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CAM编程软件的发展历史、现在、将来
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近年来CAD是CAD/CAM集成系统技术创新的主角。相比之下，CAM领域却显示出不应有的沉寂。然而，随着信息化需求的不断增加，企业同样热切企盼CAM，希望技术创新之风能吹进CAM领域，涌现出能够与CAD系统相匹配的、功能强大、更符合加工工程化概念、易于普及的新一代CAM产品。
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CAM作为整个集成系统的重要一级，向上与CAD、CAPP实现无缝集成，向下方便、快捷、智能、高效地为数控生产服务，这是CAM技术发展永远不变的主题。面向对象、面向工艺特征的新概念已经与CAD技术中面向对象的设计、特征建模等相呼应，在一些专业化的CAM系统中得到了成功的应用，为新一代CAM的诞生进行了必要的经验积累、技术储备与思想准备。当今CAM在学习、掌握与应用上的困难，与生产快速发展对CAM人才迫切要求之间的矛盾日益突出，为新一代CAM的成熟与发展提供了市场基础。制造业不断涌现的新技术、新工艺诸如高速加工技术等也对CAM技术提出了更高的要求。网络技术的发展使CAD/CAPP/CAM/CAE/PDM集成化体系摆脱空间的约束，能够更好地适应现代企业的生产布局及生产管理的要求。为适应集成化体系的要求，CAM的结构体系与功能构成也必然会发生相应的变化。因此我们有理由认为新一代的CAM技术正处在孕育、发展与成熟之中，新一代CAM会在不远的将来兴起。下面将对CAM技术的发展过程、CAM的应用现状、新技术对CAM的要求等方面进行分析，进而对CAM发展趋势做一个主观的预测。并对新一代CAM系统的结构体系做一个大胆的设想，希望能够有益于我国CAM的研究、选型及应用，也希望借此与广大同行交流提高。
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一、新一代CAM产生的必然性与发展趋势
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3 Q3 q3 }, E2 W/ x6 t CAM技术发展至今，无论在软、硬件平台、系统结构、功能特点上都发生了翻天覆地的变化。当今流行的CAM系统在功能上也存在着巨大的差异。就其具有决定意义的基本处理方式与目标对象上看，主要可分为两个主要发展阶段，可认为是两代产品。- @* W; w0 ~8 t0 P! i! y$ j
6 I$ i) C! U6 h0 w% O7 K 第一代CAM：APT $ s5 x8 f j% \8 m1 g6 \' h1 \
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20世纪60年代在专业系统上开发的编程机及部分编程软件如：FANOC、Semems编程机，系统结构为专机形式，基本处理方式是人工或辅助式直接计算数控刀路，编程目标与对象也都是直接是数控刀路。特点是功能差，操作困难，专机专用。% B. C6 J9 S- \: t. Y- |" I: W6 i
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第二代CAM：曲面CAM系统 系统结构一般是CAD/CAM混合系统，较好地利用了CAD模型，以几何信息作为最终的结果，自动生成加工刀路。自动化、智能化程度得到了大幅度提高，具有代表性的是UG、DUCT、Cimatron、MarsterCAM等。基本特点是面向局部曲面的加工方式，表现为编程的难易程度与零件的复杂程度直接相关，而与产品的工艺特征、工艺复杂程度等没有直接相关关系。尽管该时期的时间跨度达二十年，系统档次差异很大，智能化水平高低亦不同，但在结构体系上没有质的变化。笔者认为应属于同一代产品。- n2 j# [, `, U! g. o9 t' f
* C8 \6 c6 _! f纵观CAM技术的发展历程，我们可以得出如下结论：8 p6 ? O9 A: A" S$ v) y
, J, K4 j9 q2 N$ |1 F 1.CAM的发展是一个不断吸收和利用CAD及周边相关技术的应用成果，不断发展的过程；是自动化、智能化水平不断提高的过程；是CAM系统结构及基本处理方式不断向适应工程化概念的方向发展的过程。
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2.系统的基本处理方式，即编程的目标对象对系统的结构、智能化水平等起着决定性作用。CAM系统在APT时代，编程的目标对象直接计算刀路轨迹。第二代CAM系统以CAD模型为编程的目标对象，自动生成刀路轨迹。因而系统的自动化、智能化水平得到了大幅度提高，系统的操作也更符合工程化概念。 * s# C/ \/ z( `5 F0 ~* @* M# C
