IM电竞数字控制机床Numerical Control Machine Tools简称数控机床,这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示,

　　绪论第一节概述一、什么是数控机床数字控制机床NumericalControlMachineTools简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息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。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。二、数控机床的加工原理数控机床加工工件的过程如图1-1所示。图1-1数控机床的加工过程1）在数控机床上加工工件时，首先要根据加工零件的图样与工艺方案，用规定的格式编写程序单，并且记录在程序载体上；2）把程序载体上的程序通过输入装置输入到数控装置中去；3）数控装置将输入的程序经过运算处理后，向机床各个坐标的伺服系统发出信号；4）伺服系统根据数控装置发出的信号，通过伺服执行机构如步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机，经传动装置如滚珠丝杠螺母副等，驱动机床各运动部件，使机床按规定的动作顺序、速度和位移量进行工作，从而制造出符合图样要求的零件。由上述数控机床的工作过程可知，数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。下面分别对各组成部分的基本工作原理进行概要说明。1．加工程序载体数控机床工作时，不需要工人直接去操作机床，要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序中，包括机床上刀具和工件的相对运动轨迹、工艺参数（进给量主轴转速等）和辅助运动等。将零件加工程序用一定的格式和代码，存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，通过数控机床的输入装置，将程序信息输入到CNC单元。2．数控装置数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用CNCComputerNumericalControl形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称软件数控SoftwareNC。CNC统是一种位置控制系统，它是根据输入数据插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。而所有这些工作都由计算机的系统程序进行合理地组织，使整个系统协调地进行工作。（1）输入装置将数控指令输入给数控装置，根据程序载体的不同，相应有不同的输入装置。目前主要有键盘输入、磁盘输入、CADCAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC直接数控输入，现仍有不少系统还保留有光电阅读机的纸带输入形式。1）纸带输入方式。可用纸带光电阅读机读入零件程序，直接控制机床运动，也可以将纸带内容读入存储器，用存储器中储存的零件程序控制机床运动。2）MDI手动数据输入方式。操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令，它适用于比较短的程在控制装置编辑状态EDIT下，用软件输入加工程序，并存入控制装置的存储器中，这种输入方法可重复使用程序。一般手工编程均采用这种方法。在具有会话编程功能的数控装置上，可按照显示器上提示的问题，选择不同的菜单，用人机对话的方法，输入有关的尺寸数字，就可自动生成加工程序。3）采用DNC直接数控输入方式。把零件程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。DNC方式多用于采用CADCAM软件设计的复杂工件并直接生成零件程序的情况。（2）信息处理输入装置将加工信息传给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定，逐步存储并进行处理后，通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。CNC系统的输入数据包括：零件的轮廓信息起点、终点、直线;、加工速度及其他辅助加工信息如换刀、变速、冷却液开关等，数据处理的目的是完成插补运算前的准备工作。数据处理程序还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。（3）输出装置输出装置与伺服机构相联。