《计算机辅助设计与制造》课程论文

《计算机辅助设计与制造》

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论

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指导教师：张占领

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2012年4月25日

浅析我国CAM技术应用状况、问题和发展趋势

摘要： CAM技术作为一门多学科综合性技术，近几十年来发展迅速，对制造业产生了深远的影响。本文较全面地介绍了CAM技术在我国的应用状况，通过对比国外先进国家CAM技术的应用现状、技术特点和发展趋势，分析指出我国CAM 技术应用推广中存在的问题，并对其发展方向提出建议。

关键词：CAM、应用、现状、问题、趋势、分析

1 引言

CAM技术，即计算机辅助制造技术，是指借助计算机来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，如计算机辅助数控加工编程、制造过程控制、质量检测与分析等。CAM是CAD/CAPP/CAM集成系统中重要的组成部分，涉及到许多学科领域, 如计算机科学与工程、计算数学、机诫设计、人机工程、电子技术及其他很多工程技术。经过四十余年的发展,CAM 技术在机械制造、航空航天等技术领域起到了相当重要的作用。

2 CAM技术发展历程简介

CAM技术发展的两个主要阶段。第一代是APT阶段，20 世纪60 年代在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如:FANOC、Semems 编程机,系统结构为专机形式,基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路,编程目标与对象也都是直接是数控刀路。但其存在功能差、操作困难、专机专用等缺陷。第二代是曲面CAM系统阶段，其系统结构一般是CAD/ CAM 混合系统,较好的利用了CAD 模型,以几何信息作为最终的结果,自动生成加工刀路。自动化、智能化程度得到了大幅度提高,具有代表性的是UG、DUCT、Cimatron、MarsterCAM 等。基本特点是面向局部曲面的加工方式,表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关,

而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。

3 我国CAM技术应用的现状

我国CAM技术的研究工作起步于60年代末, 可以说与工业发达国家基本同步。“六五”期间, 个别大型企业和设计部门成套引进了CAM系统, 并在此基础上开发和应用。但国内CAM技术的应用不是很普遍, 原因是许多国有企业效益不佳, 没有经济实力购买数控设备或软件, 而大多数乡镇企业缺少像国企那样的技术队伍, 使CAM技术得不到推广应用。当前, 我国使用CAM技术最多的仍然是国家扶持的航空航天工业、造船业、大型民用企业和科研院所。

4 我国CAM技术应用过程中存在的问题

由于我国的体制、经济模式、以及CAM技术的研究起步较晚、经验不足等原因, 使软件技术发展受到了一定的影响。目前存在的主要间题有：

4.1 发展模式的制约

现代计算机应用技术的发展, 使产品更新换代周期不断缩短。而在我国, 这种快速反应能力和应变能力却很差, 加上行业内部存在的宏观失控和短期行为, 较大地影响了计算机应用技术的发展, 使得软件产品的性能、质量、品种, 以及推广应用等都大大落后于世界水平。另外企业和商品经济发展的“大而全”、“小而全”、“自成系统”的自然经济特征,也制约了软件技术的正常发展。绝大多计算机应用项目从立项、投资、开发到应用都是封闭型的。这样做, 势必保护了一些本来可以由社会分工来取代的落后环节, 削弱了企业与社会的商品联系, 反过来也使开发的软件产品难以大面积推广应用, 阻碍了应用软件的商品不七进程。同时各企业、部门之间的软件开发重复现象也较为严重, 使本来就有限的软件开发人员和资金更加不足。

4.2 软件开发人员力量分散

我国的CAM软件开发人员主要分布于各行各业的应用部门和高等院校。在应用部门工作的软件技术人员, 包括各企业、各部门的计算中心、信息中心、计算站等, 其主要任务是使用计算机宋参与本单位的管理、科研和生产等活动, 但在多数单位表现出技术月良务的性质, 处于配角地位。并且他们大多数只是在各自单位的使用范围内参与软件技术工作, 主要是为了满足本单位生产、管理的需求。加上各行业、企业之间的应用软件的使用环境差别, 开发出的大多数软件难以作为商品软件进入市场。在高等院校工作的软件开发人员, 由于各种信息比较多, 思想活跃, 了解国内外CAM技术的发展动态, 在理论水平和软件开发经验上都占有优势。但由于设备、资金、人员编制和政策上的限制, 多数人员只能作为软件需求者或计算机公司“雇佣”的廉价劳力的身份进行开发工作, 这样大大限制了技术水平的发挥, 处于非常被动的地位。再加上缺乏有力的软件开发法律保护虽已颁布了“计算机软件保护条例” , 但未能得到很好地落实, 开发者的成果和应有的权益没有得到很好的保护, 这在一定程度上也挫伤了广大软件开发人员的工作积极性, 影响了工作的正常开展。

4.3 CAM系统开发过程中存在认识误区

这些错误认识主要表现在以下两个方面：

4.3.1 缺乏重微机软件思想

一些购买微机的企业, 只重硬件不重视软件, 常选择使用盗版图形软件的办法。由于得不到很好的技术培训, 常导致CAM工作停滞不前。因为软件是一种特殊的产品,它的使用需要相当技能, 如能得到软件公司或代理商的技术援助, 常取得事半功倍的效果。

