计算机辅助制造

基本介绍

除cam的狭义定义外，国际计算机辅助制造组织（ cam-i ）有关计算机辅助制造有一个广义的定义：“通过直接的或间接的计算机与企业的物质资源或人力资源的联接界面，把计算机技术有效地应用于企业的管理、控制和加工操作。”依照这一定义，计算机辅助制造包含企业生产信息管理、计算机辅助设计（cad ）和计算机辅助生产、制造3部分。计算机辅助生产 、制造又包含接连生产过程控制和离散零件自动制造两种计算机控制方式。该种广义的计算机辅助制造系统又称为整体制造系统（ims）。采取计算机辅助制造零件、部件，可改观对产品设计和品种多变的适应能力，提升加工速度和生产自动化水平，缩短加工准备时间，减弱生产成本，提升产品质量和批量生产的劳动生产率。发展历程

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。数控的特质是由编码在穿孔纸带上的程序指令来控制机床。此后发展了一连串的数控机床，包含称为“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，能接连完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序，这些均为通过程序指令控制运转的，只要更改程序指令就可更改加工过程，数控的该种加工灵活性称之为“柔性”。加工程序的编制不但需要相当多的人工，而且容易出错，最早的CAM便是计算机辅助加工零件编程工作。麻省理工学院于1950年研究开发数控机床的加工零件编程语言APT，它是相似FORTRAN的高级语言。加强了几何定义、刀具运动等语句，应用APT使编撰程序变得简单。该种计算机辅助编程是批处理的。

CAM系统一般具有报告转换和过程自动化两方面的功能。CAM所涉及的规模，包含计算机数控，计算机辅助过程设计。

数控除了在机床应用以外，还普遍地用于其它各种设备的控制，如冲压机、火焰或等离子弧切割、激光束加工、自动绘图仪、焊接机、装配机、检查机、自动编织机、电脑绣花和服装裁剪等，形成各个相应行业CAM的基础。

计算机辅助制造系统是通过计算机分级结构控制和管理制造过程的多方面工作，它的目标是开发一个集成的信息网络来监测一个广阔的相互相关的制造作业规模，并依据一个总的的管理策略控制每项作业。

从自动化的角度看，数控机床加工是一个工序自动化的加工过程，加工中心是达到零件部分或全部机械加工过程自动化，计算机直接控制和柔性制造系统是完成一族零件或不同族零件的自动化加工过程，而计算机辅助制造是计算机进入制造过程如此一个总体概念。

一个大范围的计算机辅助制造系统是一个计算机分级结构的网络，它由两级或三级计算机构成，中央计算机控制全局，供应经历处理的信息，主计算机管理某一面的工作，并对下属的计算机工作站或微型计算机公布指令和执行监控，计算机工作站或微型计算机承受单一的工艺控制过程或管理工作。

计算机辅助制造系统的构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，软件方面有报告库、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。基本构成

基本介绍

到迄今为止，计算机辅助制造（CAM，Computer Aided Manufacturing）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，它包含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的狭义概念甚至更更深一步缩减为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的广义概念包含的内容则多得多，除了上述CAM狭义定义所包含的所有内容外，它还包含制造活动中与物流相关的所有过程（加工、装配、检验、存贮、输送）的监视、控制和管理。该种广义CAM系统中与物流相关部分的示意图如图所示。 在这一节里，我们只介绍CAM最狭义的概念，即只与NC编程相关的内容。

数控系统及数控编程原理

（一）数控系统

数控系统是机床的控制部分，它依据输入的零件图纸信息、工艺过程和工艺参数，依照人机交互的方式生

成数控加工程序，然后通过电脉冲数，再经伺服驱使系统动员机床部件作相应的运动。图3-4-2为数控系统的功能示意图。

传统的数控机床（NC）上，零件的加工信息是存储在数控纸带上的，通过光电阅读机读取数控纸带上的信息，达到机床的加工控制。后来发展到计算机数控（CNC），功能得到很大的提升，可以将一次加工的所有信??阅读机。更先进的CNC机床甚至可以去掉光电阅读机，直接在计算机上编程，或者直接接收来自CAPP的信息，达到自动编程。后一种CNC机床是计算机集成制造系统的基础设备。现代CNC系统常具有下方功能：

(1) 多坐标轴联动控制;

(2) 刀具位置弥补;

(3) 系统故障诊断;

(4) 在线编程;

(5) 加工、编程并行作业;

(6) 加工仿真;

(7) 刀具管理和监控;