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大，驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。3．伺服系统和测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统的作用是把接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后，转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标，因此，对数控机床的伺服驱动装置，要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪数控装置发出的数字指令信号，并能忠实地执行来自数控装置的指令，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈回来的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。4．机床主体机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。与传统的机床相比，数控机床主体具有如下结构特点：（1）采用具有高刚度、高抗震性及较小热变形的机床新结构。通常用提高结构系统的静刚度、增加阻尼、调整结构件质量和固有频率等方法来提高机床主机的刚度和抗震性，使机床主体能适应数控机床连续自动地进行切削加工的需要。采取改善机床结构布局、减少发热、控制温升及采用热位移补偿等措施，可减少热变形对机床主机的影响。（2）广泛采用高性能的主轴伺服驱动和进给伺服驱动装置，使数控机床的传动链缩短，简化了机床机械传动系统的结构。（3）采用高传动效率、高精度、无间隙的传动装置和运动部件，如滚珠丝杠螺母副、塑料滑动导轨、直线滚动导轨、静压导轨等。5．数控机床的辅助装置辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置，常用的辅助装置包括：气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护，照明等各种辅助装置。三、数控机床的适用范围数控机床是一种可编程的通用加工设备，但是因设备投资费用较高，还不能用数控机床完全替代其他类型的设备，因此，数控机床的选用有其一定的适用范围。图1-2可粗略地表示数控机床的适用范围。从图1-2a可看出，通用机床多适用于零件结构不太复杂、生产批量较小的场合；专用机床适用于生产批量很大的零件；数控机床对于形状复杂的零件尽管批量小也同样适用。随着数控机床的普及，数控机床的适用范围也愈来愈广，对一些形状不太复杂而重复工作量很大的零件，如印制电路板的钻孔加工等，由于数控机床生产率高，也已大量使用。因而，数控机床的适用范围已扩展到图1-2a中阴影所示的范围。 1-2b表示当采用通用机床、专用机床及数控机床加工时，零件生产批量与零件总加工费用之间的关 系。据有关资料统计，当生产批量在100 件以下，用数控机床加工具有一定复杂程度零件时，加工费用最低， 能获得较高的经济效益。 图1-2 数控机床的适用范围 由此可见，数控机床最适宜加工以下类型的零件： （1）生产批量小的零件100 件以下； （2）需要进行多次改型设计的零件； （3）加工精度要求高、结构形状复杂的零件，如箱体类，曲线）需要精确复制和尺寸一致性要求高的零件； （5）价值昂贵的零件，这种零件虽然生产量不大，但是如果加工中因出现差错而报废， 将产生巨大的经济损失。 第二节 数控机床的特点和分类 一、数控机床的特点 与通用机床和专用机床相比，数控机床具有以下主要特点： （1）加工精度高，质量稳定。数控系统每输出一个脉冲，机床移动部件的位移量称为脉冲当量，数控机 床的脉冲当量一般为0001mm，高精度的数控机床可达00001mm，其运动分辨率远高于普通机床。另外，数 控机床具有位置检测装置，可将移动部件实际位移量或丝杠、伺服电动机的转角反馈到数控系统，并进行补 偿。因此，可获得比机床本身精度还高的加工精度。数控机床加工零件的质量由机床保证，无人为操作误差 的影响，所以同一批零件的尺寸一致性好，质量稳定。 （2）能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如，采用二轴联动或二轴以上联动的 数控机床，可加工母线为曲线的旋转体曲面零件、凸轮零件和各种复杂空间曲面类零件。 （3）生产效率高。数控机床的主轴转速和进给量范围比普通机床的范围大，良好的结构刚性允许数控 机床采用大的切削用量，从而有效地节省了机动时间。对某些复杂零件的加工，如果采用带有自动换刀装置 的数控加工中心，可实现在一次装夹下进行多工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更 为明显。 （4）对产品改型设计的适应性强。