控制理论与工程 。
Email: shamm ier@ sina. com

关键词 : CAM; CAD; 数控机床 ; 数控雕刻 ; NC代码 3

中图分类号 : TP39117     文献标识码 : A     文章编号 : 1671 - 7643 ( 2005 ) 02 - 0101 - 04

CAD ( Computer A ided Design ) ,即计算机辅助设

计 ,在数控加工过程中是一种生产辅助工具 ,它将计 算机高速而精确的运算功能 , 大容量存储和处理数 据的能力 ,丰富而灵活的图形 、 文字处理功能与设计 者的创造性思维能力 、 综合分析及逻辑判断能力结 合起来 ,形成一个设计者思想与计算机处理能力紧 [2] 密配合的系统 ,大大加快了设计进程 。 CAD 技术 包括下列功能 : 几何建模 、 计算分析 、 仿真与实验 、 绘 图及技术文档生存 、 工程数据库的管理和共享 。 CAM ( Computer A ided M anufacturing ) , 即计算 机辅助制造 。 CAM 内容广泛 ,从狭义上讲指的是数 控程度的编制 ,包括刀具路径的规划 、 刀位文件的生 成、 刀具轨迹仿真以及 NC 代码的生成等 。 计算机辅助设计及制造与数控机床加工结合 , 是现在数控机床技术应用的主流 , 能够达到非常理 想的加工效果 。南京工业大学运动控制研究所生产 的 NUT系列数控雕刻机床采用控制板卡与 PC 连 接 ,W indow s操作控制界面控制数控电机 ; 电气部分 采用松下交流伺服系统 ; 数控加工功能 : X, Y, Z 三 轴联 动 , 最 高 转 速 5 000 r/m in, 编 码 器 脉 冲 输 出 16 384 p / r,主轴切割转速可达 15 000 r/m in,无级调 速 ; 加工最大尺寸 : 2 400 mm × 400 mm × mm , 2 120 脉冲当量 : 01001 mm。使用各种 CAD /CAM 软件将 加工思想经过软件的一系列操作生成 G代码 , 使用 执行操作软件执行代码进而加工成品 。 南京工业大学运动控制研究所自行研究设计的

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NUT系列数控机床 ,结合了雕刻机和各种设计加工

软件 。从计算机设计 、 制造到机床的加工大体上为 图 1 流程所示的几个步骤和模块 。

是控制板卡即所谓的机床控制器 。这些板卡通过数 据线与数控机床进行联系 , 而与人之间的交互则是 由这些板卡提供的软件程序完成 , 现在大部分的软 件程序都是 W indow s界面的 ,简单易操作 ,本文把这 些软件叫做执行软件 , 就是根据代码指令指挥机床 完成零件加工的软件 。如德国的 Editasc, 美国 的 PMAC 控制卡及其软件产品 , 安装这些软件的同时 就在系统中加载了运动卡的驱动程序 , 还可利用这 些驱动程序进行二次开发 。

2  不同软件数据间的文件转换
设计制造软件较多 ,而应用范围各有不同 ,所以 不同软件间的交互也是设计者必须考虑到的问题 。 如 ,如何将 CAD 软件中设计的模具零件图形输入到 CAM 软件中 , 再根据要求设置刀具参数和刀具路 径 ,利用 CAM 软件自动生成 NC 代码 ; 其他非 CAD 的设计软件的三维模型如何让 CAM 软件识别 ,等 。 各公司制作设计制造软件时已经考虑到了这个 问题 ,每个软件几乎都有与其他软件的数据转换接 口 ,这些接口就体现在可以进行文件格式转换 。这 些软件都支持多种文件格式 , 这样就可以在一种软 件中将文件保存或者导出成其他相关软件支持的文 件格式 ,然后再在相关软件中打开或者导入这个文 件中 。 然而 , 这种转换过程也同样分情况的不同要作 适当的调整 。比如 : 很多 CAM 软件都接受 dxf 文 件 ,但是 CAD 实体文件以 dxf 格式转化到 CAM 则 都必须用 CAD 实体图形进行分解 ; 3DM ax 文件以 stl格式转化到 M asterCAM 中同样也需要做一些修 正 ,因为在转化过程中可能会有数据的丢失 。这样 就需要在两个不同的软件中寻找一种最好的转换格 式。 以 NUT - III雕刻机床为例 ,说明所使用的软件 文件间的转化 。该雕刻机床可实现二维 , 二维半和 三维模型的雕刻加工 ,可用于零件 、 、 标牌 建筑模型 、 浮雕及其他艺术品的制作 。所用到的软件有 Auto2 CAD、 3DM ax、 Photoshop、 CAXA、 CAXA 制造工程师 、 M asterCAM、 rtCam、 A Editasc 等 。其所用到的软件及 相关数据转化用图表的形式表现出来 ,其中 ,虚线表 示的转换关系是需要在转换前后进行适当的处理 的。

