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1、打印机外壳模具编程加工1绪论1.1 概述CAD/CAM技术是制造工程技术与计算机技术相互结合、相互渗透而发展的一项综合性应用技术1。随着CAD/CAM技术的发展，CAD/CAM技术的应用也日益广泛，几乎遍及所有的工业部门，如机械、电子、航空、航天、建筑、轻纺等行业，CAD/CAM技术可完成产品的总体设计、外形设计、结构设计、优化设计、运动机械的模拟、有限元分析、物体质量特性计算、工艺规程制订、数控加工、检测测量等任务，它涉及到计算机科学、计算机图形学、计算几何、计算数学、数据结构、数据库、数控技术、软件工程、仿真技术、人工智能、专家系统等学科领域。 利用CAD/CAM一体化技术加工零件，避免了
2、在零件加工过程中二次输人零件形状尺寸数据和加工信息, 保证了产品数据的唯一性和准确性。一体化的结果减少了许多中间环节, 从而缩短了产品的研制周期, 提高了产品的加工质童。CAD/CAM技术从产生到现在，经历了形成、发展、提高和集成等阶段，它是一门综合性的应用技术，具有高智力、知识密集、综合性强、效益高等特点，是当今世界科技领域中的一项前沿课题，它不仅改变了人们设计、制造各种产品的常规方式，有利于发挥设计人员的创造性，同时也有利于提高企业的管理水平和市场竞争能力2。数控编程是从零件图纸到获得数控加工程序的全过程。它的主要任务是计算加工走刀中的刀位点。数控加工编程方法经历了手工编程、数控语言自动编
3、程、图形交互编程、CAD/CAM技术集成系统编程几个发展时期1。数控加工仿真就是利用计算机软件来模拟数控加工过程，并将加工过程和加工结果中的信息在计算机中用图形、数字、图表等方式表达出来，以达到供人们判断、验证和控制数控加工过程和结果的正确性、合理性以及加工效率高低等目的的方法。它可以在计算机上模拟出加工走刀和零件切削的全过程，直接观察在切削过程中可能遇到的问题，反复调试直到得到满意的结果，并且不占用和消耗实际的机床、工件等资料10。后置处理是数控加工编程技术的一个重要内容，它将通用前置处理生成的刀位数据转换成适合于机床数据和数控加工程序。其技术内容主要包括机床运动学建模与求解、机床结构误差补
4、偿、机床运动非线性误差校核修正、机床运动的平稳性校核修正、进给速度校核修正及代码转换等。因此，有效的后置处理对于保证加工质量、效率与机床可靠运行具有重要作用。1.2数控技术国内外现状和趋势1.2.1我国数控技术现状我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。第二阶段是在国家的“六五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足的进步。第三阶段是在国家的“八
5、五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究，进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50，配国产数控系统（普及型）也达到了10。纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总体来看取得了以下成绩。1) 奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。2) 初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上，建立了诸如华中数控、航天数控等具有批
6、量生产能力的数控系统生产厂。兰州电机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。3) 建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍4。 1.2.2 国际数控技术现状（1） 开放结构的发展 数控技术从发明到现在，已有近50年的历史。按照电子器件的发展可分为五个发展阶段：电子管数控，晶体管数控，中小规模IC数控，小型计算机数控，微处理器数控；从体系结构的发展，可分为以硬件及连线组成的硬数控系统、计算机硬件及软件组成的CNC数控系统，后者也称为软数控系统：从伺服及控制的方式可分为步进电机驱动的开环系统和伺服
7、电机驱动的闭环系统。 数控系统装备的机床大大提高了加工精度、速度和效率。当出现数控系统以后，制造厂家逐渐希望数控系统能部分代替机床设计师和操作者的大脑，具有一定的智能，能把特殊的加工工艺、管理经验和操作技能放进数控系统， 同时也希望系统具有图形交互、诊断功能等。首先就要求数控系统具有友好的人机界面和开发平台，通过这个界面和平台开放而自由地执行和表达自己的思路。这就产生了开放结构的数控系统（2） 软件伺服驱动技术 伺服技术是数控系统的重要组成部分。广义上说，采用计算机控制，控制算法采用软件的伺服装置称为“软件伺服”。它有以下优点：1) 无温漂，稳定性好。2) 基于数值计算，精度高。3) 通过参数
8、对设定，调整减少。4) 容易做成ASIC电路。由于电力电子技术及控制理论、微处理器等微电子技术的快速发展，软件运算及处理能力的提高，特别是DSP的应用，使系统的计算速度大大提高，采样时间大大减少。这些技术的突破，使伺服系统性能改善、可靠性提高、调试方便、柔性增强。大大推动了高精高速加工技术的发展。（3） CNC系统的连网 数控系统从控制单台机床到控制多台机床的分级式控制需要网络进行通信；网络的主要任务是进行通信，共享信息。这种通信通常分三级：1)工厂管理级。一般由以太网组成。2)车间单元控制级。一般由DNC功能进行控制。 3)现场设备级。现场总线是以单个分散的、数字化、智能化的测量和控制设备作
