CAD/CAM/CNC技术的发展前景
摘要：介绍了计算机辅助设计CAD及计算机辅助制造CAM的主要软件系统及其特点，同时介绍了CNC数控技术的特点及其发展前景，阐述了CAD/CAM/CNC软件系统之间的有机联系。
关键词：机械；计算机辅助设计；计算机数控技术
一、CAD/CAM的应用概况
CAD/CAM(计算机辅助设计及制造)技术产生于本世纪50年代后期发达国家的航空和军事工业中，随着计算机软硬件技术和计算机图形学技术的发展而迅速成长起来。CAD/CAM技术是一项综合性的，集计算机图形学、数据库、网络通讯等计算机及其他领域知识于一体的高新技术；是先进制造技术的重要组成部分；也是提高设计水平、缩短产品开发周期、增强行业竞争能力的一项关键技术。在CAD技术发展的初期，CAD仅限于计算机辅助绘图，随着计算机软、硬件技术的飞速发展，CAD技术才从三维平面绘图发展到三维产品建模，随之也就产生了三维线框造型、曲面造型以及实体造型技术。而如今参数化及变量化设计思想和特征造型则代表了当今CAD技术的发展方向。
经过近五十年的发展，CAD/CAM技术有了长足的进步。现代集成制造系统(CIMS)是借助计算机，把企业中与制造有关的各种技术系统地集成起来，进而提高企业适应市场竞争的能力。CIMS是工业自动化的发展方向。作为CIMS核心技术的CAD/CAM系统，主要支持和实现产品对象的设计、分析、工艺规划、数控编程等一系列生产活动的自动化处理。近几年，随着计算机和数控技术的飞速发展，CAD/CAM已逐渐进入实用化阶段，广泛应用于航空航天、汽车、机械、模具制造、家电、玩具等行业。特别是CNC数控机床的普遍使用，使得CAD/CAM技术成为企业实现高度自动化设计及加工的有效手段之一。
二、CAD/CAM软件系统的特点
CAD/CAM软件系统具备以下特点：
1.操作使用的方便性
一个好的软件应便于初学者掌握，操作简便实用，一般应包含供初学者使用的学习模块和即时帮助系统。
2.软件的集成化程度
一个完整的CAD/CAM软件系统是由多个功能模块组成的，如三维绘图、图形编辑、曲面造型、数控加工、有限元分析、仿真模拟、动态显示等。这些模块应该以工程数据库为基础，进行统一管理。这样既保持了底层数据的完整性和一致性，实现了数据共享，又节约了系统资源和运行时间。
3.CAD功能
CAD软件系统能设计制作出既满足设计使用要求又适合CAM加工的零件模型。优秀的CAD系统是一个高效的设计工具，应具有参数化设计功能，三维实体模型与二维工程图形应能相互转化并关联。CAD可分为自动设计和交互设计两类。自动设计效率高，但灵活性差，只适用于标准化程度高、产品结构固定的产品；交互设计灵活性大，能充分发挥设计人员的主观能动性，但效率低，交互愈多愈复杂效率愈低。
4.CAM功能
CAM功能提供一种交互式编程并产生加工轨迹的方法，它包括加工规划、刀具设定、工艺参数设置等内容。CAM功能检测应注意以下几方面：
(1)建立三维和三维刀具路径的难易程度；
(2)加工方法的多样性；
(3)刀具路径是否易于编辑和修改；
(4)是否有刀具和材料数据库，使系统能自动生成进给速度和主轴转速；
(5)有无内置的防碰撞和防过切功能；
(6)能否手动超调任何机加工缺省值(如进给速度，主轴转速等)；
(7)能否对加工过程进行模拟和估算加工时间。
5.后处理程序及数控码输出
一般的CAD/CAM系统使用后处理程序提供用户化的数控码输出，使用户能够灵活地使用不同的数控装置。选择软件时，应了解以下几方面：
(1)提供哪些后处理和程序。是否包括车床、线切割、电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序；
(2)后处理程序能否细调，以使数控输出符合用户的要求；
(3)能否将NC程序反向处理，显示刀具路径。
常见的CAD/CAM软件有美国UGS公司的CAD/CAE/CAM一体化软件NX、当今最流行的二维绘图软件AutoCAD、美国参数技术公司(PTC)开发的CAD/CAM软件Pro/ENGINEER、应用广泛的中低档CAD/CAM软件MasterCAM等。这些软件在制造业的应用非常广泛，并且市场需求的快速变化和全球经济一体化极大地拓展了制造活动的深度和广度，推动制造业朝着自动化、智能化、集成化、网络化和全球化的方向发展。
三、数控编程技术
设计的最终目标是生产。CAD技术的发展及普及为设计工程师提供了先进的设计手段。然而，传统的加工技术及工具己不能适应设计技术的发展，计算机辅助制造技术(CAM)越来越成为加工需求的热点。数控编程是目前CAD/ＣＡＰＰ/CAM系统中最能明显发挥效益的环节之一，其在实现设计加工自动化、提高加工精度和加工质量、缩短产品研制周期等方面发挥着重要作用。数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点(cutter location point简称CL点)。刀位点一般取为刀具轴线与刀具表面的交点，多轴加工中还要给出刀轴矢量。
