CAD/CAM技術在零件加工中的應用

熊 娟， 譚 嘯

（1.四川電力職業技術學院，四川 成都 610071；2.四川大學電氣信息學院，四川 成都 610064）

0 引 言

隨著現代制造業的發展，單一的CAM技術已不能滿足各種形狀的加工要求，而CAD/CAM技術能有效實現各種零件的建模、加工仿真、自動編程生成NC程序，并和加工設備聯接完成零件的加工。CAD/CAM技術已成為新一代生產和發展的核心技術，其應用水平也成為衡量一個國家工業現代化水平的重要標志[1]。因此，對CAD/CAM技術的研究和推廣已勢在必行。

1 數控加工與CAD/CAM技術原理

1.1 數控加工

在數控機床上加工零件時，要預先根據零件加工圖樣的要求確定零件加工的工藝過程、工藝參數和走刀運動數據，然后編制加工程序，傳輸給數控系統，經過數控裝置內部的控制軟件的處理與計算，發出相應的進給運動指令信號，通過伺服系統使機床按預定的軌跡運動，進行零件的加工。因此，在數控機床上加工零件時，首先要編寫零件加工程序清單，即數控加工程序，該程序用數字代碼來描述被加工零件的工藝過程、零件尺寸和工藝參數（如主軸轉速、進給速度等）。將該程序輸入數控機床的NC系統，控制機床的運動與輔助動作，完成零件的加工。

數控編程是根據被加工零件的圖紙和技術要求、工藝要求等切削加工的必要信息，按數控系統所規定的指令和格式編制成加工程序文件，這個過程稱為零件數控加工程序編制，簡稱數控編程。數控編程方法有手工編程和自動編程。手工編程是指編制零件數控加工程序的各個步驟，即從零件圖紙分析、工藝決策、確定加工路線和工藝參數、計算刀位軌跡坐標數據、編寫零件的數控加工程序單直至程序的檢驗，均由人工來完成。這一過程要進行大量的幾何計算，找到刀具下一點的位置，才能形成刀軌，對于點位加工或幾何形狀不太復雜的輪廓加工，幾何計算較簡單，程序段不多，手工編程即可實現。如簡單階梯軸的車削加工，一般不需要復雜的坐標計算，往往可以由技術人員根據工序圖紙數據，直接編寫數控加工程序。但對輪廓形狀不是由簡單的直線、圓弧組成的復雜零件，特別是空間復雜曲面零件，數值計算則相當繁瑣，工作量大，容易出錯，且很難校對，采用手工編程是難以完成的。自動編程是采用計算機輔助數控編程技術實現的，需要一套專門的數控編程軟件，CAD/CAM集成化編程系統的支承軟件來實現。

1.2 CAD/CAM技術原理

CAD/CAM技術是以計算機為工具來生成和運用各種數字信息與圖形信息，進行產品設計和制造的全過程。包括方案設計、總體設計和零部件設計及加工和裝配等[2]。CAD/CAM技術實際上是CAD技術和CAM技術的一體化。即系統可以從CAD系統建立的零件模型（包括實體、曲面、曲線、或封閉線框）中直接識別和提取加工特征信息，經過選擇合適的加工操作方法，設置加工工藝參數，包括毛坯的選擇、設備和刀具的選用、切削參數的選取及方式的選擇等來自動產生刀具軌跡和刀位文件，再經后置處理轉換為機床識別的NC程序代碼并可進行NC加工仿真，最后利用接口技術，實現程序和數控設備的通信聯接，將程序輸入數控機床完成產品的數控加工過程。其流程為：零件類型及設計參數→CAD環境幾何建模和工程圖的生成→CAM環境，輸入加工類型和工藝參數→生成刀軌和刀位文件→通過后置處理生成程序→修改后置處理文件→生成NC程序代碼文件→刀具軌跡仿真→執行文件，加工→數控機床按指令對零件進行加工[3]。

比較單一的數控原理和CAD/CAM技術的集成，CAD/CAM技術的數據庫聯動技術，可以很方便地修改零件模型，從而程序數據由計算機自動進行修改，避免了用手動反復多處改動易出現錯誤。CAD/CAM技術的后置處理，自動生成程序，使程序準確且快速，同時也減少了手動編程時的大量而繁雜的幾何輪廓計算。