4.3.2 CAM未能与CAD数据共享

一些CAD 工作开展得好的企业, 已在微机上实现了二维绘图工作,在工作站上实现了三维造型工作, 也在工艺自动生成和数控加工的计算机控制方面作了许多工作。但这些工作是分别在不同的软件上, 由不同部门分别实施, 未能进行有效的二次开发, 未能使其数据共享, 集成为一个整体。

4.4 引进国外CAM系统时存在问题

目前, 国内实际应用的CAM系统, 一类是国内自主版权的CAM系统, 另一类是国外商品化的CAM系统。由于国外的CAM系统功能齐全、性能优良, 并完成了商品化及工程化要求,所以在国内占得了很大市场分额。从对引进CAM系统的使用情况看, 大多企业没有充分利用起来, 并没有发挥出应有的效益。问题表现在以下方面：

4.4.2 国外的CAM软件没有全方位汉化和进行二次开发

现在从事设计的工作人员中, 一部分年龄较大的设计人员, 他们具有丰富的设计经验, 但由于各种原因,他们的外语水平较低, 让他们很快掌握CAM软件的使用存在很大的难度。另一部分年轻的设计人员, 他们外语基础较好, 但经验欠佳。再加上设计之后的加工很多还靠图纸来加工, 加工人员的外语水平也是一个现实问题, 故汉字标准亦是一大问题。因此, 从我国使用的实际情况出发, 引进CAM系统之后, 必须做到从菜单、提示、错误信息到标注的全方位汉化二次开发。

4.4.3 CAM应用中缺乏管理的系统化

随着CAM新技术的应用, 设计管理过程和方式也必须随之而变, 这些管理包括设计过程管理, 设计人员管理、设计图纸的管理。因此, 引进系统之后必须

进行管理方面的二次开发。管理系统化有利于保证设计质量, 有利于设计过程并行工程实施, 有利于产品更新换代。从而达到提高设计质量和效率的目的。

4.4.4 缺乏人员培训与人才培养

CAM 是现代科技的产物, 这对一些老设计人员来说, 肯定存在一个适应的问题。要想使软件发挥最大的作用, 这就必须对有关使用者进行专业培训, 否则可能设计效率提高不理想, 严重者可能效率下降。人才培训则是另一个关键, 系统的维护以及CAM软件的二次开发需要既懂计算机知识又有相关专业水平的人员来完成。企业如果没有这样的得力人才, CAD/CAM软件只是一个“电子图板”, 其使用效率也会大打折扣。

5 CAM技术发展趋势及我国CAM技术发展建议

5.1 制造业新技术对CAM提出新要求

众所周知,近年来制造业新技术的最大热点是高速加工技术,该技术在简化生产工艺与工序、减少后续处理工作量、提高加工效率、提高表面质量等几个方面能极大地提高产品质量、缩短生产周期,已经得到广泛的认可及应用,其对CAM 也提出了新的特殊要求,主要分析如下:

5.1.1 安全性要求

高速加工采用小切削度、小切削量、高进给速度,特征加工的一般切削速度( F 值) 为传统加工的10 倍以上( F 可达到2000～8000mm/ min) ,在高速进给条件下,一旦发生过切、几何干涉等,后果相当严重,故安全性要求是第一位的。传统的CAM系统靠人工或半自动防过切处理方式,没有从根本上杜绝过切现象的发生,所以无法满足高速加工安全性的基本要求。

5.1.2 工艺性要求

高速加工要求刀路的平稳,避免刀路轨迹的尖角(刀路突然转向) 、尽量避免空刀切削、减少切入/ 切出等,故要求CAM系统具有基于残余模型的智能化分析处理功能、刀路光顺化处理功能、符合高速加工工艺的优化处理功能及进给量( F 值) 优化处理功能(切削优化处理) 等。为适应高速加工设备的高档数控系统,CAM应支持最新的NURBS 编程技术。

5.1.3 高效率要求

高效率体现在两个方面:(a) 编程的高效率———高速加工的工艺性要求比传统数控加工高了很多,刀路长度是传统加工的上百倍,一般编程时间远大于加工时间,故编程效率已成为影响总体效率的关健因素之一。传统的CAM系统采用面向局部曲面的编程方式,系统无法自动提供工艺特征,编程复杂程度很大,对编程人员除工艺水平之外(基本要求) ,还要求有很高的使用技巧。迫切需要具有高速加工知识库的、智能化程度的、面向整体模型的、新一代的CAM系统。(b) 优化的刀路确保高效率的数控加工,如基于残余模型的智能化编程可有效地避免空刀,进给量( F 值) 优化处理可提高切削效率30 %等。

