工业软件与数控系统集成以实现高速、高效和精加工

【编者按】信息技术支撑了未来的软件功能向制造端发展并形成了趋势。传统的CAD设计软件系统针对产品的制造加工，通过“面向装配”、“面向制造”和“并行工程”的软件开发技术。要在CAD系统中做加工路径的生成、加工的仿真。在加工仿真的过程中做过切检查，碰撞与干涉的检查。未来，整个工厂布局的仿真系统，可能是一些CAD/CAM系统供应商的技术发展方向。”

　　我们可以这样理解，传统的CAD设计软件系统针对产品的制造加工，通过“面向装配”、“面向制造”和“并行工程”的软件开发技术，在设计端“设计”了产品加工制造的高速、高效和精加工，并通过这三大主线技术实现了CAD与CNC异构制造系统的集成。由此显现出一个趋势，PTC公司等传统的CAD系统供应商在用户需求驱动下其设计软件技术和功能不断从设计端向制造端延伸。PTC中国区MCAD产品技术专员陈雷先生说：“面向制造，除了在早期的设计系统中要考虑到制造的因素以外，在后期的加工过程中，要在CAD系统中做加工路径的生成、加工的仿真。在加工仿真的过程中做过切检查，碰撞与干涉的检查。未来，整个工厂布局的仿真系统，可能是一些CAD/CAM系统供应商的技术发展方向。”

　　CAD系统能更有效地提升产品加工和制造的能力。

　　从整个CAD/CAM业界看，这是一种技术的发展趋势。陈雷先生认为：“从CAD系统本身出发如何提高制造的功率和质量？首先在设计的时候就要考虑到一些制造工艺的因素。”所以系统开发提出了一个“面向制造的设计”，还有一个是“面向装配的设计”，在设计的时候就要考虑到产品后期的装配以及制造的因素。并且要通过并行工程，让制造部门的人和最后组装的人们，在设计的早期就能够参与到产品的设计中来。这个并行工程的实现不是单一的CAD工具就可以实现，要通过PTC的Windchill平台架构来实现。可以让企业中与产品相关的人员在设计早期就参与进来，并提出自己的意见和看法，帮助设计人员修改设计。而且并行工程也是“精益生产”中一个很重要的概念。精益生产是通过并行设计实现零库存、零缺陷目标的重要手段。

　　关于CAD系统和设计下游的加工设备，产品制造过程的集成度在哪些方面得到了提高？PTC首先在CAD系统，即Pro/E是CAD、CAE、CAM集成的系统。在CAD中可以完成产品的3D的建模，性能的分析和优化以及最后加工刀具轨迹的生成，并且可以进行加工和仿真。最后，把加工的轨迹输出到下游的数控机床，实现完整过程。对于现在的企业，使用很多类型的机床，对制造资源如何平衡，如何规划，在PTC的Windchill系统中也有一个新的模块MPMlink，这个模块可以对整个制造资源以及加工过程的工艺管理做平衡和优化，包括从制造工艺到制造资源的分配都可以得到很好的规划和平衡。

　　目前，传统的CAD/CAM业界在倡导“虚拟制造”、“数字样机”，未来CAD软件设计更多的与制造过程相集成。并且，工厂整体的模拟也是一个发展方向。陈雷先生认为，目前业界可能还没有完整成形的软件。但是，基础的软件构成已经实现。如数字样机等技术和产品。前面讲到的工厂，在加工过程的模拟中首先要有一个数字样机的平台才能实现。要能够把整个生产的装配做成虚拟的数字样机，然后才可以模拟产品的加工过程。而且在Pro/E中可以对单台的数控设备进行加工模拟仿真。这个功能已经实现了。实现整个工厂布局和模拟可能是未来的发展方向。

　　借鉴丰田公司的生产制造模式，PTC一直在倡导“精益生产”。精益生产过程中的加工能够实现切削的加工验证，提高加工精度，提高加工速度，缩短零部件的加工时间等。在精益加工中所能实现的上述功能或者效能的情况下，其中CNC实现的效能中是可以通过CAD设计端的软件系统能来实现的。那么，CNC的高效、高速加工以及高精度加工如何通过CAD软件系统来实现呢？陈雷先生，这位曾经在中国船舶重工集团任职八年，在产品研发和制造业信息化等方面都积累了丰富经验的技术专家说，首先，要加工肯定要有产品的3D模型。第一，3D建模就在CAD系统里面实现的。第二，CNC机床加工的轨迹从哪里来，也是从CAD软件里面得到的。CNC过去在刚出现的时候是采用人工编程的，而且工作量是很大的，并且只适用于简单形状产品，对于简单的形状可以用人工编程。现在的产品越来越复杂，人工编程几乎是不可能的，必须要自动编程。所以说刀具的轨迹就必须要从CAD的3D模型里面得到，并通过电脑自动编程来实现。

