計算機輔助製造

除cam的狹義定義外，國際計算機輔助製造組織（ cam-i ）關於計算機輔助製造有一個廣義的定義：“通過直接的或間接的計算機與企業的物質資源或人力資源的聯接界面，把計算機技術有效地應用於企業的管理、控制和加工操作。”按照這一定義，計算機輔助製造包括企業生產信息管理、計算機輔助設計（cad ）和計算機輔助生產、製造3部分。計算機輔助生產 、製造又包括連續生產過程式控制制和離散零件自動製造兩種計算機控制方式。這種廣義的計算機輔助製造系統又稱為整體製造系統（ims）。採用計算機輔助製造零件、部件，可改善對產品設計和品種多變的適應能力，提高加工速度和生產自動化水平，縮短加工準備時間，降低生產成本，提高產品質量和批量生產的勞動生產率。

在CAD/CAM系統中，人們利用計算機完成產品結構描述、工程信息表達、工程信息的傳輸與轉化、信息管理等工作。因此，CAD/CAM系統應具備以下基本功能：

1、產品與過程的建模如何用計算機能夠識別的數據（信息）來表達描述產品。如產品形狀結構的描述、產品加工特性的描述、如何將有限元分析所需要的網格及邊界條件描述出來等等。

2、圖形與圖象處理在CAD/CAM系統中，圖形圖象仍然是產品形狀與結構的主要表達形式，因此，如何在計算機中表達圖形、對圖形進行各種變換、編輯、消隱、光照等處理是CAD/CAM的基本功能。

3、信息存儲與管理設計與製造過程會產生大量、種類繁多的數據，如設計分析數據、工藝數據、製造數據、管理數據等。數據類型有圖形圖象、文字數字、聲音、視頻等；有結構化和非結構化的數據；有動態和靜態數據等。怎樣將CAD/CAM系統產生這些大量的電子信息存儲與管理好，是CAD/CAM的必備功能。

4、工程分析與優化計算體積、重心、轉動慣量等，機構運動計算、動力學計算、數值計算，優化設計等。

5、工程信息傳輸與交換信息交換有CAD/CAM系統與其他系統的信息交換和同一CAD/CAM系統中不同功能模塊的信息交換。

6、模擬與模擬為了檢察產品的性能，往往需要對產品進行各種試驗與測試，需要專門的設備與生產出樣品，並具有破壞性，時間長，成本大。通過建立產品或系統的數字化模式，採用計算機模擬技術可以解決這一問題。如加工軌跡模擬，機構運動模擬，工件、刀具和機床碰撞與干涉檢驗等。

7、人機交互數據輸入、路線與方案的選擇等，都需要人與計算機進行對話。人機對話交互的方式有軟體界面與設備（鍵盤、滑鼠等）

8、信息的輸入與輸出信息的輸入與輸出有人機互動式輸入輸出與自動輸入輸出。

計算機輔助製造可劃分為以下幾個層次：

(1)基層控制級。常用各種控制機、小型計算機微型機等負責收集信息，整理檢測數據，執行上級計算機下達的命令，直接控制生產過程等任務。

(2)協調控制層。一般採用小型計算機控制，任務是對局部生產狀態進行分析、判斷、發出指令、修改基層控制的參數、協調其工作等。

(3)管理控制級。一般採用中大型計算機負責管理控制、原材料價格分析等，實現整個系統的綜合管理。

CAD/CAM系統由硬體和軟體系統組成。硬體系統是指可觸摸到的物理設備，如主機設備、終端設備、網路及通信設備、輸入輸出設備，數控加工及控制設備等。軟體系統通常是指程序及其相關文檔的總和，軟體系統一般分為系統軟體、支撐軟體和應用軟體。

從不同的角度，CAD/CAM系統可分為不同的類型。

從硬體角度，分為兩大類：

1、以大型機或小型計算機為主機的、多用戶分時系統。主機系統的特點：1)外圍設備和用戶工作站與主機相連，用戶工作站中至少有一台圖型工作站和一套圖形處理設備（如圖形終端，圖形輸入輸出設備等）。2)優點：主機功能強，可處理大量信息，如分析計算、模擬，使用性能取決於軟體水平。3）缺點：系統專用性強，比較封閉，終端過多，系統速度變慢，價格較高。另外，系統的可靠性取決於主機（主機發生故障，整個系統都將癱瘓）。

