1 前言

　　CIMS是工業自動化的發展方向。作為CIMS核心技術的CAD /CAM系統,主要支持和實現產品對象的設計、分析、工藝規劃、數控編程等一系列生產活動的自動化處理。近幾年,隨著計算機和數控技術的飛速發展, CAD /CAM已廣泛應用于航空航天、汽車、機械、模具制造、家電、玩具等行業。特別是數控機床的普遍使用,使得CAD /CAM技術成為企業實現高度自動化設計及加工的有效手段之一。

　　數控網絡系統可以直接通過網絡讀取CAD /CAM系統生成的G代碼加工程序,并通過網絡傳輸給加工設備進行零件加工,數控車床的網絡化將大大提高數控系統對大容量數控程序的控制能力。

　　目前CAD/CAM系統運行的硬、軟件環境主要有兩種:一是工作站,另一是微機。工作站雖然性能優越,圖形處理速度快,但價格卻十分昂貴,這在一定程度上限制了CAD/CAM技術的推廣。隨著Pentium芯片和Windows2000 Server操作系統的出現并流行,以前只能運行在工作站上的CAD/CAM軟件現在也可以運行在微機上。由于微機的價格遠遠比工作站低,性能也不比中低檔工作站遜色多少,同時Windows2000 Server操作系統的安全性有了很大提高。所以,微機平臺為普及CAD /CAM應用創造了絕好的條件。在此基礎上, CAD/CAM軟件廠商展開了新一輪的競爭。一方面工作站上著名的CAD /CAM的軟件(如UG、CATIA)全功能地移植到微機平臺,使微機完全對等地實現了工作站環境的處理能力;另一方面CAD /CAM軟件打破了原有Unix環境的桎梏,在Windows平臺上全面拓展;同時微機與各種數控裝置的通訊技術日趨成熟, Pentium以上處理器和Windows2000Serve環境已經或者正在成為CAD /CAM軟件運行和應用的主要運行平臺。

2 CAD /CAM 數控網絡系統結構設計

　　CAD /CAM數控網絡系統的總體結構見(圖1) 。

　　CAD網絡系統方案采用C /S方案,用Windows2000 Serv2er作為CAD網絡服務器的操作系統,設計工藝站安裝的系統為Windows2000 Professional ,網絡協議為TPC / IP,服務器通過交換機與數控網絡進行通訊,實現數控程序的傳輸。設計人員可以在設計工藝站內調用CAD服務器中的CAD軟件進行設計和計算機編程,可通過Internet,利用異地服務器實現圖像、聲音、加工數據等文件的異地處理。

　　硬件系統平臺

　　計算機硬件平臺是CAD /CAM技術的基礎,計算機硬件的每一次技術突破都帶來CAD /CAM技術革命性的變化。把握硬件平臺的發展趨勢,選準未來的主流產品,是系統選型最基礎的工作。

　　數控網絡的硬件由服務器、設計工藝站和網絡組件三部件組成。其中文件服務器是系統的核心,它是運行網絡操作系統,為網絡提供通信控制、管理和共享資源服務的計算機;設計工藝站是指與服務器相連的、具有獨立運行能力的、能夠接受網絡服務器的控制和管理并可共享網絡資源的計算機;網絡組件中主要有網卡、交換機、通信電纜等設備。其中網卡安裝在計算機中,負責連接計算機與通信電纜,交換機主要用于星型網絡中設計工藝站的連接。采用100BASE-T高速以太網技術, PC上安裝用100 M以太網卡,用超5類雙鉸線與100M的集線器相聯形成星形網,高速以太網在工作站和服務器之間形成一個100 Mbp s的通道,保證數據和大容量數控程序的及時可靠傳輸。

　　數控網絡通過一臺服務器進行中央集中控制,將數據傳輸到車間服務器,再通過多組不同的數據通訊接口,直接管理、控制車間內數控機床。數控網絡服務器主要是用于提供數控加工服務,接收來自CAD服務器及遠程用戶的數控程序,并對數控機床進行配置和管理。

