CAM在加工中心的应用.docx
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CAM在加工中心的应用
CAM在加工中心的应用
摘要
CAM（computerAidedManufacturing，计算机辅助制造）的核心是计算机数值控制（简称数控），是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。
1952年美国麻省理工学院首先研制成数控铣床。
数控的特征是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。
此后发展了一系列的数控机床，包括称为“加工中心”的多功能机床，能从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些都是通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，数控的这种加工灵活性称之为“柔性”。
关键词：
CAM，数控技术与加工中心，应用
摘要................................................................
目录................................................................
1.CAM的基本知识.....................................................
1.1CAM的概念..............................................................
1.1.1CAM的概念........................................................
1.1.2CAM的组成........................................................
1.1.3CAM的种类........................................................
1.2CAM的加工过程..........................................................
1.3CAM的加工类型..........................................................
1.3.1孔加工...........................................................
1.3.2NX/车加工.........................................................
1.3.3NX/铣加工.........................................................
1.3.4NX/线切割加工.....................................................
2.数控技术与加工中心................................................
2.1数控技术的概念........................................................
2.1.1什么是数控技术...................................................
2.2数控技术的发展趋势.....................................................
2.2.1高速.高精加工技术及装备的新趋势..................................
2.2.25轴联动加工和复合加工机床快速发展................................
2.2.3智能化.开放式.网络化成为当代数控系统发展的主要趋势...............
2.2.4重视新技术标准.规范的建立........................................
2.3加工中心的概念
2.3.1加工中心的发展史.................................................
2.3.2加工中心的分类...................................................
2.3.3加工中心的优点...................................................
2.3.4加工中心与数控机床...............................................
2.3.5加工中心操作要点.................................................
3.CAM在加工中心的应用...............................................
3.1使用CAM设计零件三维图形...............................................
3.2CAM加工................................................................
3.3对生成数控指令代码修改.................................................
3.4程序传输及机床加工.....................................................
3.5加工总结...............................................................
