简略解析 CAD /CAM 软件及在使用中遇到的优缺点

对于机电产品来说, 其设计、 制造水平、 产品的质量、 成本及生产周期是息息相关的。随着现代科学技术的发展, 特别是计算机技术的突飞猛进, 人工设计、 单件生产这些传统的设计与制造方式已无法适应现代工业发展的要求, 采用计算机辅助设计及制造( Computer Aided Design and Computer AidedManufacturing,简称 CAD/CAM)技术已成为整个制造行业当前和将来技术发展的重点和趋势。数控技术是制造业实现自动化、 柔性化、 集成化生产的基础, 是提高产品质量、 劳动生产率必不可少的手段。在数控加工过程中, 加工程序的编制是基础性工作, 因此 CAD/CAM技术对数控加工领域来说就显得很重要。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、 数控加工、 仿真模拟、 动态显示等。这些模块以工程数据库为基础, 进行统一管理, 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行时间。

一、 CAD/CAM在数控加工中的基本功用。

CAD能设计制作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, 具有参数化设计功能, 三维实体模型与二维工程图形能相互转化和关联。一个好的 CAD/CAM软件与其他 CAD/CAM软件的兼容性是非常重要的, 软件所带的图形文件接口, 要能支持多种图形文件转换, 能从其他系统读取图形文件, 或将本系统的图形文件传送到其他系统。CAM与 CAD密不可分, CAM甚至比 CAD应用得更为广泛。它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。随着对产品形状、 质量要求的不断提高, 要求工人高效地制造出高质量以及复杂的产品, CAM技术不可缺少。 在实际应用中, 二者自然紧密结合, 形成 CAD/CAM系统。此系统大大缩短了产品的制造周期, 显著提高了产品质量, 带来了巨大的经济效益。

高档先进的 CAD/CAM系统提供了一定的 NC仿真功能,用于检查刀具切削过程的正确性、 检查过切和干涉现象等, 但直接通过 NC代码来驱动仿真加工过程的方法和软件还很少。而在大量使用半手工数控编程的我国制造业, 采用 NC代码驱动仿真加工过程以检验 NC代码的正确性是迫切的。 特别是如果能将仿真软件直接嵌入到实际的加工系统中使其成为实际加工的支撑环境, 将具有更为深远的意义。数控加工过程仿真, 保证了数控编程的质量, 减少了试切的工作量和劳动强度, 提高了编程的一次成功率, 缩短了产品设计和加工周期,大大提高生产效率, 产生巨大的经济和社会效益。

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。提供后处理和程序, 一般包括车床、 线切割、 电火花机床或三维五轴数控编程的后处理程序。后处理程序能细调, 以使数控输出符合用户的要求; 能将 NC程序反向处理, 显示刀具路径。

二、 数控加工中国内常用的 CAD/CAM软件。

(一)UGⅡ(UNIGRAPHICSⅡ)。UGⅡ(UNIGRAPHICSⅡ)美国 UGS公司的主导产品, 是全球应用最普遍的计算机辅助设计、 辅助工程、 辅助制造( CAD/CAE /CAM)一体化软件系统之一。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企业选择了 UGⅡ作为企业的 CAD/CAM系统。UGII 可以运行于 WindowsNT平台, 无论装配图还是零件图设计, 都是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, 一个零件尺寸的修改, 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求解程序, 可以进行应力、 应变及位移分析。UGⅡ的 CAM模块功能非常强大, 它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具轨迹,如延伸、 修剪等, 它所带的后置处理模块支持多种数控系统。UGⅡ具有多种图形文件接口, 可用于复杂形体的造型设计, 适合于大型企业和研究所使用。最新版本为 UG NX 3。

(二) Pro/ENGINEER。Pro/ENGINEER 是美国参数技术公司(PTC)推出的新一代 CAD/CAE /CAM软件, 它具有基于特征、全相关、 单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。该软件 1993 年正式进入中国, 被广泛应用到机械、 电子、 汽车、 航空航天等各个领域。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。新近发布的 20.0 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。

(三) Cimatron。Cimatron 由以色列 Cimatron 公司 1982 年开发。该软件具有功能齐全、 操作简便、 学习简单、 经济实用的特点, 受到小型加工企业特别是模具企业的欢迎, 在我国也有着广泛的的应用。

(四)MasterCAM。MasterCAM是一种应用广泛的中低档CAD/CAM软件, 由美国 CNC Software 公司开发, V5.0 以上运行于 Windows 或 Windows NT。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。其他功能, 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, MasterCAM提供多种图形文件接口, 如 SAT、IGES、 VDA、 DXF、 CADL以及 STL等。 由于该软件的价格便宜,应用广泛, 其 CAM功能也很强。

