計算機輔助設計及制造(CAD/CAM)技術已經越來越多地應用在數控加工領域, CAD/CAM軟件技術也在飛速發(fā)展,出現了很多的軟件產品,這些產品根據自身的開發(fā)檔次及其適用度,被廣泛應用在不同加工場合,大大節(jié)省了設計制造的時間周期,并在一定程度上提高了精度和速度。
1 數控機床與CAD/CAM
數控技術是機械加工技術,微電子技術、監(jiān)控檢測技術、計算機技術、自動控制技術等多種學科的集成,是一門新興而又發(fā)展十分迅速的高新技術,對機電工業(yè)及國民經濟的發(fā)展具有十分重要的作用。同時,數控技術也是發(fā)展自動化技術的基礎。以數控技術為核心的數控機床、加工中心是具有代表性的、高水平的機電一體化產品,代表了當今世界自動化技術發(fā)展的前沿。
現代數控系統(tǒng),采用了交流數字伺服系統(tǒng)。伺服電機的位置、速度和電流都實現數字化,作為伺服控制方式也采用了超出以前的控制理論,實現了不受機械負荷變動影響的高速響應伺服系統(tǒng)。從世界伺服系統(tǒng)的發(fā)展來看,已經經歷了步進電機→直流伺服電機→電機→交流伺服電機階段。
目前,國內大部分數控機床沒有配備專門的計算機輔助制造軟件,所以此課題有很廣泛的發(fā)展空間。
CAD(ComputerAided Design),即計算機輔助設計,在數控加工過程中是一種生產輔助工具,它將計算機高速而精確的運算功能,大容量存儲和處理數據的能力,豐富而靈活的圖形、文字處理功能與設計者的創(chuàng)造性思維能力、綜合分析及邏輯判斷能力結合起來,形成一個設計者思想與計算機處理能力緊密配合的系統(tǒng),大大加快了設計進程。CAD技術包括下列功能:幾何建模、計算分析、仿真與實驗、繪圖及技術文檔生存、工程數據庫的管理和共享。
CAM(Computer Aided Manufacturing),即計算機輔助制造。CAM內容廣泛,從狹義上講指的是數控程度的編制,包括刀具路徑的規(guī)劃、刀位文件的生成、刀具軌跡仿真以及NC代碼的生成等。
計算機輔助設計及制造與數控機床加工結合,是現在數控機床技術應用的主流,能夠達到非常理想的加工效果。南京工業(yè)大學運動控制研究所生產的NUT系列數控雕刻機床采用控制板卡與PC連接,Windows操作控制界面控制數控電機;電氣部分采用松下交流伺服系統(tǒng);數控加工功能: X, Y, Z 三軸聯(lián)動, 最高轉速5000 r /min, 編碼器脈沖輸出16 384 p / r,主軸切割轉速可達15 000 r/min,無級調速;加工最大尺寸: 2 400 mm ×2 400 mm ×120 mm,脈沖當量: 01001 mm。使用各種CAD /CAM軟件將加工思想經過軟件的一系列操作生成G代碼,使用執(zhí)行操作軟件執(zhí)行代碼進而加工成品。
南京工業(yè)大學運動控制研究所自行研究設計的NUT系列數控機床,結合了雕刻機和各種設計加工軟件。從計算機設計、制造到機床的加工大體上為圖1流程所示的幾個步驟和模塊。
在這整個的流程中對于軟件的要求很多,除了機床的電氣運行以外,幾乎都離不開計算機的軟件制作。對于軟件大致又可以分為以下幾個部分。
(1) 設計軟件
進行零件的繪制,如很流行的繪圖軟件AutoCAD以及UC,PRO/E,三維在藝術上的設計軟件如3DMax, Photoshop。這里不僅僅局限于CAD軟件,也包括能用來實現加工的各種其它軟件。
(2) 制造軟件
通常指CAM軟件,最終生成加工代碼。大部分的制造軟件也具有建模繪圖功能。根據制作應用的場合不同分為二維,二維半和三維CAM軟件。如:北航海爾的CAXA, CAXA制造工程師以及MasterCAM,ArtCAM, Cimatron等。制造軟件生成標準的G代碼,然后將設計出的思想在機床上加工成型,也就是將NC代碼送入機床,機床按照指令加工出來,主要包括設置加工環(huán)境,設置加工工序,生成軌跡文件,及后置處理等。
(3) 執(zhí)行軟件
機床執(zhí)行NC代碼加工,其主要工作是計算機與數控機床的通訊,可以通過COM接口完成數據串行通訊,或者通過LPT實現并行通訊。這就需要了解不同廠家對其通訊接口應用不同連線和接口協(xié)議。但在實際中,人們往往利用的是控制板卡即所謂的機床控制器。這些板卡通過數據線與數控機床進行聯(lián)系,而與人之間的交互則是由這些板卡提供的軟件程序完成,現在大部分的軟件程序都是Windows界面的,簡單易操作,本文把這些軟件叫做執(zhí)行軟件,就是根據代碼指令指揮機床完成零件加工的軟件。如德國的Editasc,美國的PMAC控制卡及其軟件產品,安裝這些軟件的同時就在系統(tǒng)中加載了運動卡的驅動程序,還可利用這些驅動程序進行二次開發(fā)。