4.致谢..............................................................
5.参考文献..........................................................
1.CAM的基本知识
1.1CAM的概念
1.1.1CAM的概念
到目前为止，计算机辅助制造（CAM，ComputerAidedManufacturing）有狭义和广义的两个概念。
CAM的狭义概念指的是从产品设计到加工制造之间的一切生产准备活动，它包括CAPP、NC编程、工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订等。
这是最初CAM系统的狭义概念。
到今天，CAM的狭义概念甚至更进一步缩小为NC编程的同义词。
CAPP已被作为一个专门的子系统，而工时定额的计算、生产计划的制订、资源需求计划的制订则划分给MRPⅡ/ERP系统来完成。
CAM的广义概念包括的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包括制造活动中与物流有关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。
1.1.2CAM的组成
计算机辅助制造系统的组成可以分为硬件和软件两方面：
硬件方面有数控机床、加工中心、输送装置、装卸装置、存储装置、检测装置、计算机等，软件方面有数据库、计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助数控程序编制、计算机辅助工装设计、计算机辅助作业计划编制与调度、计算机辅助质量控制等。
1.1.3CAM的种类
市面上的CAM软件有：
UGNX、Pro/NC、CATIA、MasterCAM、SurfCAM、SPACE-E、CAMWORKS、WorkNC、TEBIS、HyperMILL、Powermill、GibbsCAM、FEATURECAM、topsolid、solidcam、cimtron、vx、esprit、gibbscam、Edgecam......等等。
1.2CAM的加工过程
CAM加工过程如下：
（1）获得CAD数据模型，建立主模型结构。
提供数控编程的CAD数据模型，有NX直接造型的实体模型和数据转换的CAD模型两种方式。
应对CAD数据模型进行转换以满足编程数据模型的要求。
如CAD数据是CATIA，而CAM平台是NX，应将原CAD数据转换成满足NX的CAD数据模型。
（2）启动NX/Manufacturing应用，加工环境初始化。
（3）CAM数据模型的建立。
由于设计人员在建立CAD数据模型时更多考虑零件设计的方便性和完整性，没有完全考虑对加工的需求，所以要根据加工对象建立CAM模型。
加工坐标系（MCS）的确定。
坐标系是加工的基准，将加工坐标系定位于机床操作人员确定的位置，同时保持坐标系的统一。
CAD数据模型数据处理。
分析CAD数据模型，把不适合用铣切方法加工的特征用简化Simplify或用wave技术处理。
把此特征采用另外的加工方式，例如采用线切割加工；隐藏部分对加工不产生影响的曲面。
用类选择器将对加工不产生影响的曲面分类，通过层选项将分类的曲面移动到不同层，设置为不可见；修补部分曲面，用缝合等命令选项构造的零件几何体应考虑曲面片间可能出现的重叠和缝隙，而导致刀轨的过切削、啃刀等现象，应修整或缝合这些不光顺的区域。
这样获得的刀具路径规范而安全；对轮廓曲线进行修整。
CAD数据集若存在位置数据不连续，一阶导数或者二阶导数不连续、多余（辅助）几何等缺陷，可通过修整或者创建轮廓线构造出最佳的轮廓曲线。
构造CAM辅助加工几何。
针对不同驱动几何的需要，构造辅助曲线或辅助面；构建边界曲线限制加工范围。
（4）定义加工方案。
加工对象的确定及加工区域的规划。
在平面铣和型腔铣中加工几何用于定义加工时的零件几何、设定毛料几何、检查几何，在固定轴铣和变轴铣中加工几何用于定义要加工的轮廓表面。
刀具选择。
刀具选择可通过模板或刀具库选取创建加工刀具尺寸参数，创建和选取刀具时，应考虑加工类型、加工表面的形状和加工部位的尺寸大小等因素。
加工内容和加工路线规划。
零件加工过程中，为保证精度，需要进行粗加工、半精加工、精加工，创建加工方法组是为粗加工、半精加工、精加工指定统一的加工公差、加工余量、进给量等参数。
创建程序组用于组织各加工操作和排列各操作在程序中的次序。
合理将各操作组成几个程序组，可在一次后处理中按选择程序组的顺序输出多个操作。
切削方式的确定。
用于确定加工区域的刀具路径模式与走刀方式。
定义加工参数。
加工参数包括切削过程中的刀具切削运动与非切削运动参数以及零件材料参数。
在平面铣和型腔铣中含进刀、退刀（Engage/Retract）、切削参数（Cutting）、拐角控制（Corner）、避让几何（Avoidance）、进给量（FeedRates）与机床控制（MachineControl）等；在固定轴铣和变轴铣中含切削参数（Cutting）、非切削运动（Non-Cutting）、进给量与机床控制等。
进、退刀Engage/Retract。
进、退刀用于指定刀具去除零件材料的切削运动形式。
选择合适的进刀与退刀运动，有助于刀具顺利切入与切出零件避免损坏刀具与碰伤零件。
进、退刀可控制初始进刀、内部进刀、跨越方法、内部退刀与最终退刀等运动。
固定轴铣和变轴铣中操作中的进、退刀参数由非切削运动（Non-Cutting）设置。
避让几何Avoidance。
避让几何用来控制刀具切入工件之前或离开工件之后的非切削运动的点或平面。
固定轴铣和变轴铣操作中的非切削移动参数由非切削运动Non-Cutting设置。
切削参数Cutting。
用来指定操作的各种切削参数：
切削顺序、切削方向、余量等。