(五) CAXA。CAXA是英文 Computer Aided X Alliance— Always a step Ahead 的缩写, 其涵义是“ 领先一步的计算机辅助技术和服务” 。CAXA系列软件是北京海尔软件公司依托大学的科研力量, 融入国外公司的最新成果, 将先进的技术和产品同中国制造业的具体需要相结合, 开发的拥有自己的核心技术, 具有自主知识产权的系列软件产品, 包括 CAD/CAM/CAPP /BOM等设计制造软件和 PLM/PDM/MES 等管理软件。CAXA 实体设计提供了丰富的数据接口, 可与所有流行的CAD/CAM 软 件交换数据(IGES, PRO/E, CATIA, SAT, STEP,STL, VRML, Parasolidx_t, 3DS, DXF, DWG, AVI, BMP, VMF等)。 不但可以读入其他三维软件的造型结果加以修改, 并可调入不同软件设计的零件造型生成数据装配。对读入的特征造型可自动识别并重新生成, 并可直接读入和处理多面体的格式或将其转为实体格式进行编辑。作为国产软件的代表, 它充分考虑中国特色, 符合国内工程师的操作习惯。为没有英文基础的人学习 CAD提供了方便,比较起来,CAXA软件更易懂,易被接受。为数控加工行业提供了从造型、设计到加工代码生成、 加工仿真、 代码校验等一体化的解决方案。

三、 CAD/CAM软件的优缺点。

国内外大量的经验表明, CAD 系统的效益往往不是从其本身而是通过 CAM和 PPC(生产计划与控制)系统体现出来,反过来, CAM系统如果没有  AD系统的支持, 花巨资引进的设备往往很难得到有效的利用。PPC 系统如果没有 CAD 和CAM的支持, 既得不到完整、 及时和准确的数据作为计划的依据, 订出的计划也较难贯彻执行, 所谓的生产计划和控制将得不到实际效益。因此, 人们着手将 CAD、 CAE、 CAPP、 CAM和PPC 等系统有机地、 统一地集成在一起, 从而消除了“ 自动化孤岛” , 取得了最佳的效益。采用 CAD/CAM技术一是减少加工前的准备工作, 可以减少夹具的设计与制造、 工件的定位与装夹时间; 二是减少加工误差, 可以在制造加工前进行加工路径模拟仿真, 可以减少加工过程中的误差和干涉检查, 进而节约制造成本; 三是提高加工的灵活性, 配合各种多轴加工机床, 可以在同一机床上对复杂的零件按照各种不同的程序进行加工; 四是生产时间容易控制, 数控加工机床按照所设计的程序进行加工, 可准确地预估加工所需的时间, 以控制零件的制造加工时间; 五是加工重复性好, 设计程序数据可以重复利用。

CAD/CAM任务的实现过程十分复杂, 很难确定地描述其发生的先后顺序, 有时是并行甚至逆向的, 这样必须有人的参与才能给予实现。实践中工人根据图纸要求适当修改生成的代码。CAD/CAM软件自动编程中, 大多数加工方式默认只能采用直接垂直向下进刀方式, 如“ 外形铣削” 、 “ 平面铣削” 、 “ 曲面精加工” 等。立铣刀的端部中心部分没有切削刃, 垂直进刀的切削能力很小, 而键槽铣刀是两刃刀具, 其端部刀刃通过铣刀中心, 有垂直吃刀的能力, 但由于键槽铣刀只有两条切削刃, 加工时不平稳, 在大面积切削中的加工效率较低, 加工零件的表面粗糙度也不太理想。在加工工艺孔时, 该工艺孔的深度控制要准确。深度太浅, 在直接垂直进刀过程中很有可能使立铣刀损坏; 深度太深, 超出了工件要求加工的位置, 会导致工件过切而报废。

CAD/CAM软件将微机与 CNC 机床组成面向车间的系统, 将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一体化。现在, CAD/CAM技术在我国经济发展较为活跃的大中城市应用日益广泛。

加工中心：https://www.bethel-cnc.com/

CNC加工中心：https://www.bethel-cnc.com/bethel/cnc/

钻攻中心：https://www.bethel-cnc.com/bethel/cnc/show_37.html

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龙门加工中心：https://www.bethel-cnc.com/bethel/cnc/show_435.html

现在的软件很多，就像WorkNC软件，出的NC程序代码非常安全，可以仿真模拟，优化刀路，还有特征化钻孔是我编程中常用的，编程和上机就放心很多，能和操机友好相处