技術(shù)

1.數(shù)控編程技術(shù)及其發(fā)展
    數(shù)控編程是目前CAD/CAPP/CAM系統(tǒng)中最能明顯發(fā)揮效益的環(huán)節(jié)之一，其在實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)加工自動(dòng)化、提高加工精度和加工質(zhì)量、縮短產(chǎn)品研制周期等方面發(fā)揮著重要作用。在諸如航空工業(yè)、汽車工業(yè)等領(lǐng)域有著大量的應(yīng)用。由于生產(chǎn)實(shí)際的強(qiáng)烈需求，國(guó)內(nèi)外都對(duì)數(shù)控編程技術(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并取得了豐碩成果。下面就對(duì)數(shù)控編程及其發(fā)展作一些介紹。
1.1 數(shù)控編程的基本概念
數(shù)控編程是從零件圖紙到獲得數(shù)控加工程序的全過(guò)程。它的主要任務(wù)是計(jì)算加工走刀中的刀位點(diǎn)（cutter location point簡(jiǎn)稱CL點(diǎn)）。刀位點(diǎn)一般取為刀具軸線與刀具表面的交點(diǎn)，多軸加工中還要給出刀軸矢量。
1.2 數(shù)控編程技術(shù)的發(fā)展概況 
    為了解決數(shù)控加工中的程序編制問(wèn)題，50年代，MIT設(shè)計(jì)了一種專門用于機(jī)械零件數(shù)控加工程序編制的語(yǔ)言，稱為APT（Automatically Programmed Tool）。其后，APT幾經(jīng)發(fā)展，形成了諸如APTII、APTIII（立體切削用）、APT（算法改進(jìn)，增加多坐標(biāo)曲面加工編程功能）、APT-AC（Advanced contouring）(增加切削數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng))和APT-/SS（Sculptured Surface）(增加雕塑曲面加工編程功能)等先進(jìn)版。 
    采用APT語(yǔ)言編制數(shù)控程序具有程序簡(jiǎn)煉，走刀控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，使數(shù)控加工編程從面向機(jī)床指令的“匯編語(yǔ)言”級(jí)，上升到面向幾何元素椀?、线、脣鼓竾`隊(duì)镅約叮?/FONT>APT仍有許多不便之處：采用語(yǔ)言定義零件幾何形狀，難以描述復(fù)雜的幾何形狀，缺乏幾何直觀性；缺少對(duì)零件形狀、刀具運(yùn)動(dòng)軌跡的直觀圖形顯示和刀具軌跡的驗(yàn)證手段；難以和CAD數(shù)據(jù)庫(kù)和CAPP系統(tǒng)有效連接；不容易作到高度的自動(dòng)化，集成化。 
    針對(duì)APT語(yǔ)言的缺點(diǎn)，1978年，法國(guó)達(dá)索飛機(jī)公司開(kāi)始開(kāi)發(fā)集三維設(shè)計(jì)、分析、NC加工一體化的系統(tǒng)，稱為為CATIA。隨后很快出現(xiàn)了象EUCLID，UGII，INTERGRAPH，Pro/Engineering，MasterCAM及NPU/GNCP等系統(tǒng)，這些系統(tǒng)都有效的解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示，交互設(shè)計(jì)、修改及刀具軌跡生成，走刀過(guò)程的仿真顯示、驗(yàn)證等問(wèn)題，推動(dòng)了CAD和CAM向一體化方向發(fā)展。到了80年代，在CAD/CAM一體化概念的基礎(chǔ)上，逐步形成了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）及并行工程（CE）的概念。目前，為了適應(yīng)CIMS及CE發(fā)展的需要，數(shù)控編程系統(tǒng)正向集成化和智能化方向發(fā)展。 
    在集成化方面，以開(kāi)發(fā)符合STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）標(biāo)準(zhǔn)的參數(shù)化特征造型系統(tǒng)為主，目前已進(jìn)行了大量卓有成效的工作，是國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)；在智能化方面，工作剛剛開(kāi)始，還有待我們?nèi)ヅΑ?