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3.第二代CAM系统以CAD模型的局部几何特征为目标对象的基本处理形式已经成为智能、自动化水平进一步发展的制约因素。只有突破当今的固有模式，发展新一代的CAM系统：即面向模型、面向工艺特征的CAM系统，才能够将CAM的自动化、智能化水平提高到一个新的高度。8 }' h1 S, u# \$ j' o
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4.可以预见正在孕育、成熟、发展的新一代CAM系统将采用面向对象、面向工艺特征的基本处理方式，使系统的自动化水平、智能化程度大大提高。系统结构将独立于CAD、CAPP系统而存在，为CAPP的发展留下空间，更符合网络集成化的要求。+ u! w+ C. X& M6 _6 y/ X& B
4 y l) b5 j3 z% {: R0 F0 E 二、CAM的创新方向8 ]/ t& u, M1 [7 r7 F( W8 M
* i9 `3 P. h, L/ K/ e& U: N CAM作为应用性、实践性极强的专业技术，直接面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力。分析总结当今CAM的应用现状、与生产实际要求间的差距及其原因、新工艺、新技术对CAM的特殊需要以及相关外围技术发展与要求等，有助于更好地了解今后CAM的发展趋势。
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2 Q: D! t w% i! k 1.CAM的应用现状及与实际需求间的差距: L8 U% P7 {& ^+ M+ w
% [: r9 o7 O, h9 V; `9 G6 J! M5 E7 @ 因为应用的实践性更强，专业化分工更明确，就总体而言，CAM的专业化水平高于CAD的发展。纵观当今占主导地位的CAM系统，无论其界面好坏、功能强弱，都存在着共同的缺陷。+ z& j, f: I6 Z
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(1)CAD/CAM混合化的系统结构体系( Y+ i+ P! |( L* J' C
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CAD功能与CAM功能交叉使用，不是面向整体模型的编程形式，工艺特征需由人工提取，或需进一步CAD处理产生。该结构体系的形成是历史的产物。多年前，集成系统特别是网络化集成的观念还没有成为系统开发的主体思想，模型的建立与编程在同一地点由同一个操作者完成。由此会造成如下的问题。1 l( j4 Y! f. |8 q
6 U3 U6 ], y5 w% W& J1 Y% G' N( [ 1)不适应当今集成化的要求系统的模块分布、功能侧重必须与企业的组织形式、生产布局相匹配。系统混合化不等于集成化，更不利于网络集成化的实现。8 T+ M% L& T; {' |% T$ F. {
4 B3 ?) p* a2 Q. c* Z- W 2)不适合现代企业专业化分工的要求
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' ^8 G V. R' @* p 混合化系统，无法实现设计与加工在管理上的分工，增加了生产管理与分工的难度，也极大地阻碍了智能化、自动化水平的提高。另外，混合化系统要求操作者在CAD与CAM两个方面都要有深厚的背景与经验才能很好地完成工作，增加了学习掌握与使用系统的难度。一般需1～3年的实践才能成为称职的CAM操作人员，对企业人才的管理造成了极大的负面影响。' s. O) k5 X, V! E8 U& _
% L( G- `' E: l! t4 X: p 3)没有给CAPP的发展留下空间与可能
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众所周知，CAPP是CAD/CAM一体化集成的桥梁，CAD/CAPP/CAM混合化体系决定了永远不可能实现CAM的智能与自动化。因为生产工艺的标准化程度低，受到生产设备、刀具、管理等因素的影响，至今没有一个成熟的，以创成法或派生法为推理机制的商品化的CAPP系统。CAPP转向了类似于开发环境类软件系统的开发与研究。但随着企业CAD、CAM等技术的成功应用，工艺库、知识库的完善，将来CAPP也会有相应的发展。逐步以实现CAD/CAPP/CAM按科学意义上的一体化集成。而混合化的系统从结构上的一体化集成。而混合化的系统从结构上为今后的发展留下了不可弥补的隐患。4 k g3 J% U/ f2 q) R, Y
