CAD/CAM技術(shù)在零件加工中的應(yīng)用

熊 娟， 譚 嘯

（1.四川電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610071；2.四川大學(xué)電氣信息學(xué)院，四川 成都 610064）

0 引 言

隨著現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展，單一的CAM技術(shù)已不能滿足各種形狀的加工要求，而CAD/CAM技術(shù)能有效實(shí)現(xiàn)各種零件的建模、加工仿真、自動(dòng)編程生成NC程序，并和加工設(shè)備聯(lián)接完成零件的加工。CAD/CAM技術(shù)已成為新一代生產(chǎn)和發(fā)展的核心技術(shù)，其應(yīng)用水平也成為衡量一個(gè)國家工業(yè)現(xiàn)代化水平的重要標(biāo)志[1]。因此，對(duì)CAD/CAM技術(shù)的研究和推廣已勢(shì)在必行。

1 數(shù)控加工與CAD/CAM技術(shù)原理

1.1 數(shù)控加工

在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，要預(yù)先根據(jù)零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數(shù)和走刀運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，然后編制加工程序，傳輸給數(shù)控系統(tǒng)，經(jīng)過數(shù)控裝置內(nèi)部的控制軟件的處理與計(jì)算，發(fā)出相應(yīng)的進(jìn)給運(yùn)動(dòng)指令信號(hào)，通過伺服系統(tǒng)使機(jī)床按預(yù)定的軌跡運(yùn)動(dòng)，進(jìn)行零件的加工。因此，在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，首先要編寫零件加工程序清單，即數(shù)控加工程序，該程序用數(shù)字代碼來描述被加工零件的工藝過程、零件尺寸和工藝參數(shù)（如主軸轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度等）。將該程序輸入數(shù)控機(jī)床的NC系統(tǒng)，控制機(jī)床的運(yùn)動(dòng)與輔助動(dòng)作，完成零件的加工。

數(shù)控編程是根據(jù)被加工零件的圖紙和技術(shù)要求、工藝要求等切削加工的必要信息，按數(shù)控系統(tǒng)所規(guī)定的指令和格式編制成加工程序文件，這個(gè)過程稱為零件數(shù)控加工程序編制，簡稱數(shù)控編程。數(shù)控編程方法有手工編程和自動(dòng)編程。手工編程是指編制零件數(shù)控加工程序的各個(gè)步驟，即從零件圖紙分析、工藝決策、確定加工路線和工藝參數(shù)、計(jì)算刀位軌跡坐標(biāo)數(shù)據(jù)、編寫零件的數(shù)控加工程序單直至程序的檢驗(yàn)，均由人工來完成。這一過程要進(jìn)行大量的幾何計(jì)算，找到刀具下一點(diǎn)的位置，才能形成刀軌，對(duì)于點(diǎn)位加工或幾何形狀不太復(fù)雜的輪廓加工，幾何計(jì)算較簡單，程序段不多，手工編程即可實(shí)現(xiàn)。如簡單階梯軸的車削加工，一般不需要復(fù)雜的坐標(biāo)計(jì)算，往往可以由技術(shù)人員根據(jù)工序圖紙數(shù)據(jù)，直接編寫數(shù)控加工程序。但對(duì)輪廓形狀不是由簡單的直線、圓弧組成的復(fù)雜零件，特別是空間復(fù)雜曲面零件，數(shù)值計(jì)算則相當(dāng)繁瑣，工作量大，容易出錯(cuò)，且很難校對(duì)，采用手工編程是難以完成的。自動(dòng)編程是采用計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，需要一套專門的數(shù)控編程軟件，CAD/CAM集成化編程系統(tǒng)的支承軟件來實(shí)現(xiàn)。

1.2 CAD/CAM技術(shù)原理

CAD/CAM技術(shù)是以計(jì)算機(jī)為工具來生成和運(yùn)用各種數(shù)字信息與圖形信息，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)和制造的全過程。包括方案設(shè)計(jì)、總體設(shè)計(jì)和零部件設(shè)計(jì)及加工和裝配等[2]。CAD/CAM技術(shù)實(shí)際上是CAD技術(shù)和CAM技術(shù)的一體化。即系統(tǒng)可以從CAD系統(tǒng)建立的零件模型（包括實(shí)體、曲面、曲線、或封閉線框）中直接識(shí)別和提取加工特征信息，經(jīng)過選擇合適的加工操作方法，設(shè)置加工工藝參數(shù)，包括毛坯的選擇、設(shè)備和刀具的選用、切削參數(shù)的選取及方式的選擇等來自動(dòng)產(chǎn)生刀具軌跡和刀位文件，再經(jīng)后置處理轉(zhuǎn)換為機(jī)床識(shí)別的NC程序代碼并可進(jìn)行NC加工仿真，最后利用接口技術(shù)，實(shí)現(xiàn)程序和數(shù)控設(shè)備的通信聯(lián)接，將程序輸入數(shù)控機(jī)床完成產(chǎn)品的數(shù)控加工過程。其流程為：零件類型及設(shè)計(jì)參數(shù)→CAD環(huán)境幾何建模和工程圖的生成→CAM環(huán)境，輸入加工類型和工藝參數(shù)→生成刀軌和刀位文件→通過后置處理生成程序→修改后置處理文件→生成NC程序代碼文件→刀具軌跡仿真→執(zhí)行文件，加工→數(shù)控機(jī)床按指令對(duì)零件進(jìn)行加工[3]。

