新一代cam系统

huangyhg

一 制造业新兴技术及其对CAM系统的需求

1．高速切削

受高生产率机床的驱使，高速化已是现代机床技术发展的重要方向之一。机床高速化既表现在主轴转速上，也表现在工作台快速移动和进给速度的提高以及刀具交换、托盘交换时间的缩短上。

高速切削机床主轴的高转速减少了切削力，也减小了切削深度，有利于克服机床振动，传入零件中的热量大大降低，又由于排屑率大大提高，热量被切屑带走，热变形减小，提高加工精度，并改善了加工面的粗糙度。因此，经过高速加工的工件一般不再需要精加工。

2．复合化加工

机床高速化主要是从提高机床的运行速度来提高机床的加工生产率；而机床的复合化加工则是通过增加机床的功能，减少工件在加工过程中的多次装夹、重新定位、对刀等辅助工艺时间，来提高机床利用率的。因此，复合化加工是现代机床技术发展的另一重要方面。

复合化加工减少了辅助工序，减少夹具和所需机床数量，因此降低了整体加工和机床维护费用。

复合化加工有两重含义，一是工序和工艺的集中，即在一台机床上一次装夹便可以完成多工种、多工序的任务。例如，数控车床普遍向车削中心发展，加工中心则趋向功能更多，五轴联动向五面加工方向发展，并增添铰孔、攻丝等功能。

复合化的第二重含义是指工艺的成套，即企业向着复合型发展，以期为用户提供成套的服务。

3．分散化网络加工

当前基于PC的数控系统中，数控机床直接配置网络接口，使其具有网络连接功能，实现远程监视和控制。马扎克（Mazak）的 Mazatrol Fusion 640控制系统具有双向通信功能，加入了工艺过程、最大切削速度和进给速度的优化能力。沙迪克（Sodick）的电加工和加工中心系统已内置了Modem，支持在Internet上监视机床作业。

建立在分布式网络化制造系统（Distributed Networded－manufacturing System,DNMS ）加工基础之上的开放式生产系统以模块化、并行化、开放化、单元化将原来集中型管理的生产任务分解到全球的协作部门。其中比较成功的活动事例有生产、调配、使用支援综合信息系统 CALS（Continuous Acquisition and Life－cycle Support）和美国国家工业信息基础结构协议NlllP（National Industrial Information Infrastructure Protocol)。

4．高精度控制

高精度加工实际上是高速加工技术和数控机床广泛应用的必然结果。以前汽车零件的加工精度要求在0.01mm数量级上，但随着硬盘驱动器，高精度液压轴承等精密零件的增多，精整加工所需精度已提高到 0.1μm，加工精度进入了亚微米世界。

二 对CAM系统提出新的功能需求

高速加工、复合化加工以及高精度控制与制造过程的关系相对比较密切，重点研究这三个技术。

1．高速加工 有效的高速切削，对加工过程中的所有因素都有要求，这其中包括：CAM软件、机床刚度、主轴转速、刀具夹持、工件的固定、切削刀具的结构设计和质量以及操作者的技术熟练程度等。

高速加工要求CAM软件提供新的刀具切入方式，使刀具在不同的切削形式下与被切削材料保持相对恒定的接触状态，以及合适的刀具进给和切削深度等参数，这些工艺方案必须符合高速切削的实际要求。

常规的CAM后置处理提供两种插补：即直线插补和圆弧插补。高速机床的上述要求实际上隐含了对NC后置的一种建议，即尽量少使用直线插补生成NC轨迹。

随着高速加工技术及设备的不断成熟，出现了基于NURBS理论的机床插补控制器，这使得CNC系统具备了能自动进行NURB格式定义下的加工域NC代码生成的能力。在NURBS插补的情况下，CAD系统描述的实际表面被直接装入CNC，以消除传统直线或圆弧插补带来的不精确问题。传统的CNC系统需要后置处理器把在CAD系统中开发的零件描述转为CNC语言。但CNC系统并不能直接描述复杂的零件表面，而是将其转变为非常近似原始表面的短直线区域，从而引起加工误差。

