智能加工的

CAM的发展是一个不断吸收和利用CAD及周边相关技术成果而不断发展的过程，它的基本处理方式及编程的目标对象对系统的结构、智能化水平等起着决定性的作用。CAM系统在APT时代，编程的目标对象为直接计算走刀轨迹。在曲面加工时代，CAM系统采用面向局部曲面的编程方式，系统可根据零件表面形状自动计算加工点位，在很大程度上提高了编程的自动化程度。新一代的CAM系统将采用以实体模型为载体，面向工艺数据、实体特征的基本处理方式，自动加载加工信息，使系统的智能化程度大大提高。

1. 智能加工的CAD/CAM

智能加工的CAD/CAM就是转换数字信息，将建模知识与编程加工充分地融为一体; CAD技术是CAD/CAM技术的基础，亦是一项理论与实践相结合的技术。

(1) CAD技术

①它是一个过程，在计算机环境下完成产品设计的创新、分析和修改，以达到预期的设计目标;

②它是一项产品建模技术，把产品的几何模型转化为数据模型，并将其储存在计算机内供后续的计算机辅助技术所共享，驱动产品生命周期的全过程。

由于CAD具有强大的功能 (建模、分析)，从而使设计者的设计工作更加数字化、立体化、真实化、正确化，CAD软件功能越强大 (命令越多，操作指令越多)，几何模型转化为产品数据模型越方便及智能化。

(2) CAM技术

CAM指应用计算机及其交互设备进行制造信息处理的全过程。它不仅包括应用计算机辅助手段编制数控程序，还包括利用计算机辅助完成生产前的准备及生产过程中的管理与控制工作，如计算机辅助工艺过程设计 (CAPP)、计算机辅助生产管理 (CAPM)、生产过程控制和质量监控等。CAM自动将几何参数通过工艺的设定转换为自动控制加工的程序，所以CAM软件功能越强大 (命令越多，操作指令越多)，数据的转换越真实、方便及智能化。

特别是，CAM软件的仿真功能，能随时在线虚拟加工，从而检查自动生成的程序的正确性。

实际应用中，CAD/CAM是以系统方式出现的，包括商品化CAD/CAM系统和企业根据应用目标构建的CAD/CAM系统。系统中包括设计与制造过程的3个主要环节，即CAD、CAPP (Computer Aided Process Planning) 和NCP (Numerical Control Programming)。其中，CAPP和NCP属于CAM范畴。完善的CAD/CAM系统一般包括产品设计、工程分析、工艺过程规划、数控编程、工程数据库以及系统接口几个部分，这些部分以不同的形式组合集成从而构成各种类型的系统。

2. CAD/CAM集成——共享和传输

①从信息的角度看，集成就是信息共享，即CAD、CAPP和CAM各系统之间的数据提取、交换、共享和处理的集成。应用CAD/CAM集成技术，可使系统每一部分不必重新初始化。

②从硬件设备的角度看，CAD/CAM集成包括两层含义:

a. 内部集成，为使系统成为真正的开放式系统，并易于扩充，各个组成部分之间的接口必须一致;

b. 外部集成，为使一系统能嵌入另一系统而作为其组成部分，前者的外部接口必须和后者的内部接口一致。

3. Unigraphics CAD/CAM/CAE系统

Unigraphics (UG) CAD/CAM/CAE系统提供了一个基于过程的产品设计环境，使产品开发从设计到加工真正实现了数据的无缝集成，从而优化了企业的产品设计与制造。UG面向过程驱动的技术是虚拟产品开发的关键技术，在面向过程驱动技术的环境中，用户的全部产品以及精确的数据模型能够在产品开发的全过程的各个环节保持相关，从而有效地实现了并行工程。UG具有统一的数据库，真正实现了CAD/CAE/CAM等各模块之间的无数据交换的自由交换，可实施并行工程。采用复合建模技术，可将实体建模、曲面建模、线框建模、显示几何建模与参数化建模融为一体。

零件是千变万化的，而UGCAM (加工) 的加工模式却是有限的，深刻理解UG的加工思想、刀位轨迹的算法，以及巧妙地组合加工模式、方法，灵活地使用各种参数，从而提出有针对性的解决方案。

