GibbsCAM是Cimatron公司的一款面向工件加工的CAM軟件，為車銑復合領域提供CAM加工方案，它除了車銑復合之外，還支持2軸到5軸的銑削、車削、聯動銑削多任務加工和線切割，最大特點是界面簡潔，易學易用，操作模式和我們的工藝習慣非常一致。雙主軸雙刀塔車銑復合加工中心屬于高精密數控機床，車銑復合加工中心具有車削、銑削、鉆削、鏜削、拉削（插槽）等各種功能，有X、Y、Z、C和E軸5個軸，其中E軸也就是主副軸對接時副軸到主軸裝夾工件時使用的軸，利用CAM軟件可以進行任意多軸聯動，實現對各種復雜工件曲面的加工，并利用主、副軸的同步E軸對接切斷，做到了工序集中的原則。車銑復合加工中心具有上下2個刀塔，每個刀塔可以裝12把刀，總共可裝24把。雙刀架的結構沒置，使得加工效率大大提高，有效地利用CAM軟件使2個刀架相互配合，單位時間里同時對2個工件加工，并且對主軸、副軸以及各個軸上的XY、YZ等平面的同步加工，縮短了加工時間。配合機床的各軸聯動和E軸對接，只需1道工序便可完成對各種復雜工件的加工成型，做到了1次裝夾完成全部加工，工件加工報廢率減小了80%以上，并且減少了原始加工中的制作工裝夾具的輔助時間，生產效率提高了30%。由于減化了工藝流程，避免了重復裝夾的誤差，從而提高了產品的質量，在大批量的產品加工中，此類設備的優勢在于生產效率和穩定的產品質量，在小批量的產品加工中，體現出設備的靈活性和超高的產品質量。實踐發現，在車銑復合加工中，眾多車銑功能都需要CAM軟件環境作支持，因此對于一臺高端的車銑設備來說，CAM軟件是必不可少的工具之一。

1 GibbsCAM界面功能簡述

    圖1是GibbsCAM的界面；1～12標明了GibbsCAM的初級界面，然而在初級界面之下，還有更多的子選項與子功能，因篇幅關系，本文著重介紹以下幾條功能：

    (1)工藝列表是用來定義刀具路徑和產生操作的。1個工藝項目有刀具列表中的單一刀具和加工面板中的1個加工策略2個要素。當這2個要素被拖拽在同1個工藝項目中時，1個工藝動作產生。安全平面值、切削深度、進給率、主軸轉速、加工刀具始末路徑及其他項目都在工藝對話框中定義。一般需要選擇待加工的幾何圖素或實體曲面等，然后對工藝對話框中的項目進行定義，定義結束后在加工面板下按下進行按鈕產生工序操作，也就是刀具路徑，當刀具路徑生成，1個或多個操作將產生在操作列表下，一旦操作已經產生，工藝項目可以刪除，因為結果已經產生并且存儲在操作列表中。

    (2)加工面板  列出了該軟件的所有加工策略，比如粗加工、精加工、車銑鉆孔、車螺紋、公用操作（主副軸之間的對接同步操作）、曲面加工、螺紋銑削等等。這些加工策略幾乎涵蓋了機械加工行業的所有加工動作。

    (3)操作列表是通過工藝和刀具產生的，它存儲了刀具路徑和工藝信息。

    (4)刀具列表提供定義切削工件的刀具，它包含對刀具種類、尺寸的定義，比如加工曲面需要球頭刀，就在刀具列表里選擇球頭刀，然后再定義球頭刀的直徑、刃長及材質等項目。刀具項目顯示刀具的類型和尺寸，它隨著刀具的定義及時改變。刀具列表同時包含銑刀和車刀，每種刀具擁有唯一的圖片。

