一种二维机械零件的CAD/CAM系统

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1　基于AutoCAD平台的CAD/CAM系统的设想

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　　从八十年代以来，AutoCAD成了我国应用最广的CAD软件。就世界范围而言AutoCAD也不失为一种应用最广的CAD软件。若能在AutoCAD平台上开发出具有CAD/CAM功能的软件，对CAD/CAM技术的推广应用、对企业采用先进的制造技术，将起到积极的推动和促进作用。正是基于这样的思想指导下，我们开始了本项目的研究，并得到了云南省科应用基础研究基金、云南省教委基础应用研究基金的资助。
　　一般机械设备中适合数控加工的零件，有相当一部分是二维机械零件。因此我们把研究的定位点选在研究开发一套具有一定普遍意义的二维机械零件的CAD/CAM系统上。AutoCAD具有很强的二维零件的计算机辅助设计功能。AutoCAD本身带有Aut`oLISP用户开发工具，R11.0以后的版本还支持用C语言来开发，这为在原CAD的基础上增加CAM的功能提供了很好的条件。为了使研究的系统具有广泛的应用性，我们决定使用AutoLISP作为开发工具，这样在R10.0及以后的AutoCAD版本上都可以使用。

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2　设计方案

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2.1　NC加工刀具运动轨迹的生成
　　当完成了零件的计算机辅助设计后，本研究开发了加工刀具运动轨迹自动优化设计^[1]的功能模块。其步骤为：
　　（1）选择工件加工时的基准点（相对零点）；
　　（2）选择一道工序所要加工的轮廓或加工表面；
　　（3）选择加工方式，若为钻削加工则转到（4）、若为沿轮廓切削加工则转到（5）；
　　（4）用窗方式或直接方式选择要钻削的孔，并自动检验本道工序中孔的尺寸是否一致，若不一致将自动报警；完成该项工作后转到（13）；
　　（5）选择切削刀具尺寸（指刀具实际尺寸）；
　　（6）若是轮廓切削则转到（7），若是轮廓包围面的切削则转到（9）；
　　(7)选择需要切削加工的面；
　　(8)若是圆轮廓，初始切入距离不为零，则自动从切向切入；若是非圆轮廓，可任选切入距离和切入方向，转到（13）；
　　(9)需要切削轮廓面内有保留物体则转到（11）；
　　（10）可选用平行线轨迹方式加工、或按轮廓形状切削的方式加工、或用复合方式加工，以达到加工面的完全加工。各刀具运动轨迹按优化方法设计^[2],转到（13）；
　　（11）按轮廓形状切削方式沿轮廓面内保留物体设计生成加工刀具的运动轨迹；
　　(12)各刀具运动轨迹按优化方法设计^[2];
　　(13)若还有下一道工序加工的面，则返回（2）；
　　（14）完成NC加工刀具的轨迹生成设计，产生相应的图形交换文件供生成NC程序时调用。

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2.2　NC加工的CAPP
　　在自动生成加工的NC程序前，必须进行NC加工的计算机辅助工艺设计，确定每一道工序加工中所必须的加工工艺参数。该功能模块利用计算机对需要加工的各个轮廓进行加工工艺设计，最后生成相应的CAM加工工艺文件，供生成NC加工程序时调用。
　　这里CAPP中的设计参数主要有：主轴转速（spindle speed）、切削深度（cut down to）、进给量（feedrate）、加工方式（钻削加工或沿轮廓切削加工）、循环切削次数（cycle count）、刀具的选择（tool）等七个主要工艺参数。
　　本功能模块对于NC加工的CAPP设计，提供了命令行提示交互式设计方案、图标菜单式设计方式、以及使用于AutoCADR12以后版本的对话框式设计方式。
　　本功能模块设计特点是：①在AutoCAD的环境下就可以进入NC加工工艺的设计，使CAD及CAPP一次完成；②在工艺设计的过程中，可以观察到相应实物的工程图，做到所见到的就是所要设计的；③图标菜单及动态显示技术的运用，使设计图文并茂，容易掌握、容易操作；④对话框及缺省值的合理处理，加快了设计速度，减少了重复设计的时间。在完成CAPP后，将自动生成相应的CAM加工工艺文件。

