钣金CAD/CAPP/CAM系统及其集成技术

　　钣金零件的设计和加工具有其自身的结构、材料和工艺特点。我所的钣金零件由于品种多、生产批量小，以往采用的是传统设计与加工手段，结果导致设计工作量大、重复劳动多、加工周期长、成本高，不能适应电子设备日益发展的需要。为了改变这种状况，我所于1996年从日本天田公司引进了一套钣金加工中心，该加工中心由CNC数控转塔式多工位冲床、数控液压式折弯机和数控液压式剪板机三台设备组成，另外还引进了数控支持软件AMPUNCH-3D/UNFOLD和2D各1套。随着CAD/CAM技术的应用和钣金加工中心的引进，实现以数控机床为基础，以计算机应用技术为手段，系统地应用和集成各项技术以达到最有效地利用资源，已成为目前我所钣金零件设计加工过程中较为急需的课题。在钣金零件CAD中如何考虑制造工艺？如何正确地配置和使用钣金CAD/CAPP/CAM系统？如何将设计、工艺与制造三者信息加以集成？如何使上述三者信息与企业管理集成？这是我们需探讨并要解决的问题。

　　本文结合我所钣金结构设计、工艺设计和加工的现状，以及在实施CAD/CAPP/CAM工作中积累的一些经验，探讨了钣金零件CAD/CAPP/CAM的系统组成、应用特点与集成技术。

　　1钣金CAD/CAPP/CAM的系统组成和应用特点

　　随着先进钣金加工中心的引进和计算机技术的发展，我所便面临着如何利用它们增加生产柔性和提高生产率的问题。当前专门面向钣金零件设计与加工的CAD/CAM软件有不少，从这些软件的功能和使用情况来看，通常能较好地满足钣金设计加工的要求，即能自动连接起从产品图设计到CNC程序生成的整个过程。

　　钣金零件CAD/CAPP/CAM系统组成框图如图1所示。

　　图1钣金零件CAD/CAPP/CAM系统组成框图

　　1.1钣金零件设计

　　钣金零件设计包括零件的三维设计、二维设计、图形编辑系统、CAD接口等几部分。

　　钣金零件的三维造型模块是针对钣金零件的特点专门设计供处理钣金零件造型用的模块，它根据钣金零件的几何特征(如尖角、圆角、上折弯、下折弯、圆孔、矩形孔、方孔、长圆孔等)进行钣金零件设计。用户可根据CAD系统提供的工具，方便、迅速地设计出所需要的零件图。在设计过程中，屏幕上同时绘出零件的立体图和各平面图，用户为了观察和修改零件的设计效果，可以将零件的立体图着色。在零件的三维模型中，包含了大量的工艺、设计及其它信息，如零件板材厚度、折弯圆角、折弯系数等。这些工艺参数确保了零件工艺展开的准确性。板材的结构设计与加工工艺和加工设备有关。在CAD过程中必须考虑加工的工艺参数，如最小模具直径、板材厚度、折弯半径、折弯系数等，并依靠折弯模拟确定设计是否可行。

　　钣金二维设计直接设计零件的三视图和平面展开图，平面展开图可以直接用于工艺设计、后续排样、G代码生成。三维设计模块与二维设计模块之间的双向箭头表示装配件与零件二维图之间的参数可经定义达到内在相关。二维图形的修改将导致三维设计自动更改，同样，三维设计的更改将和二维图形自动达到一致。

　　矩形件排样由于软件选择的多样性，选择的钣金CAD/CAPP/CAM系统应做到与其它的通用机械应用软件实现数据交换顺畅。我们可以将钣金CAD中的图形文件以DXF、IGES、PRT等格式读入，并转换为CAM所需的图形文件供Amada钣金加工中心使用，也可以将钣金CAD图形文件转换为DXF、IGES、MI等格式，供其它CAD、CAPP软件使用。

　　1.2钣金零件的平面展开

　　钣金零件的形状复杂，人工展开繁琐，易出错。依靠软件自动展开功能可以快速展开，只要输入所需的图形和工艺参数正确，展开图百分之百准确。当折弯系数或钣材厚度改变时，系统会自动地重新进行计算，得到新的展开图。展开图标注有各种孔的、折弯线与每个边的、孔的数量以及每个孔的几何坐标。

　　1.3钣金零件的多种排样

　　在钣金零件加工中，工艺人员必须研究解决钣材的最大利用、模具更换较少以及加工时间尽可能短等问题，要做到这点，合理地排样和优化刀具轨迹十分重要。

　　在优化排样方面，计算机比工艺人员手工排样的能力更强。排样时，钣金软件会自动地根据加工情况和机床参数迅速给出排样结果：排样图，包括排样零件个数、材料利用率和模具使用情况。排样软件模块可最大程度提高钣材利用率。如果生产作业计划安排合理，一些小的工件可放在其它大工件的孔中，进一步提高钣材利用率。为满足一些特殊的生产要求，用户可在自动排样上作修改编辑。目前我所钣金冲裁时多为单张图纸加工，备料时多采用下成单件或小料的工艺，加工时每次都要考虑机床的夹刀量，极大地影响了材料利用率，所以排样最好与生产作业计划相结合进行综合考虑。在综合考虑计划的前提下，数冲采用多种零件整板大料排样加工可最大限度地提高钣材利用率。