2、工程工作站或微機系統的單用戶系統。此系統特點：1）每一個工程工作站或微機系統都能獨立完成CAD/CAM系統所要求的各項任務；2）價格較低；3）可靠性高。

按功能劃分，CAD/CAM系統可分為CAD、CAM、CAD/CAM。

1、CAD系統：專門為設計而建立的系統，可完成各項設計任務，如造型、會圖、工程分析模擬與模擬，文檔管理等。不具備數控編程、加工模擬、生產控制及管理等。

2、CAM系統：具備數控編程、加工模擬、生產控制及管理等功能，幾乎不具備造型、會圖、工程分析模擬與模擬等功能。

3、CAD/CAM系統：具備CAD與CAM的所有功能，並可進行信息的自動交換。已成為主流。

根據是否使用計算機網路，CAD/CAM系統又可分為單機系統和網路系統。

計算機網路：通過通信線路連接起來的自治的計算機集合。包括三個含義：1、必須有兩台或兩台以上的具有獨立功能的計算機系統相互連接在一起，達到資源共享的目的；2、連接在一起的計算機必須有一條信息交換的通道；3、在同一網路中的計算機系統之間進行信息交換，必須遵循共同的約定與規則即協議。

1、單機CAD/CAM系統：具備所有CAD/CAM的軟體與硬體功能。但不能與其他CAD/CAM進行信息交換。信息不能共享。

2、網路CAD/CAM系統：將具備CAD/CAM的軟體與硬體功能的各個節點用網路設備和通信線路進行連接就形成了一個網路化的CAD/CAM系統。可實現資源與信息共享。已成為主流。網路結構有星型、環型、匯流排型和網路等形式。由於匯流排型具有兼容性強，開放性和可擴展性良好等特性，因此，匯流排已成為主流。

此後發展了一系列的數控機床，包括稱為“加工中心”的多功能機床，能從刀庫中自動換刀和自動轉換工作位置，能連續完成銑、鑽、鉸、攻絲等多道工序，這些都是通過程序指令控制運作的，只要改變程序指令就可改變加工過程，數控的這種加工靈活性稱之為“柔性”。加工程序的編製不但需要相當多的人工，而且容易出錯，最早的CAM便是計算機輔助加工零件編程工作。麻省理工學院於1950年研究開發數控機床的加工零件編程語言APT，它是類似FORTRAN的高級語言。增強了幾何定義、刀具運動等語句，應用APT使編寫程序變得簡單。這種計算機輔助編程是批處理的。

CAM系統一般具有數據轉換和過程自動化兩方面的功能。CAM所涉及的範圍，包括計算機數控，計算機輔助過程設計。

數控除了在機床應用以外，還廣泛地用於其它各種設備的控制，如衝壓機、火焰或等離子弧切割、激光束加工、自動繪圖儀、焊接機、裝配機、檢查機、自動編織機、電腦繡花和服裝裁剪等，成為各個相應行業CAM的基礎。

計算機輔助製造系統是通過計算機分級結構控制和管理製造過程的多方面工作，它的目標是開發一個集成的信息網路來監測一個廣闊的相互關聯的製造作業範圍，並根據一個總體的管理策略控制每項作業。

從自動化的角度看，數控機床加工是一個工序自動化的加工過程，加工中心是實現零件部分或全部機械加工過程自動化，計算機直接控制和柔性製造系統是完成一族零件或不同族零件的自動化加工過程，而計算機輔助製造是計算機進入製造過程這樣一個總的概念。

一個大規模的計算機輔助製造系統是一個計算機分級結構的網路，它由兩

級或三級計算機組成，中央計算機控制全局，提供經過處理的信息，主計算機管理某一方面的工作，並對下屬的計算機工作站或微型計算機發布指令和進行監控，計算機工作站或微型計算機承擔單一的工藝控制過程或管理工作。

計算機輔助製造系統的組成可以分為硬體和軟體兩方面：硬體方面有數控機床、加工中心、輸送裝置、裝卸裝置、存儲裝置、檢測裝置、計算機等，軟體方面有資料庫、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助數控程序編製、計算機輔助工裝設計、計算機輔助作業計劃編製與調度、計算機輔助質量控制等。

