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附件6CAD/CAM曲面造型探究性报告CAD、CAM、曲面造型与数控机床CAD即计算机辅助设计(CAD-ComputerAidedDesign)，是一门利用计算机及其图形设备帮助设计人员进行设计工作的科学。CAM则是计算机辅助制造（ComputerAidedManufacturing），其核心是在于计算机数值控制，是将计算机应用于制造生产过程的过程或系统。曲面建模是通过对物体的各个表面或曲面进行描述而构成曲面的一种建模方法。利用点构成线，多个首尾相接的线之间构成闭合区域，即构成线框模型。通过线框模型构成某一个固定、确认的表面。将复杂的表面先分解为数个相互关联、可用基本元素实现的简单曲面或者平面，再通过一定方式将基本元素平面/曲面拼接为一体，构成最后所需的曲面。数控机床是数字控制机床（Computernumericalcontrolmachinetools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。CAD/CAM曲面造型，是利用计算机辅助设计、制造，从而较为精确地获得所需的曲面，从而构建立体模型。在计算机的辅助下，通过预设的算法，可以获得构建曲面的算法。通过CAD/CAM曲面造型设计，以及不同工种的加工方式和加工要求等，可以编写出数字控制的代码（如数字车床使用的G代码、M代码，线切割的3B程序指令等，我们这次课程中使用的数字铣床实际是使用的G代码编程），便捷地通过相应计算机算法自动设计刀具的运行路径。在代码程序的编撰下，通过机械运动为媒介，可以实现从刀库中自动换刀和自动转换工作位置，亦能连续完成锐、钻、饺、攻丝等多道工序。传统工业上，需要通过人工进行的换刀、切割等多种复杂的加工工序，都可以通过程序指令控制运作的，只要改变程序指令就可改变加工过程，这使得数字控制加工工艺在加工过程中具有极大的灵活性，亦即工业界所说“柔性”。另一方面，CAD/CAM曲面造型结合数控机床，有效地减小了操纵人员的工作量，并极大程度上消除了由于人为控制而难以避免的误差引入，大大提升了加工精度。数控机床的优点在于数字控制的精确性，将人从机械工作中解放了出来。总结而言，数控机床相对于普通机床具有一下特点：1．加工精度高，加工质量稳定。数控机床的加工精度一般可达0.05—0.1mm，数控机床是按数字信号形式控制的，数控装置每输出一脉冲信号，则机床移动部件移动一具脉冲当量（一般为0.001mm），而且机床进给传动链的反向间隙与丝杆螺距平均误差可由数控装置进行曲补偿，因而数控机床定位精度比较高。加工同一批零件，在同一机床，在相同加工条件下，使用相同刀具和加工程序，刀具的走刀轨迹完全相同，零件的一致性好，质量稳定。而普通机床由人工控制，难以保证每次刀具路径完全相同，误差往往更大，相同产品也会更为不同。2．柔性加工，可操作性高在数控机床上加工零件，均取决于加工程序。加工零件改变时，一般只需要小幅度更改数控程序，可节省生产准备时间。与普通机床不同，数控机床不必制造，也更换许多模具、夹具，不需要经常重新调整机床。因此，数控机床适用于所加工的零件频繁更换的场合，亦即适合单件，小批量产品的生产及新产品的开发，从而缩短了生产准备周期，节省了大量工艺装备的费用。对于零件的微小偏差，往往可以通过对坐标轴的平移、转换来进行便捷的改动。3．生产效率高数控机床可有效地减少零件的加工时间和辅助时间，数控机床的主轴声速和进给量的范围大，允许机床进行大切削量的强力切削。数控机床正进入高速加工时代，数控机床移动部件的快速移动和定位及高速切削加工，极大地提高了生产率。另外，与加工中心的刀库配合使用，可实现在一台机床上进行多道工序的连续加工，减少了半成品的工序间周转时间，提高了生产率。对于大批量的同一工件，只要编好程序，便可以保证精度、保证生产速度的产出。4．提前仿真，提前修改数控机床在加工前，结合CAD/CAM技术，可利用计算机算法将加工结果仿真出，从而对于加工结果能提前把握。并可以根据仿真结果进行修改。而传统工种无法仿真，必须依靠工人的经验和个人的能力，计算、甚至推测加工的结果以及在加工过程中可能出现的困难。从而大大减小了试样所需的时间、材料。5．改善劳动条件数控机床一方面减轻了工人工作强度，另一方面数控机床可将加工工件与工人隔离，减少了工件加工过程中潜在的安全问题。由于数控机床加工前是经调整好后，输入程序并启动，机床就能有自动连续地进行加工，直至加工结束。