关于“虚拟制造环境下的CAM集成技术研究”

isbettor · 发表于 2004-6-3 18:22:25

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虚拟制造环境下的CAM集成技术研究*

段广洪，雷年胜，刘　丹，王君英

文　摘　CAD/CAPP/CAM/MPS(加工过程仿真)是虚拟制造的关键技术。本系统针对非回转体零件，基于STEP标准，利用商品化CAD/CAM软件——Pro/E为平台，在完成CAM与CAD、CAPP、MPS信息集成的基础上，利用Pro/E的加工功能实现加工过程的自动化，并为加工过程仿真与NC代码仿真提供信息需求。本CAM系统通过获取CAD的零件建模信息，CAPP的工艺规划信息，对Pro/E的CAM信息获取进行重新设计，对Pro/E的加工功能进行二次开发，实现CAM与CAD、CAPP、MPS的无缝集成，完成零件的自动加工过程仿真，大大减少了工程技术人员的工作量。实际应用表明：此方法集成度高、柔性大。
关键词　CAD/CAPP/CAM; 刀位文件；虚拟制造; 加工过程仿真(MPS)
分类号　TH 166

Research on integration technology in
CAM under virtual manufacturing

DUAN Guanghong, LEI Niansheng,
LIU Dan, WANG Junying
Department of Precision Instruments and Mechanology,
Tsinghua University, Beijing 100084, China

Abstract　CAD/CAPP/CAM/MPS (machining process simulation) is a key point in virtual manufacturing. Automatic machining under Pro/E has been realized for non-rotate parts based on STEP and information integration among CAD, CAM, CAPP and MPS. Moreover, it also provides information for machining process simulation and NC generation. With the help of part modeling from CAD and process planning from CAPP, machining functions in Pro/E are further developed by redesigning the information retrieval for CAM to finish the seamless integration among CAD, CAPP, CAM and MPS. High integrity and flexibility are showed in real applications. Finally, it greatly reduces working load of engineers.
Key words　CAD/CAPP/CAM； cutter location file; virtual manufacturing； machining process simulation (MPS)

　　21世纪的市场将迈向全球化，企业经营环境持续变化且不可预测，产品需求更加个性化。因此，未来的市场竞争对企业提出了更高的要求。敏捷制造正是适应这种形式、面向21世纪的新型生产模式。虚拟制造是实现敏捷制造的一种手段和方法，它以现代的计算机网络技术、信息技术为基础，综合运用了仿真、建模、虚拟现实等技术，在计算机上对设计、制造等生产全过程和制造环境统一建模，实现从产品概念设计到最终实现的全过程模拟和仿真。CIMS是敏捷制造的运行基础。CAD/CAPP/CAM/MPS(加工过程仿真)集成技术作为CIMS和虚拟制造的关键技术，是实施敏捷制造的基础。因此，开展对CAD/CAPP/CAM/MPS单元技术研究对未来敏捷制造的全面实施有着非常重要的意义。
　　CAD、CAM技术已逐渐步入了成熟和商品化，计算机仿真技术也越来越多的运用在制造业中。而CAPP由于自身的多元复杂性，一直未能紧跟上CAD和CAM的发展步伐，因此它也制约着CAD/CAPP/CAM/MPS集成技术的发展。
　　现有的许多CAD/CAPP/CAM集成系统自动生成NC代码时，依靠将加工零件分为最基本的加工单元——特征，对每一种加工特征的每一加工工步设计固定的NC程序库，根据CAPP的加工工步排序结果、刀具选择、切削参数选择，生成对特定零件进行加工的NC程序。这种方法的优势在于集成方法简单，但它的NC程序库是针对特定的数控系统，因此灵活性差，不具有柔性。另外，它不能与加工过程仿真有效集成。不符合未来制造系统高度柔性化和集成化的发展趋势。
　　Pro/E作为新一代的自动化设计软件被工业界广泛运用，它将设计与加工过程及NC代码生成集成在统一平台下，有着较强的设计功能和加工功能，但由于缺乏与CAPP的信息集成，使CAD/CAPP/CAM/MPS的信息集成出现断流。CAPP产生的大量的加工信息无法被CAM所使用。而且，现有的CAD/CAM软件的加工仿真功能过于简单，而许多专用的仿真软件与这些CAD/CAM软件没有成熟的接口，不能满足虚拟制造的需求。
　　因此，如何通过提取CAPP的加工工艺自动规划结果，利用Pro/E的加工功能，自动完成加工过程，并为MPS提供加工过程仿真所需信息，实现从CAPP到CAM和MPS的信息集成和功能集成是本文讨论的重点。