    (5)視圖控制面板可以很快地改變當前工件的顯示視角，可以隨便旋轉、重繪、取消及放大工件。

    (6)垃圾箱可以刪除屏幕上的一些對象（如列表中的項目、圖素或實體等），它的功能等同于按下Delete鍵。

2 GibbsCAM編程加工應用

    2.1 CAM軟件背景

    作為一名數控加工工藝與編程的工作人員，程序編制的好壞直接影響著最終零件的形位尺寸及表面粗糙度，編制的程序體現了加工工藝的優化與否，直接影響著數控機床的有效利用率。各種編程軟件只是1種工具，具體的加工工藝安排、加工參數的設定及刀具的選擇必須人為地去操作設定。隨著現代社會的飛速發展，各種CAD/CAM軟件的不斷出現，很大程度上提高了當前的制造業水平。筆者也曾接觸過其他一些編程軟件，比如UG、Delcam的PM、MasterCAM、Cimatron E7.0及國產的CAXA制造工程師等軟件，可以說各類軟件有著各自的優缺點，像3-Axis Mill CAM已經接近于成熟階段。目前隨著多軸聯動機床的不斷涌現，很多多軸聯動編程軟件在市場上也不斷更新亮相。但對于車銑復合類編程軟件相對較少。然而任何軟件都必須要針對不同的機床進行機床后置處理的二次開發，因為軟件原帶的后置乃是一個通用后置，并不能用于所有機床。目前國內許多CAD/CAM軟件用戶對軟件的應用只停留在CAD模塊上，對CAM模塊的應用效率不高，其中1個非常關鍵的原因就是沒有配備專用的后置處理器，或只配備了通用后置處理器而沒有根據數控機床特點進行必要的二次開發，由此生成的代碼還需人工做大量的修改，嚴重影響了CAM模塊的應用效果。

    2.2 CAM軟件期望效果

    近幾年來，我國數控機床技術有了顯著發展，數控機床的數量（包括從國外進口的數控機床）在不斷的上升。但我國企業目前數控設備的利用率普遍偏低，數控設備利用率約20%～30%(工業發達國家達60%～80%)、開機率50%～80%（工業發達國家95%）、主軸利用率40%～60%（工業發達國家95%）、加工效率僅達3～5kg/h(為工業發達國家30～50kg/h的1/10)。主要表現為數控機床性能沒有完全發揮、多軸單用、數控普用、工藝水平落后等，其中影響我們機床利用率的1個最主要原因就是，機床停機時間太長。

    因為現在大多數企業生產車間都是串行的生產模式，如圖2所示，這種生產模式從看到圖紙一直到工件開始加工都是由工人一人完成，中間的所有動作都是鏈條式的，只有做完了一步才能接著做下一步，屬于分步進行的。

    假如我們利用1款適合于本企業產品零件的CAM軟件，加之一些生產政策調整，我們可以利用如圖3所示的并行生產模式，這種生產模式把1個工件從圖紙到成型的各個過程分布式但同步進行，機床還在加工其他工件時，下一個待加工工件的程序和刀具列表已經輸出，裝刀工人可以開始準備刀具，校車工可以識別程序準備校車。所有輔助加工過程都是在同時進行，單位時間里就做了比第一種生產模式更多的事情，這種生產模式可以很大程度地提高機床利用效率，讓機床只在安裝刀具時停止運行。然而該種生產模式需要1個相對較好的CAM軟件。筆者認為，目前我們并不能完全脫離手工編程進行計算機編程，因為無論多完美的軟件總有某些功能的欠缺。再加之現在的產品逐漸向多品種小批量模式轉化，不同的零件特征部位就需要不同的加工策略，任何一款軟件不可能做到覆蓋所有機械加工類別，所以仍要以計算機編程為主，手工編程為輔，來提高1個機加車間的生產效率。

    2.3 GibbsCAM典型工件編程舉例

    CAM軟件只是1個工具，任何工件的加工都離不開工藝的指導，但是工藝的確定，也必須有一款完美的CAM軟件為之輔助，1臺好的設計師更需要對工件加工工藝有較強的認知，這樣設計出的產品才能保證具有完美的加工流暢性。合理確定數控加工工藝對實現優質、高效、經濟的數控加工具有極為重要的作用。其內容包括選擇合適的機床、刀具、夾具、走刀路線及切削用量等，只有選擇合適的工藝參數及切削策略才能獲得理想的加工效果。

    2.3.1 典型工件實例

 1道工序是指1個（或l組）工人，在1臺機床上（或1個工作地點）對1個（或同時對幾個）工件所連續完成的那部分工藝過程。也就是說原始加工方法中，需要用3臺機床，至少要裝夾3次。這種加工方法嚴重影響加工效率和生產成本，嚴重影響工件加工精度和各種形位公差（同軸度、對稱度等），2臺銑床對它加工時都必須做工裝爽具，然而執行工序1中的車外圓時由于機床的軸向誤差會在外圓柱面上產生圓跳動，這給后道工序2中的工裝夾具制造帶來了不少麻煩。而且通常都要做好幾套夾具，針對不同的圓柱面使用不同的夾具，每加工完1個工件都要花一段時間去更換夾具，這些弊端給生產帶來了不可估量的損失。