加工模型的表示方法和格式对于数控代码的计算以及机床插补指令的生成有非常重要的作用。在基于精确表示的特征、曲面造型系统中，加工域的表示采用了零件模型的原始精确描述，在某种程度上符合高速切削的基本要求。

高速铣削机床的高转速主轴和高进给速度，使得可以应用小直径刀具进行粗切，小进给量和小切削深度，又保证生成的表面更为光整、加工更为稳定，并且大大减少了手工抛光时间。因此，对于用球头立铣刀加工三维自由曲面的情况，为了保持刀具性能并获得最佳加工表面，最好的办法是采用直径尽可能小的刀具。当然，条件是刀具的刚性可以克服切削力，并使用配备高速主轴的机床，使用小直径球头立铣刀，在最佳的圆周速度下工作。

2．复合化加工 复合加工的应用形式，对于CAM系统并非关键问题。NC计算针对一个零件模型进行，这个零件对应哪些加工方式，各工步如何安排，选用什么刀具，采取什么进给姿态等等都可以直接在CAM系统中确定。而真正的问题是如何合理地确定各个工步，以及各工步的切削参数。因为这里面存在一个为了减少变形，必须平衡各工步在各加工阶段（粗铣、半精铣和精铣）的切削量的过程。

复合化切削机床对于传统工艺规划的制定赋予了新的意义，工艺制定的过程中，已经不用再考虑在多道工序上的多次装夹和定位问题，夹具和对刀定位是机加工尤其是NC加工中一个非常耗时并且繁琐的辅助工艺。在复合多功能机床上，针对零件特点，选择一个易于进行多道工序的姿态夹紧毛坯，利用工作台的旋转或多面加工可以方便且快速地完成多工位、不同刀具的多姿态加工。

因此，CAM计算中已经无须考虑如何装夹零件，可以在一个或多个加工坐标系中完成NC代码计算，只是在后置阶段利用面向加工坐标系的几何变换生成CNC指令。

3．高精度控制的要求

当机床和刀具等外界硬件设备满足要求之后，要保障高质量的NC加工精度，往往取决于：

（1）NC计算模型的表示 最合理的表示方这就是采用零件的原始设计数据。用于显示或数值求解的逼近表示，都不能直接用来进行刀位计算，否则逼近表示的误差会传播并引起新的计算误差。直线插补、圆弧插补和NURBS插补三种技术分别对应了零件模型的一次线形表示、二次圆锥表示和三次（以上）曲线／曲面表示，所以，NC计算模型应该最大限度地继承这三种原始的精确表示机制。

（2）制造模型的完整性曲线／曲面表示的应用一方面提高系统对复杂零件模型的表达能力，另一方面由于数值求解算法自身的限制，在曲面片之间会出现重叠或间隙。这种几何表示上的误差所可能导致的问题，在NC计算中表现并不明显，但是在高速机床的加工过程中，其影响和破坏力是非常严重的。主要表现就是：①机床振动；②加工质量明显降低。这就要求：①NC系统在重叠区域和间隙区域提供平滑过渡算法；②在零件模型表示层或加工模型表示层修正或缝合这些不平滑区域。

（3）加工方法的合理性机床的插补精度和稳定性要远远高于NC刀位计算的精度。因此，应当充分利用机床自身的运算器完成中间代码的生成。对于二次圆锥曲线／曲面模型，应当利用横截面轮廓呈圆弧形这一特点，沿横截面方向给出圆弧插补型的刀位指令。而对于三次（以上）的切削区域可以根据不同的机床要求，尽可能加密插值或直接生成NURBS型插值命令。

三 工艺过程规划

工艺过程规划作为产品生产中一个重要的环节，在理论上承担着将设计规范转换为制造指令的任务。因此，它必须完全与设计模型集成，从中提取设计信息，经过基于创成式、产生式或专家系统式的工艺推理，再确定相应的工艺过程方案。