1　系统总体结构

　　CAD/CAPP/CAM/MPS集成系统的体系结构如图1所示。整个系统集成基于STEP标准，针对非回转体类零件，由CAD利用Pro/E完成零件造型并提取零件加工特征信息后以STEP中性文件的格式输出到CAPP，由CAPP自动完成工艺规划，CAM读取工艺规划结果后，利用Pro/E的加工功能，在计算机上自动完成加工过程仿真后，输出刀位文件，刀位仿真完成刀位驱动的材料切除检验。CAM-POST(CAM后处理)完成从刀位文件向NC代码的转换。NC代码仿真器在建立了加工设备模型、零件模型、毛坯模型、夹具模型和刀具模型的基础上，完成由NC代码驱动的虚拟加工。检查加工过程中的碰撞干涉和NC代码的错误，提出修改意见。

2　CAM的功能集成

　　与许多其它CAD/CAPP/CAM集成系统不同，本系统的CAM充分利用成熟的商品化CAD/CAM软件——Pro/E的加工功能。但同时又对Pro/E进行二次开发，避免了直接利用Pro/E加工功能时所需的大量的人机交互。本系统功能集成如图2所示。在Pro/E环境下，手工完成一个特征的一个加工工步需要人机交互地选择一种加工方法，指定加工特征及和此加工特征有关的各种特征几何参数，填写刀具参数表，切削参数表等。因此，实际上相当于完成了一个工艺规划人员的工作。这就需要用户是一个有经验的工艺人员，同时又是一个Pro/E的熟练用户，对用户要求高，工作量大。

　　本系统的CAM对Pro/E加工信息的获取进行了新的设计开发，由CAPP完成加工工艺排序，加工刀具选择，切削参数选择。CAM读取CAPP的结果后写成Pro/E能识别的菜单点取文件格式，在Pro/E中自动运行此菜单点取文件，自动完成零件加工过程仿真并生成刀位文件。因此，节省了大量的手工交互时间并降低了对操作人员的要求，同时完成与CAD，CAPP的有效集成。所生成的刀位文件可以用于刀位驱动的毛坯材料切除仿真，使CAM能与仿真有效地集成。刀位文件还输入到CAM-POST处理器，完成后置处理，由后置处理器根据特定的数控系统生成合适的数控代码，避免了以往利用NC子程序库生成NC代码灵活性差的缺点。CAM-POST生成的NC代码作为NC代码仿真器的输入。仿真器对实际加工设备建模，构造加工中心的主轴头和工作平台模型，读取CAM提供的由零件、毛坯和夹具组成的加工模型和刀具信息。在计算机内建立完全与实际物理环境一致的虚拟加工环境，完成加工过程的仿真，大大减少了试切的时间和费用。