当被加工零件改型设计后，在数控机床上只需变换零件的加工程序， 调整刀具参数等，就能实现对改型设计后零件的加工，生产准备周期大大缩短。因此，数控机床可以很快地 从加工一种零件转换为加工另一种改型设计后的零件，这就为单件、小批量新试制产品的加工，为产品结构 的频繁更新提供了极大的方便。 （5）有利于制造技术向综合自动化方向发展。数控机床是机械加工自动化的基本设备，以数控机床为 基础建立起来的 FMC、FMS、CIMS 等综合自动化系统使机械制造的集成化、智能化和自动化得以实现。这是 由于数控机床控制系统采用数字信息与标准化代码输入、并具有通信接口，容易实现数控机床之间的数据通 信，最适宜计算机之间的联接，组成工业控制网络，实现自动化生产过程的计算、管理和控制。 （6）监控功能强，具有故障诊断的能力。CNC 系统不仅控制机床的运动，而且可对机床进行全面监控。 例如，可对一些引起故障的因素提前报警，进行故障诊断等，极大地提高了检修的效率。（7）减轻工人劳动强度、改善劳动条件。 二、数控机床的分类 数控机床的种类繁多，根据数控机床的功能和组成的不同，可以从多种角度对数控机床进行分类。 按运动轨迹分类（1）点位控制系统 它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动 轨迹没有严格要求，只要求从一坐标点到另一坐标点的精确定位。如数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、 数控点焊机和数控测量机等都采用此类系统。如图l—3a 所示。 （2）直线控制系统 这类控制系统的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外，而且要求刀具由 一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线，并能控制位移的速度，因为这类数控机床的刀具在移动过程中要 进行切削加工。直线控制系统的刀具切削路径只沿着平行于某一坐标轴方向运动，或者沿着与坐标轴成一定 角度的斜线方向进行直线b 所示。采用这类控制系统的机床有数控车床、数控铣床等。 同时具有点位控制功能和直线控制功能的点位／直线控制系统，主要应用在数控镗铣床、加工中心机床 （3）轮廓控制系统也称连续控制系统。其特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。 加工时不仅要控制起点和终点位置，而且要控制两点之间每一点的位置和速度，使机床加工出符合图纸要求 的复杂形状（任意形状的曲线或曲面）的零件。它要求数控机床的辅助功能比较齐全。CNC 装置一般都具有 直线插补和圆弧插补功能。如数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、数控电加工机床、数控绘图 机等都采用此类控制系统。 这类数控机床绝大多数具有两坐标或两坐标以上的联动功能，不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿功能， 而且还具有机床轴向运动误差补偿，丝杠、齿轮的间隙补偿等一系列功能，如图1-3c 所示。 图1-3 数控系统控制方式 按伺服系统控制方式分类（1）开环伺服系统 这种控制方式不带位置测量元件。数控装置根据信息载体上的指令信号，经控制运 算发出指令脉冲，使伺服驱动元件转过一定的角度，并通过传动齿轮、滚珠丝杠螺母副，使执行机构如工 作台移动或转动。图 1-4 为开环控制系统的框图。这种控制方式没有来自位置测量元件的反馈信号，对执 行机构的动作情况不进行检查，指令流向为单向，因此被称为开环控制系统。 图l-4 开环控制系统框图 步进电动机伺服系统是最典型的开环控制系统。这种控制系统的特点是系统简单，调试维修方便，工作 稳定，成本较低。由于开环系统的精度主要取决于伺服元件和机床传动元件的精度、刚度和动态特性，因此 控制精度较低。目前在国内多用于经济型数控机床，以及对旧机床的改造。 （2）闭环伺服系统 这是一种自动控制系统，其中包含功率放大和反馈，使输出变量的值响应输入变 量的值。数控装置发出指令脉冲后，当指令值送到位置比较电路时，此时若工作台没有移动，即没有位置反 馈信号时，指令值使伺服驱动电动机转动，经过齿轮、滚珠丝杠螺母副等传动元件带动机床工作台移动。装 在机床工作台上的位置测量元件，测出工作台的实际位移量最后，反馈到数控装置的比较器中与指令信号进行比较，并用比较后的差值进行控制。若两者存在差值，经放大器放大后，再控制伺服驱动电动机转动，直 至差值为零时，工作台才停止移动。这种系统称为闭环伺服系统。图1-5 为闭环控制系统框图。闭环伺服系 统的优点是精度高、速度快。主要用在精度要求较高的数控镗铣床、数控超精车床、数控超精镗床等机床上。 图l-5 闭环控制系统框图 （3）半闭环伺服系统 这种控制系统不是直接测量工作台的位移量，而是通过旋转变压器、光电编码盘 或分解器等角位移测量元件，测量伺服机构中电动机或丝杠的转角，来间接测量工作台的位移。