近几年，以色列的Cimatron (思美创) CAD/CAE/CAM软件由于其快捷建模和自动编程功能，在我国应用得越来越广泛。这其中包括3个层面:

(1) 技术层面

①Cimatron是一个CAD/CAM一体化的软件，所有软件功能都基于同一个数据库，从而保证操作者的工作流畅、稳定、安全、高效，是目前国际上主流软件所采用的技术。

②Cimatron从2000年开始研制新一代的CAD/CAM软件Cimatron E，采用当前世界上最先进的计算机图形图像技术，如100%内置的Windows技术、面向对象的编程技术、最先进的ACIS几何造型技术、最稳定的D-cuble加工编程技术，以及最优化的人机工程技术等。

③Cimatron具有专业的数控加工技术，发展迅速。采用Cimatron的数控加工平台，与同类产品相比，可以使产品加工的效率提升30%。

④Cimatron独特的新技术革命: 独有的纳米级微铣削技术提升了表面加工精度，独有的加工预览技术缩短了工艺流程、减少了编程时间，领先的余量控制技术减少了机床和刀具的损耗，领先的刀路优化技术减少了机床占用时间，领先的多轴加工技术 (多轴航空铣) 使数控设备增值，同时还具有先进的车铣复合与多任务加工技术和批量加工技术。

(2) 服务层面

①Cimatron在国内用户众多，售后服务技术强大，具有熟知数控加工的专业销售人员和工程技术人员，这些人才不是简单的CAD/CAM软件使用人员，而是资深的掌握制造行业背景知识和实际经验并熟练应用专业的设计加工软件的复合型人才，可以为客户成功实施产品设计加工平台的更新，使产品加工的效率提升30%。

②Cimatron在国内有一个完整的教育培训体系，与各地的教育机构一起创建了数十家培训中心，提供教学软件数千套，每年为企业培训数千名软件操作者，形成了用户、学校、Cimatron公司三赢的良好发展局面。

(3) 市场层面

①Cimatron市场部与国内数十家平面和网络媒体合作，共同推广加工制造的先进技术。

②Cimatron OEM生产开发部与世界顶级的机床供应商、刀具供应商和数控系统供应商共同研究开发产品制造的先进技术。

4. CAD/CAM的应用

CAD/CAM的应用不仅把数控编程人员从烦琐的手工编程工作中解放了出来，而且对机床数控系统软件产生了重要影响。

(1) 对轮廓插补功能的影响

轮廓插补功能是数控机床实现轮廓加工的基本功能。现在常用的机床数控系统一般均有直线插补功能、圆弧插补功能、螺旋线插补功能和抛物线插补功能等，这些功能分别有各自的软件模块，因而数控系统软件比较庞大、复杂。由于任何形状的工件轮廓在满足加工精度要求的条件下均可用微小直线段来逼近，所以数控加工时理论上只需要直线插补功能，其他插补功能可省略。CAD/CAM软件可以在计算机上很方便地求出逼近轮廓的各微小直线段的刀位点数据，生成仅含有G01代码的数控加工程序。

(2) 对刀具补偿功能的影响

刀具补偿是机床数控系统的又一个重要功能。手工编程时用G41、G42代码建立左、右刀具半径补偿，用G40撤销刀具半径补偿，用G43、G44建立刀具长度的正、负补偿，用G49撤销刀具长度补偿。加工时，数控系统的刀具补偿软件根据工件轮廓、刀具参数和刀具补偿代码等自动计算出刀具加工轨迹。CAD/CAM软件同样可以实现刀具补偿功能，但不需要刀具补偿代码。

(3) 对其他数控加工功能的影响

机床数控系统中有固定循环功能［比如数控车床有简单循环 (G90、G94) 和多重固定循环 (G70、G71、G75); 数控铣床、加工中心有钻孔循环(G73、G81、G83) 和镗孔循环 (85、G86)］、镜像加工功能 (对称零件编程时常用的重要功能)、子程序功能或宏程序功能 (一个零件中有几处形状相同或刀具加工轨迹相同时常用)、图形旋转和缩放加工功能等。以上功能在手工编程时经常使用，使用CAD/CAM软件时，根据加工造型可以很方便地得到上述各功能的刀具加工轨迹，机床数控系统中没有上述功能完全不影响数控加工。