9、为网络节点，用总线相连接，实现相互交换信息，共同完成自动控制功能的网络系统与控制系统。目前在工业上采用的现场总线有Profibus-DP，SERCOS，JPCN-1，Deviconet，CAN，hterbusS，Marco等。目前比较活跃的是Prof主bus-DP，为了允许更快的数据传送速度，它由0S工的七层结构省去3-7层构成4。1.2.3数控技术的发展趋势数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的一些重要行业的发展起着越来越重要的作用，因为这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数
10、控技术及其装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面：（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。在现代加工的高要求下，很多材料只有在高切削速度和切削力很小的情况下，才能进行加工。这些都对加工装备提出了高速、高精和高柔性的要求。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） 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
11、，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。 （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
12、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。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。1.3 CAD/CAM技术现状和发展趋势1.3.1 CAD/CAM技术概况CAD/CAM技术是最近30年来迅速发展起来的
13、一门综合性计算机应用系统技术，它起源于60年代初，是由麻省理工学院开发的APT程序系统，1%3年麻省理工学院的I二Sutherland在美国的计算机联合大会上提出题为“人机对话图形通信系统”的论文，由此开创了CAD/CAM的历史，60年代中期到70年代中期是CAD/CAM技术趋于成熟的阶段，随着计算机硬件的发展，以小型机、超小型机为主机的CAD/CAM集成技术进入市场，针对某个特定问题的CAD/CAM成套系统蓬勃发展;80年代是CAD/CAM技术迅速发展的时期，超大规模集成电路的出现，使计算机硬件成本大幅度下降，计算机外围设备己成系列产品，为推进CAD/CAM技术向高水平发展提供了必要的条件;
14、90年代CAD/CAM技术已不停留于过去单一模式、单一功能、单一领域的状况，而向着标准化、集成化、智能化的方向发展。我国的CAD/CAM技术的开发应用起步于20世纪70年代，到了80年代，国家在机械CAD/CAM技术开发应用方面进行了重点投资，20世纪90年代，我国CAD技术开发与应用进入较为系统的推广阶段。CAD/CAM技术研究的主要热点有计算机辅助产品的概念上设计，计算机支持的协同设计，海量信息的存储、管理和检索技术，智能CAD/CAM技术，CAD/CAM技术与虚拟现实技术的集成1, 5。1.3.2 CAD/CAM的软件现在几乎所有成熟的商业化 CAD/CAM/CAx 集成软件中都提供有数
15、控加工仿真的功能模块，其中较著名的有美国PTC公司的Pro/Engineer, 美国UGS公司的UG，法国达索(Dassault)飞机公司的CATIA等，国产的软件如CAXA等在这方面也有相应的功能模块提供。一些专门的数控加工仿真软件如Vericut、Cimplex、Command 软件等等也都提供更为完善的仿真功能。国内在这方面较早开发研究的软件有由哈工大FMS研究中心研制的数控加工过程三维动态图形仿真器(NC driven Machining Process Simulator, NCMPS)；由清华大学与华中理工大学合作完成的加工过程仿真器(HMPS, Horizontal Machin
16、ing Process Simulator)等7。1.3.3 CAD/CAM的发展趋势企业的目标是高效率、高质量和低成本。厂家引进CAD/CAM软件能帮助企业在市场竞争中取得优势。当前，CAD/CAM软件己经可以满足众多产品开发的基本要求，然而在提高模拟真实性以及加强使用的适用性方面均面临着挑战。未来机械制造业中使用CAD/CAM软件的发展趋势有以下几个特点：1） 单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展；2） 在单一分析功能不断完善的基础上，朝着优化、可靠性及其它综合评估功能的方向发展；3）加强设计与制造过程的集成，朝着CAD/CAM无缝整体化集成的方向发展5。1.4.数控仿真技术1.4.1 数控仿真技术研究与发展的现状 国际上关于数控加工仿真的研究是从七十年代开始的，其目标都是试图将数控加工过程以图形方式直观形象的表现出来，从而检查加工程序中的错误，即所谓