2.NC刀具軌跡生成方法研究發(fā)展現(xiàn)狀 
    數(shù)控編程的核心工作是生成刀具軌跡，然后將其離散成刀位點(diǎn)，經(jīng)后置處理產(chǎn)生數(shù)控加工程序。下面就刀具軌跡產(chǎn)生方法作一些介紹。
2.1 基于點(diǎn)、線、面和體的NC刀軌生成方法 
    CAD技術(shù)從二維繪圖起步，經(jīng)歷了三維線框、曲面和實(shí)體造型發(fā)展階段，一直到現(xiàn)在的參數(shù)化特征造型。在二維繪圖與三維線框階段，數(shù)控加工主要以點(diǎn)、線為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，如孔加工，輪廓加工，平面區(qū)域加工等。這種加工要求操作人員的水平較高，交互復(fù)雜。在曲面和實(shí)體造型發(fā)展階段，出現(xiàn)了基于實(shí)體的加工。實(shí)體加工的加工對(duì)象是一個(gè)實(shí)體（一般為CSG和B-REP混合表示的），它由一些基本體素經(jīng)集合運(yùn)算（并、交、差運(yùn)算）而得。實(shí)體加工不僅可用于零件的粗加工和半精加工，大面積切削掉余量，提高加工效率，而且可用于基于特征的數(shù)控編程系統(tǒng)的研究與開(kāi)發(fā)，是特征加工的基礎(chǔ)。 
    實(shí)體加工一般有實(shí)體輪廓加工和實(shí)體區(qū)域加工兩種。實(shí)體加工的實(shí)現(xiàn)方法為層切法（SLICE），即用一組水平面去切被加工實(shí)體，然后對(duì)得到的交線產(chǎn)生等距線作為走刀軌跡。 
    本文從系統(tǒng)需要角度出發(fā)，在ACIS幾何造型平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了這種基于點(diǎn)、線、面和實(shí)體的數(shù)控加工。
2.2 基于特征的NC刀軌生成方法 
    參數(shù)化特征造型已有了一定的發(fā)展時(shí)期，但基于特征的刀具軌跡生成方法的研究才剛剛開(kāi)始。特征加工使數(shù)控編程人員不在對(duì)那些低層次的幾何信息（如：點(diǎn)、線、面、實(shí)體）進(jìn)行操作，而轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訉?duì)符合工程技術(shù)人員習(xí)慣的特征進(jìn)行數(shù)控編程，大大提高了編程效率。 
    W.R.Mail和A.J.Mcleod在他們的研究中給出了一個(gè)基于特征的NC代碼生成子系統(tǒng)，這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：零件的每個(gè)加工過(guò)程都可以看成對(duì)組成該零件的形狀特征組進(jìn)行加工的總和。那么對(duì)整個(gè)形狀特征或形狀特征組分別加工后即完成了零件的加工。而每一形狀特征或形狀特征組的NC代碼可自動(dòng)生成。目前開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)只適用于2.5D零件的加工。 
    Lee and Chang開(kāi)發(fā)了一種用虛擬邊界的方法自動(dòng)產(chǎn)生凸自由曲面特征刀具軌跡的系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)的工作原理是：在凸自由曲面內(nèi)嵌入一個(gè)最小的長(zhǎng)方塊，這樣凸自由曲面特征就被轉(zhuǎn)換成一個(gè)凹特征。最小的長(zhǎng)方塊與最終產(chǎn)品模型的合并就構(gòu)成了被稱為虛擬模型的一種間接產(chǎn)品模型。刀具軌跡的生成方法分成三步完成：（1）、切削多面體特征；（2）、切削自由曲面特征；（3）、切削相交特征。 
    Jong-Yun Jung研究了基于特征的非切削刀具軌跡生成問(wèn)題。文章把基于特征的加工軌跡分成輪廓加工和內(nèi)區(qū)域加工兩類，并定義了這兩類加工的切削方向，通過(guò)減少切削刀具軌跡達(dá)到整體優(yōu)化刀具軌跡的目的。文章主要針對(duì)幾種基本特征（孔、內(nèi)凹、臺(tái)階、槽），討論了這些基本特征的典型走刀路徑、刀具選擇和加工順序等，并通過(guò)IP（Inter Programming）技術(shù)避免重復(fù)走刀，以優(yōu)化非切削刀具軌跡。另外，Jong-Yun Jong還在他1991年的博士論文中研究了制造特征提取和基于特征的刀具及刀具路徑。 
    特征加工的基礎(chǔ)是實(shí)體加工，當(dāng)然也可認(rèn)為是更高級(jí)的實(shí)體加工。但特征加工不同于實(shí)體加工，實(shí)體加工有它自身的局限性。特征加工與實(shí)體加工主要有以下幾點(diǎn)不同： 
