五軸水刀切割數(shù)控系統(tǒng)上的CAD/CAM技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)
CNC的發(fā)展與CAD、CAM互相促進(jìn)，相輔相成。CAD有助于數(shù)控機(jī)床的輔助設(shè)計(jì)，CAM有助于加速數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣及應(yīng)用[17~18]。為了方便操作者及用戶對(duì)
CNC的發(fā)展與CAD、CAM互相促進(jìn)，相輔相成。CAD有助于數(shù)控機(jī)床的輔助設(shè)計(jì)，CAM有助于加速數(shù)控機(jī)床在實(shí)際生產(chǎn)中的推廣及應(yīng)用[17~18]。為了方便操作者及用戶對(duì)加工圖形進(jìn)行自動(dòng)編程，以及解決復(fù)雜曲面的自動(dòng)編程問題，將CAD/CAM技術(shù)集成到CNC中是擴(kuò)展數(shù)控系統(tǒng)功能并且提高數(shù)控系統(tǒng)人機(jī)交互性的主要發(fā)展趨勢(shì)和方向[19]。國(guó)外開發(fā)且應(yīng)用較廣的有Master CAM，UG，CATIA，Pro/E，Solid Works，CV 公司的 CADDSS ， I-DEAS 系統(tǒng)及 ICEM 系統(tǒng)等[20]。數(shù)控加工中應(yīng)用比較廣泛有Master CAM、UG等。Master CAM是集CAD/CAM一體化的CAM軟件，在國(guó)內(nèi)的應(yīng)用比較廣[21]。UG是集CAD/CAM/CAE于一體的大型的商業(yè)化軟件[22~24]。這些軟件功能很強(qiáng)大，但價(jià)格也很高，國(guó)內(nèi)的中小型企業(yè)購(gòu)買不起，而且操作人員需要專門培訓(xùn)才能熟練使用。因而開發(fā)一套適用于中小型企業(yè)的具有CAD/CAM一體化功能的數(shù)控系統(tǒng)非常有必要。 我國(guó)的CAD/CAM技術(shù)主要興起于20世紀(jì)七八十年代，開發(fā)和研究技術(shù)與國(guó)外相比都較簡(jiǎn)單，主要是將工作站的CAD/CAM軟件移植到微機(jī)開發(fā)平臺(tái)及實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制[25]。90年代，研究的重點(diǎn)主要是除了在柔性制造系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)進(jìn)行漢化和二次開發(fā)以外，還開發(fā)了很多具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的CAD系統(tǒng)[26]。目前，國(guó)內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)上CAD/CAM技術(shù)主要有三種：第一種是自主開發(fā)的數(shù)控系統(tǒng)上的CAD/CAM一體化軟件，如華中科技大學(xué)的開目CAD、大天CAD/CAM軟件系統(tǒng)、南京大學(xué)的超人CAD/CAM（實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜曲面的造型和數(shù)控代碼的自動(dòng)生成技術(shù)）、北航的CAXA系列軟件及上海維宏電子科技股份有限公司的五軸水刀切割數(shù)控系統(tǒng)軟件Nc Studio和Nc Editor[27]；第二種是在現(xiàn)有的大型國(guó)外數(shù)控軟件（Master CAM、UG等）下進(jìn)行二次開發(fā)，研究出適用于本企業(yè)的CAM軟件[28]；第三種是在通用的CAD軟件（如Auto CAD）環(huán)境下（或是免費(fèi)的Libre CAD）進(jìn)行開發(fā)具有自動(dòng)編程能力的CAM軟件。第一種方式功能強(qiáng)大，價(jià)格高，對(duì)研發(fā)人員的技術(shù)水平要求也高，開發(fā)周期長(zhǎng)；第二種方式功能強(qiáng)大，對(duì)研發(fā)人員水平較高，開發(fā)周期較短，但需要購(gòu)買大型商業(yè)化CAM軟件，價(jià)格很高；第三種功能、價(jià)格一般，對(duì)研發(fā)人員技術(shù)水平較高，開發(fā)周期較短。綜合考慮，本文擬采用第三種方式，在免費(fèi)的Libre CAD上開發(fā)數(shù)控CAD/CAM一體化軟件。 隨著科技和信息的不斷進(jìn)步，水刀切割技術(shù)也向著自動(dòng)化，集成化，智能化，開放化等的方向發(fā)展。五軸水刀未來的發(fā)展方向主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面： （1）數(shù)控加工自動(dòng)編程技術(shù)在水切割數(shù)控系統(tǒng)中的應(yīng)用數(shù)控自動(dòng)編程軟件也稱為 CAM 軟件，即通過二維圖形文件直接自動(dòng)生成五軸數(shù)控代碼。