1355-計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造

1355-計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造,計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),制造 1計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與制造CAD/CAM 是表示計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)輔助制造的專(zhuān)業(yè)術(shù)語(yǔ)。它是一種使用計(jì)算機(jī)完成某些設(shè)計(jì)和生成功能的技術(shù)。在生產(chǎn)企業(yè)里，人們通常把設(shè)計(jì)和制造是為兩項(xiàng)有著明顯不同職能的分工，而這項(xiàng)技術(shù)正朝著設(shè)計(jì)與制造的更大程度一體化方向發(fā)展。最終，CAD/CAM 將會(huì)為未來(lái)的計(jì)算機(jī)集成工廠提供技術(shù)基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）可定義為運(yùn)用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)設(shè)計(jì)的創(chuàng)意、修改、分析或優(yōu)化予以輔助。這些由硬件和軟件構(gòu)成的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，用于完成用戶公司要求的特定設(shè)計(jì)功能。CAD 硬件通常包括：一臺(tái)計(jì)算機(jī)，一個(gè)或多個(gè)圖形顯示終端，鍵盤(pán)和其他外圍設(shè)備。CAD 軟件包括各種計(jì)算機(jī)制圖程序，這些程序便于用戶公司完成設(shè)計(jì)職能，如：零部件的應(yīng)變分析，機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，熱傳輸計(jì)算和數(shù)控零件編程。由于用戶的生產(chǎn)流程、制造工藝和銷(xiāo)售市場(chǎng)方面的差異，應(yīng)用程序的配置也將因用戶而異。這些因素均導(dǎo)致對(duì) CAD 系統(tǒng)要求的差異性。計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）可定義為通過(guò)直接或間接與廠家生產(chǎn)資源相適應(yīng)的計(jì)算機(jī)界面，使用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)來(lái)規(guī)劃、管理和控制制造工廠的運(yùn)行。正如定義所表示的那樣，CAM 應(yīng)用程序可分為兩大類(lèi)：1. 計(jì)算機(jī)監(jiān)控程序；2. 制造程序。二者之間的區(qū)別是理解計(jì)算機(jī)輔助制造的基礎(chǔ)。計(jì)算機(jī)輔助制造的應(yīng)用程序，除了為監(jiān)控制造過(guò)程而直接使用計(jì)算機(jī)界面的應(yīng)用程序之外，還包括在工廠生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中由計(jì)算機(jī)提供支持的間接應(yīng)用程序。在這些應(yīng)用程序中，計(jì)算機(jī)并不直接與制造過(guò)程相聯(lián)接。相反，在脫機(jī)狀態(tài)下，計(jì)算機(jī)可用來(lái)提供計(jì)劃書(shū)、進(jìn)度表、預(yù)報(bào)、指令和使廠家生產(chǎn)資源管理更加有效的信息資料。計(jì)算機(jī)和制造過(guò)程間的關(guān)系如下圖所示。