这种系统中 滚珠丝杠螺母副和工作台均在反馈环路之外，其传动误差等仍会影响工作台的位置精度，故称为半闭环控制 系统。图1-6 为半闭环控制系统框图。 图l-6 半闭环控制系统框图 半闭环伺服系统介于开环和闭环之间，由于角位移测量元件比直线位移测量元件结构简单，因此装有精 密滚珠丝杠螺母副和精密齿轮的半闭环系统被广泛应用。目前已经把角位移测量元件与伺服电动机设计成一 个部件，使用起来十分方便。半闭环伺服系统的加工精度虽然没有闭环系统高，但是由于采用了高分辨率的 测量元件，这种控制方式仍可获得比较满意的精度和速度。系统调试比闭环系统方便，稳定性好，成本也比 闭环系统低，目前，大多数数控机床采用半闭环伺服系统。 按功能水平分类数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国用的很多。低、中、高 档的界限是相对的，不同时期的划分标准有所不同，就目前的发展水平来看，大体可以从以下几个方面区分： 低档中档 高档 分辨率和进给速 10μm、8~15mmin 、15~24mmin01μm 、15~100mmin 伺服进给类型 开环、步进电动机系 主轴功能不能自动变速 自动无级变速 自动无级变速、C 轴功能 通信能力 RS-232C或DNC 接口 MAP 通信接口、连网功能 显示功能 数码管显示、CRT CRT显示字符、图形 三维图形显示、图形编 主CPU8bitCPU 16 或32bitCPU 64bitCPU 按工艺用途分类数控机床按不同工艺用途分类有数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等。在数控金属成型机床中， 有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等。在特种加工机床中有数控的电火花切割机、火焰切割机、点焊机IM电竞、激 光加工机等。近年来在非加工设备中也大量采用数控技术，如数控测量机、自动绘图机、装配机、工业机器 加工中心是一种带有自动换刀装置的数控机床，它的出现突破了一台机床只能进行一种工艺加工的传统模式。它是以工件为中心，能实现工件在一次装夹后自动地完成多种工序的加工。常见的有以加工箱体类零 件为主的镗铣类加工中心和几乎能够完成各种回转体类零件所有工序加工的车削中心。 近年来一些复合加工的数控机床也开始出现，其基本特点是集中多工序、多刀刃、复合工艺加工在一台 设备中完成。 第三节 数控技术的应用与发展 随着电子、信息等高新技术的不断发展，随着市场需求个性化与多样化，未来先进制造技术发展的总趋 势是向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。数控技术是制造 业实现这些先进制造技术的基础，而数控技术水平高低和数控设备拥有量是体现国家综合国力水平、衡量国 家工业现代化的重要标志之一。 一、现代制造技术的发展趋势 21 世纪是知识经济新时代，制造业作为我国新世纪的战略产业将面临着剧烈的挑战和经历一场深刻的技 术变革。在传统制造技术基础之上发展起来的先进制造技术代表了制造技术发展的前沿，对制造业的发展将 产生巨大影响。当前先进制造技术的发展大致有以下特点： 1．信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合 随着信息技术向制造技术的注入和融合，促进着制造技术的不断发展。它使制造技术的技术含量提高， 使传统制造技术发生质的变化。促进了加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制 造过程的网络化、全球化。相继出现的各种先进制造模式，如CIMS、并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟 企业与虚拟制造等，均以信息技术的发展为支撑。 2．计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程分析CADCAMCAE 制造信息的数字化，将实现CADCAPPCAMCAE 的一体化，使产品向无图纸制造方向发展。在发达国家的 大型企业中，已广泛使用CADCAM，实现100%数字化设计。将数字化技术注入产品设计开发，提高了企业产 品自主开发能力和产品档次，同时也提高了企业对市场的应变能力和快速响应能力。通过局域网实现企业内 部并行工程，通过Internet 建立跨地区的虚拟企业，实现资源共享，优化配置，也使制造业向互联网辅助制 造方向发展。 3．加工制造技术向着超精密、超高速以及发展新一代制造装备的方向发展 （1）超精密加工技术 超精密加工技术是为了获得被加工件的形状、尺寸精度和表面粗糙度均优于亚微 米级的一门高新技术。