操作者要做的只是程序的输入、编辑、零件装卸、刀具准备、加工状态的观测、零件的检验等工作，劳动强度大降低，机床操作者的劳动趋于监控、管理工作。而如果从结构上来讲，数控车床相对于普通车床，具有以下几个特殊的组成部分。即数控系统，伺服系统，防护隔离门，自动对刀、自动排屑等辅助设备。在计算机辅助下进行设计与传统的以人为核心的设计明显不同。根据产品开发计划和对产品功能的要求，不再仅仅是依靠设计者个人的知识和能力去设计，而是运用包括设计者本人和存储在计算机中的多种知识，在CAD系统和数据库的支持下进行工作。这种工作方式设计出的产品大大优于单个设计师凭个人脑力和能力设计出的产品；另外，CAD输出的结果也不仅仅是装配图和零件图，还包括设计、制造过程中应用计算机所需的各种信息。现在，曲面建模已经用于各种不同的领域。在医疗行业使用它们制作器官的精确模型；电影行业将它们用于活动的人物、物体以及现实电影；视频游戏产业将它们作为计算机与视频游戏中的资源；在科学领域将它们作为化合物的精确模型；建筑业将它们用来展示提议的建筑物或者风景表现；工程界将它们用于设计新设备、交通工具、结构以及其它应用领域；在最近几十年，地球科学领域开始构建三维地质模型。在最近几十年，地球科学领域开始构建三维地质模型。利用CAD/CAM曲面造型技术构成曲面零件，基于CAD/CAM技术的数控加工原理、加工过程，以及加工技术关键问题。利用CAD/CAM曲面造型的技术，构成曲面零件，基本的思路是将与构成的曲面零件转化为多个基本曲面所包络而成的立体结构，通过对于基本曲面的外形，利用直线/曲线构成闭合线框。实际在制作过程中，则是反其道而行之。首先利用线段、曲线段构成闭合线框，在利用多个曲线段构成曲面，最后构成实体。对于形状比较规则的立体图形可以利用拉伸、切除命令组合形成。对于形状较为不规则，难以用立方体、圆柱、圆锥、球等基本规则立体图形来表示的立体形状，则可利用样条曲线来进行构造。在CAD/CAM造型过程中，需要根据情况选择不同的刀口。例如，在进行立体切割时，我们选取的是1mm的球形刀，自然与在平面切割时选择的10-0.3的锥度平底刀有着迥异的切割效果。一般情况下，数控车床的刀具选择是在数控编程的人机交互状态下进行的。应根据机床的加工能力、工件材料的性能、加工工序、切削用量以及其它相关因素正确选用刀具及刀柄。刀具选择总的原则是：安装调整方便，刚性好，耐用度和精度高。在满足加工要求的前提下，尽量选择较短的刀柄，以提高刀具加工的刚性。选取刀具时，要使刀具的尺寸与被加工工件的表面尺寸相适应。在进行自由曲面加工时，由于球头刀具的端部切削速度为零，因此，为保证加工精度，切削行距一般取得很能密，故球头常用于曲面的精加工。而平头刀具在表面加工质量和切削效率方面都优于球头刀。另外，我们这次CAD/CAM课程中，在对钥匙扣的三维部分切割时，我们选择将刀具下刀的路径角度改为90度。以第一刀的粗切割为例。使得最后的加工时的走刀路径为：呈现竖直走刀（图一），而非横向走刀。图一：竖直的走刀路径图二：横向的走刀路径图三：竖直走刀的结果模拟图四：横向走刀的结果模拟路径角度改为90度后实际结果如图三，而横向走刀结果的模拟为图四所示。由仿真结果可以看出，竖直方向走刀的效果远胜于横向走刀的效果。这与设计三维造型的特性有关。对于我设计的图形，其中存在大量竖直平面、曲面，从而选择90度的路径角度进行切割更有利于切割出完整、形状良好的立体曲面、平面。另一方面Y轴方向为该立体造型的最大长度方向，选取该方向可以较大程度上减少方向转变次数，有利于加工速度和表面精度。当曲面结构较为简单，且弧度方向平行于某个坐标轴，可分别采用0度和90度走刀，即刀路路径的路径方向平行于曲面的弧度方向（如同上面实例的立体造型主要是以Y轴为基准，是以在进行切割时，选择90度方向）；而对于更为复杂的表面，需要根据情况选择合适的路径角度，如采用折衷的-45度，这样可以在保证效率的前提下使加工面尽可能的达到表面质量。数控车床和CAD/CAM技术的诞生和发展，从很大程度上改变了传统工业的进程。在计算机辅助下进行设计改变了传统的以人为核心的设计过于依靠设计者本人的知识和能力、精度难以保证等诸多弊端。这也是现代工业界与传统工业界变化的小小缩影。随着电子电路技术和控制理论的发展，也随着机械工业的进步，新的、更为便捷的机械如雨后春笋充满了蓬勃生机。而这些包含了前人知识与经验的机械，则为制造业注入新的活力，促进精度更高、表面粗糙度更好等性能更优的产品的产生。而这些质量更为优良的产品，则成为新技术、新理论实现的基石。如此步入良性循环，蓬勃发展。