基于微机CAD/CAM数控网络系统设计

1 前言

　　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。

　　数控网络系统可以直接通过网络读取CAD /CAM系统生成的G代码加工程序,并通过网络传输给加工设备进行零件加工,数控车床的网络化将大大提高数控系统对大容量数控程序的控制能力。

　　目前CAD/CAM系统运行的硬、软件环境主要有两种:一是工作站,另一是微机。工作站虽然性能优越,图形处理速度快,但价格却十分昂贵,这在一定程度上限制了CAD/CAM技术的推广。随着Pentium芯片和Windows2000 Server操作系统的出现并流行,以前只能运行在工作站上的CAD/CAM软件现在也可以运行在微机上。由于微机的价格远远比工作站低,性能也不比中低档工作站逊色多少,同时Windows2000 Server操作系统的安全性有了很大提高。所以,微机平台为普及CAD /CAM应用创造了绝好的条件。在此基础上, CAD/CAM软件厂商展开了新一轮的竞争。一方面工作站上著名的CAD /CAM的软件(如UG、CATIA)全功能地移植到微机平台,使微机完全对等地实现了工作站环境的处理能力;另一方面CAD /CAM软件打破了原有Unix环境的桎梏,在Windows平台上全面拓展;同时微机与各种数控装置的通讯技术日趋成熟, Pentium以上处理器和Windows2000Serve环境已经或者正在成为CAD /CAM软件运行和应用的主要运行平台。

2 CAD /CAM 数控网络系统结构设计

　　CAD /CAM数控网络系统的总体结构见(图1) 。

　　CAD网络系统方案采用C /S方案,用Windows2000 Serv2er作为CAD网络服务器的操作系统,设计工艺站安装的系统为Windows2000 Professional ,网络协议为TPC / IP,服务器通过交换机与数控网络进行通讯,实现数控程序的传输。设计人员可以在设计工艺站内调用CAD服务器中的CAD软件进行设计和计算机编程,可通过Internet,利用异地服务器实现图像、声音、加工数据等文件的异地处理。

　　硬件系统平台

　　计算机硬件平台是CAD /CAM技术的基础,计算机硬件的每一次技术突破都带来CAD /CAM技术革命性的变化。把握硬件平台的发展趋势,选准未来的主流产品,是系统选型最基础的工作。

　　数控网络的硬件由服务器、设计工艺站和网络组件三部件组成。其中文件服务器是系统的核心,它是运行网络操作系统,为网络提供通信控制、管理和共享资源服务的计算机;设计工艺站是指与服务器相连的、具有独立运行能力的、能够接受网络服务器的控制和管理并可共享网络资源的计算机;网络组件中主要有网卡、交换机、通信电缆等设备。其中网卡安装在计算机中,负责连接计算机与通信电缆,交换机主要用于星型网络中设计工艺站的连接。采用100BASE-T高速以太网技术, PC上安装用100 M以太网卡,用超5类双铰线与100M的集线器相联形成星形网,高速以太网在工作站和服务器之间形成一个100 Mbp s的通道,保证数据和大容量数控程序的及时可靠传输。

　　数控网络通过一台服务器进行中央集中控制,将数据传输到车间服务器,再通过多组不同的数据通讯接口,直接管理、控制车间内数控机床。数控网络服务器主要是用于提供数控加工服务,接收来自CAD服务器及远程用户的数控程序,并对数控机床进行配置和管理。

3　软件系统平台的选择

　　3.1 选择CAD/CAM 的原则

　　3.1.1 操作使用的方便性

　　首先应注意软件的安装对操作系统及硬件的要求,能否直接运行于普通配置的微机上,需要增加哪些专用配件。其次再检查软件的各个子系统,比如界面设计是否符合逻辑和便于阅读,各级子菜单如何管理和显示,用户如何与系统交流等。一个好的软件还应便于初学者掌握,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。

　　3.1.2 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动时间。有些CAD /CAM软件则以文件管理为基础,导致数据冗余度大,占用存储空间大,缺乏数据安全保护措施,不利于工程数据管理。

　　3.1.3 CAD功能

　　应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。实际上,几乎没有纯粹的自动设计或纯粹的交互设计软件,好的软件能根据产品对象恰当地处理自动设计和交互设计的配合。另外,开放型的结构不仅便于用户进行二次开发,同时也使软件系统本身能够不断地扩充与完善。当然,还要考虑它与其它CAD /CAM软件的兼容性,注意软件所带的图形文件接口,看它能支持哪几种图形文件转换,是否能从其它系统读取图形文件,或将本系统的图形文件传送到其它系统。