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2.3　NC程序的生成NC程序的生成模块主要根据刀具运动轨迹的标准图形交换文件，以及CAM加工工艺文件，按照符合ISO标准的NC系统，自动生成通用的NC加工程序。其中每一道工序加工的轮廓放在不同的图层上，对应于相应的一段CAM工艺文件。本功能模块的工作步骤为：
　　（1）首先根据设定的路径（path）找到存放刀具运动轨迹的标准图形交换文件及相应的CAM加工工艺文件；
　　（2）在程序规定的图层上找到相对零点，以进行相对坐标的转换；
　　（3）根据图形基础层（base layer）找到存放刀具运动轨迹的图层；
　　（4）根据设定的起点找到加工的起始点；
　　（5）若下一个端点无实体连接，则转到(8);
　　(6)根据需要加工的实体，参照加工字典，查找出加工的类型；
　　（7）建立或修改NC文件；
　　(8)检查下一个端点有无实体连接，有则转到(5);
　　(9)若是循环切削，则重复（N次）进行（6）、（7）、（8）项工作（N=循环切削次数）；
　　（10)检查有无下一个存放刀具运动轨迹的图层，有则转到（4）；
　　（11）记录日期、换刀位置等工艺参数；
　　（12）自动生成NC加工程序，送数控设备加工。
　　该功能模块还具有以下一些重要的功能：每进行一道工序加工时，刀具将快速地移动到设定的加工起点，以节约加工辅助时间；循环切削次数(cycle count)为N,则可以使设定的总切削深度平均分为N次进行；每一道工序都对应于不同的一组加工工艺参数，使加工灵活，粗精分开，适应能力强。

2.4　设计方案特点
　　①当用户完成了CAD设计后，不退出CAD设计环境就可以进行CAM设计。②设计时使用了文字提示、图形提示以及报警提示等，例如：在进行每一步设计前，系统都会提示用户如何进行下一步操作、如何进行必要参数的输入。③在进行钻削设计时，当孔径不一致，系统就会中断工作，并向用户报警，以避免加工废品的出现。④在进行轮廓切削时，计算机能自动检查轮廓曲线是否连续。若不连续，将无法进行NC加工的设计，系统将用文字、声音提醒用户设计轮廓曲线中有断点，并在断点处用高亮图形加以显示，以便用户修改或重新设计。⑤本系统能自动对刀具运动轨迹的设计进行优化处理，以保证加工质量、提高加工效率、降低加工成本。⑥若用户对所设计的刀具运动轨迹不满意，系统允许用户作实时修改，直到满意为止。⑦本系统操作简单、使用方便，用户只要具备有关AutoCAD的基础知识，不需要专门培训，就可以操作使用。⑧设计中提出并采用了复合刀具运动轨迹方式^[2],即沿轮廓形状轨迹的加工与平行轨迹加工的优化有机结合。关于这方面的问题，在许多商品CAD/CAM软件中也没有得到足够的重视。

3　设计实例

　　本研究以SABRE1000加工中心为对象，成功地按SABRE1000加工中心的格式要求，进行了二维机械零件的CAD/CAM设计。所生成的NC加工代码比某些商品CAD/CAM软件精练。因为有的商品CAD/CAM软件为了使问题简化，只能用直线线段来逼近实体，使得生成的NC加工代码冗长，既增加了加工时间，又不宜保证加工质量。在应用实例中我们对一个适合数控加工的典型零件进行了CAD/CAM设计，用本系统只需要12条NC加工语句，而用某几十万元的商品CAD/CAM软件生成的NC加工语句达163条。

4　结论

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　　本CAD/CAM系统成功地在AutoCAD的基础上开发完成，所以凡是用AutoCAD设计的零件、或者符合AutoCAD的图形转换标准的零件，都可以使用本系统完成CAD/CAM设计。本系统硬件环境要求低，只要能运行AutoCADR10就能启动使用该CAD/CAM系统。当然本系统经过进一步的研究，在CAPP中，若把缺省值用专家系统提供的数据来代替，就可以形成一定智能化的NC加工CAPP设计，使系统进一步完善。