3　軟件系統平臺的選擇

　　3.1 選擇CAD/CAM 的原則

　　3.1.1 操作使用的方便性

　　首先應注意軟件的安裝對操作系統及硬件的要求,能否直接運行于普通配置的微機上,需要增加哪些專用配件。其次再檢查軟件的各個子系統,比如界面設計是否符合邏輯和便于閱讀,各級子菜單如何管理和顯示,用戶如何與系統交流等。一個好的軟件還應便于初學者掌握,操作簡便實用,一般應包含供初學者使用的學習模塊和即時幫助系統。

　　3.1.2 軟件的集成化程度

　　一個完整的CAD /CAM軟件系統是由多個功能模塊組成的,如三維繪圖、圖形編輯、曲面造型、數控加工、有限元分析、仿真模擬、動態顯示等。這些模塊應該以工程數據庫為基礎,進行統一管理。這樣既保持了底層數據的完整性和一致性,實現了數據共享,又節約了系統資源和運動時間。有些CAD /CAM軟件則以文件管理為基礎,導致數據冗余度大,占用存儲空間大,缺乏數據安全保護措施,不利于工程數據管理。

　　3.1.3 CAD功能

　　應能設計制作出既滿足設計使用要求又適合CAM加工的零件模型。優秀的CAD系統是一個高效的設計工具,應具有參數化設計功能,三維實體模型與二維工程圖形應能相互轉化并關聯。CAD可分為自動設計和交互設計兩類。自動設計效率高,但靈活性差,只適用于標準化程度高、產品結構固定的產品;交互設計靈活性大,能充分發揮設計人員的主觀能動性,但效率低,交互愈多愈復雜效率愈低。實際上,幾乎沒有純粹的自動設計或純粹的交互設計軟件,好的軟件能根據產品對象恰當地處理自動設計和交互設計的配合。另外,開放型的結構不僅便于用戶進行二次開發,同時也使軟件系統本身能夠不斷地擴充與完善。當然,還要考慮它與其它CAD /CAM軟件的兼容性,注意軟件所帶的圖形文件接口,看它能支持哪幾種圖形文件轉換,是否能從其它系統讀取圖形文件,或將本系統的圖形文件傳送到其它系統。

　　3.1.4 CAM功能

　　CAM功能應能提供一種交互式編程并產生加工軌跡的方法,它包括加工規劃、刀具設定、工藝參數設置等內容。CAM功能檢測應注意以下幾方面:

　　①建立二維和三維刀具路徑的難易程度;

　　②加工方法的多樣性;

　　③刀具路徑是否易于編輯和修改;

　　④是否有刀具和材料數據庫,使系統能自動生成進給速度和主軸轉速;

　　⑤有無內置的防碰撞和防過切功能;

　　⑥能否手動超調任何機加工缺省值(如進給速度,主軸轉速等) ;

　　⑦能否對加工過程進行模擬和估算加工時間。

　　3.1.5 后處理程序及數控碼輸出

　　一般的CAD /CAM系統使用后處理程序提供用戶化的數控碼輸出,使用戶能夠靈活地使用不同的數控裝置。選擇軟件時,應了解以下幾方面:

　　①提供哪些后處理和程序,是否包括車床、線切割、電火花機床或三維五軸數控編程的后處理程序;

　　②后處理程序能否細調, 以使數控輸出符合用戶的要求;

　　③能否將NC程序反向處理,顯示刀具路徑。

　　3.1.6升級方法和技術支援

　　應該了解該公司近幾年來更新版本的情況,確認升級方法;公司在我國或當地有無辦事處,可提供哪些技術支援;是否需要技術培訓,采用什么方式等。

　　3.2 基于微機的CAD /CAM 軟件包

　　建議根據制造企業的不同,可選擇以下幾種進行組合:

　　3.2.1 UG

　　Unigraphics(UG) 是美國EDS公司發布的CAD /CAE /CAM一體化軟件。廣泛應用于航空航天、汽車、通用機械及模具等領域。國內外已有許多科研院所和廠家選擇了UG作為企業的CAD /CAM系統。UG可運行于Windows NT平臺,無論裝配圖還是零件圖設計,都從三維實體造型開始,可視化程度很高。三維實體生成后,可自動生成二維視圖,如三視圖、軸側圖、剖視圖等。其三維CAD是參數化的,一個零件尺寸修改,可致使相關零件的變化。該軟件還具有人機交互方式下的有限元解算程序,可以進行應變、應力及位移分析。UG的CAM模塊提供了一種產生精確刀具路徑的方法,該模塊允許用戶通過觀察刀具運動來圖形化地編輯刀軌,如延伸、修剪等,其所帶的后處理程序支持多種數控機床。UG具有多種圖形文件接口,可用于復雜形體的造型設計,特別適合大型企業和研究所使用。

　　3.2.2 Pro /Engineer

　　Pro/Engineer是美國參數技術公司(PTC)開發的CAD/CAM軟件,在我國也有較多用戶。它采用面向對象的統一數據庫和全參數化造型技術,為三維實體造型提供了一個優良的平臺。其工業設計方案可以直接讀取內部的零件和裝配文件,當原始造型被修改后,具有自動更新的功能。其Moldesign模塊用于建立幾何外形,產生模具的模芯和腔體,產生精加工零件和完善的模具裝配文件。新近發布的版本,提供最佳加工路徑控制和智能化加工路徑創建,允許NC編程人員控制整體的加工路徑直到最細節的部分。該軟件還支持高速加工和多軸加工,帶有多種圖形文件接口。

　　3.2.3 Master CAM

　　由于價格便宜,Master CAM是一種應用廣泛的中低檔CAD/CAM軟件,由美國CNC Software公司開發。該軟件三維造型功能稍差,但操作簡便實用,容易學習。新的加工任選項使用戶具有更大的靈活性,如多曲面徑向切削和將刀具軌跡投影到數量不限的曲面上等功能。這個軟件還包括新的C軸編程功能,可順利將銑削和車削結合。其它功能,如直徑和端面切削、自動C軸橫向鉆孔、自動切削與刀具平面設定等,有助于高效的零件生產。其后處理程序支持銑削、車削、線切割、激光加工以及多軸加工。另外,Master CAM提供多種圖形文件接口,如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL 以及STL等。

　　3.2.4 Cimatron

　　Cimatron是Cimatron Technologies公司開發的,可運行于DOS、Windows或NT, 是早期的微機CAD /CAM 軟件。其CAD部分支持復雜曲線和復雜曲面造型設計,在中小型模具制造業有較大的市場。在確定工序所用的刀具后,其NC模塊能夠檢查出應在何處保留材料不加工,對零件上符合一定幾何或技術規則的區域進行加工。通過保存技術樣板,可以指示系統如何進行切削,可以重新應用于其它加工件,即所謂基于知識的加工。該軟件能夠對含有實體和曲面的混合模型進行加工。它還具有IGES、DXF、STA、CADL 等多種圖形文件接口。

　　3. 2. 5 AutoCAD

　　AutoCAD是Autodesk公司的主導產品。Autodesk公司是世界第四大PC軟件公司。目前在CAD /CAE /CAM工業領域內,該公司是擁有全球用戶量最多的軟件供應商,也是全球規模最大的基于PC平臺的CAD和動畫及可視化軟件企業。Autodesk公司的軟件產品已被廣泛地應用于機械設計、建筑設計、影視制作、視頻游戲開發以及Web網的數據開發等重大領域。AutoCAD是當今最流行的二維繪圖軟件,它在二維繪圖領域擁有廣泛的用戶群。AutoCAD有強大的二維功能,如繪圖、編輯、剖面線和圖案繪制、尺寸標注以及二次開發等功能,同時有部分三維功能。AutoCAD提供Au2toL ISP、ADS、ARX作為二次開發的工具。在許多實際應用領域(如機械、建筑、電子)中,一些軟件開發商在AutoCAD的基礎上已開發出許多符合實際應用的軟件,目前, Autodesk公司已經發布AutoCAD2004版。

4 數控網絡系統的特點

　　4.1 采用W indows環境

　　由于個人微機已經具備了與中低檔工作站競爭的實力,再加上其價格低廉,使得普及CAD /CAM 應用成為可能。Windows平臺上的新一代CAD /CAM軟件基本上都采用典型的Windows界面和操作規范,同時由于DDE和OLE技術的廣泛應用,這些CAD /CAM軟件可以與Windows平臺的其他軟件進行動態數據交換,也可以在不退出CAD /CAM軟件的前提下嵌入(或鏈接)其他應用程序的對象。