(8) 在线检测。

（二）数控编程原理

所谓数控编程是依据来自CAD的零件几何信息和来自CAPP的零件工艺信息自动或在人工干预下生成数控代码的过程。常用的数控代码有ISO（国际标准化组织）和美国能源信息署（美国电子工业协会）两种系统。其中ISO代码是七名补偶代码，即第8名为补偶位；而美国能源信息署代码是六名补奇码，即第5列为补奇位。补偶和补奇的目的是为了便于检验纸带阅读机的读错信息。一般的数控程序是由程序字构成，而程序字则是由用英文字母代表的地址码和地址码后的数字和符号构成。每个程序都表明着一个特殊功能，如G00表明点位控制，G33表明等螺距螺纹切削，M05表明主轴停转等。一般情形下，一条数控加工指令是若干个程序字构成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表明第12条指令，G00表明点位控制，G49表明刀补准备功能，X070和Y055表明X和Y的坐标值，T21表明刀具编号指令。整个指令的意义是：迅速运动到点（70，55），一号刀取2号拨盘上刀补值。常用地址码的含义如表1所示。

机能 地址码 意义 程序号

顺序号

准备机能 O

N

G 程序编号

顺序编号

机床动作方式指令 坐标指令 X.Y.Z

A.B.C.U.V.W

R

I.J.K 坐标轴移动指令

附加轴移动指令

圆弧半径

圆弧中心坐标 进给机能

主轴机能

刀具机能 F

S

T 进给速度指令

主轴转速指令

刀具编号指令 辅助机能 M

B 接通、断开、起步、停止指令

工作台分度指令 弥补

暂停

子程序调用

重复

参数 H.D

P.X

I

P.Q.R 刀具弥补指令

暂停时间指令

子程序号指定

固定循环重复次数

固定循环参数

表1 地址码及其含义

数控编程的方式一般有四种：

（1） 手工编程； （2） 数控语言编程； （3） CAD/CAM系统编程； （4） 自动编程。

手工编程

手工编程是编程人士依照数控系统规定的加工程序段和指令格式，手工编撰出待加工零件的数控加工程序。手工编程的首要步骤如下：

（1） 依据零件图纸对零件执行工艺分析；

（2） 确定加工路线和工艺参数（装夹顺序、表面加工先后顺序、切削参数）；

（3） 确定刀具移动轨迹（起点、终点、运动形式）；

（4） 计算机床运动所需要报告；

（5） 书写零件加工程序单；

（6） 纸带穿孔；

可见，手工编程同期也包含了策划工艺规程的内容，手工编程当前已用得很少。

数控语言编程

运用数控语言编程往往被称为“自动编程”，该种叫法来因为APT（Automatically Programmed Tools）数控编程语言。实际上，它并没有是自动化的编程工具，导致比手工编程前更深一步，达到了用“高级编程语言”来编撰数控程序。该种编程系统的工作过程如图3-4-3所示。 图3-4-3 数控语言编程过程

用数控语言编程就是用专用的语言和符号来描述零件的几何形状和刀具相对零件运动的轨迹、顺序和其余

工艺参数等。受于采取相似于计算机高级语言的数控语言来描述加工过程，大大简化了编程过程，尤其是省去了数值计算过程，提升了编程效率。用数控语言编撰的程序称为源程序，计算机接受源程序后，首先执行编译处理，再经历后置处理程序才可生成控制机床的数控程序。当前常用的数控编程语言是美国麻省理工学院开发的APT语言。APT语言词汇丰富，定义的几何类型多，并配有多种后置处理程序，通用性好，得到普遍应用。APT语言的源程序是由语句构成的，共有四种类型的语句。而语句则是由词汇、数值、标识符号等按一定语法规则构成的。

1）几何定义语句

几何定义语句的一般形式为： 〈标识符〉＝〈几何元素专用词〉/参数 比如，语句C1＝CIRCLE/20，80，12，5中，C1为几何元素定义的名字，VIRCLE为几何元素类型（圆），20，80，12，5分别表明圆心的坐标值和半径值。

2）刀具运动语句

刀具运动语句用来模拟加工过程中刀具运动的轨迹。在APT中用3个表面来定义刀具的位置和运动轨迹。这3个表面是零件面（PS）、导向面（DS）和检查面（CS），如图3-4-4所示。其中零件面是刀具运动过程中形成的表面；导向面用来定义刀具和零件面之间的位置关系；检查面用来确定每次走刀运动的刀具终止位置。比如TLONPS和TLOFPS分别表明刀具中心恰好位于零件面上和不位于零件面上，TLLFT表明刀具在导向面的左面。

图3-4-4 零件面、导向面和检查面3）工艺报告语句

工艺报告语句用来描述工艺报告和一部分控制功能。比如采取SPINDL/n，CLW表明主轴的转速（n）和转动方向（CLW），采取CUTTER/d，r表明铣刀直径和刀尖圆角半径等。