. ?3 N% B1 x* D7 U& e c (2)面向曲面、以局部加工为基本处理方式: C d. S# {* @1 \
% K6 z# C9 S- A8 K; h O 当今CAM系统一般都是曲面CAM系统，是面向局部加工的处理方式，而数控加工是以模型为结果，以工艺为核心的工程过程。应该采取面向整体模型、面向工艺特征的处理方式。这种非工程化概念的处理方式肯定会造成一系列的问题。
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5 o6 y& U# i9 a# [. t% N# e& d 1)不能有效地利用CAD模型的几何信息，无法自动提取模型的工艺特征，只能够人工提取，甚至靠重新模拟计算来取得必要的控制信息，无疑增大了操作的烦琐性，影响了编程质量与效率。致使系统的自动化程度与智能化程度很低。
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8 s: M# K+ x3 Z: U! C# L 2)局部加工计算方式靠人工或半自动进行仿过切处理，因不是面向整体模型为编程对象，系统没有从根本上杜绝过切现象产生的可能，因而不适合高速加工等新工艺在高速条件下对安全的要求。
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# `$ S' Y; Z& b) r3 \1 x9 v, u 2.当今CAM应用在生产组织与管理上的问题* O) t; d/ o p( b
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CAD/CAPP/CAM需要在信息流上集成一体、无缝连接，但往往忽略了企业在生产组织与管理上要求CAD、CAPP、CAM在应用场合、操作人员、系统功能上按照生产布局合理安排。网络技术的成功应用已经为此奠定了基础。CAM系统及操作人员远离生产现场，致使因不了解现场情况造成不应有的反复，浪费了时间，降低了效率，甚至造成废品。
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传统的CAM系统不仅要求操作人员有深厚的工艺知识背景，还需要有很高的CAD应用技巧。一般需1至3个月专门培训入门，1至3年的实践才能成为称职的工作人员。对CAM的应用普及造成了极大的困难，使CAM后备人员严重不足，因而造成人才竞争异常激烈、生产队伍不稳定，产生严重人才管理问题，我国的广大国营企业，情况更加严峻。故企业迫切需要新一代的易学易用、易于普及、高智能化、专业性强的CAM系统。
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. f/ M& j# h ^ 3.制造业新技术对CAM的特殊要求
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! ?/ r: [) a- t6 K 毋庸置疑，近年来制造业新技术的最大热点是高速加工技术。据最新的工艺研究表明，高速加工技术在简化生产工艺与工序，减少后续处理工作量、提高加工效率、提高表面质量等几个方面，能够极大地提高产品质量、降低生产成本、缩短生产周期。高速加工技术对CAM也提出了新的特殊要求。2 [% U0 ?6 i6 b# ?
: ?: R) M* G8 b% |" D (1)安全性要求( u: ?! Q% X3 u0 Y% g" h8 R* c' }
# a7 P/ U$ P" o$ O( R& K0 ^ 高速加工采用小切削深度、小切削量、高进给速度，特征加工的一般切削速度(F值)为传统加工的10倍以上(F可达到2000～8000mm/min)，在高速进给条件下，一旦发生过切，几何干涉等，后果将是灾难性的，故安全性要求是第一位的。传统的CAM系统靠人工或半自动防过切处理方式，没有从根本上杜绝过切现象的发生。靠操作者的细心、责任心等人的因素是没有安全保障的。所以无法满足高速加工安全性的基本要求。
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' ?5 T( {% s& `5 J6 N! L. R (2)工艺性要求& Y( z8 ] b, [- _6 c
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高速加工要求刀路的平稳性，避免刀路轨迹的尖角(刀路突然转向)、尽量避免空刀切削、减少切入/切出等，故要求CAM系统具有基于残余模型的智能化分析处理功能、刀路光顺化处理功能、符合高速加工工艺的优化处理功能及进给量(F值)优化处理功能(切削优化处理)等。为适应高速加工设备的高档数控系统，CAM应支持最新的NURBS编程技术。: U% J z( Q% R0 X1 f0 \
4 I {* x& X# g9 T0 B( M (3)高效率要求; B& F" E1 d* d% k% M. S