一、概 述

到目前為止，計算機輔助製造（CAM，Computer Aided Manufacturing）有狹義和廣義的兩個概念。CAM的狹義概念指的是從產品設計到加工製造之間的一切生產準備活動，它包括CAPP、NC編程、工時定額的計算、生產計劃的制訂、資源需求計劃的制訂等。這是最初CAM系統的狹義概念。到今天，CAM的狹義概念甚至更進一步縮小為NC編程的同義詞。CAPP已被作為一個專門的子系統，而工時定額的計算、生產計劃的制訂、資源需求計劃的制訂則劃分給MRPⅡ/ERP系統來完成。CAM的廣義概念包括的內容則多得多，除了上述CAM狹義定義所包含的所有內容外，它還包括製造活動中與物流有關的所有過程（加工、裝配、檢驗、存貯、輸送）的監視、控制和管理。這種廣義CAM系統中與物流有關部分的示意圖如圖所示。在這一節里，我們只介紹CAM最狹義的概念，即只與NC編程有關的內容。

二、數控系統及數控編程原理

（一）數控系統

數控系統是機床的控制部分，它根據輸入的零件圖紙信息、工藝過程和工藝參數，按照人機交互的方式生成數控加工程序，然後通過電脈衝數，再經伺服驅動系統帶動機床部件作相應的運動。圖3-4-2為數控系統的功能示意圖。

傳統的數控機床（NC）上，零件的加工信息是存儲在數控紙帶上的，通過光電閱讀機讀取數控紙帶上的信息，實現機床的加工控制。後來發展到計算機數控（CNC），功能得到很大的提高，可以將一次加工的所有信？閱讀機。更先進的CNC機床甚至可以去掉光電閱讀機，直接在計算機上編程，或者直接接收來自CAPP的信息，實現自動編程。后一種CNC機床是計算機集成製造系統的基礎設備。現代CNC系統常具有以下功能：

(1) 多坐標軸聯動控制;

(2) 刀具位置補償;

(3) 系統故障診斷;

(4) 在線編程;

(5) 加工、編程并行作業;

(6) 加工模擬;

(7) 刀具管理和監控;

(8) 在線檢測。

（二）數控編程原理

所謂數控編程是根據來自CAD的零件幾何信息和來自CAPP的零件工藝信息自動或在人工干預下生成數控代碼的過程。常用的數控代碼有ISO（國際標準化組織）和EIA（美國電子工業協會）兩種系統。其中ISO代碼是七位補偶代碼，即第8位為補偶位；而EIA代碼是六位補奇碼，即第5列為補奇位。補偶和補奇的目的是為了便於檢驗紙帶閱讀機的讀錯信息。一般的數控程序是由程序字組成，而程序字則是由用英文字母代表的地址碼和地址碼后的數字和符號組成。每個程序都代表著一個特殊功能，如G00表示點位控制，G33表示等螺距螺紋切削，M05表示主軸停轉等。一般情況下，一條數控加工指令是若干個程序字組成的，如N012G00G49X070Y055T21中的N012表示第12條指令，G00表示點位控制，G49表示刀補準備功能，X070和Y055表示X和Y的坐標值，T21表示刀具編號指令。整個指令的意義是：快速運動到點（70，55），一號刀取2號撥盤上刀補值。常用地址碼的含義如表1所示。

順序號

準備機能

N

G

順序編號

機床動作方式指令

A.B.C.U.V.W

R

I.J.K

附加軸移動指令

圓弧半徑

圓弧中心坐標

主軸機能

刀具機能

S

T

主軸轉速指令

刀具編號指令

B

工作台分度指令

暫停

子程序調用

重複

參數

P.X

I

P.Q.R

暫停時間指令

子程序號指定

固定循環重複次數

固定循環參數

表1 地址碼及其含義

數控編程的方式一般有四種：

（1）手工編程； （2）數控語言編程； （3） CAD/CAM系統編程； （4）自動編程。

三、手工編程

手工編程是編程人員按照數控系統規定的加工程序段和指令格式，手工編寫出待加工零件的數控加工程序。手工編程的主要步驟如下：

（1）根據零件圖紙對零件進行工藝分析；

（2）確定加工路線和工藝參數（裝夾順序、表面加工先後順序、切削參數）；

（3）確定刀具移動軌跡（起點、終點、運動形式）；

（4）計算機床運動所需要數據；

（5）書寫零件加工程序單；

（6）紙帶穿孔；

可見，手工編程同時也包括了制定工藝規程的內容，手工編程目前已用得很少。

四、數控語言編程

使用數控語言編程往往被稱為“自動編程”，這種叫法來源於APT（Automatically Programmed Tools）數控編程語言。事實上，它並不是自動化的編程工具，只是比手工編程前進一步，實現了用“高級編程語言”來編寫數控程序。這種編程系統的工作過程如圖3-4-3所示。