　　3.1.4 CAM功能

　　CAM功能应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建立二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。

　　3.1.5 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。

　　3.1.6升级方法和技术支援

　　应该了解该公司近几年来更新版本的情况,确认升级方法;公司在我国或当地有无办事处,可提供哪些技术支援;是否需要技术培训,采用什么方式等。

　　3.2 基于微机的CAD /CAM 软件包

　　建议根据制造企业的不同,可选择以下几种进行组合:

　　3.2.1 UG

　　Unigraphics(UG) 是美国EDS公司发布的CAD /CAE /CAM一体化软件。广泛应用于航空航天、汽车、通用机械及模具等领域。国内外已有许多科研院所和厂家选择了UG作为企业的CAD /CAM系统。UG可运行于Windows NT平台,无论装配图还是零件图设计,都从三维实体造型开始,可视化程度很高。三维实体生成后,可自动生成二维视图,如三视图、轴侧图、剖视图等。其三维CAD是参数化的,一个零件尺寸修改,可致使相关零件的变化。该软件还具有人机交互方式下的有限元解算程序,可以进行应变、应力及位移分析。UG的CAM模块提供了一种产生精确刀具路径的方法,该模块允许用户通过观察刀具运动来图形化地编辑刀轨,如延伸、修剪等,其所带的后处理程序支持多种数控机床。UG具有多种图形文件接口,可用于复杂形体的造型设计,特别适合大型企业和研究所使用。

　　3.2.2 Pro /Engineer

　　Pro/Engineer是美国参数技术公司(PTC)开发的CAD/CAM软件,在我国也有较多用户。它采用面向对象的统一数据库和全参数化造型技术,为三维实体造型提供了一个优良的平台。其工业设计方案可以直接读取内部的零件和装配文件,当原始造型被修改后,具有自动更新的功能。其Moldesign模块用于建立几何外形,产生模具的模芯和腔体,产生精加工零件和完善的模具装配文件。新近发布的版本,提供最佳加工路径控制和智能化加工路径创建,允许NC编程人员控制整体的加工路径直到最细节的部分。该软件还支持高速加工和多轴加工,带有多种图形文件接口。

　　3.2.3 Master CAM

　　由于价格便宜,Master CAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件,由美国CNC Software公司开发。该软件三维造型功能稍差,但操作简便实用,容易学习。新的加工任选项使用户具有更大的灵活性,如多曲面径向切削和将刀具轨迹投影到数量不限的曲面上等功能。这个软件还包括新的C轴编程功能,可顺利将铣削和车削结合。其它功能,如直径和端面切削、自动C轴横向钻孔、自动切削与刀具平面设定等,有助于高效的零件生产。其后处理程序支持铣削、车削、线切割、激光加工以及多轴加工。另外,Master CAM提供多种图形文件接口,如SAT、IGES、VDA、DXF、CADL 以及STL等。

　　3.2.4 Cimatron

　　Cimatron是Cimatron Technologies公司开发的,可运行于DOS、Windows或NT, 是早期的微机CAD /CAM 软件。其CAD部分支持复杂曲线和复杂曲面造型设计,在中小型模具制造业有较大的市场。在确定工序所用的刀具后,其NC模块能够检查出应在何处保留材料不加工,对零件上符合一定几何或技术规则的区域进行加工。通过保存技术样板,可以指示系统如何进行切削,可以重新应用于其它加工件,即所谓基于知识的加工。该软件能够对含有实体和曲面的混合模型进行加工。它还具有IGES、DXF、STA、CADL 等多种图形文件接口。

　　3. 2. 5 AutoCAD

　　AutoCAD是Autodesk公司的主导产品。Autodesk公司是世界第四大PC软件公司。目前在CAD /CAE /CAM工业领域内,该公司是拥有全球用户量最多的软件供应商,也是全球规模最大的基于PC平台的CAD和动画及可视化软件企业。Autodesk公司的软件产品已被广泛地应用于机械设计、建筑设计、影视制作、视频游戏开发以及Web网的数据开发等重大领域。AutoCAD是当今最流行的二维绘图软件,它在二维绘图领域拥有广泛的用户群。AutoCAD有强大的二维功能,如绘图、编辑、剖面线和图案绘制、尺寸标注以及二次开发等功能,同时有部分三维功能。AutoCAD提供Au2toL ISP、ADS、ARX作为二次开发的工具。在许多实际应用领域(如机械、建筑、电子)中,一些软件开发商在AutoCAD的基础上已开发出许多符合实际应用的软件,目前, Autodesk公司已经发布AutoCAD2004版。

