摘要：研究開發了一套適合于二維機械零件的CAD/CAM系統。該系統包括：計算機輔助設計、自動生成NC刀具加工路徑、優化加工路徑、NC加工工藝的計算機輔助設計、零件NC加工程序的自動生成等內容。
1　基于AutoCAD平臺的CAD/CAM系統的設想 　　
　　從八十年代以來，AutoCAD成了我國應用最廣的CAD軟件。就世界范圍而言AutoCAD也不失為一種應用最廣的CAD軟件。若能在AutoCAD 平臺上開發出具有CAD/CAM功能的軟件，對CAD/CAM技術的推廣應用、對企業采用先進的制造技術，將起到積極的推動和促進作用。正是基于這樣的思想指導下，我們開始了本項目的研究，并得到了云南省科應用基礎研究基金、云南省教委基礎應用研究基金的資助。 　　
　　一般機械設備中適合數控加工的零件，有相當一部分是二維機械零件。因此我們把研究的定位點選在研究開發一套具有一定普遍意義的二維機械零件的CAD/CAM系統上。AutoCAD具有很強的二維零件的計算機輔助設計功能。AutoCAD本身帶有Aut`oLISP用戶開發工具，R11.0以后的版本還支持用C語言來開發，這為在原CAD 的基礎上增加CAM的功能提供了很好的條件。為了使研究的系統具有廣泛的應用性，我們決定使用AutoLISP作為開發工具，這樣在R10.0及以后的 AutoCAD版本上都可以使用。 　　
2　設計方案 　　
2.1　NC加工刀具運動軌跡的生成 　　
　　當完成了零件的計算機輔助設計后，本研究開發了加工刀具運動軌跡自動優化設計[1]的功能模塊。其步驟為：　　
　　（1）選擇工件加工時的基準點（相對零點）； 　　
　　（2）選擇一道工序所要加工的輪廓或加工表面； 　　
　　（3）選擇加工方式，若為鉆削加工則轉到（4）、若為沿輪廓切削加工則轉到（5）； 　　
　　（4）用窗方式或直接方式選擇要鉆削的孔，并自動檢驗本道工序中孔的尺寸是否一致，若不一致將自動報警；完成該項工作后轉到（13）； 　　
　　（5）選擇切削刀具尺寸（指刀具實際尺寸）； 　　
　　（6）若是輪廓切削則轉到（7），若是輪廓包圍面的切削則轉到（9）； 　　
　　(7)選擇需要切削加工的面； 　　
　　(8)若是圓輪廓，初始切入距離不為零，則自動從切向切入；若是非圓輪廓，可任選切入距離和切入方向，轉到（13）； 　　
　　(9)需要切削輪廓面內有保留物體則轉到（11）； 　　
　　（10）可選用平行線軌跡方式加工、或按輪廓形狀切削的方式加工、或用復合方式加工，以達到加工面的完全加工。各刀具運動軌跡按優化方法設計[2],轉到（13）； 　　
　　（11）按輪廓形狀切削方式沿輪廓面內保留物體設計生成加工刀具的運動軌跡； 　　
　　（12）各刀具運動軌跡按優化方法設計[2]; 　　
　　（13）若還有下一道工序加工的面，則返回（2）； 　　
　　（14）完成NC加工刀具的軌跡生成設計，產生相應的圖形交換文件供生成NC程序時調用。
2.2　NC加工的CAPP 　　
　　在自動生成加工的NC程序前，必須進行NC加工的計算機輔助工藝設計，確定每一道工序加工中所必須的加工工藝參數。
    該功能模塊利用計算機對需要加工的各個輪廓進行加工工藝設計，最后生成相應的CAM加工工藝文件，供生成NC加工程序時調用。 　　
　　這里CAPP中的設計參數主要有：主軸轉速（spindle speed）、切削深度（cut down to）、進給量（feedrate）、加工方式（鉆削加工或沿輪廓切削加工）、循環切削次數（cycle count）、刀具的選擇（tool）等七個主要工藝參數。 　　
　　本功能模塊對于NC加工的CAPP設計，提供了命令行提示交互式設計方案、圖標菜單式設計方式、以及使用于AutoCADR12以后版本的對話框式設計方式。 　　
　　本功能模塊設計特點是：①在AutoCAD的環境下就可以進入NC加工工藝的設計，使CAD及CAPP一次完成；②在工藝設計的過程中，可以觀察到相應實物的工程圖，做到所見到的就是所要設計的；③圖標菜單及動態顯示技術的運用，使設計圖文并茂，容易掌握、容易操作；④對話框及缺省值的合理處理，加快了設計速度，減少了重復設計的時間。在完成CAPP后，將自動生成相應的CAM加工工藝文件。 　　
