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过程与几何特征
过程与几何特征 2011年12月10日 来源： 对于一直通过手动方式对CNC机床进行编程的制造商而言，计算机辅助制造(CAM)软件可以提供这样一种技术基础-利用它，公司可以直面激烈的竞争。对于已经使用CAM的公司而言，通过更新CAM软件可以带来新的效益或新的能力，从而公司可以获得新的业务。通常，为了从最近购买的机床上获得全部好处，制造厂家会购买新的CAM软件。CAM软件在当今的制造行业起着至关重要的作用。尽管CAM软件对制造厂家的运作如此重要，但是在选择过程中CAM软件的根本方面却往往被忽视。许多车间通过研究其多方面的功能表来评价CAM软件：可以用多少不同的方法来组建直线或圆 ；支持多少不同的粗加工程序 ；可以引进多少不同的数据文件格式等。因此评价过程的一个关键部分就是针对被考虑的各个系统填写功能评价表，然后对它们进行比较以确定哪个系统的功能更多。一般地，大多数销售人员都会提供产品数据单，完全列出其CAM软件所具有的功能，这样就使得评价表的填写非常直观(条件是采用相同的术语)。工业分析家们对CAM进行独立审查来评价新的版本或功能，而有些车间就依赖这种审查来指导其购买决定。但是，这些审查很少偏离明显的或隐含的检查表。检查表肯定可以使软件评价工作成为一种理性的过程，但是这些评价的水平却相对较低。在对检查表中的特征详细度的精确水平进行探究之前，首先必须对CAM系统基本原则的建立有基本的了解。两种基本类型CAM系统有两个基本类型-面向过程型和面向几何特征型。面向过程型CAM系统将侧重点放在制造工程的过程方面，诸如有效利用刀具和加工操作、最佳换刀以及复杂过程的控制等。而面向几何特征型CAM系统则将侧重点放在制造工程的几何特征方面，诸如复杂零件几何特征的处理、大量CAD模型的处理、或者通过几何状态推导过程细节等。这些基本的定位影响着CAM系统，直至基本系统架构。由于这种基本定位进入到它们的核心，因此面向过程的CAM系统可以处理异常复杂的过程，但它们在几何特征方面却维持比较简单的概念。另一方面，面向几何特征的CAM系统却可以处理异常复杂的几何特征，但它们却具有相当简单的过程能力。每种类型的系统由于处理某种类型的工件所固有的能力优于另一种系统，因此每种类型的系统只适合特定编程领域。面向过程的CAM系统非常适合以下生产加工作业 ：与总体过程复杂性相比，几何特征可能不是工件要求最高的方面，同时还要求尽量优化加工过程以减少总体加工时间。这方面很好的实例是具有大量21/2D槽和孔的板件。尽管这种几何特征看起来比较复杂，但实际上不是。相反，零件的总体过程复杂度-采用所有有关刀具和换刀的槽加工工序和孔加工工序-才是该零件的复杂部分。生成一个最佳地利用刀具从而实现最短的生产时间的NC程序是一个面向过程的问题。 精确而清晰地加工该模具腔体的表面几何特征，使得该小尺寸零件在几何特征方面比较复杂。 面向几何特征的CAM系统特别适合模具、刀具等工件，其中工件加工具有挑战意味的是零件的几何特征而不是过程优化，因为通常加工的零件数量非常有限。这方面较好的实例是注塑零件的复杂模具腔体或者汽车仪表盘板材冲压成形模的几何特征等。在这种情况下，加工过程比较直观，但几何特征在其准确性和总体范围方面要求非常高。这里的目标是生成一个这样的过程，即加工一个精确而非常平滑的表面来形成所需要的零件表面-一种面向几何特征的问题。溯本求源某个CAM系统到底是面向过程的还是面向几何特征的，通常是由其固有特性确定的。基于几何特征的CAM系统其根源通常可以追溯到CAD系统 ：许多是建立在CAD系统顶层的延伸功能，用于从CAD系统的几何特征产生刀具路径。基于过程的CAM系统其根源通常可以追溯到非图形式、基于语言的CNC编程系统 ：它们最初的发展允许用户在一种非文本环境中创建CNC程序语句。由于两种系统都从根本上生成机床用M和G代码，因此这两种方法都被划分在“CNC编程”或“CAM”系统下。随着时间的推移，这两种类型之间的差异变得模糊。通过功能表来比较两种系统进一步模糊了两种系统之间的基本差异，因为这种功能表没有说明两种方法之间固有的差异。那些通过比较功能表来指导自己购买决定的CAM买家冒着这样的风险，那就是所购买的系统其基本类型不一定最适合他们所从事的工作类型。这种错误不易确诊。毕竟，所选定的CAM系统通常在纸上看起来是功能的最佳集合。此外，大多数CAM卖家还不公开声明自己所提供的CAM系统的类型。在做出错误选择后出现困难时，买方很自然会认为问题出在内部，而不知客观上是由于所购买的系统存在根本的制约。因此买方又额外花大量时间和资源，试图让不匹配的系统在所从事的作业中干出好活来，而从未意识到是在让软件做根本上无法做到的事情。