4 数控网络系统的特点

　　4.1 采用W indows环境

　　由于个人微机已经具备了与中低档工作站竞争的实力,再加上其价格低廉,使得普及CAD /CAM 应用成为可能。Windows平台上的新一代CAD /CAM软件基本上都采用典型的Windows界面和操作规范,同时由于DDE和OLE技术的广泛应用,这些CAD /CAM软件可以与Windows平台的其他软件进行动态数据交换,也可以在不退出CAD /CAM软件的前提下嵌入(或链接)其他应用程序的对象。

　　4.2 实用性强

　　实用性是系统的基本要求,也是最高需求。系统做到了一切面向实用,一切面向企业的实际,由网络规模确定网络构件的档次和带宽需求。考虑到企业的发展和技术进步,确保系统的持续稳定发展,强调实用性的同时,兼顾先进性。

　　4.3 集成化

　　该系统可将从零件设计到加工成品和整过生产过程的制造信息进行集成。

　　4.4 安全可靠性好

　　可以利用CAD/CAM对加工零件进行校核和仿真加工,消除不良因素,提高设计的精度和可靠性。

5 数控网络的实现

　　该数控网络可完成如下工作: CAD/CAM集成、计算机网络、三维几何造型,模具CAD 设计、数控自动编程、加工仿真、数控加工等。

　　以UG和MasterCAM软件平台为例,说明数控网络的实现过程如下:

　　(a)根据产品要求进行零件的三维特征造型设计。实体零件特别是箱体,由于结构复杂,因此组成模型的特征较多,主要有拉伸特征、抽壳特征、特征的阵列、拉伸除料等组成。拉伸特征形成零件的主体、凸台结构,其内部空壳由抽壳特征或拉伸除料特征组成。加强筋特征形成箱体的肋板,箱体上的油沟等由扫掠除料特征形成,孔特征及孔的特征阵列形成箱体零件上的轴孔、安装孔、螺孔等,最后倾斜特征形成零件的拔模斜度、倒角、倒圆命令形成箱体上的倒角和圆角。

　　(b)零件数据的转换。UG以IGES的存储格式进行存储,采用Mastercam可以读取IGES格式来对零件格式进行转换。

　　(c)确定加工工艺方案、路线规划。在数控工艺路线设计时,首先要考虑加工顺序的安排,重点是保证定位、夹紧工件时的刚性和利于保证加工精度,其次考虑数控加工工序与普通工序的衔接,全面地与整个工艺过程协调吻合,达到相互能满足需要,且质量目标及技术要求明确,交换验收有依据。

　　(d)加工工艺和加工方式规划其主要内容包括:

　　·刀具选择;　　·刀轨形式选择;

　　·误差控制;

　　·残余高度的控制;

　　·切削工艺控制,包括切削用量控制(含背吃刀量、刀具进给速度、主轴旋转方向和转速控制等) ,加工余量控制、进退刀控制、冷却控制等诸多内容,是影响加工精度、表面质量和加工损耗的重要因素;

　　·安全控制:包括安全高度,避让区域等涉及加工安全的控制因素;

　　(e)建立刀库:在Mastercam中的主菜单NC utils中先建立虚拟刀库,再存入设置好之刀具。

　　(f)利用Mastercam分析零件的三维信息,建立加工实体,确定走刀路线及对刀点,从而实现刀具文件生成及加工轨迹的仿真,并对其调整及修改。

　　(g)数控机床上进行加工

　　将后处理的NC文件传输到数控机床上进行加工,其步骤如下:

　　准备阶段—在机床上进行加工之前,要将毛坯装夹好,选好刀具,确定好对刀位,将机床的状态设置为接受程序输入方式;

　　传输阶段—数控程序编制完成,并通过后处理生成机床控制器能识别的NC文件,用数据线将计算机与机床控制器连接起来,并通过计算机专用软件将计算机内的数控程序传输给机床控制器,采用DNC方式进行程序传输,实现联机加工;

　　加工阶段—在自动加工过程中,操作者要对切削加工的整个过程进行监控,防止其它非正常切削的发生。

6 结论

　　建立合适的基于微机的CAD/CAM数控网络系统,将微机与CNC机床组成面向车间的系统,能大大提高设计效率和设计质量,充分发挥数控机床的优越性,提高整体生产水平,实现系统集成和设计制造的一体化。