比較單一的數(shù)控原理和CAD/CAM技術(shù)的集成，CAD/CAM技術(shù)的數(shù)據(jù)庫聯(lián)動(dòng)技術(shù)，可以很方便地修改零件模型，從而程序數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)進(jìn)行修改，避免了用手動(dòng)反復(fù)多處改動(dòng)易出現(xiàn)錯(cuò)誤。CAD/CAM技術(shù)的后置處理，自動(dòng)生成程序，使程序準(zhǔn)確且快速，同時(shí)也減少了手動(dòng)編程時(shí)的大量而繁雜的幾何輪廓計(jì)算。

2 CAD/CAM 技術(shù)對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的影響

（1）影響輪廓的插補(bǔ)功能。輪廓插補(bǔ)功能是數(shù)控機(jī)床加工輪廓的基本功能，有直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等，各種插補(bǔ)有各自軟件模塊，顯得繁雜、龐大。在理論上，任何形狀的輪廓，都可以在滿足加工要求的前提下用微小直線段來逼近，CAD/CAM的軟件可以用計(jì)算機(jī)很方便地計(jì)算出各逼近輪廓的各微小直線段的刀位數(shù)據(jù)來生成數(shù)控加工程序。

（2）影響刀具補(bǔ)償功能。刀具補(bǔ)償是數(shù)控系統(tǒng)的另一重要功能，數(shù)控系統(tǒng)根據(jù)加工要求，選擇不同的刀具補(bǔ)償功能。CAD/CAM軟件也具有刀具補(bǔ)償功能，但不需要刀具補(bǔ)償代碼。

同樣，數(shù)控加工中其他功能，在CAD/CAM軟件中也能方便地實(shí)現(xiàn)，大大地減少了數(shù)控系統(tǒng)的軟件，有利于軟件的開發(fā)和研究。

3 CAD/CAM技術(shù)在零件加工中的應(yīng)用

CAD/CAM技術(shù)的支撐軟件有很多，MasterCAM，Unigraphics，Pro/Engineer，Solidworks等。文中以 Unig raphics這一軟件來對(duì)底座零件的加工為例，來說明CAD/CAM技術(shù)在零件加工中的應(yīng)用過程。

3.1 底座零件的實(shí)體建模

要求對(duì)圖1底座零件圖進(jìn)行加工，首先對(duì)其建立實(shí)體模型[4]。其建模過程如下：

圖1 底座零件圖

（1）創(chuàng)建底座下半部。打開UG，進(jìn)入建模界面，在工具欄中單擊，長方體按鈕，彈出長方體對(duì)話框，在其中輸入?yún)?shù)，創(chuàng)建一個(gè)75×75×18長方體。

（2）創(chuàng)建上面長方體。單擊草圖按鈕，選擇長方體的上表面為繪圖平面，確定，進(jìn)入草圖界面，單擊長方形，輸入尺寸創(chuàng)建70×70的正方形草圖，創(chuàng)建完成后點(diǎn)擊完成草圖，回到建模界面，選擇拉伸按鈕，選擇曲線為剛建立的草圖，開始值設(shè)置0，結(jié)束值設(shè)為7，方向?yàn)閆軸正方向，布爾運(yùn)算選擇求和，則完成上面長方體的建模。再單擊工具欄中倒斜角按鈕，對(duì)剛拉伸的長方體四周倒斜角，倒斜角距離為5。

圖2 底座實(shí)體模型

圖3 銑梅花腔的刀軌

圖4 最終加工的零件圖

（3）創(chuàng)建凹槽。單擊草圖按鈕，選擇長方體的上表面為繪圖平面，進(jìn)入草圖界面，創(chuàng)建上面的凹槽草圖，單擊完成草圖，進(jìn)入建模界面，單擊工具欄下的拉伸按鈕，曲線為剛建立的曲線，方向?yàn)閆軸負(fù)方向，開始值為0，結(jié)束為5，布爾運(yùn)算選擇求差方式，則上面的凹槽創(chuàng)建完成。

（4）創(chuàng)建孔。在建模界面，單擊孔，選擇常規(guī)孔，輸入直徑為8，深度為10，其他默認(rèn)。指定點(diǎn)時(shí)選擇圓弧圓心，布爾運(yùn)算選擇求差，確定完成。再單出實(shí)列特征命令，在彈出的實(shí)例特征對(duì)話框中單擊矩形陣列，輸入X、Y方向數(shù)量為2，偏置50，單出確定，完成4個(gè)孔的創(chuàng)建。

（5）創(chuàng)建中心孔。在建模界面，單擊孔，輸入直徑26，深度5，尖角0，位置選擇矩形中心，單擊確定。底座零件的模型全部創(chuàng)建完成，其結(jié)果如圖2所示。