2 CAD/CAM 技術對數控系統的影響

（1）影響輪廓的插補功能。輪廓插補功能是數控機床加工輪廓的基本功能，有直線插補、圓弧插補等，各種插補有各自軟件模塊，顯得繁雜、龐大。在理論上，任何形狀的輪廓，都可以在滿足加工要求的前提下用微小直線段來逼近，CAD/CAM的軟件可以用計算機很方便地計算出各逼近輪廓的各微小直線段的刀位數據來生成數控加工程序。

（2）影響刀具補償功能。刀具補償是數控系統的另一重要功能，數控系統根據加工要求，選擇不同的刀具補償功能。CAD/CAM軟件也具有刀具補償功能，但不需要刀具補償代碼。

同樣，數控加工中其他功能，在CAD/CAM軟件中也能方便地實現，大大地減少了數控系統的軟件，有利于軟件的開發和研究。

3 CAD/CAM技術在零件加工中的應用

CAD/CAM技術的支撐軟件有很多，MasterCAM，Unigraphics，Pro/Engineer，Solidworks等。文中以 Unig raphics這一軟件來對底座零件的加工為例，來說明CAD/CAM技術在零件加工中的應用過程。

3.1 底座零件的實體建模

要求對圖1底座零件圖進行加工，首先對其建立實體模型[4]。其建模過程如下：

圖1 底座零件圖

（1）創建底座下半部。打開UG，進入建模界面，在工具欄中單擊，長方體按鈕，彈出長方體對話框，在其中輸入參數，創建一個75×75×18長方體。

（2）創建上面長方體。單擊草圖按鈕，選擇長方體的上表面為繪圖平面，確定，進入草圖界面，單擊長方形，輸入尺寸創建70×70的正方形草圖，創建完成后點擊完成草圖，回到建模界面，選擇拉伸按鈕，選擇曲線為剛建立的草圖，開始值設置0，結束值設為7，方向為Z軸正方向，布爾運算選擇求和，則完成上面長方體的建模。再單擊工具欄中倒斜角按鈕，對剛拉伸的長方體四周倒斜角，倒斜角距離為5。

圖2 底座實體模型

圖3 銑梅花腔的刀軌

圖4 最終加工的零件圖

（3）創建凹槽。單擊草圖按鈕，選擇長方體的上表面為繪圖平面，進入草圖界面，創建上面的凹槽草圖，單擊完成草圖，進入建模界面，單擊工具欄下的拉伸按鈕，曲線為剛建立的曲線，方向為Z軸負方向，開始值為0，結束為5，布爾運算選擇求差方式，則上面的凹槽創建完成。

（4）創建孔。在建模界面，單擊孔，選擇常規孔，輸入直徑為8，深度為10，其他默認。指定點時選擇圓弧圓心，布爾運算選擇求差，確定完成。再單出實列特征命令，在彈出的實例特征對話框中單擊矩形陣列，輸入X、Y方向數量為2，偏置50，單出確定，完成4個孔的創建。

（5）創建中心孔。在建模界面，單擊孔，輸入直徑26，深度5，尖角0，位置選擇矩形中心，單擊確定。底座零件的模型全部創建完成，其結果如圖2所示。

3.2 底座零件的加工

3.2.1 創建毛坯

單擊長方體圖標，彈出長方體對話框，在對話框中輸入參數，創建尺寸為75×75×28的長方體作為毛坯，單擊編輯在下拉菜單中選擇對象顯示，透明度選擇60。單擊開始，選擇加工，進入加工模塊，在加工環境中選擇mill planar。

3.2.2 銑梅花腔體

創建刀具，輸入刀具名稱D8，輸入直徑8。

單擊創建幾何體，選擇MCS，單擊確定，進入MCS對話框。安全設置選項中選擇平面，再單擊指定，選擇平面選擇XC-YC平面，偏置距離設置50，單擊確定，單擊創建幾何體，選擇第二個圖標，名稱為CHONGJIAN，單擊確定。在彈出的對話框中選擇指定毛坯為剛拉伸透明度為60的長方體，確定后回到工件對話框，單擊指定部件圖標，選擇模型，單擊確定完成幾何體的創建。