进给量FeedRates。
进给量（FeedRates）用于指定表面速度（SurfaceSpeed）、主轴转速（FeedsandSpeeds）、每齿进给速度（FeedperTooth）、不同运动类型的进给速度（进刀Engage、第一刀FirstCut、切削Cut和退刀Retract）等。
机床控制MachineControl。
机床控制机床的动作，如定义刀具运动输出路径是线性、圆弧还是Nurbs；还可定义机床的辅助动作，如关于换刀、开、关切削液、主轴速度、主轴启动、停止、刀具补偿等命令。
（5）生成加工刀具路径。
在完成参数设置后，系统进行刀轨计算，生成加工刀具路径。
（6）刀具路径检验、编辑。
对生成刀具路径的操作，可以在图形窗口中以线框形式或实体形式模拟刀具路径，让用户在图形方式下更直观地观察刀具的运动过程，以验证各操作参数定义的合理性。
此外可在图形方式下用刀具路径编辑器对其进行编辑。
并在图形窗口中直接观察编辑结果。
（7）加工刀具路径后处置输出NC程序。
在NX生成的刀具路径如果不经后置处理将无法直接送到数控机床进行零件加工。
这是因为不同厂商生产的机床硬件条件不同，而且各种机床所使用的控制系统也不同，对同一功能，在不同的数控系统中不完全相同。
这些与特定机床相关的信息，不包含在刀具位置源文件（CLSF），因此刀具位置源文件必须进行后置处理，以满足不同机床/控制系统的特殊要求。
根据机床参数格式化刀具位置源文件，生成特定机床可以识别的NC程序。
（8）机床试切加工。
较复杂工件的数控程序需通过试切件的试切切削验证。
试切件用料可采用硬塑料、铝、硬石蜡、硬木等，试切件还应多次使用和重复使用，以降低成本。
1.3CAM的加工类型
1．3.1孔加工
（1）点位加工
点位加工用来创建钻孔、扩孔、镗孔和攻丝等刀具路径。
刀具以快速进给率到达加工孔上方的最小安全距离处，然后以切削进给率进入零件加工表面开始加工。
加工结束，刀具退刀到此安全点。
（2）基于特征的孔加工
基于特征的孔加工通过自动判断孔的设计特征信息，自动地对孔进行选取和加工，这就大大地缩短了刀轨生成的时间，并使孔加工的流程标准化。
用户可以建立基于知识的准则，从而定义加工方式，并自动生成最优化的刀轨。
钻孔和镗孔加工既可以使用普通刀具，也可以使用特殊刀具。
1.3.2NX/车加工
车削加工可以面向二维部件轮廓或者是完整的三维实体模型编程。
用来加工轴类和回转体零件，它包括粗车、多步骤精车、预钻孔、攻螺纹和镗孔等程序。
程序员可以规定诸如进给速度、主轴转速和部件间隙等参数。
车削可以进行A、B轴控制。
除了普通任务的丰富功能之外，一个特殊的“教学模式”给用户提供了额外的精加工和特殊加工情况的控制方法。
NX具有很大的机动性，允许在XY或ZX环境中进行卧式、立式或者倒立方向的编程。
1.3.3NX/铣加工
（1）平面加工
平面加工通常用于粗加工切去大部分材料，也用于精加工外型、清除转角残留余量。
适用于底面（Floor）为平面且垂直于刀具轴、侧壁为垂直面的工件。
（2）穴型加工
穴型加工主要用于曲面或斜度的壁和轮廓的型腔、型芯进行加工，用于粗加工以切除大部分毛坯材料。
几乎适用于加工任意形状的模型。
型腔铣利用Solid、表面或曲线定义被加工区域。
型腔铣是两轴联动的操作类型，所以经型腔铣加工后的余量是一层一层的。
（3）等高加工
等高加工通过切削多个切削层来加工零件实体轮廓与表面轮廓。
用来半精加工、精加工“陡峭”模型。
对于模芯/模腔类零件，无论其几何形状多么复杂，等高加工都可以直接对其进行粗加工或精加工。
还提供了多种刀路方式。
在精加工中用户可以强制使用顺铣或逆铣，或采用顺逆铣复合方式以缩短加工时间。
（4）固定轴加工
固定轴加工是通过选择驱动几何体生成驱动点，将驱动点沿着一个指定的投射矢量投影到零件几何体上生成刀位轨迹点，同时检查刀位轨迹点是否过切或超差。
如果刀位轨迹点满足要求，输出该点，驱动刀具运动，否则放弃该点。
固定轴加工适用于加工一个或多个复杂曲面，根据不同的加工对象，可实现多种方式的精加工。
（5）可变轴加工
与固定轴加工相比，可变轴加工提供了多种刀具轴的控制。
根据不同的加工对象，可变轴加工也可实现多种方式的精加工。
（6）清根加工
清根加工可以有效地清除拐角及狭缝中残留的材料。
在可能的条件下，清根加工可以通过优化生成一条连续的加工切削路径。
清根加工会分析前一个工序未能加工到的区域，并自动决定其加工范围。
（7）顺序铣加工
顺序铣加工是利用零件面控制刀具底部，驱动面控制刀具侧刃，检查面控制刀具停止位置的加工方式，刀具与零件面、驱动面、检查面接触，刀具在切削过程中，侧刃沿驱动面运动且保证底部与零件相切，直至刀具接触到检查面。
顺序铣加工非常适合于切削有角度的侧壁。
1.3.4NX/线切割加工
线切割加工编程从接线框或实体模型中产生，实现了两轴和四轴模式下的线切割。
可以利用范围广泛的线操作，包括多次走外型、钼丝反向和区域切除。
该程序包也可以支持调节GlueStops、各种钼丝线径尺寸和功率设置。
线切割广泛支持包括AGIE、Charmilles及其他加工设备。
2.数控技术与加工中心
2.1数控技术的概念
2.1.1什么是数控技术
数控技术，简称“数控”。
英文：
NumericalControl（NC）。
是指用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制的技术。
它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和与机械能量流向有关的开关量。
数控的产生依赖于数据载体和二进制形式数据运算的出现。
1908年，穿孔的金属薄片互换式数据载体问世；19世纪末，以纸为数据载体并具有辅助功能的控制系统被发明；1938年，香农在美国麻省理工学院进行了数据快速运算和传输，奠定了现代计算机，包括计算机数字控制系统的基础。
数控技术是与机床控制密切结合发展起来的。