3.2 底座零件的加工

3.2.1 創(chuàng)建毛坯

單擊長方體圖標(biāo)，彈出長方體對(duì)話框，在對(duì)話框中輸入?yún)?shù)，創(chuàng)建尺寸為75×75×28的長方體作為毛坯，單擊編輯在下拉菜單中選擇對(duì)象顯示，透明度選擇60。單擊開始，選擇加工，進(jìn)入加工模塊，在加工環(huán)境中選擇mill planar。

3.2.2 銑梅花腔體

創(chuàng)建刀具，輸入刀具名稱D8，輸入直徑8。

單擊創(chuàng)建幾何體，選擇MCS，單擊確定，進(jìn)入MCS對(duì)話框。安全設(shè)置選項(xiàng)中選擇平面，再單擊指定，選擇平面選擇XC-YC平面，偏置距離設(shè)置50，單擊確定，單擊創(chuàng)建幾何體，選擇第二個(gè)圖標(biāo)，名稱為CHONGJIAN，單擊確定。在彈出的對(duì)話框中選擇指定毛坯為剛拉伸透明度為60的長方體，確定后回到工件對(duì)話框，單擊指定部件圖標(biāo)，選擇模型，單擊確定完成幾何體的創(chuàng)建。

創(chuàng)建銑梅花腔操作。單擊創(chuàng)建操作，選擇類型mill planar，子類型為第一排第4項(xiàng)，程序?yàn)镹C_PROGRAM，刀具為D8，幾何體為GONGJIAN，方法為METHOD，名稱為CX。在單擊確定后的對(duì)話框中，單擊指定部件邊界，出現(xiàn)編輯邊界對(duì)話框，選擇零件圖中梅花邊線段（注意在材料測(cè)中選擇外部），確定，選擇梅花底面，單擊生成刀軌，結(jié)果如圖3所示。

同理，創(chuàng)建銑圓弧內(nèi)腔和外輪廓的操作。分別選擇邊界為圓弧邊界和上面倒角的四邊形邊界，底面分別選擇圓弧下底面和外輪廓底面，并生成刀軌。

3.2.3 孔的加工

創(chuàng)建刀具。單擊創(chuàng)建刀具，類型中選擇孔選項(xiàng)（drill），子類型選擇第三個(gè)，名稱為kong，點(diǎn)擊確定后，進(jìn)入刀具選項(xiàng)，直徑輸入8，頂尖角度118的鉆頭參數(shù)。

創(chuàng)建操作。創(chuàng)建四角的φ8的小孔操作，單擊創(chuàng)建操作，類型選擇drill，子類型選擇第三個(gè)，刀具選擇剛建立的kong，名稱為zhuankong，單擊確定后，單擊指定孔選項(xiàng)，進(jìn)入點(diǎn)到點(diǎn)幾何體選項(xiàng)。單擊選擇，選擇模型圖的4個(gè)孔，確認(rèn)后，在最小安全距離中輸入20，生成2D仿真。

同理創(chuàng)建中心孔φ18的操作，方法同上一步，先創(chuàng)建刀具，刀具直徑為18，指定孔時(shí)選擇中心孔，生成并確認(rèn)刀軌。

最后把幾步合并起來，生成刀軌，如圖4所示為最終加工的零件圖[5]。

3.2.4 導(dǎo)出程序

以導(dǎo)出銑梅花腔的程序?yàn)槔?/p>

單擊工具欄中的后處理圖標(biāo)，選擇對(duì)話框中的第一步→右鍵→后處理，選擇程序保存的位置，選擇列出輸出，單擊[確定]，則生成圖5所的銑梅花腔的部分程序。

最后利用計(jì)算機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的通信接口，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)編程系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)間的通信，將程序直接接入數(shù)控系統(tǒng)，控制數(shù)控機(jī)床進(jìn)行加工[6]。

圖5 銑梅花腔的部分程序

4 結(jié)束語

通過對(duì)底座零件的建模和加工實(shí)例可以看出，CAD/CAM技術(shù)有以下優(yōu)點(diǎn)：

（1）零件模型直觀。利用CAD/CAM技術(shù)強(qiáng)大的圖形處理技術(shù)對(duì)零件進(jìn)行三維建模，便于觀察和分析以及修改，便于對(duì)工程圖的理解。

（2）降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了生產(chǎn)率。利用CAD/CAM技術(shù)的CAM技術(shù)生成程序快速、準(zhǔn)確，不再需要人工繁瑣的編程。

（3）提高了產(chǎn)品質(zhì)量。利用CAD/CAM技術(shù)中的仿真技術(shù)，對(duì)不合格項(xiàng)可以進(jìn)行修改，直到完全合格為止。

（4）對(duì)產(chǎn)品的研發(fā)提供了支承。在CAD/CAM技術(shù)工作過程中，從初始產(chǎn)品的設(shè)計(jì)到最終的加工指令，都是信息不斷產(chǎn)生、修改、交換、存取的過程，系統(tǒng)能保證用戶隨時(shí)觀察、修改階段數(shù)據(jù)，實(shí)施編輯處理，直到獲得最佳結(jié)果。

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