    從概念上講，特征是組成零件的功能要素，符合工程技術(shù)人員的操作習(xí)慣，為工程技術(shù)人員所熟知；實(shí)體是低層的幾何對(duì)象，是經(jīng)過(guò)一系列布爾運(yùn)算而得到的一個(gè)幾何體，不帶有任何功能語(yǔ)義信息； 
    實(shí)體加工往往是對(duì)整個(gè)零件（實(shí)體）的一次性加工。但實(shí)際上一個(gè)零件不太可能僅用一把刀一次加工完，往往要經(jīng)過(guò)粗加工、半精加工、精加工等一系列工步，零件不同的部位一般要用不同的刀具進(jìn)行加工；有時(shí)一個(gè)零件既要用到車削，也要用到銑削。因此實(shí)體加工主要用于零件的粗加工及半精加工。而特征加工則從本質(zhì)上解決了上述問(wèn)題； 
    特征加工具有更多的智能。對(duì)于特定的特征可規(guī)定某幾種固定的加工方法，特別是那些已在STEP標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的特征更是如此。如果我們對(duì)所有的標(biāo)準(zhǔn)特征都制定了特定的加工方法，那么對(duì)那些由標(biāo)準(zhǔn)特征夠成的零件的加工其方便性就可想而知了。倘若CAPP系統(tǒng)能提供相應(yīng)的工藝特征，那么NCP系統(tǒng)就可以大大減少交互輸入，具有更多的智能。而這些實(shí)體加工是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的； 
    特征加工有利于實(shí)現(xiàn)從CAD、CAPP、NCP及CNC系統(tǒng)的全面集成，實(shí)現(xiàn)信息的雙向流動(dòng)，為CIMS乃至并行工程（CE）奠定良好的基礎(chǔ)；而實(shí)體加工對(duì)這些是無(wú)能為力的。
2.3 現(xiàn)役幾個(gè)主要CAD/CAM系統(tǒng)中的NC刀軌生成方法分析 
    現(xiàn)役CAM的構(gòu)成及主要功能 
    目前比較成熟的CAM系統(tǒng)主要以兩種形式實(shí)現(xiàn)CAD/CAM系統(tǒng)集成：一體化的 CAD/CAM系統(tǒng)（如：UGII、Euclid、Pro/ENGINEER等）和相對(duì)獨(dú)立的CAM系統(tǒng)（如：Mastercam、Surfcam等）。前者以內(nèi)部統(tǒng)一的數(shù)據(jù)格式直接從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型，而后者主要通過(guò)中性文件從其它CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品幾何模型。然而，無(wú)論是哪種形式的CAM系統(tǒng)，都由五個(gè)模塊組成，即交互工藝參數(shù)輸入模塊、刀具軌跡生成模塊、刀具軌跡編輯模塊、三維加工動(dòng)態(tài)仿真模塊和后置處理模塊。下面僅就一些著名的CAD/CAM系統(tǒng)的NC加工方法進(jìn)行討論。 
    UGII加工方法分析 
    一般認(rèn)為UGII是業(yè)界中最好，最具代表性的數(shù)控軟件。其最具特點(diǎn)的是其功能強(qiáng)大的刀具軌跡生成方法。包括車削、銑削、線切割等完善的加工方法。其中銑削主要有以下功能： 
    Point to Point：完成各種孔加工； 
    Panar Mill：平面銑削。包括單向行切，雙向行切，環(huán)切以及輪廓加工等； 
    Fixed Contour：固定多軸投影加工。用投影方法控制刀具在單張曲面上或多張曲面上的移動(dòng)，控制刀具移動(dòng)的可以是已生成的刀具軌跡，一系列點(diǎn)或一組曲線； 
    Variable Contour：可變軸投影加工； 
    Parameter line：等參數(shù)線加工?？蓪?duì)單張曲面或多張曲面連續(xù)加工； 
    Zig-Zag Surface：裁剪面加工； 
    Rough to Depth：粗加工。將毛坯粗加工到指定深度； 
    Cavity Mill：多級(jí)深度型腔加工。特別適用于凸模和凹模的粗加工； 
    Sequential Surface：曲面交加工。按照零件面、導(dǎo)動(dòng)面和檢查面的思路對(duì)刀具的移動(dòng)提供最大程度的控制。 
    EDS Unigraphics還包括大量的其它方面的功能，這里就不一一列舉了。 
    STRATA加工方法分析 