圖中虛線用來(lái)說(shuō)明交流和控制處于脫即狀態(tài)下，需要人來(lái)完善界面。目前，CAM 的應(yīng)用需2要由人來(lái)為計(jì)算機(jī)輸入程序，解釋計(jì)算機(jī)的輸出，并采取所要求的措施。處理數(shù)據(jù)控制信號(hào)CAM 用于生產(chǎn)支持Notes:1. CAD(computer-aided design) 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)2. CAM(computer-aided manufacturing) 計(jì)算機(jī)輔助制造3. computer monitoring and control 計(jì)算機(jī)監(jiān)控4. manufacturing support applications 生成支持應(yīng)用軟件5. peripheral equipment 外圍設(shè)備（外設(shè)）6. computer graphics 電腦制圖什么是 CAD/CAM 軟件？許多刀具軌跡是簡(jiǎn)單的但太復(fù)雜和昂貴以致于人們很難制造，對(duì)于這種情況，我們需要在計(jì)算機(jī)的幫助下來(lái)作數(shù)控部分程序。CAD/CAM 最基礎(chǔ)的概念是，我們可以用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)上畫(huà)出工件的幾何形狀。幾何形狀一旦完成，我們就可以用計(jì)算機(jī)輔助制造系統(tǒng)根據(jù) CAD 的幾何形狀，生成數(shù)控機(jī)床的刀具軌跡。利用 CAD 繪制所有路徑對(duì)數(shù)控加工的路徑如下：第一步：利用 CAD 繪制幾何圖形已被定義這種工件包括型腔加工。對(duì)于這種型腔加工很可能將花幾個(gè)小時(shí)去制造代碼。然而，我們能夠利用 CAM 程序去計(jì)算機(jī) 生產(chǎn)操作3創(chuàng)造 NC 代碼在每分鐘內(nèi)。第二步：接著，這個(gè)模型就被輸入到 CAM 模塊中。然后，我們就選擇合適的幾何形狀并定義要生成的刀具軌跡類(lèi)型，在這個(gè)例子中就是一個(gè)型腔。我們一定也能夠讓 CAM 系統(tǒng)如刀具的使用，材料的類(lèi)型，進(jìn)給量，切屑深度等信息。第三步：CAM 模型證實(shí)保證刀具軌跡的正確性。如果發(fā)現(xiàn)了一些錯(cuò)誤，最簡(jiǎn)單就是在某個(gè)位置上加以改正。第四步：CAD/CAM 模塊最終產(chǎn)生的是 NC 代碼。通過(guò)模型的后處理則可以生成適用于特定 CNC 控制器的 NC 代碼。我們?nèi)∽煮w的首字母即 CAPP，它代表了計(jì)算機(jī)輔助程序。CAPP 是使用計(jì)算機(jī)輔助在數(shù)控刀具軌跡中的應(yīng)用。然而，CAPP 從來(lái)就沒(méi)有真正獲得廣泛的流傳和接受，而且至今我們很少聽(tīng)到這個(gè)項(xiàng)目。取而代之的是在更多的市場(chǎng)上使用 CAD/CAM，使用計(jì)算機(jī)的思維來(lái)幫助生產(chǎn) NC 程序。不幸的是，因?yàn)?CAM 是一個(gè)整體技術(shù)與制造技術(shù)和自動(dòng)化技術(shù)有著關(guān)聯(lián)的——不僅是軟件，而且使用CNC 機(jī)器工具。描述 CAD/CAM 組成及功能CAD 系統(tǒng)包括 CAD 設(shè)備及 CAM 設(shè)備——每個(gè)都有許多功能元件。它們將在短時(shí)間內(nèi)掃描這些元件目的是為了了解其工作的整個(gè)過(guò)程。1. CAD 模型系統(tǒng)的 CAD 部分用于生成可作為 CAD 模型的幾何形狀。CAD 模型是工件幾何形狀的電子描述，她在數(shù)學(xué)上是十分精確的。不論是獨(dú)立的 CAD 系統(tǒng)還是作為 CAD/CAM 軟件包的一部分的 CAD 系統(tǒng)，往往都可以在幾個(gè)不同的層次上混合使用。