    自從公司新購進1款GibbsCAM軟件后，使得加工過程可以采用另外1種工藝安排進行加工。GibbsCAM編程加工法只需1道工序，減少了輔助加工時間，加工效率提高了30%。

    下面詳細介紹特殊加工工步中，GibbsCAM軟件編程在車銑復合機床上的加工方法：

    (1)棒料毛坯裝夾在主軸上（直徑為110mm的鋁合金棒料，通用夾具即可），主軸加工。

    (2)平端面、車外圓、鉆孔、鏜孔、鉤內槽、半精車、半精鏜孔（屬于簡單類兩軸車加工）。

    (3)銑外圓柱面上3條螺旋槽，如圖5所示。此螺旋槽寬3.2mm，用直徑3mm的銑刀銑削，總共走了3刀。以前一直考慮第一刀和后兩刀能不能設置不同的進給量（走刀速度），因為第一刀是滿刀切削，后兩刀只吃刀（走步距）0.1mm的余量。現在用GibbsCAM軟件解決了該問題，可以通過“可變進給速率”來控制想要的進給量，大大節約了加工時間。轉速S2500，進給量不同的地方分別為F200、F400，加工時間3min。

    該零件部位特征為3條均布于外圓柱面上的螺旋槽，加工時ZC兩軸聯動，利用GibbsCAM軟件可按以下順序進行編程：

    ①利用工作群組列表新建1個工作群組，將名稱更改為您所熟悉的通用名稱，比如改為“銑螺旋槽”，后續對螺旋槽的編程動作將存儲在該工作群組里。

    ②利用坐標系群組新建1個坐標系，新建的坐標必須正對您所要編制的那條螺旋槽，假如我們所做的該零件的CAD模型中，ZX平面正處于機床C軸零位，那么YZ平面就正好與C軸零位成90°角。在新建坐標系之前，首先就在GibbsCAM軟件坐標系列表中選中YZ平面，使工作界面中的坐標系處于YZ平面上，然后點擊坐標系列表中的“新工作群組”，將產生1個新的坐標系，再點擊頂層面板中的“坐標系統面板”，利用“坐標系統面板”中的“對齊C平面”功能，使剛才所新建的坐標系以YZ坐標為基準，逆時針旋轉60°角，我們可以把這個坐標系改名為“Y2-60”以便區分于別的坐標系。

    ③在工作界面中對該零件的螺旋槽進行曲線編輯，使該螺旋槽成為1個封閉的曲線框螺旋槽。可按下面順序進行取線操作：首先按下主菜單中的“選面”功能，選取螺旋槽所在的零件圓柱曲面；然后點擊“幾何圖素繪制面板”中的“由實體抽取”按鍵，進入“由實體抽取”的子選項中，選擇“圖形抽取”功能，即完成了對該螺旋槽曲面的線條抽取，對抽取的線條進行編輯，使之成為封閉的螺旋槽曲線框。

    ④雙擊該封閉螺旋槽曲線框，使之處于一種被選中的狀態，點擊主菜單中的“修改”，再次點擊“修改”下的“展開幾何”功能，所選中的曲線框便被展開在之前所新建的“Y2-60”平面上，成為1個面封閉曲線框。

    ⑤在刀具列表中選擇1把3mm直徑的端面立銑刀，一般3mm的立銑刀刃長為8mm，可在刀具對話框中設置刃長為8mm。設置刀具刃長與實際項符合，可起到實際加工與軟件模擬仿真加工互相監督驗證的作用。

    ⑥在加工面板中選擇銑功能中的“粗加工”項目，并且把它拖拽到工藝列表中，然后把刀具列表中的φ3mm銑刀拖拽到工藝列表中的粗加工項目下。此時便會彈出1個粗加工對話框，對粗加工對話框里的工藝參數進行設置：先選擇“挖槽”主功能下的“偏移”子選項；然后給定主軸轉速S2500，進給量為F200，設定進給加工之前的安全點及需要加工的深度尺寸；最后選擇“旋轉”主功能下的“加工坐標系統”為之前新建的“Y2-60”坐標系，選中“旋轉銑削”方式。