2 不同軟件數據間的文件轉換
設計制造軟件較多,而應用范圍各有不同,所以不同軟件間的交互也是設計者必須考慮到的問題。如,如何將CAD軟件中設計的模具零件圖形輸入到CAM軟件中,再根據要求設置刀具參數和刀具路徑,利用CAM軟件自動生成NC代碼;其它非CAD的設計軟件的三維模型如何讓CAM軟件識別等。
各公司制作設計制造軟件時已經考慮到了這個問題,每個軟件幾乎都有與其它軟件的數據轉換接口,這些接口就體現在可以進行文件格式轉換。這些軟件都支持多種文件格式,這樣就可以在一種軟件中將文件保存或者導出成其它相關軟件支持的文件格式,然后再在相關軟件中打開或者導入這個文件中。
然而,這種轉換過程也同樣分情況的不同要作適當的調整。比如: 很多CAM 軟件都接受dxf文件,但是CAD實體文件以dxf格式轉化到CAM則都必須用CAD 實體圖形進行分解; 3DMax文件以stl格式轉化到MasterCAM中同樣也需要做一些修正,因為在轉化過程中可能會有數據的丟失。這樣就需要在兩個不同的軟件中尋找一種最好的轉換格式。
3 后置處理文件
后置處理文件是CAM軟件特有的一種在NC代碼生成之前的設置文件。因為沒有針對某種數控機床的特定的CAM軟件,而每個數控機床對G代碼即NC代碼的格式要求不同,對生成NC代碼起決定作用的是CAM軟件的后置文件,所以要對其進行適當的調整,以使進入機床NC代碼能夠被識別。后置處理實際上是一個文本編輯處理過程,其作用就是將計算出的刀軌(刀位運動軌跡)以規(guī)定的標準格式轉化為NC代碼并輸出,此代碼再通過軟件傳輸到數控機床的控制器上,由控制器按程序語句驅動機床加工。
例如, NUT系列數控機床用于電氣試驗時,執(zhí)行軟件識別的G代碼為G00, G01,所以CAXA設計中在生成G代碼之前要進行如下的設置:
(1) “應用”—“后置處理”—“后置設置”里的“后置處理設置”中有個“后置文件擴展名: 改為1nc;
(2) “后置處理設置”中將G00, G01,之外的語句去掉;
(3) 將生成文件的頭語句和結尾語句去掉;
而在用ArtCAM生成G代碼時要在ArtCAM的后置文件Axyz1con中將所有不需要的機床執(zhí)行軟件不是不識別語句前全部用“; ”屏蔽即可。
使用MasterCAM則要在其“后處理程序”窗體中改變后綴名為1PST的文件,并對該文件也要做相應修改,刪除不識別的語句說明,這樣在生成的NC代碼文件中就不會出現此類語句。
4 CAD/CAM的集成系統(tǒng)
隨著CAD/CAM技術和計算機技術的發(fā)展,人們不再滿足于這兩者的獨立發(fā)展,從而出現了CAM和CAD的組合,即將兩者集成(一體化) ,這樣以適應設計與制造自動化的要求,特別是近年來出現的計算機集成制造系統(tǒng)(CIMS)的要求。這種一體化結合可使在CAD中設計生成的零件信息自動轉換成CAM所需要的輸入信息,防止了信息數據的丟失。產品設計、工藝規(guī)程設計和產品加工制造集成于一個系統(tǒng)中,提高了生產效率。因此,我們在數控加工應用中開發(fā)出數控加工CAD/CAM集成系統(tǒng),集成系統(tǒng)就省去了中間繁瑣的數據轉換過程。CAD/CAM集成的關鍵是信息的交換和共享, 如UGII、Euclid、Pro/E等 ,在集成軟件內部是以內部統(tǒng)一的數據格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產品幾何模型。目前許多三維CAD/CAM軟件提供實體設計模塊和軟件包。我們利用的是UG和Pro/E的實體建模功能,包括零件的幾何形狀,尺寸和技術要求;然后利用Pro/E特有的CAM軟件包,建立起刀具庫,完成對產品的工藝參數;最后通過軟件包的翻譯文件將刀具軌跡文件翻譯成G代碼,進入執(zhí)行軟件進行機床加工過程。利用高級語言VC完成將軟件包及相關驅動集成的過程。集成CAD/CAM系統(tǒng)的模塊仍然為圖1所示。
5 結束語
計算機的發(fā)展及軟件業(yè)的發(fā)展,推動著計算機輔助設計軟件的不斷改進。CAD/CAM技術正向著開放、集成、智能和標準化的方向發(fā)展,在數控機床上的運用越來越廣泛,以PC技術為基礎的DNC開放式系統(tǒng)成為軟件的發(fā)展方向,而且在這個網絡無所不滲透的時代, CAD/CAM的技術也在網絡化發(fā)展,借助PC技術可以方便的實現網絡化通訊,可以高效地滿足生產的需求。比如在高校的實驗室,實驗設備的網絡共享是極為迫切的,利用網絡技術與CAD/CAM 技術的結合, 建立CAD/CAM 設計—代碼傳輸—機床執(zhí)行—網絡監(jiān)控整條流程的共享,可實現全部師生共享幾臺甚至一臺數控機床,充分利用設備,大大節(jié)省了資金和時間。