五轴水刀切割数控系统上的CAD/CAM技术发展现状及趋势

五轴水刀切割数控系统上的CAD/CAM技术发展现状及趋势

工程师
CNC的发展与CAD、CAM互相促进，相辅相成。CAD有助于数控机床的辅助设计，CAM有助于加速数控机床在实际生产中的推广及应用。为了方便操作者及用户对加工图形进行自动编程，以及解决复杂曲面的自动编程问题，将CAD/CAM技术集成到CNC中是扩展数控系统功能并且提高数控系统人机交互性的主要发展趋势和方向。国外开发且应用较广的有Master CAM，UG，CATIA，Pro/E，Solid Works，CV 公司的 CADDSS ， I-DEAS 系统及 ICEM 系统等。数控加工中应用比较广泛有Master CAM、UG等。Master CAM是集CAD/CAM一体化的CAM软件，在国内的应用比较广。UG是集CAD/CAM/CAE于一体的大型的商业化软件。这些软件功能很强大，但价格也很高，国内的中小型企业购买不起，而且操作人员需要专门培训才能熟练使用。因而开发一套适用于中小型企业的具有CAD/CAM一体化功能的数控系统非常有必要。

我国的CAD/CAM技术主要兴起于20世纪七八十年代，开发和研究技术与国外相比都较简单，主要是将工作站的CAD/CAM软件移植到微机开发平台及实现数字控制。90年代，研究的重点主要是除了在柔性制造系统和计算机集成制造系统进行汉化和二次开发以外，还开发了很多具有自主知识产权的CAD系统。目前，国内的数控系统上CAD/CAM技术主要有三种：种是自主开发的数控系统上的CAD/CAM一体化软件，如华中科技大学的开目CAD、大天CAD/CAM软件系统、南京大学的超人CAD/CAM（实现了复杂曲面的造型和数控代码的自动生成技术）、北航的CAXA系列软件及上海维宏电子科技股份有限公司的五轴水刀切割数控系统软件Nc Studio和Nc Editor；第二种是在现有的大型国外数控软件（Master CAM、UG等）下进行二次开发，研究出适用于本企业的CAM软件；第三种是在通用的CAD软件（如Auto CAD）环境下（或是免费的Libre CAD）进行开发具有自动编程能力的CAM软件。种方式功能强大，价格高，对研发人员的技术水平要求也高，开发周期长；第二种方式功能强大，对研发人员水平较高，开发周期较短，但需要购买大型商业化CAM软件，价格很高；第三种功能、价格一般，对研发人员技术水平较高，开发周期较短。综合考虑，本文拟采用第三种方式，在免费的Libre CAD上开发数控CAD/CAM一体化软件。

随着科技和信息的不断进步，水刀切割技术也向着自动化，集成化，智能化，开放化等的方向发展。五轴水刀未来的发展方向主要体现在以下几个方面：

（1）数控加工自动编程技术在水切割数控系统中的应用数控自动编程软件也称为 CAM 软件，即通过二维图形文件直接自动生成五轴数控代码。国外的 Flow Systems 公司的水切割数控系统已配有的 CAD/CAM 软件综合性能已经比较完善，但是由于价格比较高，阻碍了水切割数控机床在各行业中的推广和应用。如何实现数控系统和 CAD/CAM 软件的合理配置，为专用水切割数控系统开发配套的 CAD/CAM 软件将是水切割数控机床发展的一个主要方向。

（2）数控加工仿真技术数控加工仿真是集 CAD、CAM、数学建模及仿真于一体，通过在计算机的虚拟环境中对加工图形走刀轨迹进行模拟仿真，检查数控加工程序是否正确，从而判断加工方案是否合理，终缩短产品开发周期、提高产品质量及生产效率等。目前已开发有比较实用的三维动态仿真软件，但技术还不够完善，如研发更加有效快速的校验数控程序的算法及自动更正数控程序的算法。

（3）具有空间任意曲线曲面插补功能的数控技术传统的数控系统只能对图形实体直线进行插补，多也是包括图形实体圆弧的插补。对于图形实体时多义线（polyline）、多边形（polygon）、样条曲线（spline）、曲面等都要借助 CAD/CAM 软件对其进行分析计算（离散成小直线段）得出刀位文件，然后再经过后置处理生成直接驱动机床轴运动的数控G 代码，传到机床进行对工件的加工。随着计算机技术和编程技术的不断发展，目前已有少数专用数控系统可以对一些曲线、曲面等类型的图形实体进行线性插补或是非线性插补。因而，该项技术主要是增加图形实体类型，使数控系统能够对任意空间曲线、曲面进行插补加工。

（4）CAD/CAM/CNC 一体化、集成化目前，CAD/CAM 技术的集成性还比较差，多也只是将 CAD 与 CAM 集成在一起，并没有将 CNC 集成进去，这样就无法实现 CAD/CAM

与 CNC 之间的信息的双向流通，因而不能直接由图形直接生成数控加工程序驱动机床对工件的加工，并且这其中需要人为的进行各项操作劳动，终导致延长了设计周期且生产质量和效率都比较低。因此，CAD/CAM/CNC 一体化、集成化是五轴联动数控系统发展的必然趋势，是企业自动化发展的必然方向。

（5）智能化对于传统的 CAD/CAM 系统软件，大多数是人机交互的类型，即用户在使用时，需要根据专业知识或是经验来进行交互操作，然而一般操作工人有时缺乏综合判断和选择的能力。所以，智能 CAD/CAM 的概念就提了出来，即把人的想法引入到CAD/CAM 系统中，模拟人的思维方式，设计加工工艺方案。这样缩短了产品设计和开发的周期，减少了人的参与，减低了开发和生产的成本，提高了生产效率。因此，基于知识的智能化系统也是 CAD/CAM 系统要发展的重要趋势之一。

（6）数控系统上的 CAD/CAM 软件系统应具有更高的开放性CAD/CAM 软件系统的开放性主要体现在软件开发环境及平台、用户接口函数等。CAD/CAM 软件制造商应向用户提供免费的、易用易学的二次开发接口，使用户可扩展其功能、定制适合自己的专用数控系统机床的 CAM 软件，这样开放性就比较好。

随着计算机和信息技术的不断发展，CAD/CAM 系统具备的开发性将越来越受到用户的青睐，应用将更加广泛。