    ⑦點擊加工面板下的“進行”按鈕，該條螺旋槽的刀具路徑便會被產生并且存儲在操作列表中。   

    此螺旋槽的程序編制過程中，針對用φ3mm的銑刀銑削寬度為3.2mm的螺旋槽，我們希望第1刀滿刀切削時，走刀速度慢一些，但當走完第1刀，剩下的余量吃刀（走步距）切削時，希望走刀速度快一些，然而它的刀具路徑都是在1個工藝操作中產生的，1個粗加工對話框中只能輸入1個進給量F200。此時便可使用GibbsCAM的可變進給率功能，來實現所希望產生的作用效果。如圖6所示，可通過在相應的銑螺旋槽操作列表項目上右擊鼠標選擇“速率標記”功能按鈕，彈出“切削速率標記”對話框，在標記類型中選擇“可變進給速率”選項，然后便可以對不同的刀具路徑點賦予不同的進給值，以達到我們的期望效果。可變進給速率功能的有效利用可以使金屬切除加工效率在原有的基礎上增大40%以上。

   (4)銑柱面，如圖7所示，該圓柱面編程較簡單，只需在YZ平面上的圓柱底面圍繞圓柱取一段曲線圓弧即可，利用φ10mm球頭銑刀轉速S2000，進給量F150，加工時間為1min6s。編制該特征時，使用加工面板里的銑功能中輪廓切削加工法，把“輪廓切屑”項目和φ10 mm的球頭銑刀拖拽人同一個工藝列表項目中，彈出“輪廓”對話框，在對話框里設置加工參數，“旋轉”選項里選擇加工坐標系統為YZ平面，然后直接在工作平面上選擇之前取出的曲線圓弧，定義始末兩點，點擊“加工面板”上的“進行”按鈕即可。

    (5)銑曲面，如圖8所示。該曲面采用φ10mm的球頭銑刀銑削，GibbsCAM編程時采用曲面加工法，只需控制轉速、進給量和加工步距即可。加工步距0.05mm，轉速S2000，進給量F500，加工時間18min（曲面最大直徑為68mm)。應用“加工面板”上的“曲面”功能進行編程，將“曲面”和(φ10 mm球刀拖拽入同一個工藝列表項目中，彈出“曲面加工”對話框，點擊“曲面”選項選擇“曲面流切削方式”設定加工參數，選擇XY平面，點擊“加工面板”上的“進行”按鈕即可。

    主軸加工程序編制結束后，應用公用操作，編制E軸對接切斷的程序，公用操作是根據機床結構而單獨定制的1個虛擬機床宏定義VMM(Virtual Machine Macro)。將加工面板上的“公用操作”項目拖拽入工藝列表中，將會彈出“公用”對話框，然后按照以下順序進行：

    ①在公用對話框中選擇“移動刀塔”選項，移動刀塔可根據機床架構來決定是否使用，因為筆者接觸的車銑復合機床，當E軸伸出到主軸接工件時，上刀塔必須往Z的負方向移動，讓出足夠的空間，使E軸對接切斷。然后可以手動定義刀塔需要移動到的位置，點擊“新的位置”在X、Z下輸入坐標值，點擊加工面板下的“進行”即可；

    ②在公用對話框中選擇“次要主軸人”選項，軟件里的次要主軸即是機床的E軸，接著在“主軸啟動”下選擇“逆向”，因為是使用上刀塔切斷，主軸必須反轉，這樣才能使刀具的切削刃口與主軸轉向一致，否則會發生毀壞刀具的事件，然后設定“主軸轉速”為1000，“Z安全平面”為10，Z安全平面是E快速伸出接近主軸對接前的1個安全位置，“進給率”為500，“Z夾持位置”為-40，Z夾持位置是副軸裝夾工件的Z向長度，也就是夾持量，點擊“進行”即可。以上這項選項里的參數可以根據工件的尺寸自行設置；

