浅谈CAM软件在实际生产中的应用

企业信息化e-works 2014-05-04 02:33:06

[b]本文选自中国制造业企业信息化门户网e-works，CAM专栏

到目前为止，计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）有狭义和广义的两个概念。CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。这是最初CAM系统的狭义概念。

到今天，CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。
CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。
而本文将对狭义的CAM中NC编程(CAM软件)进行分析，并结合实际使用中发现的问题进行说明。

2 目前现状
CAM(computer Aided Manufacturing，计算机辅助制造的核心是计算机数值控制(简称数控)，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。
前面说了CAM技术是指产品从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动。
因此CAM并不能单独存在，而是承接CAD技术依靠CAD技术以及CAPP来提供原始的数据，进行后续的数据编程活动(如图1)。

图1 CAD、CAM、CAPP的关系
2.1 数控编程原理
所谓数控编程是根据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或在人工干预下生成数控代码的过程。
数控系统是机床的控制部分，它根据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数，按照人机交互的方式生成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱动系统带动机床部件作相应的运动。
传统的数控机床（NC）上，零件的加工信息是存储在数控纸带上的，通过光电阅读机读取数控纸带上的信息，实现机床的加工控制。后来发展到计算机数控（CNC），功能得到很大的提高，可以将一次加工的所有信息一次性读入计算机内存，从而避免了频繁的启动阅读机。更先进的CNC机床甚至可以去掉光电阅读机，直接在计算机上编程，或者直接接收来自CAPP的信息，实现自动编程。后一种CNC机床是计算机集成制造系统的基础设备。现代CNC系统常具有以下功能：
(1)多坐标轴联动控制；(2)刀具位置补偿；(3)系统故障诊断；(4)在线编程；(5)加工、编程并行作业；(6)加工仿真；(7)刀具管理和监控；(8)在线检测。
然而大多数的编程软件并不是单纯的CAM软件，而是集CAD，CAE，CAM与一体的高级设计软件，亦或者时集CAD，CAM与一体。因而我们接触到的就是CAD/CAM技术。

2.2 具体事例
例如某进口品牌3D激光切管机，其使用的编程软件为自身设计（设备自带），编程软件本身具备：
①制品设计以及绘图功能。见图2。

图2 绘图功能
通过上述功能，可以制作常见的管材截面尺寸。也就是说软件具备简单的CAD功能。
②刀具位置补偿。通过补偿减少光束的影响(如图3)。

图3 刀具位置补偿
③系统故障诊断/加工仿真(如图4)。

图4 加工仿真
以上说明本CAM软件已经具备目前较先进的CNC软件的大部分功能。

另外一款针对某激光切割机开发的国产2D激光切割排版软件同样具备CAD功能，可以构建二维图形，并进行编辑。同时具备以下功能：
(1)多坐标轴联动控制；(2)刀具位置补偿；(3)系统故障诊断；(4)加工、编程并行作业；(5)加工仿真。
结合以上两款CAM编程软件以及其他编程软件可以分析得出大部分的CAM软件集CAD与一体。

图5 CAM软件集CAD与一体
这也是目前CAM编程软件的趋势。因此CAM/CAD集成化、一体化、自动化、智能化成为可能。
另外，上述两款软件除了上述功能外，还有其他功能。

图6 CAM软件的其他功能
从上图中可以看出，CAM软件编程中有“光束补偿”功能，主要作用为减少激光切割时割炬对尺寸的影响。此外“自动回避”功能，可以合理调整切割时的切割角度，在切割异型管时，可以有效避开管壁避免干涉。CAM系统不仅可继承并智能化判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时面向整体模型的形式也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。
但是我们通过上图可以看出，CAM软件目前向一体化发展，但是却没有发现CAPP的踪影。

图7 CAM软件一体化发展与CAPP的关系
我们在使用CAM软件编程的时候，通过人机交互，最终编制出NC程序。但是却没有也不能同时做出工艺性文件。必须在后续使用纯人工方式补充完成相应NC程序的工艺文件，来指导生产进行完成的工作。
3 总结
经过对部分CAM软件进行实际使用以及分析，我们可知CAD/CAPP/CAM需要在信息流上集成一体、无缝连接，但往往忽略了企业在生产组织与管理上要对CAD、CAPP、CAM在应用场合、操作人员、系统功能上按照生产布局合理安排。网络技术的成功应用已经为此奠定了基础。CAM系统及操作人员远离生产现场，致使因不了解现场情况造成不应有的反复，浪费了时间，降低了效率，甚至造成废品。
传统的CAM系统不仅要求操作人员有深厚的工艺知识背景，还需要有很高的CAD应用技巧。我们调查后发现单纯的现场操作人员有对CAM编程软件有比较强烈的操作需求，但是因为不具备CAD技能，不能较好的运用。而编程人员对现场操作不了解，仅仅从理论层面上进行设置知识库，利用现有知识库，使之与现场操作造成断层。如要真正合理使用则需要1至3年的培训实践才能成为称职的工作人员。因此对CAM的应用普及造成了极大的困难，故企业迫切需要新一代的易学易用、易于普及、高智能化、专业性强的CAM系统。
我认为目前的CAM软件中集成CAD功能在目前来说就是种鸡肋。现实使用中，很少能用到CAM中集成的CAD来进行设计，基本上是使用其它的软件来进行设计，就其本身绘图设计来说不如二维的AUTOCAD等/三维的CROE等软件的效率高。但是如果完全摒弃的话可能又会缺乏CAD的支持。
缺点：
1)不能有效地利用CAD模型的几何信息，无法自动提取模型的工艺特征，只能够人工提取，甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，无疑增大了操作的烦琐性，影响了编程质量与效率。致使系统的自动化程度与智能化程度很低。
2)局部加工计算方式靠人工或半自动进行仿过切处理，因不是面向整体模型为编程对象，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而不适合高速加工等新工艺在高速条件下对安全的要求。
新一代的CAM系统将CAM的智能化、自动化、专业化推到一个新的高度，更快地满足现有生产与管理的特定要求，同时新手段的引入也会使管理方式发生相应的变化，使生产过程更规范、更合理。新一代的CAM系统在网络下与CAD系统集成，充分利用了CAD几何信息，又能按专业化分工，合理地安排系统在空间的分布。降低人员的综合性要求，提高了专业化要求，会使操作人员的构成发生相应的变化；同时，由于CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程(Shop Programming)方式的兴起，改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。此外今后的CAM系统将会将CAPP作为集成领域，将其集成发展。在编制生产程序的同时，逐步使工艺库、知识库的完善，将来CAPP就会有相应的发展。逐步以实现CAD/CAPP/CAM按科学意义上的一体化集成。
经过多年的技术积累，CAM在市场需求、理论基础及外围技术等方面的准备已经成熟，我们有理由相信今后的几年将是CAM技术创新的火热年代。作为应用性终端技术，CAM市场将是群雄并起，多种系统并存的局面，CAM市场永远不会有霸主。今后CAM的发展与走势，只能是由市场需求决定。可以肯定的是，CAM的发展一定是朝着网络化、专业集成化的方向发展，一定是朝着方便、快捷、智能、自动化的方向发展。
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