CAD/CAM软件技术及其在数控机床中的应用

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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。
4 e5 O3 S% {. ~$ o( }    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。
! j- ]3 I' H7 T) X0 M    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。
    CAD(ComputerAided 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 Aided Manufacturing),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。
+ P9 E: w$ [3 h6 l3 w6 z    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,Windows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5000 r /min, 编码器脉冲输出16 384 p / r,主轴切割转速可达15 000 r/min,无级调速;加工最大尺寸: 2 400 mm ×2 400 mm ×120 mm,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。
5 u% S, T4 w2 v    南京工业大学运动控制研究所自行研究设计的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。

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    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3DMax, 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　
- W9 U* N. b" K0 Y    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MasterCAM,ArtCAM, Cimatron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。
4 x# |" y+ j4 Y0 x5 O6 s. n    (3) 执行软件　
0 U, C4 [4 t" I# t. c    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连线和接口协议。但在实际中,人们往往利用的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Windows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。
" S6 y+ `# I5 t% f. B    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。
6 R7 J8 }0 }9 c3 c    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; 3DMax文件以stl格式转化到MasterCAM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
5 Y# B: R* a8 Y& g$ K: H4 @, x式。
    3　后置处理文件
! D. r, X8 m1 a" B. z3 _( b    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,此代码再通过软件传输到数控机床的控制器上,由控制器按程序语句驱动机床加工。
2 H! V+ c. v! t8 U    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1nc;
    (2) “后置处理设置”中将G00, G01,之外的语句去掉;
    (3) 将生成文件的头语句和结尾语句去掉;
    而在用ArtCAM生成G代码时要在ArtCAM的后置文件Axyz1con中将所有不需要的机床执行软件不是不识别语句前全部用“; ”屏蔽即可。
6 N0 G" ^$ d; w- j' Q. O    使用MasterCAM则要在其“后处理程式”窗体中改变后缀名为1PST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
& t+ G* D+ b; F# I    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(CIMS)的要求。这种一体化结合可使在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。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ugII、Euclid、Pro/E等 ,在集成软件内部是以内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;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。
" C3 h2 [* B- e0 o  P: K    5　结束语
! k0 m$ j* K; f7 [* f) m    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。