兩維線條圖 幾何圖形被體現(xiàn)出兩個(gè)方向，就象一張清單，Z 軸深度將不得不與 CAM 相關(guān)。三維線框模型通過(guò)將代表邊界的元素連接早一起，就可以在三維空間中表現(xiàn)幾何形狀。雖然線框圖難以想象,但可以得到 CAM 所需的所有的 Z 向信息。4三維表面模型 它與線框模型十分相似，所不同的是，在線框模型間覆蓋了一層薄薄的外皮，從而使模型更形象。另外，模型型腔是空的，完成表面模型即可。三維實(shí)體模型這種當(dāng)前高科技市場(chǎng)形式被使用必須通過(guò)所有的高端科技軟件。幾何形狀被看作是一個(gè)實(shí)體特征其包括許多方面。實(shí)體模型可以被切開(kāi)以展示內(nèi)部特征，而不僅僅是擁有一層表皮。2. CAM 模型根據(jù) CAD 模型提供的幾何形狀，CAM 模塊用于創(chuàng)建加工工藝模型。例如，CAD 模型可能包括一些特征，即凹槽型腔。我們可能應(yīng)用其加工路線來(lái)加工幾何圖形，然后，所有的刀具路徑將是自動(dòng)的產(chǎn)生凹槽行程。同樣，CAD 模型也可包括幾何圖形應(yīng)該產(chǎn)生鉆的操作。我們能夠選擇簡(jiǎn)單的幾何圖形和按照 CAM系統(tǒng)的說(shuō)明在適當(dāng)?shù)奈恢蒙线M(jìn)行鉆孔。CAM 系統(tǒng)將生成描述加工操作的普通中間代碼，這些代碼以后可被用來(lái)生成 G 和 M 代碼或會(huì)話式程序。在它們合適的環(huán)境下，有些系統(tǒng)產(chǎn)生中間代碼。而其他使用較標(biāo)準(zhǔn)代碼例如 APT 就是他們的中間文件。CAM 模塊也有多種類(lèi)型和層次。首先，通常有些不同模型功能如銑、鉆、以及裝配，每一步工藝是唯一的，典型的模型有附加軟件。每一個(gè)模型也可能使用不同的設(shè)備。例如，開(kāi)始用簡(jiǎn)單的設(shè)備，到后來(lái)用復(fù)雜的、多方向的刀具軌跡路線，CAM 模型中銑床加工通常加工的過(guò)程如下： ● 21/2-方向的機(jī)床● 3 個(gè)方向的機(jī)床● 加工表面的機(jī)床● 5 個(gè)方向混合的機(jī)床每種體現(xiàn)出高精度的設(shè)備不可能在所有的壞鏡下制造，一個(gè)工序很可能只要求三個(gè)方向的設(shè)備，而一個(gè)模型工序很可能需要全部的表面加工設(shè)備，而且可能需要五個(gè)方向的 CAM 軟件包混合這樣就有可能完成其加工表面。這種一流的軟件安裝很可能需要花費(fèi)￥5000，但是許多復(fù)雜模型將花費(fèi)￥15000 甚至更多。因此，我們沒(méi)有必要購(gòu)買(mǎi)這種高水準(zhǔn)的軟件，因?yàn)槲覀儾荒芡耆l(fā)揮他們5的潛能。3. 幾何圖形及刀具軌跡我們必須理解一個(gè)重要的概念，即 CAD 所繪制的幾何形狀并不一定與 CNC機(jī)床加工出的幾何形狀完全一致。只要刀具軌跡是直線或圓弧，CNC 機(jī)車(chē)就可以加工出非常精確的刀具軌跡。CAD 系統(tǒng)也可能加工高精度幾何圖形如直線及圓弧，但是也可能加工許多不同層次的曲面，同樣許多這種曲面被認(rèn)為是非均勻有理 B 樣條曲線。事實(shí)上，NURBS 曲線可以描繪出從直線或圓弧到復(fù)雜的表面的任何幾何形狀。例如，就象幾何圖形為橢圓形，橢圓有一系列曲線，有著不同的環(huán)形弧，橢圓在 CAD 系統(tǒng)利用鼠標(biāo)單擊很容易產(chǎn)生。然而，一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的 CNC 加工刀具不能夠直接使用產(chǎn)生一個(gè)橢圓——它只能產(chǎn)生直線和圓弧。CAM 系統(tǒng)將順從于這種問(wèn)題，通過(guò)估算用直線段代替曲線。CNC 機(jī)床刀具通常只能識(shí)別圓弧或直線。因此，CAM 系統(tǒng)必須估計(jì)直線段代替曲線之間的公差帶。在這種情況下，就像橢圓刀具軌跡產(chǎn)生包含著用直線段代替曲線之間的公差帶。