1952年，第一台数控机床问世，成为世界机械工业史上一件划时代的事件，推动了自动化的发展。
现在，数控技术也叫计算机数控技术，目前它是采用计算机实现数字程序控制的技术。
这种技术用计算机按事先存贮的控制程序来执行对设备的控制功能。
由于采用计算机替代原先用硬件逻辑电路组成的数控装置，使输入数据的存贮、处理、运算、逻辑判断等各种控制机能的实现，均可以通过计算机软件来完成。
2.2数控技术的发展趋势
2.2.1高速.高精加工技术及装备的新趋势
效率、质量是先进制造技术的主体。
高速、高精加工技术可极大地提高效率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。
为此日本先端技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是轿车装备必须解决的重点问题之一；在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。
近来采用大型整体铝合金坯料“掏空”的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。
这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更高，空运行速度可达100m/min左右。
目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。
美国CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min，加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。
加工一薄壁飞机零件，只用30min，而同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；德国DMG公司的双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!
000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已开始进入纳米级（0.01μm）。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到了快速的发展，应用领域进一步扩大。
2.2.25轴联动加工和复合加工机床快速发展
采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削，不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。
一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。
但过去因5轴联动数控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。
因此促进了复合主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。
德国DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联
动加工，可由CNC系统控制或CAD/CAM直接或间接控制。
2.2.3智能化.开放式.网络化成为当代数控系统发展的主要趋势
21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：
为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自适应控制，工艺参数自动生成；为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；还有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的NGC（TheNextGenerationWork-Station/MachineControl）、欧共体的OSACA（OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems）、日本的OSEC（OpenSystemEnvironmentforController），中国的ONC（OpenNumericalControlSystem）等。
数控系统开放化已经成为数控系统的未来之路。
所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。
目前开放式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。
网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。
数控装备的网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。
国内外一些著名数控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生产控制中心，简称CPC）；日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息技术广场，简称IT广场）；德国西门子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机床加工向网络化方向发展的趋势。
2.2.4重视新技术标准.规范的建立
（1）关于数控系统设计开发规范
如前所述，开放式数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，美国、欧
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