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高效率体现在两个方面：1)编程的高效率：高速加工的工艺性要求比传统数控加工高了很多，刀路长度是传统加工的上百倍，一般编程时间远大于加工时间，故编程效率已成为影响总体效率的关键因素之一。传统的CAM系统采用面向局部曲面的编程方式，系统无法自动提供工艺特征，编程复杂程度很大，对编程人员除工艺水平之外(基本要求)，还要求有很高的使用技巧。迫切需要具有高速加工知识库的、智能化程度高的、面向整体模型的、新一代CAM系统。2)优化的刀路确保高效率的数控加工，如基于残余模型的智能化编程可有效地避免空刀，进给量(F值)优化处理可提高切削效率30%等。( k% _/ L2 p: @& Y0 E1 D
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综上所述，当今的CAM系统虽然为现代制造业的发展立了汗马功劳，但在生产管理、操作使用上存在着与实际要求的巨大矛盾；在结构上、功能专业化等方面与网络下系统集成化的要求存在严重的不协调；基本处理方式严重阻碍智能化、自动化水平的提高。这一切都使新一代CAM的诞生与发展成为必需。CAD技术中面向对象、面向特征的建模方式的巨大成功，为新一代CAM的发展提供了参考模式，网络技术为CAM的专业化分离与系统集成提供了可能。通过以上的分析，新一代CAM系统的大致轮廓已经显现。: n/ p- `& t- v+ ^8 }9 ^. k
% H e+ r; B6 v# W; u 三、新一代CAM的基本结构与主要特征预测
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1.新一代CAM的软硬件平台2 F2 s" B' a& _9 M! v+ X
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WinTel结构体系因优异的价格性能比、方便的维护、优异的表现、平实的外围软件支持，已经取代UNIX操作系统成为CAD/CAM集成系统的支持平台。OLE技术及D&M技术的应用将会使系统集成更方便。今后CAM的软件平台无疑将是Windows NT或Windows 2000，硬件平台将是高档PC或NT工作站系列。随着高档NC控制系统的PC化、网络化及CAM的专业化与智能化的发展，甚至机上编程也可能会有较大的发展。
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2.新一代CAM系统的界面形式
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0 n2 L; }& Z: p5 V6 W V- _$ | 今后将摈弃多层菜单式的界面形式，取而代之的是Windows界面，操作简便，并附有项目管理、工艺管理树结构，为PDM的集成打下基础。 x" v D0 O' |6 e0 c1 o6 C+ i& b
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3.新一代CAM系统的基本特点2 T1 [4 X9 ]7 y& J+ w) D
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(1)面向对象、面向工艺特征的CAM系统
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传统CAM局布曲面为目标的体系结构将被改变面向整体模型(实体)、面向工艺特征的结构体系。系统将能够按照工艺要求(CAPP要求)自动识别并提取所有的工艺特征及具有特定工艺特征的区域，使CAD/CAPP/CAM的集成化、一体化、自动化、智能化成为可能。
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' g) G3 y6 q C1 \8 L (2)基于知识的智能化的CAM系统. Y7 y+ E2 z2 [. m) m
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新一代的CAM系统不仅可继承并智能化判断工艺特征，而且具有模型对比、残余模型分析与判断功能，使刀具路径更优化，效率更高。同时面向整体模型的形式也具有对工件包括夹具的防过切、防碰撞修理功能，提高操作的安全性，更符合高速加工的工艺要求，并开放工艺相关联的工艺库、知识库、材料库和刀具库，使工艺知识积累、学习、运用成为可能。
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(3)能够独立运行的CAM系统& `- I' A# r9 h: C& v