用數控語言編程就是用專用的語言和符號來描述零件的幾何形狀和刀具相對零件運動的軌跡、順序和其他工藝參數等。由於採用類似於計算機高級語言的數控語言來描述加工過程，大大簡化了編程過程，特別是省去了數值計算過程，提高了編程效率。用數控語言編寫的程序稱為源程序，計算機接受源程序后，首先進行編譯處理，再經過後置處理程序才能生成控制機床的數控程序。目前常用的數控編程語言是美國麻省理工學院開發的APT語言。APT語言辭彙豐富，定義的幾何類型多，並配有多種後置處理程序，通用性好，獲得廣泛應用。APT語言的源程序是由語句組成的，共有四種類型的語句。而語句則是由辭彙、數值、標識符號等按一定語法規則組成的。

1）幾何定義語句

幾何定義語句的一般形式為： 〈標識符〉＝〈幾何元素專用詞〉/參數 例如，語句C1＝CIRCLE/20，80，12，5中，C1為幾何元素定義的名字，VIRCLE為幾何元素類型（圓），20，80，12，5分別表示圓心的坐標值和半徑值。

2）刀具運動語句

刀具運動語句用來模擬加工過程中刀具運動的軌跡。在APT中用3個表面來定義刀具的位置和運動軌跡。這3個表面是零件面（PS）、導向面（DS）和檢查面（CS），如圖3-4-4所示。其中零件面是刀具運動過程中形成的表面；導向面用來定義刀具和零件面之間的位置關係；檢查面用來確定每次走刀運動的刀具終止位置。例如TLONPS和TLOFPS分別表示刀具中心正好位於零件面上和不位於零件面上，TLLFT表示刀具在導向面的左面。

圖3-4-4 零件面、導向面和檢查面

3）工藝數據語句

工藝數據語句用來描述工藝數據和一些控制功能。例如採用SPINDL/n，CLW表示主軸的轉速（n）和轉動方向（CLW），採用CUTTER/d，r表示銑刀直徑和刀尖圓角半徑等。

4）初始語句和終止語句

初始語句表示程序的名稱，終止語句表示零件程序的結束。初始語句由“PARTNO”和名稱組成，終止語句用FIN1表示。

圖3-4-5 CAD/CAM系統編程

圖3-4-6 自動編程系統

五、CAD/CAM系統編程

採用數控語言編程雖比手工編程簡化許多，但仍需要編程人員編寫源程序，仍比較費時。為此，後來又發展了CAD/CAM編程技術。到目前幾乎所有大型CAD/CAM應用軟體都具備數控編程功能。在使用這種系統編程時，編程人員不需要編寫數控源程序，只需要從CAD資料庫中調出零件圖形文件，並顯示在屏幕上，採用多級功能菜單作為人機界面。編程過程中，系統還會給出大量的提示。這種方式操作方便，容易學習，又可大大提高編程效率。一般CAD/CAM系統編程部分都包括下面的基本內容：查詢被加工部點陣圖形元素的幾何信息；對設計信息進行工藝處理；刀具中心軌跡計算；定義刀具類型；定義刀位文件數據。

對於一些功能強大的CAD/CAM系統，甚至還包括數據後置處理器，自動生成數控加工源程序，並進行加工模擬，用來檢驗數控程序的正確性。圖3-4-5為這種系統的示意圖。

六、自動編程

上述CAD/CAM系統編程中，仍需要編程人員過多地干預才能生成數控源程序。隨著CAPP技術的發展，使數控自動編程成為可能。圖3-4-6所示為自動編程系統的組成。系統從CAD資料庫獲取零件的幾何信息，從CAPP資料庫獲取零件加工過程的工藝信息，然後調用NC源程序生成數控源程序，再對源程序進行動態模擬，如果正確無誤，則將加工指令送到機床進行加工。

計算機輔助製造的支撐環境總的來說可分為硬體和軟體兩大方面，具體來說可分為計算機硬體、計算機軟體、資料庫、網路與通信等。

計算機硬體一般是指計算機的實體，是相對於計算機軟體而言，計算機硬體和軟體共同組成計算機系統，計算機必須同時具備硬體和軟體才能工作。

計算機硬體通常可分為主機和外部設備兩部分。主機通常包括運算器、控制器、電源、介面電路、輸入輸出通道（匯流排）、內存儲器等。外部設備通常是指輸入裝置、輸出裝置、外存儲器等。

計算機軟體可以分為系統軟體和應用軟體。系統軟體主要包括計算機操作系統和支持軟體，支持軟體一般指為用戶進行二次開發的工具（或平台），應用軟體是指用戶自行開發的專用軟體。