5.2 CAM技术发展趋势

CAM技术的更新发展迫在眉睫,主要有以下几个方面。

5.2.1 软硬件平台

WinTel 结构体系因优异的价格性能比、方便的维护、优异的表现、平实的外围软件支持,已经取代UNIX操作系统成为CAD/ CAM集成系统的支持平台。OLE 技术及O&M 技术的应用将会使系统集成更方便。今后CAM的软件平台无疑将是WindowsNT 或Windows 2000 ,硬件平台将是高档PC 或NT工作站系列。随着高档NC 控制系统的PC 化、网络化及CAM的专业与智能化的发展,甚至机上编程也

可能会有较大的发展。

5.2.2 面向对象、面向工艺

传统CAM局布曲面为目标的体系结构应被改变成面向整体模型(实体) 、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求(CAPP 要求) 自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域,使CAD/ CAPP/ CAM的集成化、一体化、自动化、智能化成为可能。

5.2.3 智能化

CAM系统应发展为不仅可继承并智能化判断工艺特征,而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能,使刀具路径更优化,效率更高。同时面向整体的形式也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能,提高操作的安全性,更符合高速加工的工艺要求,并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库,使工艺知识积累、学习、运用成为可能。

5.2.4 网路化

近年来,计算机网络技术和信息技术得到了空前的发展,网络已经渗入到全球的各个角落,并时刻影响和推动着制造的发展、改变着制造环境,面对这种变化,迫切的需要建立一种以市场需求驱动的、具有快速响应机制的网络化制造系统模式。制造企业将利用Interner 进行产品的协同设计和制造。而CAM作为制造的核心部分更是需要建立起CAM2NET,通过Interner 提供多种制造支撑服务,如产品设计的可制造性、加工过程仿真及产品的试验等,使得集成企业的成员能够快速连接和共享制造信息。建立敏捷制造的支撑环境在网络上协调工作,将企业中各种以数据库文本图形和数据文件存储的分布信息集成起来以供合作伙伴共享,为各合作企业的过程集成提供支持。

CAM技术要得到全面的发展,还有很长的路要走,开发CAM技术的最终目的是应用CAM 技术,提高企业的制造技术。经过多年的积累,CAM在市场需求、理论基础及外围技术等方面的准备已经成熟,我们有理由相信今后的CAM 一定会朝着方便、快捷、网络化、智能化、专业集成化的方向不断发展!

5.3 对我国CAM技术发展建议

要使我国CAM技术有长足的发展，应从以下几方面加以考虑:

5.3.1 要在观念上打破“重硬轻软”的传统,大力发展软件产业

软件开发是计算机应用中非常重要的一个环节, 过去由于思想观念上的原因, 没能将其提到应有的地位, 致使计算机硬件的功能也没有得到充分发挥。今后要对软件产业适当给予倾斜扶植政策与必要的投资, 使人们从思想上认解倒软件开发工作的重要性与必要性, 给软件开发创造一个有利的环境, 尽快将我国的CAM应用技术搞上去。条件成熟时可重点建设一批具有国际竞争力的软件开发实体, 使之成为外向型的软件产业基地。

5.3.2科研与生产相结合,加速研究成果的商品化

科研和生产是相互促进的统一体, 而我国在科研与生产结合上, 在科研成果向商品化转化上恰恰是一个薄弱环节。要使科研真正起到先导作用, 就必须扣破以往的“自立课题、自己开发、自己应用”的状况, 走出“自我”的小天地, 全面地考虑间题, 在重视产品开发的同时, 还要重视生产技术、工艺化意识, 才能真正发挥科研的作用, 促使科研与生产形成良性循环。

5.3.3 采取必要的行政、法律手段,促进和保护计算机应用技术的发展

要想尽快将计算机应用技术搞上去, 必须采取必要的行政手段, 协调各种软件开发部门, 合理分工, 密切配合, 减少不必要的重复研究集中资金, 在关

键项目上打“攻坚”战, 组织科研、高校和生产应用部门等各方面力量, 进行技术攻关, 争取拿出质量过硬的软件产品。同时制定更加严格的法律, 来维护开发者的合法权益, 创造一个软件开发工作的良好环境。要密切注意世界上知左国家技术的发展,高度重视基础研究和关键技术的突破, 跟上世界技术的潮流, 以使我们能够认清方向, 少走弯路, 尽快赴上世界水平。

5.3.4 高度重视软件开发人才的培养及人才队伍的稳定性

发展我国计算机应用技术, 人才是关键没有坚实的人才基础, 一切将无从谈起。软件技术是一种知识密集、技术密集的综合性高科技行业, 发达国家对于软件开发是非常重视的,为软件技术人员创造了十分有利的环境。因此我国要想使软件产业高速发展, 就必须强化智力投资, 加速和扩大人才队伍的培养。

随着我国改革开放的进一步深化, 为我国机械工业技术的腾飞开劈了广阔的前景, 越来越多的企业与部门必然会对拉术产生更大的兴趣。只要我们不失时机地抓住这一大好时光, 面向国内国际市场, 发展真正的外向型经济, 就一定能够在国内外技术的激烈竞争中闯出一条自己的路, 并且立于不败之地。

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