五軸水刀切割數控系統上的CAD/CAM技術發展現狀及趨勢
CNC的發展與CAD、CAM互相促進，相輔相成。CAD有助于數控機床的輔助設計，CAM有助于加速數控機床在實際生產中的推廣及應用[17~18]。為了方便操作者及用戶對
CNC的發展與CAD、CAM互相促進，相輔相成。CAD有助于數控機床的輔助設計，CAM有助于加速數控機床在實際生產中的推廣及應用[17~18]。為了方便操作者及用戶對加工圖形進行自動編程，以及解決復雜曲面的自動編程問題，將CAD/CAM技術集成到CNC中是擴展數控系統功能并且提高數控系統人機交互性的主要發展趨勢和方向[19]。國外開發且應用較廣的有Master CAM，UG，CATIA，Pro/E，Solid Works，CV 公司的 CADDSS ， I-DEAS 系統及 ICEM 系統等[20]。數控加工中應用比較廣泛有Master CAM、UG等。Master CAM是集CAD/CAM一體化的CAM軟件，在國內的應用比較廣[21]。UG是集CAD/CAM/CAE于一體的大型的商業化軟件[22~24]。這些軟件功能很強大，但價格也很高，國內的中小型企業購買不起，而且操作人員需要專門培訓才能熟練使用。因而開發一套適用于中小型企業的具有CAD/CAM一體化功能的數控系統非常有必要。 我國的CAD/CAM技術主要興起于20世紀七八十年代，開發和研究技術與國外相比都較簡單，主要是將工作站的CAD/CAM軟件移植到微機開發平臺及實現數字控制[25]。90年代，研究的重點主要是除了在柔性制造系統和計算機集成制造系統進行漢化和二次開發以外，還開發了很多具有自主知識產權的CAD系統[26]。目前，國內的數控系統上CAD/CAM技術主要有三種：第一種是自主開發的數控系統上的CAD/CAM一體化軟件，如華中科技大學的開目CAD、大天CAD/CAM軟件系統、南京大學的超人CAD/CAM（實現了復雜曲面的造型和數控代碼的自動生成技術）、北航的CAXA系列軟件及上海維宏電子科技股份有限公司的五軸水刀切割數控系統軟件Nc Studio和Nc Editor[27]；第二種是在現有的大型國外數控軟件（Master CAM、UG等）下進行二次開發，研究出適用于本企業的CAM軟件[28]；第三種是在通用的CAD軟件（如Auto CAD）環境下（或是免費的Libre CAD）進行開發具有自動編程能力的CAM軟件。第一種方式功能強大，價格高，對研發人員的技術水平要求也高，開發周期長；第二種方式功能強大，對研發人員水平較高，開發周期較短，但需要購買大型商業化CAM軟件，價格很高；第三種功能、價格一般，對研發人員技術水平較高，開發周期較短。綜合考慮，本文擬采用第三種方式，在免費的Libre CAD上開發數控CAD/CAM一體化軟件。 隨著科技和信息的不斷進步，水刀切割技術也向著自動化，集成化，智能化，開放化等的方向發展。五軸水刀未來的發展方向主要體現在以下幾個方面： （1）數控加工自動編程技術在水切割數控系統中的應用數控自動編程軟件也稱為 CAM 軟件，即通過二維圖形文件直接自動生成五軸數控代碼。國外的 Flow Systems 公司的水切割數控系統已配有的 CAD/CAM 軟件綜合性能已經比較完善，但是由于價格比較高，阻礙了水切割數控機床在各行業中的推廣和應用[29]。如何實現數控系統和 CAD/CAM 軟件的合理配置，為專用水切割數控系統開發配套的 CAD/CAM 軟件將是水切割數控機床發展的一個主要方向。 （2）數控加工仿真技術數控加工仿真是集 CAD、CAM、數學建模及仿真于一體，通過在計算機的虛擬環境中對加工圖形走刀軌跡進行模擬仿真，檢查數控加工程序是否正確，從而判斷加工方案是否合理，最終縮短產品開發周期、提高產品質量及生產效率等[30]。目前已開發有比較實用的三維動態仿真軟件，但技術還不夠完善，如研發更加有效快速的校驗數控程序的算法及自動更正數控程序的算法。（3）具有空間任意曲線曲面插補功能的數控技術 傳統的數控系統只能對圖形實體直線進行插補，最多也是包括圖形實體圓弧的插補。對于圖形實體時多義線（polyline）、多邊形（polygon）、樣條曲線（spline）、曲面等都要借助 CAD/CAM 軟件對其進行分析計算（離散成小直線段）得出刀位文件，然后再經過后置處理生成直接驅動機床軸運動的數控 G 代碼，最后傳到機床進行對工件的加工[31]。隨著計算機技術和編程技術的不斷發展，目前已有少數專用數控系統可以對一些曲線、曲面等類型的圖形實體進行線性插補或是非線性插補。因而，該項技術主要是增加圖形實體類型，使數控系統能夠對任意空間曲線、曲面進行插補加工。（4）CAD/CAM/CNC 一體化、集成化目前，CAD/CAM 技術的集成性還比較差，最多也只是將 CAD 與 CAM 集成在一起，并沒有將 CNC 集成進去，這樣就無法實現 CAD/CAM 與 CNC 之間的信息的雙向流通，因而不能直接由圖形直接生成數控加工程序驅動機床對工件的加工，并且這其中需要人為的進行各項操作勞動，最終導致延長了設計周期且生產質量和效率都比較低。因此，CAD/CAM/CNC 一體化、集成化是五軸聯動數控系統發展的必然趨勢，是企業自動化發展的必然方向[32~34]。 （5）智能化對于傳統的 CAD/CAM 系統軟件，大多數是人機交互的類型，即用戶在使用時，需要根據專業知識或是經驗來進行交互操作，然而一般操作工人有時缺乏綜合判斷和選擇的能力。所以，智能 CAD/CAM 的概念就提了出來，即把人的想法引入到CAD/CAM 系統中，模擬人的思維方式，設計加工工藝方案[35]。這樣縮短了產品設計和開發的周期，減少了人的參與，減低了開發和生產的成本，提高了生產效率。因此，基于知識的智能化系統也是 CAD/CAM 系統要發展的重要趨勢之一。（6）數控系統上的 CAD/CAM 軟件系統應具有更高的開放性CAD/CAM 軟件系統的開放性主要體現在軟件開發環境及平臺、用戶接口函數等。CAD/CAM 軟件制造商應向用戶提供免費的、易用易學的二次開發接口，使用戶可擴展其功能、定制適合自己的專用數控系統機床的 CAM 軟件，這樣開放性就比較好[36]。 隨著計算機和信息技術的不斷發展，CAD/CAM 系統具備的開發性將越來越受到用戶的青睞，應用將更加廣泛。
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