計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造(CAD/CAM)技術(shù)已經(jīng)越來(lái)越多地應(yīng)用在數(shù)控加工領(lǐng)域, CAD/CAM軟件技術(shù)也在飛速發(fā)展,出現(xiàn)了很多的軟件產(chǎn)品,這些產(chǎn)品根據(jù)自身的開(kāi)發(fā)檔次及其適用度,被廣泛應(yīng)用在不同加工場(chǎng)合,大大節(jié)省了設(shè)計(jì)制造的時(shí)間周期,并在一定程度上提高了精度和速度。
1 數(shù)控機(jī)床與CAD/CAM
數(shù)控技術(shù)是機(jī)械加工技術(shù),微電子技術(shù)、監(jiān)控檢測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等多種學(xué)科的集成,是一門(mén)新興而又發(fā)展十分迅速的高新技術(shù),對(duì)機(jī)電工業(yè)及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有十分重要的作用。同時(shí),數(shù)控技術(shù)也是發(fā)展自動(dòng)化技術(shù)的基礎(chǔ)。以數(shù)控技術(shù)為核心的數(shù)控機(jī)床、加工中心是具有代表性的、高水平的機(jī)電一體化產(chǎn)品,代表了當(dāng)今世界自動(dòng)化技術(shù)發(fā)展的前沿。
現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng),采用了交流數(shù)字伺服系統(tǒng)。伺服電機(jī)的位置、速度和電流都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化,作為伺服控制方式也采用了超出以前的控制理論,實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)伺服系統(tǒng)。從世界伺服系統(tǒng)的發(fā)展來(lái)看,已經(jīng)經(jīng)歷了步進(jìn)電機(jī)→直流伺服電機(jī)→電機(jī)→交流伺服電機(jī)階段。
目前,國(guó)內(nèi)大部分?jǐn)?shù)控機(jī)床沒(méi)有配備專門(mén)的計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì),在數(shù)控加工過(guò)程中是一種生產(chǎn)輔助工具,它將計(jì)算機(jī)高速而精確的運(yùn)算功能,大容量存儲(chǔ)和處理數(shù)據(jù)的能力,豐富而靈活的圖形、文字處理功能與設(shè)計(jì)者的創(chuàng)造性思維能力、綜合分析及邏輯判斷能力結(jié)合起來(lái),形成一個(gè)設(shè)計(jì)者思想與計(jì)算機(jī)處理能力緊密配合的系統(tǒng),大大加快了設(shè)計(jì)進(jìn)程。CAD技術(shù)包括下列功能:幾何建模、計(jì)算分析、仿真與實(shí)驗(yàn)、繪圖及技術(shù)文檔生存、工程數(shù)據(jù)庫(kù)的管理和共享。
CAM(Computer Aided Manufacturing),即計(jì)算機(jī)輔助制造。CAM內(nèi)容廣泛,從狹義上講指的是數(shù)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(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)及制造與數(shù)控機(jī)床加工結(jié)合,是現(xiàn)在數(shù)控機(jī)床技術(shù)應(yīng)用的主流,能夠達(dá)到非常理想的加工效果。南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所生產(chǎn)的NUT系列數(shù)控雕刻機(jī)床采用控制板卡與PC連接,Windows操作控制界面控制數(shù)控電機(jī);電氣部分采用松下交流伺服系統(tǒng);數(shù)控加工功能: X, Y, Z 三軸聯(lián)動(dòng), 最高轉(zhuǎn)速5000 r /min, 編碼器脈沖輸出16 384 p / r,主軸切割轉(zhuǎn)速可達(dá)15 000 r/min,無(wú)級(jí)調(diào)速;加工最大尺寸: 2 400 mm ×2 400 mm ×120 mm,脈沖當(dāng)量: 01001 mm。使用各種CAD /CAM軟件將加工思想經(jīng)過(guò)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(jìn)而加工成品。
南京工業(yè)大學(xué)運(yùn)動(dòng)控制研究所自行研究設(shè)計(jì)的NUT系列數(shù)控機(jī)床,結(jié)合了雕刻機(jī)和各種設(shè)計(jì)加工軟件。從計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)、制造到機(jī)床的加工大體上為圖1流程所示的幾個(gè)步驟和模塊。