創建銑梅花腔操作。單擊創建操作，選擇類型mill planar，子類型為第一排第4項，程序為NC_PROGRAM，刀具為D8，幾何體為GONGJIAN，方法為METHOD，名稱為CX。在單擊確定后的對話框中，單擊指定部件邊界，出現編輯邊界對話框，選擇零件圖中梅花邊線段（注意在材料測中選擇外部），確定，選擇梅花底面，單擊生成刀軌，結果如圖3所示。

同理，創建銑圓弧內腔和外輪廓的操作。分別選擇邊界為圓弧邊界和上面倒角的四邊形邊界，底面分別選擇圓弧下底面和外輪廓底面，并生成刀軌。

3.2.3 孔的加工

創建刀具。單擊創建刀具，類型中選擇孔選項（drill），子類型選擇第三個，名稱為kong，點擊確定后，進入刀具選項，直徑輸入8，頂尖角度118的鉆頭參數。

創建操作。創建四角的φ8的小孔操作，單擊創建操作，類型選擇drill，子類型選擇第三個，刀具選擇剛建立的kong，名稱為zhuankong，單擊確定后，單擊指定孔選項，進入點到點幾何體選項。單擊選擇，選擇模型圖的4個孔，確認后，在最小安全距離中輸入20，生成2D仿真。

同理創建中心孔φ18的操作，方法同上一步，先創建刀具，刀具直徑為18，指定孔時選擇中心孔，生成并確認刀軌。

最后把幾步合并起來，生成刀軌，如圖4所示為最終加工的零件圖[5]。

3.2.4 導出程序

以導出銑梅花腔的程序為例。

單擊工具欄中的后處理圖標，選擇對話框中的第一步→右鍵→后處理，選擇程序保存的位置，選擇列出輸出，單擊[確定]，則生成圖5所的銑梅花腔的部分程序。

最后利用計算機和數控系統的通信接口，實現自動編程系統和數控系統間的通信，將程序直接接入數控系統，控制數控機床進行加工[6]。

圖5 銑梅花腔的部分程序

4 結束語

通過對底座零件的建模和加工實例可以看出，CAD/CAM技術有以下優點：

（1）零件模型直觀。利用CAD/CAM技術強大的圖形處理技術對零件進行三維建模，便于觀察和分析以及修改，便于對工程圖的理解。

（2）降低了勞動強度，提高了生產率。利用CAD/CAM技術的CAM技術生成程序快速、準確，不再需要人工繁瑣的編程。

（3）提高了產品質量。利用CAD/CAM技術中的仿真技術，對不合格項可以進行修改，直到完全合格為止。

（4）對產品的研發提供了支承。在CAD/CAM技術工作過程中，從初始產品的設計到最終的加工指令，都是信息不斷產生、修改、交換、存取的過程，系統能保證用戶隨時觀察、修改階段數據，實施編輯處理，直到獲得最佳結果。

[1]方新.機械CAD/CAM技術[M].西安：西安電子科技大學出版社，2009.

[2]明興祖，姚建民.機械CAD/CAM技術[M].北京：化工工業出版社，2003.

[3]蘇宏志，楊輝.數控機床與應用[M].上海：復旦大學出版社，2010.

[4]胡仁喜.UG NX8.0中文版標準實例教程[M].北京：機械工業出版社，2013.

[5]熊娟.CAD/CAM技術及UG應用[M].鄭州：黃河水利出版社，2013.

[6]鄭向周.CAD/CAM技術在星輪加工中的應用[J].機械制造技術，2012（2）：61-63.

[7]Xiong J，Sun L F.Three-dimensional modeling and analysis for runner blades of turbine[C]∥Applied Mechanics and Materials Taiwan，2011：121-126，1521-1526.

[8]Xiong J，Han L N.Application of CAD/CAM technology on the modeling of freeform surface parts[C]∥Applied Mechanics and Materials Taiwan，2011：121-126，3160-3164.