1、 第1章CAD/CAM概述 第2章计算机辅助设计（CAD）第3章计算机辅助工程分析（CAE）目 录 第4章计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第5章计算机辅助制造（CAM）第6章CAD/CAM技术的集成与发展计算机辅助制造（CAM）第第5章章u5.1 CAM基本知识基本知识 计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM）指的是将计算机技术应用于产品生产制造相关过程的统称。它以计算机软件系统为基础，将计算机与加工设备直接或者间接的联系起来，实现产品的工艺规划设计、加工管理、操作和质量控制等按照数字化的作业流程进行生产制造活动。广义的CAM主要指由计算机辅助完成从毛坯
2、到制成产品的全部过程的所有相关活动，包括物料计划制订、排产计划制订、物流控制、质量控制、NC程序设计、工时定额等。狭义的CAM主要指的是数控加工程序的设计，主要包括刀路轨迹的设计、刀位文件定义、加工路径的仿真以及生成NC加工程序等。5.1.1 CAM的基本概念的基本概念图5.1.1 广义CAM与狭义CAM的关系图5.1.2 CAM的功能与结构的功能与结构CAM系统是随着计算机技术发展起来的，它建立在计算机硬件的基础上，以系统软件为支撑，应用软件为核心，旨在处理制造过程中的相关信息的系统。图5.1.2 CAM系统的主要功能根据硬件和软件实现的功能，又可将CAM系统分为硬件部分、支撑环境、系统管理
3、和应用软件四部分。5.1.2 CAM的功能与结构的功能与结构图5.1.3 CAM系统的主要结构5.1.3 CAM的发展概况的发展概况自20世纪50年代出现CAM技术以来，根据CAM编程原理的不同，可将其分为数控语言编程、图形语言编程和CAD/CAM集成数控编程三个阶段。1）数控语言编程）数控语言编程1950年代，美国MIT学院设计开发出了零件数控编程语言APT，它是一种对零件、刀具的形状以及刀具相对于零件运动等进行定义时所使用的一种类似于英文单词的程序语言。图5.1.4 APT语言编程流程图2）图形语言编程）图形语言编程1970年代，随着微处理计算机技术开始实际应用，相关的工程制图软件开始使用
4、，零件设计信息转换为交互式界面上的直观图形，人机交互方式的数控程序设计成为主要的数控程序设计方式。5.1.2 CAM的发展概况的发展概况图5.1.5 图形语言编程流程图3）CAD/CAM集成数控编程集成数控编程1980年代，各种CAD/CAM集成式数控编程软件开始快速发展起来，由CAD构建的零件设计模型保存为一定数据格式文件进行中转，CAM可识别中转文件，直接读取相关的零件几何信息，生成刀位轨迹和NC代码。5.1.2 CAM的发展概况的发展概况图5.1.6 CAD/CAM集成数控编程流程图5.1.4 数控编程的基本概念数控编程的基本概念数控编程是指用编程语言描述零件数控加工成型过程中的工艺参数
5、、刀具相对于工件的运动轨迹等信息，并进行仿真加工校核的全过程。数控编程的主要内容包括零件图样分析、工艺规划、刀位轨迹计算、后处理生成数控程序、数控程序的校核和首件试切等内容。图5.1.7 数控编程的主要步骤5.1.5 数控程序的基本结构与格式数控程序的基本结构与格式一个完整的程序必须包括程序开始部分、程序内容部分和程序结束部分，如图5.1.8所示。%/开始符O1002 /程序名N10 G00 G54 X20 Y20 M03 S8000N20 G00 X88 Y10 F150 T01 M08N30 G01 X120 Y6 Z10N40 X90 /程序主体N300 M30 /结束符图 5.1.8