資料庫是通用化的綜合性的數據集合，可以提供各種用戶共享而具有最小的多餘度和較高的數據和程序的獨立性，能有效地、及時地處理數據，並提供安全性及可靠性。

資料庫系統是在計算機系統的基礎上建立起來的，它由計算機硬體、資料庫管理系統、用戶及其應用程序、資料庫管理員等組成。

計算機網路是指將地理上分散配製而又具有獨立功能的多台計算機、終端設備、傳輸設備和網路軟體實現相互連接，形成資源共享的計算機群體。

計算機網路由硬體和軟體兩大部分組成。網路硬體包括計算機系統、終端設備、通信傳輸設備等。網路軟體包括網路操作系統、網路資料庫、網路協議、通信協議、通信控制程序等。

數據通信是指信息的傳輸、交換和處理。它是繼電報、電話之後的第三代通信。它不是單純的數據通信，而是把原始信息進行整理、系統化，將其精華在適當的時空進行傳輸，以發揮起作用。

成組技術是計算機輔助製造系統的基礎。它從50年代出現的成組加工，發展到60年代的成組工藝，出現了成組生產單元和成組加工流水線，其範圍也從單純的機械加工擴展到整個產品的製造過程。70年代以後，成組工藝與計算機技術和數控技術結合，發展成為成組技術，出現了用計算機對零件進行分類編碼、以成組技術為基礎的柔性製造系統，並被系統地運用到產品設計、製造工藝、生產管理等諸多領域，形成了計算機輔助設計、計算機輔助工藝過程設計、計算機輔助製造，以及有成組技術特色的計算機集成製造系統。

成組技術是一門涉及多種學科的綜合性技術，其理論基礎是相似性，核心是成組工藝。成組工藝與計算機技術、數控技術、相似論、方法論、系統論等相結合，就形成了成組技術，在現階段更有計算機輔助成組技術的特色。

成組工藝是把尺寸、形狀、工藝相近似的零件組成一個個零件族，按零件族制定工藝進行生產製造，這樣就擴大了批量，減少了品種，便於採用高效率的生產方式，從而提高了勞動生產率，為多品種、小批量生產提高經濟效益開闢了一條途徑。

零件在幾何形狀、尺寸、功能要素、精度、材料等方面的相似性為基本相似性。以基本相似性為基礎，在製造、裝配的生產、經營、管理等方面所導出的相似性，稱為二次相似性或派生相似性。因此，二次相似性是基本相似性的發展，具有重要的理論意義和實用價值。

成組工藝的基本原理表明，零件的相似性是實現成組工藝的基本條件。成組技術就是揭示和利用基本相似性和二次相似性，是工業企業得到統一的數據和信息，獲得經濟效益，並為建立集成信息系統打下基礎。

零件信息描述

輸入零件信息是進行計算機輔助工藝過程設計的第一步，零件信息描述是計算機輔助工藝過程設計的關鍵，其技術難度大、工作量大，是影響整個工藝設計效率的重要因素。

零件信息描述的準確性、科學性和完整性將直接影響所設計的工藝過程的質量、可靠性和效率。因此，對零件的信息描述應滿足以下要求：

（1）信息描述要準確、完整。所謂完整是指要能夠滿足在進行計算機輔助工藝過程設計時的需要，而不是要描述全部信息；

（2）信息描述要易於被計算機接受和處理，界面友好，使用方便，工效高；

（3）信息描述要易於被工程技術人員理解和掌握，便於被操作人員運用；

（4）由於是計算機輔助工藝過程設計，信息描述系統（模塊或軟體）應考慮計算機輔助設計、計算機輔助製造、計算機輔助檢測等多方面的要求，以便能夠信息共享。

1、粗加工刀軌生成方法

（1）等距切削

等距切削: 根據預先設定的加工余量，計算零件的等距面，然後在等距面上規劃刀具軌跡。一般採用球頭刀進行行切加工刀位計算。球頭刀的切削性能較差。

（2）分層切削

分層切削: 先用一組垂直於刀具旋轉軸的平面與零件面和毛坯體求交，將求出的交線構造成封閉的二維輪廓，然後採用平面型腔的加工方式計算出每一層刀具軌跡。一般採用平底立銑刀進行加工。分層切削組環常常失敗，主要因為模型的曲面間常有縫隙或相互重疊，且不能處理島中島的情況，使粗加工不徹底。