基于上述分析，CAD/CAM一体化技术对机床数控系统的影响主要表现在以下两个方面:

①使用CAD/CAM一体化技术可以大幅度简化机床数控系统软件，有利于数控系统的更新换代和新系统的开发研制。

②CAD/CAM软件生成的数控加工程序所用的G代码种类较少、编程难度小、效率高、可靠，有利于数控加工技术的推广应用。

5. 基于实体特征的智能化加工

在编程过程中，我们希望能将实体模型中所有对加工有用的信息，包括几何信息、工艺信息、零件材料信息等都提取出来，让CAM系统加以利用，将编程人员从这些烦琐的数据中解放出来。而对于编程的控制，编程人员只需掌控和调整系统无法决定的工艺参数，优化设置，从而在人工干预保证加工工艺的同时，实现快速、精准、智能化的编程操作。由上所述，要实现智能化的编程操作，前提是系统能够自动识别实体模型中的相关加工信息，并将其加载到系统中。同时，系统必须根据识别的加工信息，帮助编程人员完成加工方法的选择、参数设置、刀具的选择、专家数据库的调用、切削用量的设定等操作，在编程人员少量人工干预的情况下，自动完成加工对象的编程操作。

(1) 查找实体模型加工特征

要对实体模型进行加工特征查找，一个重要前提便是实体模型中没有任何数据丢失。任何中间数据格式的零件模型 (如IGES、STL、STEP等) 都会不同程度地丢失模型中的数据，造成无法充分利用实体模型的加工信息。因此，若要充分利用实体模型实现智能加工，直接读取CAD零件模型以保证模型数据完整是至关重要的。在CAM系统中，将零件模型中需要的加工特征提取出来，系统自动找到模型的几何参数信息、工艺信息，将其作为后面编程操作的依据。

(2) 加工方法自动判定

由于加工特征中包含了完整的加工信息，因此系统可根据这些加工信息自动筛选出合适的加工方法。在传统的编程操作中，加工方法的选用都是由编程人员根据加工对象的特性和对预计刀具路径形状的判断，选择一种合适的加工方法。而要实现智能化编程，必须赋予系统自动判断加工方法的能力。实现了这关键的一步，意味着系统可根据加工方法识别并加载更多的加工信息。

(3) 自动设置加工参数

真正的实体加工，应是充分利用实体模型所能承载的几何信息、材料信息、工艺信息，自动判断并调用所需的参数，以实现更精确、智能的走刀控制。而在整个编程过程中，编程人员扮演的只是一个引导和协调的角色，减少了人工操作的不准确性对编程带来的影响，从根本上提高了程序的精度。

同时，CAM系统的智能化发展离不开CAD系统的支持。随着CAD周边技术的不断发展，原有的单一承载零件几何信息的实体模型已不能满足生产的需要。我们希望零件模型中能够包含零件材料、公差、粗糙度等工艺信息，满足CAPP/CAM系统对零件工艺设置的要求。目前，各CAD厂商已意识到了这一点，但技术还有待提高，而直接将这些工艺信息读入CAM系统中更是非常困难，阻碍了CAM智能化发展的步伐。