6、数控加工程序的结构5.1.5 数控程序的基本结构与格式数控程序的基本结构与格式每一个数控程序又由多个程序段组成，每个程序段由程序序号、若干功能字、尺寸字和程序结束符组成，格式如图5.1.9所示。图5.1.9 程序段格式功能字主要包括准备功能字（G代码）、进给功能字（F代码）、主轴功能字（S代码）、刀具功能字（T代码）、辅助功能字（M代码）。数控系统中，准备功能字用地址符G表示，由G和两位数字组成，是控制数控机床做好某种准备工作的指令。表5.1.1 列出了数控铣床常用G代码指令及其功能。G G代码代码功功 能能G G代码代码功功 能能G00快速移动 G00 X_Y_G40取消刀具补偿G01直线插
7、补 G01 X_Y_F_G41左刀补G02顺时针圆弧插补G42右刀补G03逆时针圆弧插补G43刀具长度正补偿G04暂停G44刀具长度负补偿G17选择XY平面G52设置局部坐标系G18选择ZX平面G53设置机床坐标系G19选择YZ平面G54G59设置第16零件坐标系G27返回参考点检查G65宏程序调用G28返回参考点G80取消固定循环G30返回第二参考点G98返回起始点G31跳步功能G99返回R点表5.1.1 数控铣床部分主要G代码指令1）准备功能字（G代码）在数控系统中，进给功能字用地址符F表示，由F和数字组成，用于指定刀具进给速度，如F150，表示刀具进给速率为150mm/min。2）进给功
8、能字（F代码）在数控系统中，主轴功能字用地址符S表示，由S和数字组成，用于指定主轴转速，如S800，表示主轴转速为800R/min。3）主轴功能字（S代码）在数控系统中，刀具功能字用地址符T表示，由T和数字组成，用于指定零件加工时的刀具编号，如T02，表示选用刀具编号为02的刀具进行加工。4）刀具功能字（T代码）在数控系统中，辅助功能字用地址符M表示，由M和两位数字组成，是控制数控机床辅助装置做好某种工作的操作指令。表5.1.2列出了数控铣床常用M代码指令及其功能。表5.1.2 数控铣床部分主要G代码指令5）辅助功能字（M代码）M M代码代码功功 能能M M代码代码功功 能能M00程序停止M0
9、9关闭切削液M01计划停止M30程序结束并返回M02程序结束M52自动门打开M03主轴顺时针旋转M53自动门关闭M04主轴逆时针旋转M74错误检测功能打开M05主轴停止M75错误检测功能关闭M06换刀M98子程序调用M07冷却液喷雾开M99子程序调用返回M08打开切削液u5.3 CNC、DNC系统及其发展系统及其发展西安文理学院1）CNC系统的定义系统的定义 CNC系统（Computer Numerical Control System）是在NC系统的基础上发展起来的，是一种以计算机为核心的数字控制系统，该控制系统能够根据输入的加工指令（NC加工程序），翻译为计算机识别的代码，进行插补运算，长
10、度补偿及半径补偿计算，获得理想的机床运动轨迹，然后输出至机床本体加工出符合要求的零件。CNC系统是数控机床实现零件加工功能的控制和指挥中心。5.3.1 CNC系统系统及其发展系统系统及其发展CNC系统是数控机床实现零件加工功能的控制和指挥中心，如图5.3.1所示，其主要由输入/输出（I/O）装置、计算机数字控制装置（CNC装置）、可编程控制器（PLC）、主轴驱动装置、进给伺服系统以及检测装置等几部分组成。图5.3.1 CNC系统结构图2）CNC系统的主要功能系统的主要功能 CNC系统的主要功能有控制功能、准备功能（G代码）、辅助功能（M代码）、进给功能（F代码）、刀具功能（T代码）、插补功能、
