计算机辅助设计与制造-中文翻译

1计算机辅助设计与制造CAD/CAM 是表示计算机辅助设计和计算机辅助制造的专业术语。它是一种使用计算机完成某些设计和生成功能的技术。在生产企业里，人们通常把设计和制造是为两项有着明显不同职能的分工，而这项技术正朝着设计与制造的更大程度一体化方向发展。最终，CAD/CAM 将会为未来的计算机集成工厂提供技术基础。计算机辅助设计（CAD）可定义为运用计算机系统对设计的创意、修改、分析或优化予以辅助。这些由硬件和软件构成的计算机系统，用于完成用户公司要求的特定设计功能。CAD 硬件通常包括：一台计算机，一个或多个图形显示终端，键盘和其他外围设备。CAD 软件包括各种计算机制图程序，这些程序便于用户公司完成设计职能，如：零部件的应变分析，机构的动态响应，热传输计算和数控零件编程。由于用户的生产流程、制造工艺和销售市场方面的差异，应用程序的配置也将因用户而异。这些因素均导致对 CAD 系统要求的差异性。计算机辅助制造（CAM）可定义为通过直接或间接与厂家生产资源相适应的计算机界面，使用计算机系统来规划、管理和控制制造工厂的运行。正如定义所表示的那样，CAM 应用程序可分为两大类：1. 计算机监控程序；2. 制造程序。二者之间的区别是理解计算机辅助制造的基础。计算机辅助制造的应用程序，除了为监控制造过程而直接使用计算机界面的应用程序之外，还包括在工厂生产运行过程中由计算机提供支持的间接应用程序。在这些应用程序中，计算机并不直接与制造过程相联接。相反，在脱机状态下，计算机可用来提供计划书、进度表、预报、指令和使厂家生产资源管理更加有效的信息资料。计算机和制造过程间的关系如下图所示。图中虚线用来说明交流和控制处于脱即状态下，需要人来完善界面。目前，CAM 的应用需2要由人来为计算机输入程序，解释计算机的输出，并采取所要求的措施。处理数据控制信号CAM 用于生产支持Notes:1. CAD(computer-aided design) 计算机辅助设计2. CAM(computer-aided manufacturing) 计算机辅助制造3. computer monitoring and control 计算机监控4. manufacturing support applications 生成支持应用软件5. peripheral equipment 外围设备（外设）6. computer graphics 电脑制图什么是 CAD/CAM 软件？许多刀具轨迹是简单的但太复杂和昂贵以致于人们很难制造，对于这种情况，我们需要在计算机的帮助下来作数控部分程序。CAD/CAM 最基础的概念是，我们可以用计算机辅助设计系统在计算机上画出工件的几何形状。几何形状一旦完成，我们就可以用计算机辅助制造系统根据 CAD 的几何形状，生成数控机床的刀具轨迹。利用 CAD 绘制所有路径对数控加工的路径如下：第一步：利用 CAD 绘制几何图形已被定义这种工件包括型腔加工。对于这种型腔加工很可能将花几个小时去制造代码。然而，我们能够利用 CAM 程序去计算机 生产操作3创造 NC 代码在每分钟内。第二步：接着，这个模型就被输入到 CAM 模块中。然后，我们就选择合适的几何形状并定义要生成的刀具轨迹类型，在这个例子中就是一个型腔。我们一定也能够让 CAM 系统如刀具的使用，材料的类型，进给量，切屑深度等信息。第三步：CAM 模型证实保证刀具轨迹的正确性。如果发现了一些错误，最简单就是在某个位置上加以改正。第四步：CAD/CAM 模块最终产生的是 NC 代码。通过模型的后处理则可以生成适用于特定 CNC 控制器的 NC 代码。我们取字体的首字母即 CAPP，它代表了计算机辅助程序。CAPP 是使用计算机辅助在数控刀具轨迹中的应用。然而，CAPP 从来就没有真正获得广泛的流传和接受，而且至今我们很少听到这个项目。取而代之的是在更多的市场上使用 CAD/CAM，使用计算机的思维来帮助生产 NC 程序。不幸的是，因为 CAM 是一个整体技术与制造技术和自动化技术有着关联的不仅是软件，而且使用CNC 机器工具。描述 CAD/CAM 组成及功能CAD 系统包括 CAD 设备及 CAM 设备每个都有许多功能元件。它们将在短时间内扫描这些元件目的是为了了解其工作的整个过程。1. CAD 模型系统的 CAD 部分用于生成可作为 CAD 模型的几何形状。