（3）截麵線法

（4）八叉樹法

八叉樹法: 毛坯中要切除的實體部分用八叉樹表示。在零件面和八叉樹節點相交的部分繼續做八叉樹細分，直至達到一定的表示誤差。八叉樹法需要複雜的布爾運算，計算速度和計算的數值穩定性要求較高。

（5）鑽削方法

2、精加工刀軌生成演演算法

APT法/導動面加工: 最早APT工具提出並開始使用的方法。將被加工表面定義為零件面PS、導動面DS、檢查面CS。在空間曲面的數控編程中採用行切法，讓刀具騎在零件面上，刀具的迴轉中心線沿著或平行於導動面移動，與此同時刀具的底端沿著刀具接觸點滑動至刀具外母線接觸到檢查面，並計算出刀具在每一接觸點上的刀位點即完成一行切削的數控編程。

（1）截麵線法: 用截面截出一系列交線，刀具與加工表面的刀觸點沿這些交線運動，完成對曲面的加工。由於曲面與曲面求交比較困難，常選擇平面作為截面，此時稱為截平面法。

採用基於原曲面的截平面法時，刀位點一般不在同一截平面內；此時刀具沿截面與加工表面的交線運動一般為三軸聯動。

採用基於等距面的截平面法時，刀位點在同一截平面內，此時刀具沿截面與加工表面的等距面的交線運動是二軸聯動。

（2）離散曲面法: 將複雜的曲面模型離散成簡單的多邊形網格如三角面片等，然後用曲面的離散形式代替原曲面進行刀位計算。

1）離散的三角曲面：可以直接運用等距面截麵線法。

2）離散的平面三角形：可以採用平行截面法（G0連續的，無法採用等距面截面法）

優點：不管原始曲面怎樣複雜，都可以用單一的演演算法生成刀位文件。計算過程可靠，穩定。

（3）等殘留高度法

在已知一條軌跡線時，通過迭代演演算法求出另一條軌跡線，使得兩條軌跡線間的殘留高度相等。等殘留高度法生成的軌跡線既不是等參數線，也不是等截麵線，在參數空間和實空間可能都不均勻，但加工后的殘留高度是均勻的，也就是粗糙度是均勻的。

型腔加工的刀軌生成方法 : 型腔的加工方式主要有兩種：即行切法（zig-zag）和環切法（spiral）。其中環切法在加工效率和加工質量方面都明顯優於行切法。

（4）行切法: 行切演演算法類似於平面多連通域的剖麵線演演算法，或多邊形填充演演算法。分為裁減面行切和非裁減面行切兩種走刀方式。

首先用一組平行線與構成腔槽的一組環求交，並將同一條直線上的交點排序。將有效域內的交線記錄下來。再按一定方式輸出刀位軌跡。

（5）環切演演算法

環切演演算法大體上分為兩種類型：基於Voronoi圖方式和基於分段求交方式。

1）基於Voronoi圖方式的演演算法：首先作腔槽邊界各相鄰邊夾角的平分線。遇到凹角時插入一小段圓弧，作小圓弧段與相鄰直線段夾角的平分線。然後角平分線兩兩求交，找出兩條交線上離所屬邊界有相同參數值的交點，在該交點處添加該兩相交線的角平分線。重複以上過程，直到分割完畢。再從最後的角平分線交點開始，沿它所屬的邊界走等距線，每進入一個區域，就跟蹤該區域的所屬邊界，直到繞邊界一周。然後偏移一個行距，重複執行，直到刀具離腔槽邊界的距離等於給定的加工余量為止。

2) 將構成腔槽的外邊界向內偏置，將島嶼輪廓向外偏置，通過分段求交，消除干涉后，生成無干涉的刀位軌跡。環切加工軌跡可視為由型腔邊界的一系列等距線組成。邊界在等距後會出現斷開和自相交等現象，對斷開的情況可通過加入一段圓弧來解決，而對自相交點則須分離出干涉部分和非干涉部分。