11、补偿功能、显示功能、自诊断功能、通信功能、人机交互图形编程等。3）CNC系统的工作过程系统的工作过程CNC系统的工作过程如图5.3.2所示。图5.3.2 CNC系统的工作过程4）常见的）常见的CNC系统系统自计算机技术应用到机床上以来，数控系统经历了近70余年的发展，出现了多种类、多品牌的数控系统。国外主要有德国西门子数控系统（SINUMERIK）、日本发那科数控系统（FANUC）、日本三菱公司MELDAS数控系统、德国海德汉数控系统（HEIDENHAIN）、法国施耐德公司的NUM数控系统、西班牙发格数控系统（FAGOR）等。国外主要有华中数控、广州数控、航天数控等知名数控系统，也出现了沈阳高
12、精数控、南京华兴数控、北京时代数控等新兴的国产数控系统企业。5）CNC系统的发展历程与趋势系统的发展历程与趋势随着计算机技术、控制技术、检测技术、传感器技术等新技术的发展，特别是柔性制造系统（Flexible Manufacture System，FMS）和计算机集成制造系统（Computer Integrated Making System，CIMS）等机械制造相关技术的不断成熟，数控系统的功能也在不断地扩充，同时更高零件加工质量的需求以及相关技术的快速发展，也对数控系统的发展提出了更高的要求。（1）高速、高精度、高可靠性方向；（2）多功能复合化方向；（3）智能化、网络化方向。5.3.2 D
13、NC系统系统及其发展系统系统及其发展1）DNC系统的定义系统的定义 20世纪60年代，为了解决因使用纸带传输数控程序而引起的一系列问题以及数控加工设备计算成本高等问题，有专家学者提出了最初的DNC概念，即直接数字控制（Direct Numerical Control），指的是由计算机直接控制数控加工设备，进行NC程序的传输以及管理。随着计算机技术数字化技术等新技术的快速发展，特别是CNC系统的运算速度和内存容量的提高，数控加工设备具备了一定的自我决策加工能力，DNC也拓展成为功能更为全面的分布式数字控制系统（Distributed Numerical Control）。它不仅具有直接数字控制的
14、设备集成和NC程序传输功能，还开始着眼于车间加工信息的集成、数控设备运行状态的检测、数控加工的动态控制等功能。2）DNC系统的主要功能系统的主要功能 DNC系统的基本功能主要包括集中车间数控加工设备、NC加工程序及数据的传输、NC加工程序的管理等。NC系统的扩展功能主要包括数控加工设备的远程监控及数据采集、车间数据共享、在线加工接收生产计划信息、按照生产计划信息进行仿真和优化、设备故障远程诊断、高度自动化生产系统中的刀具和工件管理、加工作业的集中监控和分散控制等。2）DNC系统的一般工作过程系统的一般工作过程DNC系统的工作可分为四个层级进行概括，具体包括用户层、服务层、代理层以及设备层。（1
15、）用户层主要包括NC编程人员和生产调度人员，用户层可以通过工作窗口进入服务层合理分配数控加工任务。（2）服务层提供CNC加工设备相关的信息，供用户层及时掌握CNC加工设备的相关数据，此外，服务层还需要及时响应代理层的反馈信息。（3）代理层实现CNC加工设备的数据通讯，获取服务层的加工信息，传输给设备层，获取设备层的加工信息，传输给服务层，即实现CNC加工设备与外界数据间的交换。（4）设备层即接入局域网络的CNC加工设备。图5.3.3 DNC系统的一般工作过程4）常见的）常见的DNC系统系统自DNC系统的概念提出以来，一直是各个国家研究的重点。经过近半个世纪的发展，各国开发出了多种DNC系统，并
16、广泛应用于各大制造企业。国外主要有美国Automation Intelligence公司开发的SHOPNETDNC系统、美国CRYSTAC公司的DNC系统、美国CIMCO公司的DNC-MAX、ASCENDANT TECHNOLOGIES公司的eXtremeDNC等。国外主要有北京机床研究所的JCSDNC以及CAXA(数码大方)的CAXA网络DNC、成都飞机公司的FDNC1系统等。5）DNC系统的发展历程和趋势系统的发展历程和趋势随着计算机技术、控制技术、检测技术、传感器技术等新技术的发展，DNC系统的功能已经非常丰富了，但随着数字化的产品研发和网络化制造技术的应用以及网络技术、CNC技术的发展