图 1  计算机设计 、 制造到机床加工的过程框图
Fig 1  The p rocedure from computer2aide design, . manufacture to machine on NC - machine

在这整个的流程中对于软件的要求很多 , 除了 机床的电气运行以外 , 几乎都离不开计算机的软件 制作 。对于软件大致又可以分为以下几个部分 。 ( 1 ) 设计软件   进行零件的绘制 , 如很流行的 绘图软件 AutoCAD 以及 UC, PRO / E,三维在艺术上 的设计软件如 3DM ax, Photoshop。这里不仅仅局限 于 CAD 软件 ,也包括能用来实现加工的各种其它软 件。 ( 2 ) 制造软件   通常指 CAM 软件 ,最终生成加 工代码 。大部分的制造软件也具有建模绘图功能 。 根据制作应用的场合不同分为二维 , 二维半和三维 CAM 软件 。如 : 北航海尔的 CAXA , CAXA 制造工程 师以及 M asterCAM , A rtCAM , C im atron等 。制造软件 生成标准的 G代码 ,然后将设计出的思想在机床上 加工成型 ,也就是将 NC 代码送入机床 ,机床按照指 令加工出来 , 主要包括设置加工环境 , 设置加工工 序 ,生成轨迹文件 ,及后置处理等 。 ( 3 ) 执行软件  机床执行 NC 代码加工 , 其主 要工作是计算机与数控机床的通讯 ,可以通过 COM 接口完成数据串行通讯 ,或者通过 LPT实现并行通 讯 。这就需要了解不同厂家对其通讯接口应用不同 [3] 连线和接口协议 。但在实际中 , 人们往往利用的

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图 2  各种软件数据间的文件转换关系及所需的文件格式
Fig 2  The convertion between files on different softwares and the file for . mat when converting

3  后置处理文件
后置处理文件是 CAM 软件特有的一种在 NC 代码生成之前的设置文件 。因为没有针对某种数控 机床的特定的 CAM 软件 , 而每个数控机床对 G 代 码即 NC 代码的格式要求不同 ,对生成 NC 代码起决 定作用的是 CAM 软件的后置文件 ,所以要对其进行 适当的调整 , 以使进入机床 NC 代码能够被识别 。 后置处理实际上是一个文本编辑处理过程 , 其作用 就是将计算出的刀轨 (刀位运动轨迹 ) 以规定的标 准格式转化为 NC 代码并输出 句驱动机床加工 。 例如 , NUT 系列数控机床用于电气试验时 , 执 行软件识别的 G代码为 G00, G01,所以 CAXA 设计 中在生成 G代码之前要进行如下的设置 : (1) “ 应用 ” “ — 后置处理 ” “ — 后置设置 ” 里的 “ 后置处理设置 ” 中有个“ 后置文件 扩展 名 : 改 为 1 nc;
( 2) “ 后置处理设置 ” 中将 G00, G01, 之外的语
[4]

件不是不识别语句前全部用“; ” 屏蔽即可 。 使用 M asterCAM 则要在其“ 后处理程式 ” 窗体 中改变后缀名为 1 PST 的文件 , 并对该文件也要做 相应修改 ,删除不识别的语句说明 , 这样在生成的
NC 代码文件中就不会出现此类语句 。

4  CAD /CAM 的集成系统

随着 CAD /CAM 技术和计算机技术的发展 , 人

们不再满足于这两者的独立发展 ,从而出现了 CAM 和 CAD 的组合 ,即将两者集成 (一体化 ) , 这样以适 应设计与制造自动化的要求 , 特别是近年来出现的 计算机集成制造系统 ( C I S) 的要求 。这种一体化 M 结合可使在 CAD 中设计生成的零件信息自动转换 成 CAM 所需要的输入信息 , 防止了信息数据的丢 失 。产品设计 、 工艺规程设计和产品加工制造集成 于一个系统中 , 提高了生产效率
[5]