(4) 基于特征加工技术的全自动编程

若能有效地利用实体模型携带的加工信息，并通过系统自动识别加工特征、自动筛选加工方法、自动设置加工参数的功能，实现无人工干预的全自动的编程操作是完全可能的。策略管理器可将一些基本的加工方法，通过编程流程树的方式组合起来，以形成一种全新的“加工方法”，并将这种“加工方法”称为“加工策略”。针对零件特征使用这种加工策略，系统可自行判断加工对象，并加载合适的加工参数，自动生成刀具路径，整个过程无须人工干预，实现了全自动编程的目标，是一种非常具有代表性的特征加工方法。首先采用实体加工的编程方式生成一个最基本的加工工序，如预钻孔加工、沉头孔加工、50mm以下小型腔加工等，将这个加工工序复制并粘贴到策略管理器中，将其作为程序流程树中的一个基本加工节点。重复前面的操作，创建更多的基本加工节点，将这些加工节点拖曳到图形工作区中，按照一定的编程逻辑关系将其组成一个完整的加工流程树。在这个流程树中，可根据需要添加一些判断节点、组节点、结束节点等。在应用加工策略 (加工流程树) 时，需先查找出实体零件模型的加工特征，针对这些特征应用加工策略。系统可根据策略中设置的判断节点对特征类别加以判断，确定采用何种加工方法、加工参数、优化方式完成每一个特征的加工。如孔系加工中可以看到，该策略是一个完整的孔加工策略，在制订该加工策略时，添加了对特征进行判断的节点，因此这里可以选择所有的特征来应用这个加工策略。对于非孔类特征 (如型腔和外形加工特征) 不适合处理，则直接运行到“结束”节点结束流程; 而对于孔特征，则按照策略流程树中设置的流程进行处理，流程运行结束即可得到完整的刀具路径。

在整个策略加工过程中，编程人员只需调用加工策略，无须设置任何加工参数，系统可自动识别并加载所需的加工信息，按照设置的加工流程完成全自动的编程操作，可以认为是一种真正的智能化编程方式。

6. 虚拟制造技术

虚拟制造技术是在计算机上实现 (模拟) 产品从设计、生产到检验、使用的全部生命周期，以便检查和优化产品的设计和生产过程，及时进行修改和调整。在计算机上设计、生产的产品是可视化的“数字产品”，并不需要实际的材料、机床和能量，易于分析、校验和修改。只有在一切模拟和检验都通过后，才采用最佳的工艺和工厂管理方案，真正进行实际产品的生产。

当今全球制造业企业之间的竞争越来越激烈。企业要想赢得竞争，就要以市场和用户为中心，快速地响应市场的需求以及满足用户的需要。就是要以最短的产品开发时间 (Time)、最优的产品质量 (Quality)、最低的成本 (Cost) 和价格、最佳的服务 (Service)，也就是所谓的“TQCS”，去赢得用户和市场，这样，在智能加工的要求下，迫切需要虚拟制造技术。

应当指出的是，虚拟制造技术是一种软件技术，它填补了CAD、CAM和生产过程管理之间的技术鸿沟，以在计算机上制造数字化的产品为目的，而不直接制造真实的产品。真正的产品，归根到底，还是需要在车间内，由工人用机床一步一步地制造出来。然而，虚拟制造技术能够保证更加多快好省地把实际产品制造出来，使企业具有较强的市场竞争力，所以一些工业发达国家正不断地建立虚拟制造企业。虚拟制造企业是一个快速响应市场的、充分利用现有资源的、没有围墙的、超越空间约束的、靠计算机网络联系的，但它是统一指挥的、互惠互利的、实实在在的一个经济实体。近年来，在工业发达国家，以虚拟技术到虚拟企业，不断地发展，并不断地体现出它的生命力。

目前，虚拟制造技术在以下的10个方面应用的效果比较明显，即产品的外形设计、产品的布局设计、产品的运动和动力学仿真、热加工工艺模拟、加工过程仿真、产品装配仿真、虚拟样机与产品工作性能评测、产品的广告与推广、企业生产过程仿真与优化及虚拟研究开发中心与虚拟企业。其中产品的外形设计是一个极为重要的方面，例如以前汽车外形造型设计多采用泡沫塑料制造模型，需通过多次的评测和修改，费工费时。而采用虚拟现实技术的外形设计，可随时修改、评测，方案确定后的建模数据可直接用于冲压模具设计、仿真和加工，甚至用于广告和宣传。在其他产品 (如飞机、建筑和装修、家用电器、化妆品包装等) 的外形设计中，均有极大的优势。