例如，一个用户可能拥有一套基于几何特征的CAM系统，可以在模具腔体加工中干出漂亮的活来，但却只能勉强地处理模具基座中定位销或冷却通道孔加工任务。另一个用户可能拥有一套基于过程的CAM系统，但被汽车地板冲压模加工任务弄得不知所措。这两种情况均没有显示相应系统设计不好，而是，它们根本就没有设计用来实施其基本系统类型可以高效处理的任务以外的任务。 尽管看起来该零件包含复杂的几何特征，但它实际上更适合在基于过程的CAM系统上编程。 重点是什么？通过理解CAM系统的基本类型，可以得知系统功能的定位或侧重点。例如，面向过程的CAM系统自然将焦点放在与过程有关的功能上。进行很好开发的、将标准化过程保存在知识库中以便将来重复使用是面向过程的系统应该具备的能力。重新安排过程顺序以减少换刀次数，或者减少在加工一系列孔时总体行程距离(经典的“旅行推销员”问题)的能力也是面向过程的CAM系统应该具备的一个强项。相关的工件几何特征、过程及相应的刀具路径(当几何特征或过程发生变化时完全重新生成该刀具路径)是面向过程的CAM系统应该具备的另一个功能。基于几何特征的CAM系统将侧重点放在与几何特征有关的功能上。通过模型或参数(U、V)空间定义功能而加工多个自由形状表面的能力是面向几何特征的系统所具备的一项功能特征。同样，将几乎垂直的壁与几乎水平的地板区分开来并自动调节加工参数从而对二者进行协调的能力是面向几何特征的CAM系统应该具备的。用一套表面(A)加工另一套表面、沿表面A运转同时对它进行检查是比较复杂的面向几何特征的功能中的一个实例。对某个CAM系统类型建立基本理解，可以更好地了解各个系统在其总体特征集里侧重点的类型。某个CAM系统是基于过程还是几何特征将影响它可以支持什么等级的机床。基于过程的CAM系统更适合标准的2½ D铣床及两坐标车削中心，因为这些机床通常不处理复杂的几何特征。这里的侧重点放在过程效率上。诸如孔加工或攻丝/螺纹加工等过程得到了基于过程的CAM系统的大力支持。同样，四坐标及五坐标定位、多零件装夹或墓碑件通常用面向过程的系统可以最好地加工，因为，尽管几何特征确实有作用，但多个零件的过程优化却是主要问题。基于几何特征的CAM系统比较适合全三轴铣床，因为这些机床更适合比较复杂的几何特征加工，特别是在多个表面上加工时。类似地，五轴铣削也非常适合采用面向几何特征的编程，这是因为复杂的几何特征计算的缘故，不仅定位刀尖坐标(X、Y、Z)需要这种计算，同时控制刀具定位(I、J、K)也需要这种计算。基于几何特征的CAM系统处理复杂的几何特征以及进行几何特征计算的能力使得它们非常适合这种类型的机床或加工场合。多任务、高速加工多任务加工为CNC机床及其编程推出了一种全新的复杂度水准。这种等级的机床具有多个主轴和多个转塔及刀具组。刀具可以同时应用在一个主轴或多个主轴中的工件上。过程操作的正常单顺序通过并行发生的多个“过程流程”而完全扩展。对应于同时进行的多刀具切削的并行过程流程通常需要同步化。多任务机床显然是面向过程的，因此需要采用面向过程的CAM系统来有效地对其编程。将某个面向过程的CAM系统从顺序式单流程系统扩展到并行式多流程系统是非常可行的。系统的过程顺序指令从单流程扩充到多流程，同时还添加管理这些流程所需要的特征。很难修改基于几何特征的CAM系统而让它支持多任务加工中心的过程复杂度。当前，对多任务加工机床进行编程好像超出了大多数面向几何特征的CAM系统的能力。面向过程和面向几何特征的方法可以彼此重叠，并处理相同加工的不同方面，从而产生不同的优点。例如，基于过程和基于几何特征的CAM系统在处理高速加工时采用的是根本不同的方法。对于基于过程的CAM系统而言，当刀具接近尖锐的拐角时，它会调节进给速度以避免过冲。在冲程中引进进给速度调节的能力是一种面向过程的能力。另一方面，基于几何特征的系统更适合通过引进“环路返回”而处理尖锐的拐角(或任何其它断续的几何特征，诸如连接冲程之间的运动等)，从而让机床保持恒定的进给速度。给刀具路径引进几何特征改善的能力是一种基于几何特征的功能。两种类型都提供了可行的方法来协调不同高速加工状态，但它们的方法与其基本类型是一致的。将来的情况怎样？对于基于过程和基于几何特征的CAM系统而言未来会怎样？随着时间的推移，随着在CAM系统中添加越来越多的功能，这两种类型的CAM系统将越来越难区分开。通过审查功能表而确定某个CAM系统到底是基于过程还是基于几何特征将越来越难。计算机硬件方面的发展将通过平衡CAM系统之间的差异而掩盖CAM系统的定位。随着功能增加，系统将从某个纯粹的类型变为混合类型。尽管如此，CAM系统将始终保持自己的基本特征，要么是面向过程式，要么是面向几何特征式。这种差别将继续影响CAM系统处理过程复杂或几何特征复杂的编程任务的能力。在购买CAM系统时，将仍然需要考虑根本定位之间的差异。