在這整個(gè)的流程中對(duì)于軟件的要求很多,除了機(jī)床的電氣運(yùn)行以外,幾乎都離不開(kāi)計(jì)算機(jī)的軟件制作。對(duì)于軟件大致又可以分為以下幾個(gè)部分。
(1) 設(shè)計(jì)軟件
進(jìn)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(shù)上的設(shè)計(jì)軟件如3DMax, Photoshop。這里不僅僅局限于CAD軟件,也包括能用來(lái)實(shí)現(xiàn)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(jù)制作應(yīng)用的場(chǎng)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(biāo)準(zhǔn)的G代碼,然后將設(shè)計(jì)出的思想在機(jī)床上加工成型,也就是將NC代碼送入機(jī)床,機(jī)床按照指令加工出來(lái),主要包括設(shè)置加工環(huán)境,設(shè)置加工工序,生成軌跡文件,及后置處理等。
(3) 執(zhí)行軟件
機(jī)床執(zhí)行NC代碼加工,其主要工作是計(jì)算機(jī)與數(shù)控機(jī)床的通訊,可以通過(guò)COM接口完成數(shù)據(jù)串行通訊,或者通過(guò)LPT實(shí)現(xiàn)并行通訊。這就需要了解不同廠家對(duì)其通訊接口應(yīng)用不同連線和接口協(xié)議。但在實(shí)際中,人們往往利用的是控制板卡即所謂的機(jī)床控制器。這些板卡通過(guò)數(shù)據(jù)線與數(shù)控機(jī)床進(jìn)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(xiàn)在大部分的軟件程序都是Windows界面的,簡(jiǎn)單易操作,本文把這些軟件叫做執(zhí)行軟件,就是根據(jù)代碼指令指揮機(jī)床完成零件加工的軟件。如德國(guó)的Editasc,美國(guó)的PMAC控制卡及其軟件產(chǎn)品,安裝這些軟件的同時(shí)就在系統(tǒng)中加載了運(yùn)動(dòng)卡的驅(qū)動(dòng)程序,還可利用這些驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。
2 不同軟件數(shù)據(jù)間的文件轉(zhuǎn)換
設(shè)計(jì)制造軟件較多,而應(yīng)用范圍各有不同,所以不同軟件間的交互也是設(shè)計(jì)者必須考慮到的問(wèn)題。如,如何將CAD軟件中設(shè)計(jì)的模具零件圖形輸入到CAM軟件中,再根據(jù)要求設(shè)置刀具參數(shù)和刀具路徑,利用CAM軟件自動(dòng)生成NC代碼;其它非CAD的設(shè)計(jì)軟件的三維模型如何讓CAM軟件識(shí)別等。
各公司制作設(shè)計(jì)制造軟件時(shí)已經(jīng)考慮到了這個(gè)問(wèn)題,每個(gè)軟件幾乎都有與其它軟件的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口,這些接口就體現(xiàn)在可以進(jìn)行文件格式轉(zhuǎn)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(dǎo)出成其它相關(guān)軟件支持的文件格式,然后再在相關(guān)軟件中打開(kāi)或者導(dǎo)入這個(gè)文件中。
然而,這種轉(zhuǎn)換過(guò)程也同樣分情況的不同要作適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。比如: 很多CAM 軟件都接受dxf文件,但是CAD實(shí)體文件以dxf格式轉(zhuǎn)化到CAM則都必須用CAD 實(shí)體圖形進(jìn)行分解; 3DMax文件以stl格式轉(zhuǎn)化到MasterCAM中同樣也需要做一些修正,因?yàn)樵谵D(zhuǎn)化過(guò)程中可能會(huì)有數(shù)據(jù)的丟失。這樣就需要在兩個(gè)不同的軟件中尋找一種最好的轉(zhuǎn)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(shè)置文件。因?yàn)闆](méi)有針對(duì)某種數(shù)控機(jī)床的特定的CAM軟件,而每個(gè)數(shù)控機(jī)床對(duì)G代碼即NC代碼的格式要求不同,對(duì)生成NC代碼起決定作用的是CAM軟件的后置文件,所以要對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整,以使進(jìn)入機(jī)床NC代碼能夠被識(shí)別。后置處理實(shí)際上是一個(gè)文本編輯處理過(guò)程,其作用就是將計(jì)算出的刀軌(刀位運(yùn)動(dòng)軌跡)以規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)格式轉(zhuǎn)化為NC代碼并輸出,此代碼再通過(guò)軟件傳輸?shù)綌?shù)控機(jī)床的控制器上,由控制器按程序語(yǔ)句驅(qū)動(dòng)機(jī)床加工。
