工業(yè)4.0未來CAM軟件的智能化

中船重工西安東儀科工集團(tuán)有限公司 劉一博

奧奔麥貿(mào)易（上海）有限公司 李俊杰

工業(yè)4.0中，智能CAM是一個(gè)重要環(huán)節(jié)，將是無需人工參與，智能算法自動(dòng)優(yōu)選較佳策略，降低（甚至替代）人的重復(fù)勞動(dòng)，當(dāng)下的技術(shù)已經(jīng)可以窺到端倪。

智能CAM軟件流程

什么是智能編程（自動(dòng)編程）？簡單的定義就是：輸入零件數(shù)據(jù)模型、技術(shù)要求、備選機(jī)床型號、現(xiàn)場已有的其他制造資源信息（刀具、工裝），無需人工干預(yù)，或者很少的參與，就能自動(dòng)輸出工藝、機(jī)床可執(zhí)行的數(shù)控程序代碼。智能CAM如圖1所示。

更高級（無人工參與）的智能：輸入生產(chǎn)計(jì)劃，智能軟件（集成了智能CAM）在內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)導(dǎo)入數(shù)模，自動(dòng)制定生產(chǎn)作業(yè)安排，獲得主管（生產(chǎn)協(xié)調(diào)者）批準(zhǔn)后，生成的加工代碼自動(dòng)排隊(duì)上傳到制造資源（數(shù)控機(jī)床），制造資源的調(diào)配、變化反饋回去，實(shí)現(xiàn)三者的互動(dòng)、協(xié)調(diào)。集成化智能如圖2所示。

CAM軟件的處理模式

加工部分（C A M）是整個(gè)流程的核心，市場上流行的編程軟有Hypermill、SiemensNX、MasterCAM、WorkNC 及NREC等，它們分兩種模式：

（1）面向過程的編程模式。

（2）是面向?qū)ο蟮哪Ｊ健?/p>

實(shí)際軟件中，這兩者往往會(huì)融合在一起，彼此滲透，難以區(qū)分。

面向過程，SiemensNX軟件2D的線（輪廓）加工是個(gè)很明顯的例子，加工的路徑是按照選擇線的次序（或者逆向），嚴(yán)格按照你指定的過程生成刀路。

面向?qū)ο缶蛷?fù)雜很多，Hypermill五軸策略更接近面向?qū)ο蟮哪Ｊ剑瑤讉€(gè)參數(shù)調(diào)節(jié)刀軌，其他就交給軟件的智能算法去做。它把加工按照特征歸類細(xì)分，人的作用就是分析、選擇加工策略。

Hypermill有一類加工，叫特征加工，軟件可以自動(dòng)識別特征，并且給特征分類，如：平面、型腔、孔等等。做一個(gè)帶有特征的加工策略保存，設(shè)定好參數(shù)，其他的類似特征直接可以引用，是一種半自動(dòng)化的編程模式。

葉輪的模塊化加工，就是一個(gè)很典型的面向?qū)ο竽Ｊ剑x擇幾個(gè)特征、幾個(gè)參數(shù)，剩下交給軟件處理。

Hypermill、Siemens NX等主流軟件也獨(dú)立分類出葉輪加工策略，大大簡化了編程的難度（見圖3）。

未來CAM軟件的智能方向

圖 1

圖 2

軟件要實(shí)現(xiàn)智能化、自動(dòng)化編程，首先要識別零件里的各種特征，并且歸類。

細(xì)分特征，會(huì)使種類增加，有些會(huì)有重疊，同一個(gè)零件可能會(huì)有好幾個(gè)加工策略適用，這會(huì)增加軟件的復(fù)雜程度。

智能化CAM 軟件有兩個(gè)方向：

圖3 Hypermill葉輪策略特征集合

（1）大數(shù)據(jù)匹配策略，簡單說就是讓軟件搜索相似（相同）零件的歷史加工過程，復(fù)制（套用）到新的零件上。這個(gè)如同人學(xué)習(xí)參考其他人的加工過程。數(shù)據(jù)庫里存儲(chǔ)的是做過的零件加工模板，隨著不同編程人員把做過的零件加入大數(shù)據(jù)庫中，里面的歷史模板會(huì)迅速增加，一個(gè)零件做完整個(gè)流程之后，并且被認(rèn)可結(jié)果，那么就可以再加入數(shù)據(jù)庫中，如此它可以自動(dòng)完成升級與迭代。

技術(shù)上難度不大，現(xiàn)有的技術(shù)組合就可以實(shí)現(xiàn)，只是一個(gè)數(shù)據(jù)庫查詢、對比和識別問題，添加其中的數(shù)據(jù)（事例）要求符合某種規(guī)范、流程、格式（見圖4）。這時(shí)候，軟件側(cè)重的是查詢數(shù)據(jù)，對比數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的CAM軟件有差別了。這就需要引入新的功能 ，需要跨界到其他管理軟件領(lǐng)域里，進(jìn)行數(shù)據(jù)庫查詢。