一般意义上，工艺过程规划系统包含三个基本模块：①零件几何表示和零件设计规范表示模块；②工艺规划逻辑推理模块；③知识库／数据库模块。如图1。

但在实际的研究应用中，由于很多因素，工艺过程规划系统和设计模型是脱节的，主要体现在第一个模块——零件几何表示和设计规范的表示。其中一个主要原因就是工艺过程规划系统的开发往往独立于前端几何建模平台，在用户的具体生产条件等因素的作用下进行，生产设备和工艺习惯的显著差异直接导致对同一零件模型可能会制定多种工艺方案。正因为此，才使得只存在众多商品化的通用CAD／CAM系统，而没有商品化的通用CAPP系统。也就是说，对于CAPP系统，只可能结合具体应用完成一个专用项目。

另一方面，工艺过程规划系统长期以来围绕工艺准备、管理和调度等领域开展研究，在工艺知识库的组织、学习和推理等方法学的问题上作了相当的探讨，将工艺过程的输出局限于作业式的生产计划、调度和控制（某种程度上，可以视其为工艺卡片），同时淡化了原本应来自零件设计过程的输入，换以交互式二次定义或非常简单的几何模型分析，如图2。

这两个因素在实际生产中，就是CAD系统针对零件模型，考虑合理的装夹定位、刀具类型、加工参数及刀具姿态，直接在设计模型上生成NC代码。而CAPP系统没有集成在CAM系统中，所生成的生产计划也不能有效地配合CAM系统。

可以看出，工艺过程规划中真正涉及到制造本身的内容非常有限，它的应用空间、开发思想和使用方法已完全限制了其已不再可能重新检讨从输入到输出这一数据处理流程的完备性和合理性。换言之，现在的工艺过程规划系统的开发和应用与其理论上的初衷是存在较大距离的。那么对于各类专业性较强的CAPP系统呢？应该说，这个问题并不针对某一类CAPP系统，而是具有一定的普遍意义。不论应用于装配或是机加工的CAPP系统，一旦脱离装配体或是零件体本身的几何描述，有很多实际的工作将无法进行。

四 智能制造与CAM系统的发展趋势

智能制造作为一个涉及众多技术、部门和领域的系统，尽管还没有非常准确且通用的定义，但其所反映的基本思想是明确的。CAM系统作为其中一个非常具体而又重要的应用子系统，在新兴的制造模式和方法的作用下，应该有相应的技术突破点。

制造模型（Manufacturing Model和制造过程规划（Manufacturing Planning）这两个概念的提出既不是为了弥补工艺过程规划的不足，也在所涉及的研究内容上与后者有很大不同，图3说明了制造过程规划的基本流程和涉及的内容。制造过程规划强调从零件自身的几何和拓扑表现这一角度，配合设计过程定义的规范和要求，完成NC代码计算模型的生成甚至直接求解。

制造模型是制造过程规划的基础，它包含切削域的统一表示和设计规范两个核心内容。制造过程规划以解决与零件几何模型密切相关的切削方案制定和优化为核心目标，这一过程充分参考零件建模历史所反映的设计意图和工程技术规范，以期最大程度地利用所有设计资源，生成保证质量的制造指令。

制造过程规划是CAM系统的深层次开发所要解决的问题。其中待解决的技术问题均与零件模型的几何表示有密切关系，而参数化NC刀位计算（Parametrical NC Programming）和加工毛坯自动求解（Machining Stock Automatic Solving）是为实现智能制造系统中“制造”自身的智能化，而在CAM系统中扩充的具体功能。而这两个技术问题又以制造模型的智能生成（Manufacturing Model Automatic Generation）为基础。

CAM系统作为NC代码的生成器，必须要面向前述那些新兴的制造模式，在系统内部提供更完备、更适用的实施方案，解决先前工艺过程系统因为没有与几何密切关联而导致的CAD与CAM实际上脱节的问题。

技术上而言，要实现零件生产的制造过程自动规划，首先要解决设计模型向制造模型的转换，其中既包含几何描述的自动提取，又包含非几何化的工程语义信息的继承。从而使得产品的制造过程能够遵循产品的原始设计意图，快速地对产品更改作出正确的响应。以此为基础进而面向高速切削、复合化加工、网络化加工等先进制造模式发展。

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