    STRATA是一個(gè)數(shù)控編程系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境，它是建立在ACIS幾何建模平臺(tái)上的。 
    它為用戶提供兩種編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，即NC命令語(yǔ)言接口和NC操作C++類庫(kù)。它可支持三軸銑削，車削和線切割NC加工，并可支持線框、曲面和實(shí)體幾何建模。其NC刀具軌跡生成方法是基于實(shí)體模型。STRATA基于實(shí)體的NC刀具軌跡生成類庫(kù)提供的加工方法包括： 
    Profile Toolpath：輪廓加工； 
    AreaClear Toolpath：平面區(qū)域加工； 
    SolidProfile Toolpath：實(shí)體輪廓加工； 
    SolidAreaClear Toolpath：實(shí)體平面區(qū)域加工； 
    SolidFace ToolPath：實(shí)體表面加工； 
    SolidSlice ToolPath：實(shí)體截平面加工； 
    Language-based Toolpath：基于語(yǔ)言的刀具軌跡生成。 
    其它的CAD/CAM軟件，如Euclid, Cimitron, CV,CATIA等的NC功能各有千秋，但其基本內(nèi)容大同小異，沒(méi)有本質(zhì)區(qū)別。
2.4 現(xiàn)役CAM系統(tǒng)刀軌生成方法的主要問(wèn)題 
    按照傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)和CNC系統(tǒng)的工作方式，CAM系統(tǒng)以直接或間接（通過(guò)中性文件）的方式從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的幾何數(shù)據(jù)模型。CAM系統(tǒng)以三維幾何模型中的點(diǎn)、線、面、或?qū)嶓w為驅(qū)動(dòng)對(duì)象，生成加工刀具軌跡，并以刀具定位文件的形式經(jīng)后置處理，以NC代碼的形式提供給CNC機(jī)床，在整個(gè)CAD /CAM及CNC系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中存在以下幾方面的問(wèn)題：
CAM系統(tǒng)只能從CAD系統(tǒng)獲取產(chǎn)品的低層幾何信息，無(wú)法自動(dòng)捕捉產(chǎn)品的幾何形狀信息和產(chǎn)品高層的功能和語(yǔ)義信息。因此，整個(gè)CAM過(guò)程必須在經(jīng)驗(yàn)豐富的制造工程師的參與下，通過(guò)圖形交互來(lái)完成。如：制造工程師必須選擇加工對(duì)象（點(diǎn)、線、面或?qū)嶓w）、約束條件（裝夾、干涉和碰撞等）、刀具、加工參數(shù)（切削方向、切深、進(jìn)給量、進(jìn)給速度等）。整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)化程度較低。 
    在CAM系統(tǒng)生成的刀具軌跡中，同樣也只包含低層的幾何信息（直線和圓弧的幾何定位信息），以及少量的過(guò)程控制信息（如進(jìn)給率、主軸轉(zhuǎn)速、換刀等）。因此，下游的CNC系統(tǒng)既無(wú)法獲取更高層的設(shè)計(jì)要求（如公差、表面光潔度等），也無(wú)法得到與生成刀具軌跡有關(guān)的加工工藝參數(shù)。 
    CAM系統(tǒng)各個(gè)模塊之間的產(chǎn)品數(shù)據(jù)不統(tǒng)一，各模塊相對(duì)獨(dú)立。例如刀具定位文件只記錄刀具軌跡而不記錄相應(yīng)的加工工藝參數(shù)，三維動(dòng)態(tài)仿真只記錄刀具軌跡的干涉與碰撞，而不記錄與其發(fā)生干涉和碰撞的加工對(duì)象及相關(guān)的加工工藝參數(shù)。
CAM系統(tǒng)是一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)。CAD系統(tǒng)與CAM系統(tǒng)之間沒(méi)有統(tǒng)一的產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型，即使是在一體化的集成CAD/CAM系統(tǒng)中，信息的共享也只是單向的和單一的。CAM系統(tǒng)不能充分理解和利用CAD系統(tǒng)有關(guān)產(chǎn)品的全部信息，尤其是與加工有關(guān)的特征信息，同樣CAD系統(tǒng)也無(wú)法獲取CAM系統(tǒng)產(chǎn)生的加工數(shù)據(jù)信息。這就給并行工程的實(shí)施帶來(lái)了困難。