　　1.4G代码生成

　　零件展开图经排样后输入至CAM模块中，系统对刀位文件内的各种不同加工要求、刀位信息和机床特性信息处理生成数控机床能够接受的G代码。

　　为了检查在实际加工刀具与工件之间是否碰撞及有无错误的程序指令，避免刀具与机床损坏，采用加工模拟过程的方法对数控程序进行可靠性检验。若加工过程中还存在问题，则可在模拟图形演示中看到，并可对G代码进行修改，直到符合生产实际需要为止。

　　选中需要排样加工的零件，并设定各零件的数量及指定设备，根据材料规格对其进行自动化排样，并自动生成排样后的整张材料的G代码。对加工过程也可实行模拟，若模拟加工过程没有问题，则将G代码通过网络终端传输到机床CNC控制柜内，以备加工调用。

　　2钣金CAD/CAPP/CAM系统的集成

　　系统的集成就是实现系统（或模块）之间信息的及时交换、传递和共享。对于钣金零件加工行业，就是将零件的几何信息、工艺信息等有机地组织在一起，使CAD的数据能方便地传递给CAPP、CAM等后续模块。

　　人们在研究和建造计算机集成制造系统（CIMS）过程中，已经逐步认识到产品的生产过程实际上是数据信息的提取、传递及处理过程，因此实现CIMS下的CAD/CAPP/CAM集成问题，已被为CIMS的关键技术，但是，到目前为止，这一问题仍然未得到满意、有效的解决。

　　为实现信息在系统中的畅通传输和高效利用，需建立一个理想的集成系统，来协调CAD系统内部各模块之间以及整个产品寿命周期中每个阶段之间的信息常必要的。该系统应能反映零件寿命周期的整个过程，使数据信息以统一的形式存放起来，并加以归纳和管理；还应有良好的图形交互处理能力和可移植性能力；应能很好地满足产品设计和特征模型表达的要求。

　　为了实现系统与后续模块的集成，就必须根据产品的整个寿命周期中各阶段的不同需求来描述和表达产品，即从信息一致性的角度出发，构造零件的模型，使得各应用领域可以直接从该零件模型结构中读取所需的信息。钣金系统采取基于特征的参数化设计方法进行产品设计，为CAD/CAPP/CAM提供了完整的信息。

　　我所引进了钣金加工中心的冲、折、剪三大件，并随机引进了设备支持的面向CAM的AMPUNCH-3D和2D软件，而从我所设备制造部的工程技术部门来看，目前设计使用的软件主要有AutoCAD、Solid-Edge等，就此情况而言，要建立一套完善的CAD/CAPP/CAM系统缺少必要的条件。我所今年的技改投入表明，在引进全套专业钣金软件(主要包括CAD、CAE、CAPP和CAM等部分)后，这个问题将得到解决。

　　在建立钣金零件CAD/CAPP/CAM集成系统中，应重视信息集成和资源共享，即系统利用产品设计图纸信息可以转变为制造加工工艺和生产管理信息，也可以驱动产生NC加工指令，这样整个系统就能发挥最大效益。在整个系统中，CAPP是CAD与CAM的纽带，起到承上启下的作用。为实现CAD/CAPP的集成，必须为CAPP输入所需信息，钣金零件CAPP所需信息有：（1）总体信息，包括钣金零件的名称、编号、材料、毛坯类型等；（2）几何形状信息，包括零件各基本几何形体的表面特征、结构特征、零件尺寸及表面粗糙度、基本几何形体在零件中所处的及表面要素的主次关系等。基于特征的参数化设计系统是完全面向工艺设计的，可以满足CAPP对产品信息的需求。CAPP通过读取CAD系统中的形状特征信息以及制造加工信息，并以此为输入信息，进行逻辑推理，通过交互式设计工艺文件，从而达到CAD/CAPP集成的目的。CAPP/CAM集成的主要功能是将CAPP系统提供的工艺信息转换成加工信息，自动生成G代码后可以作模拟加工，模拟完毕后G代码通过NC控制系统传输至数控机床进行数控加工，从而实现CAPP/CAM信息集成。

　　从目前性价比高的国外钣金零件软件来看，CAPP部分尚不能满足我们的需求，它只能解决诸如零件的工艺展开、自动排样、G代码生成等问题，但不能生成指定车间作业的工艺过程卡片、工艺定额等工艺文件，目前国内有一些与国外钣金CAD/CAM软件较好集成的钣金CAPP软件，它基本上可以解决上述问题。

　　3结束语

　　钣金加工与其它金属切削加工相比有其自身的特点与复杂性，钣金设计加工软件与其它通用的机械软件也不尽相同，在钣金CAD/CAPP/CAM系统的设计中需注意以下几点：

　　（1）钣金CAD/CAPP/CAM软件应包含钣金零件的三维造型、二维造型、零件的工艺展开、多种排样、G代码自动生成、工艺文件生成等模块。

　　（2）在产品结构设计、工艺设计和制造过程中，应住处资源的共享。在工艺设计和加工时，零件图直接来自CAD结构设计，不需要重新计算和输入，可快速准确地生成G代码，不占机编程，并可减少废品，提高数控机床使用率。

　　（3）重视产品数据管理的作用，重视钣金加工过程中与车间生产作业计划的综合考虑。