　　所以说前端的CAD软件，3D建模功能就是一个基础了。必须要有3D模型，然后才可以做CNC的轨迹生成和加工刀轨。CNC轨迹生成和加工刀轨是否合适，是否适用，还需要在CAD软件里面做一些虚拟仿真，加工过程的仿真，来检查它是否有过切，如加工过程是否有碰撞。刀具和工装有没有碰撞，和夹杆有没有碰撞。

　　现在，企业使用数控机床种类又非常多，而且不同的机床使用的CNC的代码格式又是不同的。CAD系统怎么能够适用这些机床，需要有一个后处理。在Pro/E系统中有一个非常强大的后处理器，可以把在CAD软件中生成的CNC加工刀轨通过后处理器编译成适合于任何种类机床的加工代码。

　　也就是说Pro/E的CNC刀轨基本上可以驱动所有类型的CNC机床。只要通过这个强大的后处理器编译后，基本上所有的数控机床都可以驱动。这个后处理器有一个非常强大的能力，几乎每一个指令都可以配置。

　　说到这个话题，有一个实际的事例，北一机床集团和大隈公司，在北一大隈使用的机床几乎是同一类型的数控机床，而北一及其他机床行业企业使用的机床基本上都是不同种类的机床。因此，许多企业质疑目前使用不同的编程代码在将来需要实现统一的信息指令和前端的设计并与后端的ERP的集成时，在打通信息孤岛等方面还存在着很大的风险。陈雷先生表示，目前CNC加工的指令格式不一样，是因为各个厂家都有自己的一套系统。同一个指令，比如说G20可能在不同的机床厂家指令的含义是不一样的。就需要通过后处理器把它编译过来。在CAD中生成的刀轨是一个刀位文件，这个刀位文件是国际标准统一的格式，基本上都是统一的。

　　从刀位文件到后面的CNC代码，因为加工代码的格式不同，所以中间转换的过程就需要通过后处理器的配置文件来实现。就像我们平时把中文翻译成英文或者是不同的语言一样，翻译成数控机床能够明白的代码，从而驱动机床的加工过程。

　　对于加工的高速度和高精度是企业比较关注的话题，CAD供应商采取的技术策略对于CAD与CNC的集成和企业应用产生很大的影响。同时，随着科学技术的发展，高速加工也变得越来越重要了，高速加工显然有很多的优势。为了适应用户的需求和行业发展的趋势，在CAD软件方面也提供了相应的支持。不仅Pro/E支持高速加工支持，而且2007年PTC还收购了一家公司，整合后推出了一个新的产品，叫做ToolMaker。Toolmaker也可以支持高速加工，这是一个复杂曲面的专业加工软件。

　　谈到高速加工和普通加工的区别，高速加工，首先它的加工轨迹和普通加工是完全不同。陈雷先生举了一个例子，如产品拐角的加工，使用高速加工，高速产生的加速度非常大，为了降低对机床的冲击而减少机床寿命，高速加工在拐角处刀具要走一个圆弧再到拐角处。正是因为高速加工轨迹的特点，所以在CAD软件中，在自动生成高速加工刀轨的时候就要考虑到高速度加工轨道的特点，根据它的特点来生成合适的轨迹。这和平时传统的加工轨迹是完全不一样的。当然还有很多工艺参数，特征库可以提供。

　　信息技术支撑了未来的软件功能向制造端发展并形成了趋势。陈雷先生认为这些首先是通过虚拟制造和数字样机技术的结合，模拟整个工厂的加工和仿真，如把每台机床，把整个工厂的加工设备和物流都模拟出来。从理论上来说是可以这样做的，但是具体实现在计算方面可能有很大的难度。他说目前数字样机这个技术比较成熟了，已经有了很多的商业化的应用。在国内也有一些企业在用数字样机了。数字样机里面还可以做人力工程的分析，如某台设备做出来以后是否适合人们操作等。

　　从企业应用角度可能有更多的需求，需要CAD系统供应商来实现企业更深入的要求，如提供结合CNC系统的特性需求功能。

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