数控编程的核心工作是生成刀具轨迹，然后将其离散成刀位点，经后置处理产生数控加工程序。包括基于点、线、面和体的NC刀轨生成方法及基于特征的NC刀轨生成方法。
四、CAD/CAM及CNC系统之间的联系
目前比较成熟的CAM系统主要以两种形式实现CAD/CAM系统集成：一体化的CAD/CAM系统和相对独立的CAM系统如：MasterCAM、SurfCAM等)。前者以内部统一的数据格式直接从CAD系统获取产品几何模型，而后者主要通过中性文件从其它CAD系统获取产品几何模型。然而，无论是哪种形式的CAM系统，都由五个模块组成，即交互工艺参数输入模块、刀具轨迹生成模块、刀具轨迹编辑模块、三维加工动态仿真模块和后置处理模块。
按照传统的CAD/CAM系统和CNC系统的工作方式，CAM系统以直接或间接(通过中性文件)的方式从CAD系统获取产品的几何数据模型。CAM系统以三维几何模型中的点、线、面、或实体为驱动对象，生成加工刀具轨迹，并以刀具定位文件的形式经后置处理，以NC代码的形式提供给CNC机床，在整个CAD/CAM及CNC系统的运行过程中存在以下几方面的问题：
ｌ.CAM系统只能从CAD系统获取产品的低层几何信息，无法自动捕捉产品的几何形状信息和产品高层的功能和语义信息。因此，整个CAM过程必须在经验丰富的制造工程师的参与下，通过图形交互来完成。如：制造工程师必须选择加工对象(点、线、面或实体)、约束条件(装夹、干涉和碰撞等)、刀具、加工参数(切削方向、切深、进给量、进给速度等)。整个系统的自动化程度较低。
2.在CAM系统生成的刀具轨迹中，同样也只包含低层的几何信息(直线和圆
弧的几何定位信息)，以及少量的过程控制信息(如进给率、主轴转速、换刀等)。因此，下游的CNC系统既无法获取更高层的设计要求(如公差、表面光洁度等)，也无法得到与生成刀具轨迹有关的加工工艺参数。
3.CAM系统各个模块之间的产品数据不统一，各模块相对独立。例如刀具定位文件只记录刀具轨迹而不记录相应的加工工艺参数，三维动态仿真只记录刀具轨迹的干涉与碰撞，而不记录与其发生干涉和碰撞的加工对象及相关的加工工艺参数。
4.CAM系统是一个独立的系统。CAD系统与CAM系统之间没有统一的产品数据模型，即使是在一体化的集成CAD/CAM系统中，信息的共享也只是单向的和单一的。CAM系统不能充分理解和利用CAD系统有关产品的全部信息，尤其是与加工有关的特征信息，同样CAD系统也无法获取CAM系统产生的加工数据信息。这就给并行工程的实施带来了困难。实际上解决这些问题也是我们继续完善、发展CAD/CAM/CNC技术的努力方向。CNC的发展与CAD、CAM、CAE互相促进，相辅相成。CAD的发展，可以加速NC机床的设计；CAM的发展，可加速NC机床在实际生产中的应用；CAE的发展，使NC机床在整个机器制造业中应用更加广泛。
五、CAD/CAM技术的发展前景
从CAD的发展来看，未来的趋势将是与计算机模拟和工业设计技术的结合。在计算机网络化迅速发展，可用计算资源的丰富，计算机模拟在设计中的地位日见重要。随着CAD技术的普及应用越来越广泛，越来越深入，CAD技术正向着开放、集成、智能和标准化的方向发展。这在很大程度上说明了当今CAD/CAM技术的发展趋势。首先，开放性是决定一个系统能否真正达到实用化并转化为现实生产力的基础，这主要体现在系统的工作平台用户接口、应用开发环境及与其他系统的信息交换等方面。所谓集成就是向企业提供一体化的解决方案。并行工程是一种集成，企业的产品数据管理了(ＰＤＭ)也是一种集成。通过集成能最大限度地实现企业信息共享，建立新的企业运行方式，提高生产效率。另外，计算机仿真是借助计算机，利用系统模型对实际系统进行实验研究的过程。它随着计算机技术的发展而迅速地发展，在仿真中占有越来越重要的地位。计算机仿真技术的发展趋势；应用领域的扩大和仿真计算机的智能化。计算机仿真技术不仅在传统的工程技术领域(航空、航天、化工等方面)继续发展，而且扩大到社会经济、生物等许多非工程领域，此外，并行处理、人工智能、知识库和专家系统等技术的发展正影响着仿真计算机的发展。数控加工仿真利用计算机来模拟实际的加工过程，是验证数控加工程序的可靠性和预测切削过程约有力工具，以减少工件的试切，提高生产效率。另一方面，按照个人不同偏好的个性化的定制生产将是新世纪制造业的主流。如何满足这些要求，是CAD领域的研究者非常关注的问题。
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