（6）內外環干涉

外環偏置后，產生自交，即外環產生自干涉；

內環偏置后，產生自交，即內環產生自干涉；

內環偏置后，內環與內環互交，即內環與內環之間產生互干涉；

內、外環偏置后，內環與外環互交，即內環與外環產生互干涉。

1、數控加工中的基本干涉基本類型：

刀具的切削刃與工件表面的干涉，即局部刀具過切干涉。

刀具的非切削刃與工件表面的干涉，如刀桿、夾具、工件間的碰撞，又叫全局刀具干涉。

局部刀具過切干涉

局部刀具過切干涉常出現在刀具半徑大於凹面的曲率半徑和複合面交接處的加工中。當發現過切時，需調整刀 位數據或選用合適的刀具半徑。

（1）離散法

將複雜的曲面模型離散成簡單的三角面片，把消除干涉過程中的刀具與曲面關係的判斷問題簡化成刀具與三角面片關係的判斷問題。

一種方法是干涉檢測在刀具與三角面片集合之間分三種情況進行：1）刀具接觸三角面片的頂點上；2）刀具接觸三角面片的邊上；3）刀具接觸三角面片的面上。

另一種方法是將被加工曲面和刀具分別離散成兩組三角面片，通過判斷兩組三角面片是否相交以及對相交三角面片的幾何求交計算來檢測被加工曲面是否與刀具發生干涉。

基於矢量求交長度的干涉檢測方法

首先計算曲面的法矢量，用刀具運動包絡面與法矢量求交，將法矢量進入包絡面的部分裁剪掉，檢查裁剪后剩餘的法矢量的長度，當剩餘的法矢長度為負值時，則說明發生了干涉。

避免局部干涉的曲面遞歸分割法

假設刀具位於曲面上方的某個無干涉的初始位置，想象刀具向下運動直到與待加工曲面剛好接觸為止，接觸點即為所求的刀觸點，用這個刀觸點偏置得到的刀位點一定不會與曲面發生過切干涉。具體做法是分割待加工曲面，把問題轉化為求刀具沿給定方向運動直到和有界小三角面片相接觸時的接觸點，在曲面遞歸分割時採用若干準則進行粗判，用深度優先原則並優化進棧次序迅速達到要求的精度，求出真實的刀觸點。

（2）桶式策略

工件表面進行離散採樣，然後計算採樣點與刀具軸線的距離，如果該距離小於刀具半徑且位於刀上下兩端面間，則判斷為發生碰撞。

一種改善檢查效率的方法是建立可能與刀具發生碰撞的空間區域的包含幾何體，通過檢查刀具與包含幾何體是否相交來判斷碰撞的發生與否

（3）投影法——曲面遞歸分割

對於給定加工點或者包含給定加工點的局部區域，沿著刀具軸線方向觀察，如果該點或該區域是可見的，則刀具可以無碰撞地接近該區域。這種方法能較好地處理三軸加工中的全局干涉問題。

（4）矢量求交

兩階段法

先依據長方體包容盒凸包法粗檢現行的刀具方向與長方體凸包之間是否存在干涉, 若沒有, 則該刀具方向是可行的；若存在, 則需通過進一步的詳細檢測法來判斷該曲面與現行的刀具方向之間是否真正存在全局刀具干涉。

干涉的處理

當檢測到碰撞發生時，需對刀具姿態進行調整。這時需綜合考慮過切、機床工作空間限制與碰撞問題，防止在調整刀具姿態時發生過切和機床各軸運動超限。通常在刀具軌跡生成之後、實際加工之前對全局干涉進行檢測，檢測的策略是通過窮舉法搜索干涉點，進行處理。

2、加工模擬技術

數控加工模擬利用計算機來模擬實際的加工過程，是驗證數控加工程序的可靠性和預測切削過程的有力工具，以減少工件的試切，提高生產效率。

直接實體造型法

基於圖像空間的方法

離散矢量求交法

3、幾何模擬技術

幾何模擬技術的發展是隨著幾何建模技術的發展而發展的，包括定性圖形顯示和定量干涉驗證兩方面。目前常用的方法有直接實體造型法，基於圖像空間的方法和離散矢量求交法。

4、直接實體造型法

工件體與刀具運動所形成的包絡體進行實體布爾差運算，工件體的三維模型隨著切削過程被不斷更新。

用基於實體造型的方法實現連續更新的毛坯的實時可視化，耗時太長，於是一些基於觀察的方法被提出來。

CAM已廣泛應用於飛機、汽車、機械製造業、家用電器和電子產品製造業。主要應用領域包括：

1、機械產品的零件加工（切削、衝壓、鑄造、焊接、測量等）、部件組裝、整機裝配、驗收、包裝入庫、自動倉庫控制和管理。在金屬切削加工中，計算機內預先建立有基本切削條件方程，根據測量系統測得的參數和機床工作狀況，調整進給率、切削力、切削速度、切削操作順序和冷卻液流量，在保證零件 表面光潔度和加工精度的條件下，使加工效率、刀具磨損和能源消耗達到最優。