; q/ }& \0 R8 z& T4 @ 实现与CAD系统在功能上分离，在网络环境下集成。这需要CAM系统必须具备相当的智能化水平。CAM系统不需要借助CAD功能，根据工艺规程文件自动进行编程，大大降低了对操作人员的要求，也使编程过程更符合数控加工的工程化要求。
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$ @$ ?4 w' X" w (4)使相关性编程成为可能, d& m: V0 o, ^3 L3 W p4 }8 C
( D+ C. x2 Q3 r- J; f! d2 Q U 尺寸相关、参数式设计、修改的灵活性等CAD领域的特征，自然希望被引伸到CAM系统之中。据笔者观察，在该方向的研究有两条不同的思路，以Delcam公司的PowerMILL及WorkNC为代表，采用面向工艺特征的处理方式，系统以工艺特征提取的自动化来实现CAM编程的自动化。当模型发生变化后，只要按原来的工艺路线重新计算，即实现CAM的自动修改。由计算机自动进行工艺特征与工艺区域的重新判断并全自动处理，使相关性编程成为可能。目前已有成熟的产品上市，并为北美、欧洲等发达国家的工模具界所接受。另据报导，已有公司试图直接将参数化的概念引入CAM中，据称是同一数据库的方式来解决参数化编程问题。据笔者了解，至今未见成功的应用实例及相关报道。从技术角度上，笔者认为，实体的参数化设计是在有限参数下的特殊概念，CAM是按照工艺要求对模型进行的离散化处理，具有无限化(或不确定)参数的特性。因而与参数化CAD有着完全不同的特点。就象参数化的概念一直无法成功地引申到曲面CAD中一样，CAM的参数化也将面临着巨大的困难。按加工的工程化概念，CAM不是以几何特征，而应是以工艺特征为目标进行处理。几何特征与工艺特征之间没有必然的、唯一的相关关系，而当几何参数发生变化时，工艺特征的变化没有相关性，存在着某些工艺特征消失或新的工艺特征产生的可能性。所以真正要实现参数式CAM，需要对几何参数与工艺特征间的相关性进入深入研究，并得出确切的，而且是唯一的相关关系之后，才能真正实现。所以就系统的实用性、成功的可能性而言，笔者在技术上更倾向于前者。或许两者会殊途同归。我们将时刻关注并热切希望后者能在技术上有所突破，使CAM技术在参数化道路上实现质的飞跃。
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# W6 w% @2 L# Q. _+ a0 [3 u (5)提供更方便的工艺管理手段 8 J( a+ i1 P3 r
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CAM的工艺管理是数控生产中至关重要的一环，也是PDM的重要组成部分。新一代CAM系统的工艺管理树结构，为工艺管理及实时修改提供了条件。较领先的CAM系统已经具有CAPP开发环境或可编辑式工艺模板，可由有经验的工艺人员或产品进行工艺设计，CAM系统可按工艺规程全自动批处理。另外，新一代的CAM系统应能自动生成图文并茂的工艺指导文件，并可以以超文本格式进行网络浏览。
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; n2 b2 N+ j8 K4 ^4 }7 N; }5 d, f 4. 新一代CAM技术对生产与管理方式产生积极的影响 + E% z: q$ V. b, e1 I: b1 t
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新一代的CAM系统将CAM的智能化、自动化、专业化推到一个新的高度，更快地满足现有生产与管理的特定要求，同时新手段的引入也会使管理方式发生相应的变化，使生产过程更规范、更合理。新一代的CAM系统在网络下与CAD系统集成，充分利用了CAD几何信息，又能按专业化分工，合理地安排系统在空间的分布。降低人员的综合性要求，提高了专业化要求，会使操作人员的构成发生相应的变化；同时，由于CAM系统专业化、智能化、自动化水平的提高，将导致机侧编程(Shop Programming)方式的兴起，改变CAM编程与加工人员及现场分离的现象。
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1 `; i" X& Q2 p% s* M8 G, z# @+ O 经过多年的技术积累，CAM在市场需求、理论基础及外围技术等方面的准备已经成熟，我们有理由相信今后的几年将是CAM技术创新的火热年代。作为应用性终端技术，CAM市场将是群雄并起，多种系统并存的局面，CAM市场永远不会有霸主。今后CAM的发展与走势，只能是由市场需求决定。可以肯定的是，CAM的发展一定是朝着网络化、专业集成化的方向发展，一定是朝着方便、快捷、智能、自动化的方向发展。 |
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发表于 2006-9-2 07:20:59