CAM 系統(tǒng)會(huì)在真正的曲線兩側(cè)各生成一個(gè)幾何邊界，從而形成一個(gè)公差帶。它將生成一道刀具軌跡線包含著少量的公差帶，結(jié)果這刀具軌跡將在數(shù)學(xué)理論上不正確——CAM 系統(tǒng)只能估算表面，使用它最基本的方法是為了估算刀具軌跡包括兩維曲線及三維表面曲線。有些 CAM 系統(tǒng)也有可能直接繪制直線段為圓弧曲線。這可能在程序中產(chǎn)生許多模塊導(dǎo)致表面的光滑。這種出現(xiàn)能夠控制公差帶的大小，其目的是使的刀具軌跡更加精確，這是有必要的。較小的公差帶可以生成細(xì)致的刀具軌跡以及大量的直線段，而較大的公差帶將會(huì)產(chǎn)生較少的直線段，刀具軌跡也比較粗糙。每一個(gè)直線段將要求在 NC 程序有模塊代碼。因此，當(dāng)使用這種技術(shù)時(shí)，NC 程序能夠擴(kuò)大范圍。在加工表面時(shí)我們一定要細(xì)心，依靠計(jì)算機(jī)生成正確的刀具很容易，但在用球狀端銑刀進(jìn)行曲面的精加工是須進(jìn)一步估價(jià)。如果我們沒(méi)能注意到這種技術(shù)的局限性，那么精加工后工件的精度就會(huì)大打折扣。4. 刀具庫(kù)和材料庫(kù)6為了創(chuàng)建機(jī)械加工工藝，CAM 系統(tǒng)需要了解切割刀具的利用以及機(jī)械材料。CAM 注意的是通過(guò)提供可定制的刀具型號(hào)及類(lèi)型。材料庫(kù)包括的信息是最優(yōu)化的切削速度以及進(jìn)給量。CAM 使用這種信息聚在一起創(chuàng)建正確的刀具軌跡以及機(jī)床參數(shù)。這類(lèi)刀具和材料庫(kù)的格式經(jīng)常是獨(dú)有的，這一點(diǎn)帶來(lái)了一些兼容問(wèn)題。專(zhuān)用的工具庫(kù)及材料庫(kù)不容易修改或不容易使用其他的系統(tǒng)。進(jìn)步的 CAM 開(kāi)發(fā)者趨向于將刀具和材料庫(kù)生成數(shù)據(jù)庫(kù)文件，這樣就可以為其他的應(yīng)用者進(jìn)行修改和定制提供方便。5. 檢驗(yàn)及后置處理CAM 系統(tǒng)通常提供檢驗(yàn)刀具軌跡是否正確性的功能。這可以通過(guò)加工操作的刀具中心線的簡(jiǎn)單繪制或通過(guò)復(fù)雜的實(shí)體模型來(lái)實(shí)現(xiàn)。實(shí)體驗(yàn)證通常是CAD/CAM 軟件公司已經(jīng)獲得許可的第三方軟件。然而，它可能是作為一個(gè)獨(dú)立的軟件包。后置處理器是一個(gè)軟件程序，他將通過(guò)的中間代碼格式化為使用于每個(gè)特定機(jī)床控制器的 NC 代碼。后置處理器通?？梢酝ㄟ^(guò)模板和變量被定制為需要的樣式。6. 便捷性電子數(shù)據(jù)的便捷性是 CAD/CAM 系統(tǒng)唯一致命的弱點(diǎn)，這個(gè)問(wèn)題任就是一件十分耗時(shí)的事情。CAD 文件創(chuàng)建了許多格式以及它們之間有許多步同的組成。利用 CAD 系統(tǒng)創(chuàng)建一個(gè)復(fù)雜的模型是比較昂貴的。因此，我們希望使模型的便捷性最大化，而使在不同系統(tǒng)中重新生成幾何模型的需求最小化。CAM 模型與手提式的 CAD 模型不同，我們通常不能夠發(fā)展一個(gè) CAM 模型以及把它轉(zhuǎn)換成其他格式。唯一被廣泛接受的 CAM 模型交換版本就是自動(dòng)編程工具（APT） 。自動(dòng)編程工具是一種利用描述機(jī)床操作的程序語(yǔ)言工具，自動(dòng)編程工具是一種標(biāo)準(zhǔn)的、有著好的文件能夠通過(guò)三個(gè)方向軟件的發(fā)展的促進(jìn)。許多CAD/CAM 系統(tǒng)可以按照這種標(biāo)準(zhǔn)輸出文件，而（由此生成的）CAM 文件以后也可以被后置處理程序和校驗(yàn)軟件使用。