3　CAM信息集成

　　与以往的CAD/CAPP/CAM/MPS集成系统相比，本CAM系统对于加工零件信息和工艺信息有一些特殊的要求。在Pro/E环境下完成一个零件的加工时，首先需要建立一个加工模型(.mfg文件)，加工模型如图3所示，由零件模型，毛坯模型和夹具模型组成。零件模型，毛坯模型和夹具模型分别由零件CAD、毛坯CAD与夹具CAD完成，由于Pro/E具有统一数据库和全相关的特点，任何在CAD部分的改动都会在加工模型中如实地反应出来，保证了信息的完备和统一。在具备了零件信息、毛坯信息和夹具信息的基础上，加工的所有工艺信息均由CAPP模块提供，保证信息流向的合理性，由于Pro/E加工的特殊要求，使得本系统的CAPP不同于传统的CAPP系统。CAPP提供特征加工的排序结果，刀具参数描述文件，切削参数描述文件和加工特征描述文件。其中刀具参数描述文件和切削参数描述文件均需符合Pro/E的要求，不但描述了普通CAPP系统所提供的关于刀具参数和切削参数，如刀具类型、刀具长度、刀具直径、切削速度、进给速度等。还提供诸如控制切削走刀次数、走刀方向和退刀高度等一些更加具体和完善的加工参数。相对于其它CAPP系统，本系统CAPP模块提供的信息更加完善，与CAM的关系更加密切。另外，由于与MPS进行了集成，使整个系统更加实用，更符合虚拟制造技术和未来制造系统的要求。
　　CAPP提供的加工特征描述文件，是CAPP根据CAD提供的STEP中性文件提取加工特征信息并经过工艺处理后输出到CAM系统，它描述了加工特征的一般几何信息(如孔深、孔径)和位置信息(如特征所在方位面)。

4　加工过程自动化的实现

　　除了上面所提到的本CAD/CAPP/CAM/MPS集成系统具有很高的集成度外，CAM模块能自动完成加工过程仿真并自动生成刀位文件是本系统的又一大特点。
　　它的基本思想如图4所示：根据Pro/E中Pro/M加工的特点，为每一种加工特征匹配一种相应的Pro/M提供的加工方法，并记录每种加工方法的菜单点取过程和参数需求。由CAM系统根据CAPP提供的特征加工方法和特征参数自动生成加工过程的菜单点取文件，并根据特征参数，在菜单点取文件中设置合理的控制参数。在Pro/E环境下执行菜单点取文件后，Pro/M自动完成加工过程并生成刀位文件。
　　实践表明，加工过程的自动实现不仅减少了大量的手工操作，而且由于与CAPP高度集成，提高了加工方法实现的规范化和统一性。同时，由于CAM系统集成在Pro/E环境下，使CAM系统能够利用Pro/E的其它功能(如生成刀具表)，提高了系统的实用性。

5　结　论

　　以某厂的实际典型零件FB0103，FB05186，FB0288等为例验证了本系统。自动完成加工过程并生成刀位文件比手工完成加工缩短了大约80%的时间和工作量。并利用刀位仿真和NC代码仿真的功能对生成的刀位文件和NC代码进行了计算机仿真加工，避免了加工中心的碰撞、干涉，有效地提高了系统效率。本系统的实际应用表明，本集成方案是可行的、合理的，为虚拟制造的CAD/CAPP/CAM/MPS的研究提供了切实可行的方法与经验。

　

　

　　第一作者：男, 1946年生, 教授
　*基金项目：国家“八六三”高技术项目(863-511-01-B301)

作者单位:段广洪，雷年胜，刘　丹，王君英(清华大学精密仪器与机械学系, 北京 100084)

　

参考文献

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　[2]　吴余华，童水光，许路敏. 国外CAD/CAM系统二次开发关键技术的研究. 计算机辅助设计与制造，1996，15(8)：11～12
　[3]　易　红，黄和风. 与CAPP一体化的自动数控编程系统. 机械工业自动化，1994，16(4)：31～32
　[4]　李　佳，朱心雄. 通用后置处理系统介绍. 计算机辅助设计与制造，1996，12(6)：19～21
　[5]　Boogert R M, Kals H J J, Houten F J A M. Tool paths and cutting technology in computer-aided process planning. Int J Adv Manuf Technol, 1996, 11(3): 186～197
　[6]　Luscombe A M, Toncich D J. A geometrical approach to computer-aided process planning for computer-controlled machine tools. Int J Adv Manuf Technol, 1996, 11(3): 83～90