國(guó)外的 Flow Systems 公司的水切割數(shù)控系統(tǒng)已配有的 CAD/CAM 軟件綜合性能已經(jīng)比較完善，但是由于價(jià)格比較高，阻礙了水切割數(shù)控機(jī)床在各行業(yè)中的推廣和應(yīng)用[29]。如何實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)和 CAD/CAM 軟件的合理配置，為專用水切割數(shù)控系統(tǒng)開發(fā)配套的 CAD/CAM 軟件將是水切割數(shù)控機(jī)床發(fā)展的一個(gè)主要方向。 （2）數(shù)控加工仿真技術(shù)數(shù)控加工仿真是集 CAD、CAM、數(shù)學(xué)建模及仿真于一體，通過在計(jì)算機(jī)的虛擬環(huán)境中對(duì)加工圖形走刀軌跡進(jìn)行模擬仿真，檢查數(shù)控加工程序是否正確，從而判斷加工方案是否合理，最終縮短產(chǎn)品開發(fā)周期、提高產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)效率等[30]。目前已開發(fā)有比較實(shí)用的三維動(dòng)態(tài)仿真軟件，但技術(shù)還不夠完善，如研發(fā)更加有效快速的校驗(yàn)數(shù)控程序的算法及自動(dòng)更正數(shù)控程序的算法。（3）具有空間任意曲線曲面插補(bǔ)功能的數(shù)控技術(shù) 傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)只能對(duì)圖形實(shí)體直線進(jìn)行插補(bǔ)，最多也是包括圖形實(shí)體圓弧的插補(bǔ)。對(duì)于圖形實(shí)體時(shí)多義線（polyline）、多邊形（polygon）、樣條曲線（spline）、曲面等都要借助 CAD/CAM 軟件對(duì)其進(jìn)行分析計(jì)算（離散成小直線段）得出刀位文件，然后再經(jīng)過后置處理生成直接驅(qū)動(dòng)機(jī)床軸運(yùn)動(dòng)的數(shù)控 G 代碼，最后傳到機(jī)床進(jìn)行對(duì)工件的加工[31]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和編程技術(shù)的不斷發(fā)展，目前已有少數(shù)專用數(shù)控系統(tǒng)可以對(duì)一些曲線、曲面等類型的圖形實(shí)體進(jìn)行線性插補(bǔ)或是非線性插補(bǔ)。因而，該項(xiàng)技術(shù)主要是增加圖形實(shí)體類型，使數(shù)控系統(tǒng)能夠?qū)θ我饪臻g曲線、曲面進(jìn)行插補(bǔ)加工。（4）CAD/CAM/CNC 一體化、集成化目前，CAD/CAM 技術(shù)的集成性還比較差，最多也只是將 CAD 與 CAM 集成在一起，并沒有將 CNC 集成進(jìn)去，這樣就無法實(shí)現(xiàn) CAD/CAM 與 CNC 之間的信息的雙向流通，因而不能直接由圖形直接生成數(shù)控加工程序驅(qū)動(dòng)機(jī)床對(duì)工件的加工，并且這其中需要人為的進(jìn)行各項(xiàng)操作勞動(dòng)，最終導(dǎo)致延長(zhǎng)了設(shè)計(jì)周期且生產(chǎn)質(zhì)量和效率都比較低。因此，CAD/CAM/CNC 一體化、集成化是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢(shì)，是企業(yè)自動(dòng)化發(fā)展的必然方向[32~34]。 （5）智能化對(duì)于傳統(tǒng)的 CAD/CAM 系統(tǒng)軟件，大多數(shù)是人機(jī)交互的類型，即用戶在使用時(shí)，需要根據(jù)專業(yè)知識(shí)或是經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行交互操作，然而一般操作工人有時(shí)缺乏綜合判斷和選擇的能力。所以，智能 CAD/CAM 的概念就提了出來，即把人的想法引入到CAD/CAM 系統(tǒng)中，模擬人的思維方式，設(shè)計(jì)加工工藝方案[35]。這樣縮短了產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)的周期，減少了人的參與，減低了開發(fā)和生產(chǎn)的成本，提高了生產(chǎn)效率。因此，基于知識(shí)的智能化系統(tǒng)也是 CAD/CAM 系統(tǒng)要發(fā)展的重要趨勢(shì)之一。（6）數(shù)控系統(tǒng)上的 CAD/CAM 軟件系統(tǒng)應(yīng)具有更高的開放性CAD/CAM 軟件系統(tǒng)的開放性主要體現(xiàn)在軟件開發(fā)環(huán)境及平臺(tái)、用戶接口函數(shù)等。CAD/CAM 軟件制造商應(yīng)向用戶提供免費(fèi)的、易用易學(xué)的二次開發(fā)接口，使用戶可擴(kuò)展其功能、定制適合自己的專用數(shù)控系統(tǒng)機(jī)床的 CAM 軟件，這樣開放性就比較好[36]。 隨著計(jì)算機(jī)和信息技術(shù)的不斷發(fā)展，CAD/CAM 系統(tǒng)具備的開發(fā)性將越來越受到用戶的青睞，應(yīng)用將更加廣泛。
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