4）初始语句和终止语句

初始语句表明程序的名称，终止语句表明零件程序的终结。初始语句由“PARTNO”和名称构成，终止语句用FIN1表明。

图3-4-5 CAD/CAM系统编程

图3-4-6 自动编程系统

CAD/CAM系统编程

采取数控语言编程虽比手工编程简化很多，但依然需要要编程人士编撰源程序，仍然比较费时。为此，后来又发展了CAD/CAM编程技术。到当前差不多所有大型CAD/CAM应用软件都具备数控编程功能。在运用该种系统编程时，编程人士不需要编撰数控源程序，只需要从CAD报告库中调出零件图形文件，并表明在屏幕上，采取多级功能菜单作为人机界面。编程过程中，系统还会给出大批的提示。该种方式操作方便，容易学习，又可大大提升编程效率。一般CAD/CAM系统编程部分都包含下面的基本内容：查询被加工部位图形元素的几何信息；对设计信息执行工艺处理；刀具中心轨迹计算；定义刀具类型；定义刀位文件报告。

对于一部分功能强大的CAD/CAM系统，甚至还包含报告后置处理器，自动生成数控加工源程序，并执行加工模拟，用来检验数控程序的正确性。图3-4-5为该种系统的示意图。

自动编程

上述CAD/CAM系统编程中，依然需要要编程人士过多地干预才可生成数控源程序。伴随CAPP技术的成长，使数控自动编程形成或许。图3-4-6所示为自动编程系统的构成。系统从CAD报告库获取零件的几何信息，从CAPP报告库获取零件加工过程的工艺信息，然后调用NC源程序生成数控源程序，再对源程序执行动态仿真，假使正确无误，则将加工指令送到机床执行加工。应用用途

cam 已普遍应用于飞机、汽车、机械制造业、家用电器和电子产品制造业。

cam的应用领域包含：

机械产品的零件加工

① 机械产品的零件加工（切削、冲压、铸造、焊接、测量等）、部件组装、整机装配、验收 、包装入库 、自动仓库控制和管理。 在金属切削加工中，计算机内预先建立有基本切削条件方程， 依据测量系统测得的参数和机床工作情况，调整进给率、切削力、切削速度、切削操作顺序和冷却液流量，在保证零件 表面光洁度和加工精度的条件下，使加工效率、刀具磨损和能源消耗高达最优。

电子产品的元件器件老炼

②电子产品的元件器件老炼、试探、筛 选，元件器件自动插入印制电路板，波峰焊接，装置板、机箱布线的自动绕接，部件、整件和整机的自动试探。

各种机电产品的成品检验、质量控制

③各种机电产品的成品检验、质量控制，能完成人工方法不能完成的复杂产品（如飞机发动机、超大范围集成电路、电子计算机等）的大批试探工作。同名图书

图书信息

书 名: 计算机辅助制造

作者：吴家福

出版社： 电子工业出版社

出版时间： 2010年9月1号

ISBN: 9787121117046

开本： 16开

定价: 33.00元

内容简介

《计算机辅助制造》结合最新的职业教育教学改革经验，依照以工作过程为导向的教学方法，以目前最流行的CAD/CAM类软件来讲解计算机辅助设计的方法与技巧，着重突出技能训练。全书融合UG和Master CAM的辅助制造技术，依据课程内容的顺序由浅入深、循序渐进地执行介绍，全书共分8章、第1章为数控编程及加工工艺基础，第2章为几何建模，第3～7章介绍辅助制造应用技术，最后一章为综合实训项目。《计算机辅助制造》建模部分遵循“够用、会用、能用”原则，辅助制造部分按基础→加工方法选用→后处理执行介绍，最后通过综合实训项目再现所有车、铣、线切割加工方法的运用，起到巩固的效果。

《计算机辅助制造》在编撰过程中环绕“突出实用、工作导向、重实操、理论够用”的指导思想，采取前后呼应的案例项目，注重培养学生应用软件处理事实加工困难的能力。选用最新软件版本，缩短学生与企业之间的距离，提升学生就业能力。《计算机辅助制造》配有“职业导航”、“教学导航”和“知识梳理与归纳”，便于教学和高效率学习。

《计算机辅助制造》可作为高职高专院校各专业计算机辅助制造课程的教材，也可作为职工大学、成人教育、函授学院、中职学校、培训班等的教学用书，同期可作为数控加工、UG和Master CAM的自学用书。

《计算机辅助制造》配有免费的电子教学课件、项目操作视频、案例及实训项目的源文件，详见前言。

图书目录

第1章 数控编程及加工工艺基础

第2章 几何建模

第3章 铣削加工应用基础

第4章 铣削加工

第5章 铣削加工操作后处理

第6章 车削加工

第7章 线切割加工