工业4.0未来CAM软件的智能化

中船重工西安东仪科工集团有限公司 刘一博

奥奔麦贸易（上海）有限公司 李俊杰

工业4.0中，智能CAM是一个重要环节，将是无需人工参与，智能算法自动优选较佳策略，降低（甚至替代）人的重复劳动，当下的技术已经可以窥到端倪。

智能CAM软件流程

什么是智能编程（自动编程）？简单的定义就是：输入零件数据模型、技术要求、备选机床型号、现场已有的其他制造资源信息（刀具、工装），无需人工干预，或者很少的参与，就能自动输出工艺、机床可执行的数控程序代码。智能CAM如图1所示。

更高级（无人工参与）的智能：输入生产计划，智能软件（集成了智能CAM）在内部网络自动导入数模，自动制定生产作业安排，获得主管（生产协调者）批准后，生成的加工代码自动排队上传到制造资源（数控机床），制造资源的调配、变化反馈回去，实现三者的互动、协调。集成化智能如图2所示。

CAM软件的处理模式

加工部分（C A M）是整个流程的核心，市场上流行的编程软有Hypermill、SiemensNX、MasterCAM、WorkNC 及NREC等，它们分两种模式：

（1）面向过程的编程模式。

（2）是面向对象的模式。

实际软件中，这两者往往会融合在一起，彼此渗透，难以区分。

面向过程，SiemensNX软件2D的线（轮廓）加工是个很明显的例子，加工的路径是按照选择线的次序（或者逆向），严格按照你指定的过程生成刀路。

面向对象就复杂很多，Hypermill五轴策略更接近面向对象的模式，几个参数调节刀轨，其他就交给软件的智能算法去做。它把加工按照特征归类细分，人的作用就是分析、选择加工策略。

Hypermill有一类加工，叫特征加工，软件可以自动识别特征，并且给特征分类，如：平面、型腔、孔等等。做一个带有特征的加工策略保存，设定好参数，其他的类似特征直接可以引用，是一种半自动化的编程模式。

叶轮的模块化加工，就是一个很典型的面向对象模式，选择几个特征、几个参数，剩下交给软件处理。

Hypermill、Siemens NX等主流软件也独立分类出叶轮加工策略，大大简化了编程的难度（见图3）。

未来CAM软件的智能方向

图 1

图 2

软件要实现智能化、自动化编程，首先要识别零件里的各种特征，并且归类。

细分特征，会使种类增加，有些会有重叠，同一个零件可能会有好几个加工策略适用，这会增加软件的复杂程度。

智能化CAM 软件有两个方向：

图3 Hypermill叶轮策略特征集合

（1）大数据匹配策略，简单说就是让软件搜索相似（相同）零件的历史加工过程，复制（套用）到新的零件上。这个如同人学习参考其他人的加工过程。数据库里存储的是做过的零件加工模板，随着不同编程人员把做过的零件加入大数据库中，里面的历史模板会迅速增加，一个零件做完整个流程之后，并且被认可结果，那么就可以再加入数据库中，如此它可以自动完成升级与迭代。

技术上难度不大，现有的技术组合就可以实现，只是一个数据库查询、对比和识别问题，添加其中的数据（事例）要求符合某种规范、流程、格式（见图4）。这时候，软件侧重的是查询数据，对比数据，与传统的CAM软件有差别了。这就需要引入新的功能 ，需要跨界到其他管理软件领域里，进行数据库查询。

从使用者的角度看，给软件输入的零件数模，自动输出的工艺过程与数控程序，这个过程会被认为是个智能的CAM软件。

大数据模式会抹平软件之间的技术代沟，缩小彼此的差距，天生要求集中数据、统一格式。发展的极致是，只有最强大的一两个软件会存活，其他会自动被淘汰。因为商业利益、知识产权、竞争关系以及军事保密等原因，大数据模式有难以逾越的壁垒。

（2）第二种趋势是人工智能，如同人一样的处理问题，并且自动学习升级。google公司深度学习的阿尔法狗围棋程序，就是这种类型人工智能，它可以深度学习，自我升级。

但是，制造是一个有创造性的过程，会出现全新的产品、方法和过程，这个过程需要非常有经验人来完成，而人工智能目前却不具有这些创造性，不会给出一个类似人得出的结果，还不太具备智能制造过程的要求。

（3）是算法的智能化（见图5）。智能CAM软件的一个目的是简化编程编制，降低编程的劳动量，把人的重复劳动减至最低，大数据模式、人工智能这两种途径都有制约，那么有没有其他（第三种）变通的途径呢？或者是过渡阶段呢？

目前可实现的模板CAM编程

答案是有，就是模板化过程，把结构类似、特征相同的零件的过程做成模板（策略），只需简单几个参数，就可以完成复杂程序的编制。前面说的Siemens NX、Hypermill里面，面向对象，叶轮模块就可以看成一个固定的模板。这只是特例，因为它归于一个非常明显的特征里，各种叶轮只是大小不同、局部变化而已。但更多的零件特征不明显，或者是很多特征的组合，就不适合做出模块策略。

Hypermill目前开发出来一项新的技术，可自动化快速编程，让软件自动识别零件特征，建立好工艺库、刀具库，然后就可以自动针对某一类零件自动快速编程。切削参数自动继承工艺库数据（见图6）。

Hypermill具有以下特点：自动生成工艺凸台，特征的自动（手动）识别、分类，高效加工，基于过程毛坯的刀路计算，灵活的手动干预。

按照规则，只需要点击几次鼠标，就可以完成负责零件的加工刀路，这套过程可以看作一个加工策略流程（模板），是多个加工策略按照一定规则的排列组合，包括智能分析。

图4 数据库智能CAM的模式

图5 人工智能化的CAM模式

图 6

hyperMILL为巴西航空提供的自动补块方案，在选定的部位，自动补上工艺台（见图7）。还为德国宝马（BMW)提供了零件的自动编程。

CPF自定义特征，以接头、角盒类产品为例，非常适合自动化快速编程，工艺员操作鼠标的次数约为手动编程的30%。且此类产品能非常好的继承典型全工艺。

对于大型的框梁类结构件，特别是形状典型的同类产品，基于自动化快速编程的方案，即使加上CPF所用的时间，出刀路的速度也是提高至少1倍。而随着更加多的特征识别方法的开发，编程效率会成倍的提高。

目前只能做到有针对性的开发，有一定的局限性。

图 7

结语

智能化CAM是必然方向，减少人为参与，或者降低软件使用的复杂性，开发更好的算法，以及算法的组合，当下技术能做到的是定制模板化流程，这也是未来的基础支撑技术之一。□