, 此代码再通过软

件传输到数控机床的控制器上 , 由控制器按程序语

。因此 , 我们在

数控加工应用中开发出数控加工 CAD /CAM 集成系 统 ,集成系统就省去了中间繁琐的数据转换过程 。
CAD /CAM 集成 的 关 键 是 信 息 的 交 换 和 共 享 , 如
[ 6, 7 ]

UGII Euclid、 / E 等 、 Pro

, 在集成软件内部是以内

句去掉 ; ( 3 ) 将生成文件的头语句和结尾语句去掉 ; 而在用 A rtCAM 生成 G代码时要在 A rtCAM 的 后置文件 Axyz1 con 中将所有不需要的机床执行软

部统一的数据格式直接从 CAD 系统获取产品几何 模型 。目前许多三维 CAD /CAM 软件提供实体设计 模块和软件包 。我们利用的是 UG和 Pro / E 的实体 建模功能 ,包括零件的几何形状 , 尺寸和技术要求 ;

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然后利用 Pro / E 特有的 CAM 软件包 , 建立起刀具 库 ,完成对产品的工艺参数 ; 最后通过软件包的翻译 文件将刀具轨迹文件翻译成 G代码 , 进入执行软件 进行机床加工过程 。利用高级语言 VC 完成将软件 包及相关驱动集成的过程 。集成 CAD /CAM 系统的 模块仍然为图 1 所示 。

享 ,可实现全部师生共用几台甚至一台数控机床 ,充 分利用设备 ,大大节省了资金和时间 。 参考文献 :
[1 ]  唐荣锡 , 王亚平 . 对 CAD /CAM 软件产业的再认识 [ J ]. 航空

制造工程 , 1992, ( 4) : 37 - 39.
[ 2 ]     . 机械行业的 CAD /CAM /CNC 技术 [ J ]. 煤矿机械 , 张 2003, ( 12) : 49 - 51. [3 ]  宋红军 . CAD /CAM 一体 化的实 现及应 用 [ J ]. 内 燃机车 , 2003, ( 4) : 4 - 6. [ 4 ]     ,王卫兵 . CAM 数控编程基本实现过程 CAD /CAM 与 单 岩

5  结束语
计算机的发展及软件业的发展 , 推动着计算机 辅助设计软件的不断改进 。 CAD /CAM 技术正向着 开放 、 、 集成 智能和标准化的方向发展 , 在数控机 床上的运用越来越广泛 , 以 PC 技术为基础的 DNC 开放式系统成为软件的发展方向 , 而且在这个网络 无所不渗透的时代 , CAD /CAM 的技术也在网络化 [9] 发展 ,借助 PC 技术可以方便的实现网络化通讯 , 可以高效地满足生产的需求 。比如在高校的实验 室 ,实验设备的网络共享是极为迫切的 ,利用网络技 术与 CAD /CAM 技 术 的 结 合 , 建 立 CAD /CAM 设 计— 代码传输 — 机床执行 — 网络监控整条流程的共
[8]

制造业信息化 [ J ]. 2003, ( 9) : 79 - 80.
[5 ]  王光第 ,刘莉斌 . 用于数控加工的 CAD /CAM 集成系统 [ J ]. 天

津轻工业学院学报 , 2002, ( 2) : 35 - 38.
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[ 9 ]  张宏文 , 张南乔 , 张立新 . CAD /CAM 数控机床网络实验室 机

床与液压 [ J ]. 2002, ( 2) : 143 - 177.

Abstract: Practical softw are p roducts of CAD /CAM were introduced. W ith the numeric control m achine tool in lab, the paper discribed p rocedure step s of using the CAD /CAM softw are p roducts, their scop s of app licability and roles in the machine p rocess . The p roblem s of file for ats in data convertion and the develop 2 m ment of solution and also the development of CAD /CAM integration system on NC machine tool were p roposed. Based on network is the de2

velopment trend for computer2aided industrial design.

Key words: CAM / CAD; NC 2 machine; curve 2 machine; NC code

CAD /CAM softwares and the applica tion for NC 2 mach in e
( College of Automation, Nanjing University of Technology, Nanjing 210009, China )

X I M ei2juan, SHU Zhi2bing A


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