　　2.3　NC程序的生成NC程序的生成模塊主要根據刀具運動軌跡的標準圖形交換文件，以及CAM加工工藝文件，按照符合ISO標準的NC系統，自動生成通用的NC加工程序。其中每一道工序加工的輪廓放在不同的圖層上，對應于相應的一段CAM工藝文件。本功能模塊的工作步驟為： 　　
　　（1）首先根據設定的路徑（path）找到存放刀具運動軌跡的標準圖形交換文件及相應的CAM加工工藝文件； 　　
　　（2）在程序規定的圖層上找到相對零點，以進行相對坐標的轉換； 　　
　　（3）根據圖形基礎層（base layer）找到存放刀具運動軌跡的圖層； 　　
　　（4）根據設定的起點找到加工的起始點； 　　
　　（5）若下一個端點無實體連接，則轉到(8); 　　
　 　(6)根據需要加工的實體，參照加工字典，查找出加工的類型； 　　
　　（7）建立或修改NC文件； 　　
　　 (8)檢查下一個端點有無實體連接，有則轉到(5); 　　
　　 (9)若是循環切削，則重復（N次）進行（6）、（7）、（8）項工作（N=循環切削次數）；　　
　　（10)檢查有無下一個存放刀具運動軌跡的圖層，有則轉到（4）；　　
　　（11）記錄日期、換刀位置等工藝參數； 　　
　　（12）自動生成NC加工程序，送數控設備加工。 　　
　　該功能模塊還具有以下一些重要的功能：每進行一道工序加工時，刀具將快速地移動到設定的加工起點，以節約加工輔助時間；循環切削次數(cycle count)為N,則可以使設定的總切削深度平均分為N次進行；每一道工序都對應于不同的一組加工工藝參數，使加工靈活，粗精分開，適應能力強。
2.4　設計方案特點 　　
　　①當用戶完成了CAD設計后，不退出CAD設計環境就可以進行CAM設計。②設計時使用了文字提示、圖形提示以及報警提示等，例如：在進行每一步設計前，系統都會提示用戶如何進行下一步操作、如何進行必要參數的輸入。
③在進行鉆削設計時，當孔徑不一致，系統就會中斷工作，并向用戶報警，以避免加工廢品的出現。④在進行輪廓切削時，計算機能自動檢查輪廓曲線是否連續。若不連續，將無法進行NC加工的設計，系統將用文字、聲音提醒用戶設計輪廓曲線中有斷點，并在斷點處用高亮圖形加以顯示，以便用戶修改或重新設計。⑤本系統能自動對刀具運動軌跡的設計進行優化處理，以保證加工質量、提高加工效率、降低加工成本。⑥若用戶對所設計的刀具運動軌跡不滿意，系統允許用戶作實時修改，直到滿意為止。⑦本系統操作簡單、使用方便，用戶只要具備有關AutoCAD的基礎知識，不需要專門培訓，就可以操作使用。⑧設計中提出并采用了復合刀具運動軌跡方式[2],即沿輪廓形狀軌跡的加工與平行軌跡加工的優化有機結合。關于這方面的問題，在許多商品CAD/CAM軟件中也沒有得到足夠的重視。 　　
3　設計實例 　　
　　本研究以SABRE1000加工中心為對象，成功地按SABRE1000加工中心的格式要求，進行了二維機械零件的CAD/CAM設計。所生成的NC加工代碼比某些商品CAD/CAM軟件精練。因為有的商品CAD/CAM軟件為了使問題簡化，只能用直線線段來逼近實體，使得生成的NC加工代碼冗長，既增加了加工時間，又不宜保證加工質量。在應用實例中我們對一個適合數控加工的典型零件進行了CAD/CAM設計，用本系統只需要12條NC加工語句，而用某幾十萬元的商品CAD/CAM軟件生成的NC加工語句達163條。 　　
4　結論 　　
　　本 CAD/CAM系統成功地在AutoCAD的基礎上開發完成，所以凡是用AutoCAD設計的零件、或者符合AutoCAD的圖形轉換標準的零件，都可以使用本系統完成CAD/CAM設計。本系統硬件環境要求低，只要能運行AutoCADR10就能啟動使用該CAD/CAM系統。當然本系統經過進一步的研究，在CAPP中，若把缺省值用專家系統提供的數據來代替，就可以形成一定智能化的NC加工CAPP設計，使系統進一步完善。