7. CAD/CAM应用实例

基于Cimatron E的齿轮泵泵盖加工工艺分析如下所述。

在液压传动中，齿轮泵因其工作可靠、维修要求低、结构简单、成本低廉而被广泛采用，齿轮泵在各类液压泵中产量最大。但是随着科技的发展，社会生产实践推动齿轮泵向着高压化、高可靠性发展，这就对齿轮泵的设计与制造提出了更高的要求。对设计人员来说，如果在产品设计阶段就能够很直观地了解制造工艺过程，则能够方便地实时优化自己的设计方案。下面以Cimatron E为例，阐述工艺设计思路。

Cimatron E是当今最优秀的CAD/CAM软件之一，其3D设计工具融合了线框造型、曲面造型和实体造型，允许用户方便地处理获得的数据模型和进行产品的概念设计，Cimatron E支持具有高速铣削功能的2.5～5轴铣削加工，基于毛坯残留余量的加工和自动化加工模块，从而大大缩短了产品设计和加工时间。

(1) 泵盖加工工艺分析

如图2-6所示为泵盖零件图，材料为HT200，毛坯尺寸为170mm×110mm× 30mm，大批量生产。

图2-6 泵盖零件

该零件主要由平面、外轮廓以及孔系组成，其中轴承孔Φ32H7和销钉孔2×Φ6H83个内孔的表面粗糙度要求为Ra1.6μm; 而Φ12H7内孔的表面粗糙度要求为Ra0.8μm; Φ32H7内孔表面对面A有垂直度要求，上表面对面A有平行度要求。加工中，以A面定位，提高装夹刚度以满足Φ32H7内孔表面的垂直度要求。

对于精度较高、粗糙度值较小的表面，一般不能一次加工到规定的尺寸，而要划分加工阶段逐步进行加工。上、下表面及台阶面的粗糙度要求为Ra3.2μm，可选择粗铣—精铣方案。孔加工前，为便于钻头引正，先用中心钻加工中心孔，然后再钻孔。内孔表面的加工方案在很大程度上取决于内孔表面本身的尺寸精度和粗糙度。对孔Φ32H7，选择钻—粗镗—半精镗—精镗方案;对孔Φ12H7，选择钻—粗铰—精铰方案; 对孔6×Φ7和2×Φ6H8，根据其表面粗糙度要求选择钻—铰方案; 对孔Φ18和6×Φ10，选择钻孔—锪孔方案。

该零件毛坯外形比较规则，因此在加工上、下表面，台阶面及孔系时，选用平口虎钳夹紧; 在铣削外轮廓时，采用“一面两孔”定位方式，即以孔Φ32H7和孔Φ12H7定位，整个零件在加工中按照基面先行、先面后孔、先粗后精的原则确定加工顺序，外轮廓采用顺铣方式加工，刀具沿切线方向切入与切出。

(2) 泵盖的CAPP/CAM设计思路及过程

打开Cimatron E，根据零件图完成3D建模，输出到加工，根据上文工艺分析的结果，首先用平口虎钳装夹，用2.5轴的“毛坯环切”粗铣台阶面和上、下表面，生成刀具路径。刀具采用螺旋下刀，螺旋圆弧半径设置为10mm，刀具沿切线方向切入与切出。

以底面为定位基准，完成6×Φ10、2×Φ6H8、Φ32H7和Φ12H7孔的粗加工，然后以Φ32H7和Φ12H7两孔定位，以底面为基准完成零件外轮廓的精加工。粗加工结束后，精铣面A，再以面A为精基准，精加工上表面及各孔，这样能够很好地保证Φ32H7孔壁的垂直度要求和各孔之间的位置度要求以及上、下表面的垂直度。在泵盖零件中，Φ32H7和Φ12H7两孔与底面的垂直度和相互之间的位置度，直接影响齿轮泵吸排油齿轮轴线的平行度，如果误差过大，将使齿轮泵在运行过程中产生振动和噪声。

在加工过程中开启“快建走刀干涉检查”和“卡头干涉检查”，防止在设计过程中将某些台阶面的高度设置过高，导致刀具卡头在走刀过程中碰撞零件已加工部分。完成各工艺过程的参数设置后，就可以对后置处理进行适当修改，输出数控加工程序。