2、電子產品的元件器件老煉、測試、篩 選，元件器件自動插入印製電路板，波峰焊接，裝置板、機箱布線的自動繞接，部件、整件和整機的自動測試。

3、各種機電產品的成品檢驗、質量控制，能完成人工方法不能完成的複雜產品（如飛機發動機、超大規模集成電路、電子計算機等）的大量測試工作。

隨著計算機技術、圖形學和造型技術、控制技術、數控系統的發展，CAM技術正向集成化、可視化、智能化、自動化方向發展。

集成化：基於實體、特徵；目標CIMS

可視化：加工模擬，包括NC碼

智能化：專家系統

自動化：成組/基於特徵的CAM；優化技術：刀具軌跡和加工控制參數

計算機輔助製造CAM軟體在數控加工中的應用

計算機輔助製造CAM軟體在數控加工中的應用隨著科學技術的不斷進步，計算機輔助製造(CAM)軟體在數控加工中得到越來越廣泛的應用。數控加工中，CAM軟體的性能將直接影響零件的加工作業、加工質量和生產效率，因此CAM軟體的選擇是數控加工中的一項非常重要的工作，要慎重進行。常見的CAM軟體較多，如Pro/ENGINEER(Pro/E), Uni-graphics(UG), MasterCAM等等。選用這些軟體要遵循的基本原則應當是根據需求選用適宜軟體。一般情況下，首先結合企業現有產品及產品的發展方向，明確數控加工現階段要解決什麼問題，結合未來的發展將要遇到並需解決什麼問題，然後分析所選CAM軟體功能特點，看其如何解決以上問題，能否滿足生產需求。具體來說，要在深入分析零件的特徵、加工的工藝決策、生成的刀具軌跡信息文件，以及對後置處理生成的數控加工代碼的要求等等的基礎上，對比現有不同軟體的性能特點，選擇最合適的CAM軟體。

一、CAM軟體基本功能分析

CAM軟體最基本的功能是前置處理和後置處理功能。 前置處理 系統的數據輸入介面在對一個零件進行數控編程前，必須首先獲得零件的模型信息。許多CAM軟體自身具備CAM造型系統，可直接進行零件造型設計，設計完成後再進行工藝設計，直至數控編程。但在大部分情況下，造型設計工程師和加工設計工程師採用的可能是不同的CAM軟體，需要CAM軟體可以讀取其他CAM軟體完成的設計結果，這就要求CAM軟體的數據輸入介面應該能夠正確讀取多種常用CAM軟體的輸出數據。大多數CAM軟體能提供多種格式的數據輸入介面，比如IGES,DXF,STL,SAT等通用介面，有的還具有針對一些著名的CAM軟體如 Pro/E,UG,CAYIA的專門介面。但不同的CAM軟體所“專長“的數據格式不同，支持的程度也有所差異，因此最好選用幾個有代表性的零件，對 CAM軟體支持的數據格式做實驗，檢查其是否能正確讀取數據信息。

二、加工支持的走刀方式及其他工藝適應性

加工質量與CAM軟體對加工工藝的支持密切相關，比如走刀方式跟加工表面質量就有很大的關係。銑削加工中，單純的直線往複走刀行切，在加工平面輪廓時表面質量還可以，但是加工曲面齒廓、則需要沿輪廓線進行環形走刀行切才可以達到較高的表面質量。因此對於不同零件或同一個零件的不同部位，不同輪廓形狀處，需要不同的走刀方式。除了走刀方式之外，還要注意到軟體是否提供過切保護，刀桿的干涉檢查，甚至是加工過程的模擬模擬表現形式等輔助功能。 後置處理後置處理是數控加工中的一個重要環節，主要任務是把CAM軟體前置處理生成的刀軌和工參信息文件，轉換成特定機床控制器可接受的特定格式的數控代碼文件 ——NC程序。刀軌文件不能直接驅動機床，因為不同機床控制對程序格式和指令都有不同要求。不同機床，即使加工相同，代碼及格式也不盡相同。只有結合特定機床要求的格式，生成該機床能夠識別的NC程序，才能驅動機床，這就要求CAM軟體能夠提供多種不同機床的後置處理，要有用戶化後置處理功能，以便用戶能直接編輯、修改已有的后處理文件。後置處理后，需要將得到的數控代碼傳輸到數控機床引導機床進行加工，過去常採用RS232介面進行數據傳輸，需要專門的軟體支持，現在許多CAM軟體本身就具有該數據傳輸功能。