CAD 模型是工件几何形状的电子描述，她在数学上是十分精确的。不论是独立的 CAD 系统还是作为 CAD/CAM 软件包的一部分的 CAD 系统，往往都可以在几个不同的层次上混合使用。两维线条图 几何图形被体现出两个方向，就象一张清单，Z 轴深度将不得不与 CAM 相关。三维线框模型通过将代表边界的元素连接早一起，就可以在三维空间中表现几何形状。虽然线框图难以想象,但可以得到 CAM 所需的所有的 Z 向信息。4三维表面模型 它与线框模型十分相似，所不同的是，在线框模型间覆盖了一层薄薄的外皮，从而使模型更形象。另外，模型型腔是空的，完成表面模型即可。三维实体模型这种当前高科技市场形式被使用必须通过所有的高端科技软件。几何形状被看作是一个实体特征其包括许多方面。实体模型可以被切开以展示内部特征，而不仅仅是拥有一层表皮。2. CAM 模型根据 CAD 模型提供的几何形状，CAM 模块用于创建加工工艺模型。例如，CAD 模型可能包括一些特征，即凹槽型腔。我们可能应用其加工路线来加工几何图形，然后，所有的刀具路径将是自动的产生凹槽行程。同样，CAD 模型也可包括几何图形应该产生钻的操作。我们能够选择简单的几何图形和按照 CAM系统的说明在适当的位置上进行钻孔。CAM 系统将生成描述加工操作的普通中间代码，这些代码以后可被用来生成 G 和 M 代码或会话式程序。在它们合适的环境下，有些系统产生中间代码。而其他使用较标准代码例如 APT 就是他们的中间文件。CAM 模块也有多种类型和层次。首先，通常有些不同模型功能如铣、钻、以及装配，每一步工艺是唯一的，典型的模型有附加软件。每一个模型也可能使用不同的设备。例如，开始用简单的设备，到后来用复杂的、多方向的刀具轨迹路线，CAM 模型中铣床加工通常加工的过程如下： 21/2-方向的机床 3 个方向的机床 加工表面的机床 5 个方向混合的机床每种体现出高精度的设备不可能在所有的坏镜下制造，一个工序很可能只要求三个方向的设备，而一个模型工序很可能需要全部的表面加工设备，而且可能需要五个方向的 CAM 软件包混合这样就有可能完成其加工表面。这种一流的软件安装很可能需要花费￥5000，但是许多复杂模型将花费￥15000 甚至更多。因此，我们没有必要购买这种高水准的软件，因为我们不能完全发挥他们5的潜能。3. 几何图形及刀具轨迹我们必须理解一个重要的概念，即 CAD 所绘制的几何形状并不一定与 CNC机床加工出的几何形状完全一致。只要刀具轨迹是直线或圆弧，CNC 机车就可以加工出非常精确的刀具轨迹。CAD 系统也可能加工高精度几何图形如直线及圆弧，但是也可能加工许多不同层次的曲面，同样许多这种曲面被认为是非均匀有理 B 样条曲线。事实上，NURBS 曲线可以描绘出从直线或圆弧到复杂的表面的任何几何形状。例如，就象几何图形为椭圆形，椭圆有一系列曲线，有着不同的环形弧，椭圆在 CAD 系统利用鼠标单击很容易产生。然而，一个标准的 CNC 加工刀具不能够直接使用产生一个椭圆它只能产生直线和圆弧。CAM 系统将顺从于这种问题，通过估算用直线段代替曲线。CNC 机床刀具通常只能识别圆弧或直线。因此，CAM 系统必须估计直线段代替曲线之间的公差带。在这种情况下，就像椭圆刀具轨迹产生包含着用直线段代替曲线之间的公差带。CAM 系统会在真正的曲线两侧各生成一个几何边界，从而形成一个公差带。它将生成一道刀具轨迹线包含着少量的公差带，结果这刀具轨迹将在数学理论上不正确CAM 系统只能估算表面，使用它最基本的方法是为了估算刀具轨迹包括两维曲线及三维表面曲线。有些 CAM 系统也有可能直接绘制直线段为圆弧曲线。这可能在程序中产生许多模块导致表面的光滑。这种出现能够控制公差带的大小，其目的是使的刀具轨迹更加精确，这是有必要的。较小的公差带可以生成细致的刀具轨迹以及大量的直线段，而较大的公差带将会产生较少的直线段，刀具轨迹也比较粗糙。每一个直线段将要求在 NC 程序有模块代码。因此，当使用这种技术时，NC 程序能够扩大范围。在加工表面时我们一定要细心，依靠计算机生成正确的刀具很容易，但在用球状端铣刀进行曲面的精加工是须进一步估价。如果我们没能注意到这种技术的局限性，那么精加工后工件的精度就会大打折扣。4. 刀具库和材料库6为了创建机械加工工艺，CAM 系统需要了解切割刀具的利用以及机械材料。CAM 注意的是通过提供可定制的刀具型号及类型。