有時(shí)會(huì)有這樣的情況，即特定的 CAD/CAM 系統(tǒng)生成的特有的中間文件不經(jīng)任何額外的后置處理就可以直接輸入到機(jī)床之中。這是理想的解決方案，然而7目前尚無(wú)任何標(biāo)準(zhǔn)管理這種交換。CAD/CAM 模型交換的另一種方法是利用逆向后置處理器。逆向后置處理器可以從數(shù)控 G&M 代碼程序生成 CAD/CAM 模型。這種程序確實(shí)有些作用，但是，程序員必須花相當(dāng)多的時(shí)間去搞清楚模型的設(shè)計(jì)意圖，而且還要將刀具路徑從幾何形狀中分離出來(lái)?？傮w來(lái)說(shuō)，后置處理器的應(yīng)用具有一定的局限性。軟件的組成及發(fā)展趨勢(shì)在整個(gè)工業(yè)上，許多軟件包利用 CAD 或 CAD/CAM。純 CAD 系統(tǒng)被應(yīng)用于所有的設(shè)計(jì)領(lǐng)域，實(shí)際上今天所有的產(chǎn)品都是用 CAD 軟件設(shè)計(jì)出來(lái)的——用紙筆繪的日子已經(jīng)一去不復(fù)返了。另一方面，CAD/CAM 軟件包有著更多專(zhuān)利。CAD/CAM 雖然小，但地位十分重要，它的應(yīng)用通常限制在加工和裝配業(yè)，其數(shù)量要比 CAD 小得多。CAD/CAM 系統(tǒng)包括 CAD 軟件設(shè)計(jì)以及 CAM 軟件去創(chuàng)建刀具軌跡和 NC 代碼。然而，普通的 CAD 模型相比于純 CAD 軟件比較弱及不精煉。這種不匹配造成了 CAD 設(shè)計(jì)者與 CAD/CAM 程序員之間一直以來(lái)的爭(zhēng)論，其主題是如何使 CAD/CAM 能夠融合。如果先在業(yè)界一流的 CAD 系統(tǒng)上生成所有幾何形狀，然后再圖形輸入到某個(gè) CAD/CAM 系統(tǒng)中，就會(huì)產(chǎn)生很大的爭(zhēng)論。工程師創(chuàng)建 CAD 模型逐步形成一種模式，商業(yè)就會(huì)更加充裕。幾何形狀能夠輸入到 CAD/CAM 軟件包中產(chǎn)生處理模型。因此，工業(yè)引導(dǎo) CAD 軟件包走向不正式的標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)的接受度越高，擁有該軟件的公司的投資回報(bào)率就會(huì)越高。反對(duì)意見(jiàn)來(lái)自于小的組織，他們沒(méi)有必要或者沒(méi)有資源同時(shí)擁有昂貴的符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的 CAD 軟件包以及 CAD/CAM 軟件包。他們往往需要根據(jù)紙上工程圖重畫(huà)幾何圖形，或者用并不完善的翻譯設(shè)備輸入模型。任何起源模型將結(jié)束走向于更高的正式的 CAD/CAM 文件。這類(lèi)模型很可能在將來(lái)又被翻譯成更為標(biāo)準(zhǔn)的版本。不論選擇什么樣的方法，各種組織和個(gè)人往往都會(huì)竭盡保護(hù)某種技術(shù)。如果他們檢查發(fā)現(xiàn)有巨大的效果，花時(shí)間去學(xué)習(xí)它以及吸收科學(xué)知識(shí)。然而，他將轉(zhuǎn)變成一種新的技術(shù)是很困難的事，即使它們體現(xiàn)出具有無(wú)法抵抗的證據(jù)來(lái)證實(shí)更好的方法。這是一次十分痛苦的轉(zhuǎn)變，當(dāng)然如果我們能夠看見(jiàn)我們的將8來(lái)，這是不可能發(fā)生的事情。但是事實(shí)上，我們不可能總是預(yù)測(cè)支配的科學(xué)技術(shù)將在幾年內(nèi)走下坡路。結(jié)果形成了技術(shù)壕溝，要從腳下消除這種壕溝將會(huì)十分困難和昂貴。大約只能保證，我們能夠發(fā)現(xiàn)去選擇技術(shù)出現(xiàn)最標(biāo)準(zhǔn)，即使不完美也要留住它.然而，如果發(fā)現(xiàn)走下坡路，我們將也更加適應(yīng)這位置。