17、，对DNC系统提出了新的要求。（1）高兼容性；（2）高可靠性；（3）网络化。u 5.4 基于基于MasterCAM的的CAM简介简介5.4.1 主流的主流的CAM软件软件/WorkNC CimtronCAMworks Hypermill5.4.2 Mastercam软件的特点软件的特点易学易用高性价比对计算机的配置要求低NC程序简单高效2D加工方面占压倒性优势3D加工方面在简单规则类方面占优势5.4.3 Mastercam软件发展历程软件发展历程MastercamXMastercam6.01 Mastercam8.0352数控编程数控编程体素拼合体素拼合4真实感模拟真实感模拟刀具路径模拟刀具路
18、径模拟6Mastercam20187Mastercam7.0 Mastercam9.0Mastercam2017二位绘图二位绘图三维实体造型三维实体造型曲面设计曲面设计5.4.4 CAM的流程的流程 工工艺艺分分析析与与规规划划刀刀具具路路径径模模拟拟与与实实体体加加工工仿仿真真设定毛设定毛坯坯加加工工模模型型的的准准备备工工件件坐坐标标系系的的设设定定加加工工模模块块的的进进入入加加工工刀刀具具的的选选择择与与设设置置后后处处理理5.4.5 CAM的意义的意义加工加工质量质量工艺参数刀具运动轨迹加工加工效率效率切削加工数控程序加工加工策略策略刀具选用 第第1章章CAD/CAM概述概述 第第2
19、章章计算机辅助设计（计算机辅助设计（CAD）第第3章章计算机辅助工程分析（计算机辅助工程分析（CAE）目 录目 录 第第4章章计算机辅助工艺规程设计（计算机辅助工艺规程设计（CAPP）第第5章章计算机辅助制造（计算机辅助制造（CAM）第第6章章CAD/CAM技术的集成与发展技术的集成与发展CAD/CAM技术的集成与发展技术的集成与发展 第第6章章6.1 CAD/CAM集成的方法集成的方法硬件集成信息集成功能集成CAD系统设计产品结构中性文件2CAPP系统生成零件工艺CAM系统生成数控加工程序中性文件3CAE系统结构分析及优化中性文件1数据库6.1.1 通过专用数据接口实现集成通过专用数据接口实
20、现集成这种集成方法原理简单，运行高效。但系统之间缺乏通用性！6.1.2 通过标准数据接口实现集成通过标准数据接口实现集成ISO组织已经推出多种公共标准格式，其中典型的有IGES、STEP等。这种集成方法通用性好，数据结构有部分丢失。6.1.3 基于产品统一模型与数据库的集成基于产品统一模型与数据库的集成统一的数据库管理系统实现数据的交换与共享，避免了数据文件格式的转化，消除了数据冗余，保证了数据的一致性、安全性和可靠性。6.1.4 基于产品数据管理（基于产品数据管理（PDM）的系统集成）的系统集成异构环境处理层PDM系统集成层应用系统层用户层基于PDM的系统集成是指集数据库管理、网络通信能力和
21、过程控制能力于一体，将多种功能软件集成在一个统一平台上，实现企业信息共享。6.1.5 基于特征方法的集成基于特征方法的集成6.1.6 面向并行工程的系统集成面向并行工程的系统集成设设计计特征特征识识别别特征特征共共享享特征特征6.2 CAD/CAM技术的发展趋势技术的发展趋势向向CAD/CAM系统的集成化方向发展系统的集成化方向发展向向CAD/CAM智能化方向发展智能化方向发展向向CAD/CAM网络化方向发展网络化方向发展并行工程的提高与发展并行工程的提高与发展虚拟设计制造技术的实现虚拟设计制造技术的实现6.3 CAD/CAM技术与智能制造技术与智能制造 四个关键因素:智能设计智能生产智能制造智能管理