從使用者的角度看，給軟件輸入的零件數(shù)模，自動(dòng)輸出的工藝過程與數(shù)控程序，這個(gè)過程會(huì)被認(rèn)為是個(gè)智能的CAM軟件。

大數(shù)據(jù)模式會(huì)抹平軟件之間的技術(shù)代溝，縮小彼此的差距，天生要求集中數(shù)據(jù)、統(tǒng)一格式。發(fā)展的極致是，只有最強(qiáng)大的一兩個(gè)軟件會(huì)存活，其他會(huì)自動(dòng)被淘汰。因?yàn)樯虡I(yè)利益、知識產(chǎn)權(quán)、競爭關(guān)系以及軍事保密等原因，大數(shù)據(jù)模式有難以逾越的壁壘。

（2）第二種趨勢是人工智能，如同人一樣的處理問題，并且自動(dòng)學(xué)習(xí)升級。google公司深度學(xué)習(xí)的阿爾法狗圍棋程序，就是這種類型人工智能，它可以深度學(xué)習(xí)，自我升級。

但是，制造是一個(gè)有創(chuàng)造性的過程，會(huì)出現(xiàn)全新的產(chǎn)品、方法和過程，這個(gè)過程需要非常有經(jīng)驗(yàn)人來完成，而人工智能目前卻不具有這些創(chuàng)造性，不會(huì)給出一個(gè)類似人得出的結(jié)果，還不太具備智能制造過程的要求。

（3）是算法的智能化（見圖5）。智能CAM軟件的一個(gè)目的是簡化編程編制，降低編程的勞動(dòng)量，把人的重復(fù)勞動(dòng)減至最低，大數(shù)據(jù)模式、人工智能這兩種途徑都有制約，那么有沒有其他（第三種）變通的途徑呢？或者是過渡階段呢？

目前可實(shí)現(xiàn)的模板CAM編程

答案是有，就是模板化過程，把結(jié)構(gòu)類似、特征相同的零件的過程做成模板（策略），只需簡單幾個(gè)參數(shù)，就可以完成復(fù)雜程序的編制。前面說的Siemens NX、Hypermill里面，面向?qū)ο螅~輪模塊就可以看成一個(gè)固定的模板。這只是特例，因?yàn)樗鼩w于一個(gè)非常明顯的特征里，各種葉輪只是大小不同、局部變化而已。但更多的零件特征不明顯，或者是很多特征的組合，就不適合做出模塊策略。

Hypermill目前開發(fā)出來一項(xiàng)新的技術(shù)，可自動(dòng)化快速編程，讓軟件自動(dòng)識別零件特征，建立好工藝庫、刀具庫，然后就可以自動(dòng)針對某一類零件自動(dòng)快速編程。切削參數(shù)自動(dòng)繼承工藝庫數(shù)據(jù)（見圖6）。

Hypermill具有以下特點(diǎn)：自動(dòng)生成工藝凸臺，特征的自動(dòng)（手動(dòng)）識別、分類，高效加工，基于過程毛坯的刀路計(jì)算，靈活的手動(dòng)干預(yù)。

按照規(guī)則，只需要點(diǎn)擊幾次鼠標(biāo)，就可以完成負(fù)責(zé)零件的加工刀路，這套過程可以看作一個(gè)加工策略流程（模板），是多個(gè)加工策略按照一定規(guī)則的排列組合，包括智能分析。

圖4 數(shù)據(jù)庫智能CAM的模式

圖5 人工智能化的CAM模式

圖 6

hyperMILL為巴西航空提供的自動(dòng)補(bǔ)塊方案，在選定的部位，自動(dòng)補(bǔ)上工藝臺（見圖7）。還為德國寶馬（BMW)提供了零件的自動(dòng)編程。

CPF自定義特征，以接頭、角盒類產(chǎn)品為例，非常適合自動(dòng)化快速編程，工藝員操作鼠標(biāo)的次數(shù)約為手動(dòng)編程的30%。且此類產(chǎn)品能非常好的繼承典型全工藝。

對于大型的框梁類結(jié)構(gòu)件，特別是形狀典型的同類產(chǎn)品，基于自動(dòng)化快速編程的方案，即使加上CPF所用的時(shí)間，出刀路的速度也是提高至少1倍。而隨著更加多的特征識別方法的開發(fā)，編程效率會(huì)成倍的提高。

目前只能做到有針對性的開發(fā)，有一定的局限性。

圖 7

結(jié)語

智能化CAM是必然方向，減少人為參與，或者降低軟件使用的復(fù)雜性，開發(fā)更好的算法，以及算法的組合，當(dāng)下技術(shù)能做到的是定制模板化流程，這也是未來的基礎(chǔ)支撐技術(shù)之一。□