例如, NUT系列數(shù)控機(jī)床用于電氣試驗(yàn)時(shí),執(zhí)行軟件識(shí)別的G代碼為G00, G01,所以CAXA設(shè)計(jì)中在生成G代碼之前要進(jìn)行如下的設(shè)置:
(1) “應(yīng)用”—“后置處理”—“后置設(shè)置”里的“后置處理設(shè)置”中有個(gè)“后置文件擴(kuò)展名: 改為1nc;
(2) “后置處理設(shè)置”中將G00, G01,之外的語(yǔ)句去掉;
(3) 將生成文件的頭語(yǔ)句和結(jié)尾語(yǔ)句去掉;
而在用ArtCAM生成G代碼時(shí)要在ArtCAM的后置文件Axyz1con中將所有不需要的機(jī)床執(zhí)行軟件不是不識(shí)別語(yǔ)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(duì)該文件也要做相應(yīng)修改,刪除不識(shí)別的語(yǔ)句說(shuō)明,這樣在生成的NC代碼文件中就不會(huì)出現(xiàn)此類語(yǔ)句。
4 CAD/CAM的集成系統(tǒng)
隨著CAD/CAM技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,人們不再滿足于這兩者的獨(dú)立發(fā)展,從而出現(xiàn)了CAM和CAD的組合,即將兩者集成(一體化) ,這樣以適應(yīng)設(shè)計(jì)與制造自動(dòng)化的要求,特別是近年來(lái)出現(xiàn)的計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)的要求。這種一體化結(jié)合可使在CAD中設(shè)計(jì)生成的零件信息自動(dòng)轉(zhuǎn)換成CAM所需要的輸入信息,防止了信息數(shù)據(jù)的丟失。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、工藝規(guī)程設(shè)計(jì)和產(chǎn)品加工制造集成于一個(gè)系統(tǒng)中,提高了生產(chǎn)效率。因此,我們?cè)跀?shù)控加工應(yīng)用中開(kāi)發(fā)出數(shù)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(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過(guò)程。CAD/CAM集成的關(guān)鍵是信息的交換和共享, 如UGII、Euclid、Pro/E等 ,在集成軟件內(nèi)部是以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。目前許多三維CAD/CAM軟件提供實(shí)體設(shè)計(jì)模塊和軟件包。我們利用的是UG和Pro/E的實(shí)體建模功能,包括零件的幾何形狀,尺寸和技術(shù)要求;然后利用Pro/E特有的CAM軟件包,建立起刀具庫(kù),完成對(duì)產(chǎn)品的工藝參數(shù);最后通過(guò)軟件包的翻譯文件將刀具軌跡文件翻譯成G代碼,進(jìn)入執(zhí)行軟件進(jìn)行機(jī)床加工過(guò)程。利用高級(jí)語(yǔ)言VC完成將軟件包及相關(guān)驅(qū)動(dòng)集成的過(guò)程。集成CAD/CAM系統(tǒng)的模塊仍然為圖1所示。
5 結(jié)束語(yǔ)
計(jì)算機(jī)的發(fā)展及軟件業(yè)的發(fā)展,推動(dòng)著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件的不斷改進(jìn)。CAD/CAM技術(shù)正向著開(kāi)放、集成、智能和標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展,在數(shù)控機(jī)床上的運(yùn)用越來(lái)越廣泛,以PC技術(shù)為基礎(chǔ)的DNC開(kāi)放式系統(tǒng)成為軟件的發(fā)展方向,而且在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)無(wú)所不滲透的時(shí)代, CAD/CAM的技術(shù)也在網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展,借助PC技術(shù)可以方便的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)化通訊,可以高效地滿足生產(chǎn)的需求。比如在高校的實(shí)驗(yàn)室,實(shí)驗(yàn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)共享是極為迫切的,利用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與CAD/CAM 技術(shù)的結(jié)合, 建立CAD/CAM 設(shè)計(jì)—代碼傳輸—機(jī)床執(zhí)行—網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控整條流程的共享,可實(shí)現(xiàn)全部師生共享幾臺(tái)甚至一臺(tái)數(shù)控機(jī)床,充分利用設(shè)備,大大節(jié)省了資金和時(shí)間。