材料库包括的信息是最优化的切削速度以及进给量。CAM 使用这种信息聚在一起创建正确的刀具轨迹以及机床参数。这类刀具和材料库的格式经常是独有的，这一点带来了一些兼容问题。专用的工具库及材料库不容易修改或不容易使用其他的系统。进步的 CAM 开发者趋向于将刀具和材料库生成数据库文件，这样就可以为其他的应用者进行修改和定制提供方便。5. 检验及后置处理CAM 系统通常提供检验刀具轨迹是否正确性的功能。这可以通过加工操作的刀具中心线的简单绘制或通过复杂的实体模型来实现。实体验证通常是CAD/CAM 软件公司已经获得许可的第三方软件。然而，它可能是作为一个独立的软件包。后置处理器是一个软件程序，他将通过的中间代码格式化为使用于每个特定机床控制器的 NC 代码。后置处理器通常可以通过模板和变量被定制为需要的样式。6. 便捷性电子数据的便捷性是 CAD/CAM 系统唯一致命的弱点，这个问题任就是一件十分耗时的事情。CAD 文件创建了许多格式以及它们之间有许多步同的组成。利用 CAD 系统创建一个复杂的模型是比较昂贵的。因此，我们希望使模型的便捷性最大化，而使在不同系统中重新生成几何模型的需求最小化。CAM 模型与手提式的 CAD 模型不同，我们通常不能够发展一个 CAM 模型以及把它转换成其他格式。唯一被广泛接受的 CAM 模型交换版本就是自动编程工具（APT） 。自动编程工具是一种利用描述机床操作的程序语言工具，自动编程工具是一种标准的、有着好的文件能够通过三个方向软件的发展的促进。许多CAD/CAM 系统可以按照这种标准输出文件，而（由此生成的）CAM 文件以后也可以被后置处理程序和校验软件使用。有时会有这样的情况，即特定的 CAD/CAM 系统生成的特有的中间文件不经任何额外的后置处理就可以直接输入到机床之中。这是理想的解决方案，然而7目前尚无任何标准管理这种交换。CAD/CAM 模型交换的另一种方法是利用逆向后置处理器。逆向后置处理器可以从数控 G&M 代码程序生成 CAD/CAM 模型。这种程序确实有些作用，但是，程序员必须花相当多的时间去搞清楚模型的设计意图，而且还要将刀具路径从几何形状中分离出来。总体来说，后置处理器的应用具有一定的局限性。软件的组成及发展趋势在整个工业上，许多软件包利用 CAD 或 CAD/CAM。纯 CAD 系统被应用于所有的设计领域，实际上今天所有的产品都是用 CAD 软件设计出来的用纸笔绘的日子已经一去不复返了。另一方面，CAD/CAM 软件包有着更多专利。CAD/CAM 虽然小，但地位十分重要，它的应用通常限制在加工和装配业，其数量要比 CAD 小得多。CAD/CAM 系统包括 CAD 软件设计以及 CAM 软件去创建刀具轨迹和 NC 代码。然而，普通的 CAD 模型相比于纯 CAD 软件比较弱及不精炼。这种不匹配造成了 CAD 设计者与 CAD/CAM 程序员之间一直以来的争论，其主题是如何使 CAD/CAM 能够融合。如果先在业界一流的 CAD 系统上生成所有几何形状，然后再图形输入到某个 CAD/CAM 系统中，就会产生很大的争论。工程师创建 CAD 模型逐步形成一种模式，商业就会更加充裕。几何形状能够输入到 CAD/CAM 软件包中产生处理模型。因此，工业引导 CAD 软件包走向不正式的标准。标准的接受度越高，拥有该软件的公司的投资回报率就会越高。反对意见来自于小的组织，他们没有必要或者没有资源同时拥有昂贵的符合工业标准的 CAD 软件包以及 CAD/CAM 软件包。他们往往需要根据纸上工程图重画几何图形，或者用并不完善的翻译设备输入模型。任何起源模型将结束走向于更高的正式的 CAD/CAM 文件。这类模型很可能在将来又被翻译成更为标准的版本。不论选择什么样的方法，各种组织和个人往往都会竭尽保护某种技术。如果他们检查发现有巨大的效果，花时间去学习它以及吸收科学知识。然而，他将转变成一种新的技术是很困难的事，即使它们体现出具有无法抵抗的证据来证实更好的方法。这是一次十分痛苦的转变，当然如果我们能够看见我们的将8来，这是不可能发生的事情。但是事实上，我们不可能总是预测支配的科学技术将在几年内走下坡路。结果形成了技术壕沟，要从脚下消除这种壕沟将会十分困难和昂贵。大约只能保证，我们能够发现去选择技术出现最标准，即使不完美也要留住它.然而，如果发现走下坡路，我们将也更加适应这位置。