    ③此時E軸已經對接上主軸，接下來做切斷的程序，從刀具列表里拖拽一把寬為3mm的切斷刀到工藝列表中，從加工面板中選擇車功能的“輪廓切削”功能，并將它拖拽入工藝列表中，便會彈出“輪廓”對話框，設定加工參數，選擇ZX平面，拾取切斷處的線條，定義始末兩點，點擊“進行”即可；

    ④將公用操作拖拽入工藝列表中，選擇“次要主軸歸位”選項，定義主軸轉速和進給率，點擊“進行”即可。

    (6)主軸加工完畢，E軸伸出對接切斷，開始副軸加工，副軸加工中，有個銑削與水平面成50.29°的特征平面。下面就介紹一下銑削斜平面的編程方法：

    銑斜面（該斜面與水平面成50.29°角），如圖9所示，采用φ10mm立銑刀，GibbsCAM利用1條直線就能編出銑斜面程序，只需在軟件里面設置角度為50.29°，可按以下順序編制：將加工面板上銑功能中的“輪廓切削”項目和刀具列表中的φ10mm銑刀拖拽同1個工藝列表項目中，彈出“輪廓”對話框，設定加工參數，點擊安全平面下的圖標，彈出“壁面選擇”對話框，選中里面的“錐度W倒角”選項，設置里面的“邊斜度”為50.29，點擊“進行”即可。

    根據比較，GibbsCAM編程法加工1個完整的工件用了1h20min42s，之前原始加工法分3道工序用時為1h43min，GibbsCAM編程加工后集中了工序，保證了零件的各種形位公差，做到了1次裝夾全部加工完成，工件加工報廢率減小了80%以上，減少了原始加工中的制作工裝夾具的輔助時間，生產率提高了30%。在數控加工領域中，CAM的成本可以很快的從增加的收益中收回，多主軸多刀架的設備，通過CAM軟件可以很有效地設置加工節拍，充分發揮雙刀架的加工效率。此外，對于多坐標聯動的加工更是離不開CAM軟件的支持。高效加工不僅僅是一種加工方式，更是一種理念，它涵蓋了設備、刀具、工藝流程優化、CAM應用等多個領域范疇。

2.3.2 機床后置處理

    (1)后處理的功能作用

    數控機床是通過識別NC程序來控制各種快速定位、進給運動、停止等來進行工件的機械加工，NC程序有手工編制和自動編制兩種方式。后處理就是用在自動編程方面，任何一款CAM軟件做完刀具、加工參數、工藝等一系列工作以后都需要通過相應的后處理來將之前的一系列加工步驟轉化為NC程序，后處理是CAM的重要組成部分。它包括加工刀具路徑文件的生成和機床數控代碼指令集的生成。加工刀具路徑文件可利用CAD/CAM軟件，根據加工對象的結構特征、加工環境特征（其中包括機床一夾具一刀具一工件所組成的具體工序加工系統的特征）以及加工工藝設計的具體特征來生成描述加工過程的刀具路徑文件。通過后置處理器讀取由CAM系統生成的刀具路徑文件，從中提取相關的加工信息，并根據指定數控機床的特點及NC程序格式要求進行分析、判斷和處理，最終生成數控機床所能直接識別的NC程序，就是數控加工的后置處理。數控加工后置處理是CAD/CAM集成系統非常重要的組成部分，它直接影響CAD/CAM軟件的使用效果及工件的加工質量。

    (2)GibbsCAM后處理程序生成過程

    當做完所有工步加工程序編制時，最后一步就是應用后置處理生成NC代碼。CibbsCAM因為專門定制了機床定義文件MDD(Machine Definition Documents)和VMM文件對軟件編程環境做了控制，使得后囂處理具有了針對不同機床很強的專業性。當程序編好后頂層面板上后置處理器便會被激活，點擊“后置處理器”按鈕，彈出后處理對話框，點擊“后處理”按鈕，選擇相應的機床后置處理文件，點擊“輸出檔案”按鈕，指定存儲NC程序位置，點擊“程序”按鈕，該零件的NC程序便自動生成。

3 結語

    CAM運用是1個企業從原始加工走向零件數字化制造的1個必需品，1款優秀的CAM軟件可以讓數控技術員的新工藝新技術得到驗證實施。本文從宏觀和微觀2個方位闡述了CAM軟件在當今制造業中的重要性，在競爭激烈的現代制造行業中，合理地利用CAM軟件，能夠縮短輔助加工時間，提高機床利用率。