　　4.2 實用性強

　　實用性是系統的基本要求,也是最高需求。系統做到了一切面向實用,一切面向企業的實際,由網絡規模確定網絡構件的檔次和帶寬需求。考慮到企業的發展和技術進步,確保系統的持續穩定發展,強調實用性的同時,兼顧先進性。

　　4.3 集成化

　　該系統可將從零件設計到加工成品和整過生產過程的制造信息進行集成。

　　4.4 安全可靠性好

　　可以利用CAD/CAM對加工零件進行校核和仿真加工,消除不良因素,提高設計的精度和可靠性。

5 數控網絡的實現

　　該數控網絡可完成如下工作: CAD/CAM集成、計算機網絡、三維幾何造型,模具CAD 設計、數控自動編程、加工仿真、數控加工等。

　　以UG和MasterCAM軟件平臺為例,說明數控網絡的實現過程如下:

　　(a)根據產品要求進行零件的三維特征造型設計。實體零件特別是箱體,由于結構復雜,因此組成模型的特征較多,主要有拉伸特征、抽殼特征、特征的陣列、拉伸除料等組成。拉伸特征形成零件的主體、凸臺結構,其內部空殼由抽殼特征或拉伸除料特征組成。加強筋特征形成箱體的肋板,箱體上的油溝等由掃掠除料特征形成,孔特征及孔的特征陣列形成箱體零件上的軸孔、安裝孔、螺孔等,最后傾斜特征形成零件的拔模斜度、倒角、倒圓命令形成箱體上的倒角和圓角。

　　(b)零件數據的轉換。UG以IGES的存儲格式進行存儲,采用Mastercam可以讀取IGES格式來對零件格式進行轉換。

　　(c)確定加工工藝方案、路線規劃。在數控工藝路線設計時,首先要考慮加工順序的安排,重點是保證定位、夾緊工件時的剛性和利于保證加工精度,其次考慮數控加工工序與普通工序的銜接,全面地與整個工藝過程協調吻合,達到相互能滿足需要,且質量目標及技術要求明確,交換驗收有依據。

　　(d)加工工藝和加工方式規劃其主要內容包括:

　　·刀具選擇;　　·刀軌形式選擇;

　　·誤差控制;

　　·殘余高度的控制;

　　·切削工藝控制,包括切削用量控制(含背吃刀量、刀具進給速度、主軸旋轉方向和轉速控制等) ,加工余量控制、進退刀控制、冷卻控制等諸多內容,是影響加工精度、表面質量和加工損耗的重要因素;

　　·安全控制:包括安全高度,避讓區域等涉及加工安全的控制因素;

　　(e)建立刀庫:在Mastercam中的主菜單NC utils中先建立虛擬刀庫,再存入設置好之刀具。

　　(f)利用Mastercam分析零件的三維信息,建立加工實體,確定走刀路線及對刀點,從而實現刀具文件生成及加工軌跡的仿真,并對其調整及修改。

　　(g)數控機床上進行加工

　　將后處理的NC文件傳輸到數控機床上進行加工,其步驟如下:

　　準備階段—在機床上進行加工之前,要將毛坯裝夾好,選好刀具,確定好對刀位,將機床的狀態設置為接受程序輸入方式;

　　傳輸階段—數控程序編制完成,并通過后處理生成機床控制器能識別的NC文件,用數據線將計算機與機床控制器連接起來,并通過計算機專用軟件將計算機內的數控程序傳輸給機床控制器,采用DNC方式進行程序傳輸,實現聯機加工;

　　加工階段—在自動加工過程中,操作者要對切削加工的整個過程進行監控,防止其它非正常切削的發生。

6 結論

　　建立合適的基于微機的CAD/CAM數控網絡系統,將微機與CNC機床組成面向車間的系統,能大大提高設計效率和設計質量,充分發揮數控機床的優越性,提高整體生產水平,實現系統集成和設計制造的一體化。