新一代CAM即将兴起

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。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。一、新一代CAM产生的必然性与发展趋势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。第一代CAM：APT20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直接是数控刀路。特点是功能差，操作困难，专机专用。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。纵观CAM技术的发展历程，我们可以得出如下结论：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。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。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化、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。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。二、CAM的创新方向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。1．CAM的应用现状及与实际需求间的差距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。(1) CAD/CAM混合化的系统结构体系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）不适应当今集成化的要求现代生产企业要求网络集成系统的模块分布、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。2）不适合现代企业专业化分工的要求混合化系统，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。3）没有给CAPP的发展留下空间与可能众所周知，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的智能化与自动化。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为今后的发展留下了不可弥补的隐患。（2）面向曲面、以局部加工为基本处理方式当今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。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。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性的要求。2．当今CAM应用在生产组织与管理上的问题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。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。3．制造业新技术对CAM的特殊要求毋庸置疑，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。（1）安全性要求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。（2）工艺性要求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。（3）高效率要求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、新一代的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。 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。三、新一代CAM的基本结构与主要特征预测 1．新一代CAM的软硬件平台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。2．新一代CAM系统的界面形式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。3．新一代CAM系统的基本特点（1） 面向对象、面向工艺特征的CAM系统传统CAM局布曲面为目标的体系结构将被改变成面向整体模型（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。（2）基于知识的智能化的CAM系统新一代的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。（3）能够独立运行的CAM系统实现与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。（4）使相关性编程成为可能尺寸相关、参数式设计、修改的灵活性等CAD领域的特性，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行深入研究，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。（5）提供更方便的工艺管理手段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摸板，　可由有经验的工艺人员对产品进行工艺设计，　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。4．新一代CAM技术对生产与管理方式产生积极的影响新一代的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。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。