超精加工技术的加工精度由红外波段向可见光和不可见光的紫外波段趋进，目前加工 精度达到0025m，表面粗糙度达0045m，已进入纳米级加工时代。美国为了适应航空、航天等尖端技术的 发展，已研制出多种数控超精密加工车床，最大的加工直径可达163m，定位精度为28 纳米（10 -9 （2）超高速切削目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600mmin，铸铁为1500mmin，超耐热镍 合金为 300mmin，钛合金 200mmin。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。现代数控机 床主轴的最高转速可达到 10000~20000r／min，采用高速内装式主轴电动机后，使主轴直接与电动机连接成 一体，可将主轴转速提高到40000~50000r／min。 （3）新一代制造装备的发展市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与 开发，如“并联桁架式结构数控机床”（或俗称“六腿”机床），突破了传统机床的结构方案，采用可以伸缩 的六个“腿”连接定平台和动平台，每个“腿”均由各自的伺服电动机和精密滚珠丝杠驱动，控制这六条 “腿”的伸缩就可以控制装有主轴头的动平台的空间位置和姿势，满足刀具运动轨迹的要求。 4．工艺研究由“经验”走向“定量分析” 先进制造技术的一个重要发展趋势是通过计算机技术和模拟技术的应用，使工艺研究由“经验判断”走 向“定量分析”，加工工艺由技艺发展为工程科学。 5．虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用 虚拟现实技术（Virtual Reality Technology）主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。 虚拟制造技术将从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式。在产品真正制出之 前，首先在虚拟制造环境中生成软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行 试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本。 虚拟企业是为了快速响应某一市场需求，通过信息高速公路，将产品涉及到的不同企业临时组建成为一 个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体。虚拟企业的特点是企业的功能 上的不完整、地域上的分散性和组织结构上的非永久性，即功能的虚拟化、组织的虚拟化、地域的虚拟化。 二、数控机床和数控系统的发展 随着先进生产技术的发展，要求现代数控机床向高速度、高精度、高可靠性、智能化和更完善的功能方 向发展。 1．高速度、高精度化 高速化指数控机床的高速切削和高速插补进给，目标是在保证加工精度的前提下，提高加工速度。这不 仅要求数控系统的处理速度快，同时还要求数控机床具有大功率和大转矩的高速主轴、高速进给电动机、高 性能的刀具、稳定的高频动态刚度。 高精度包括高进给分辨率、高定位精度和重复定位精度、高动态刚度、高性能闭环交流数字伺服系统等。 数控机床由于装备有新型的数控系统和伺服系统，使机床的分辨率和进给速度达到01μm24m／min， lμm100~240m／min，现代数控系统已经逐步由16 位CPU 过渡到32 位CPU。日本产的FANUCl5 系统开发出 64 位CPU 系统，能达到最小移动单位01μm 时，最大进给速度为100m／min。FANUCl6 和FANUCl8 采用简化 与减少控制基本指令的RISCReduced Instruction Set Computer精简指令计算机，能进行更高速度的数据 处理，使一个程序段的处理时间缩短到05ms，连续lmm 移动指令的最大进给速度可达到120m／min。 日本交流伺服电动机已装上每转可产生100 万个脉冲的内藏位置检测器，其位置检测精度可达到001mm／脉 冲及在位置伺服系统中采用前馈控制与非线性控制等方法。补偿技术方面，除采用齿隙补偿、丝杠螺距误差 补偿、刀具补偿等技术外，还开发了热补偿技术，减少由热变形引起的加工误差。 2．“开放式” 要求新一代数控机床的控制系统是一种开放式、模块化的体系结构：系统的构成要素应是模块化的，同 时各模块之间的接口必须是标准化的； 系统的软件、硬件构造应是“透明的”、“可移植的”； 系统应具 有“连续升级”的能力。 为满足现代机械加工的多样化需求，新一代数控机床机械结构更趋向于“开放式”：机床结构按模块化、 系列化原则进行设计与制造，以便缩短供货周期，最大限度满足用户的工艺需求。数控机床的很多部件的质 量指标不断提高，品种规格逐渐增加、机电一体化内容更加丰富，因此专门为数控机床配套的各种功能部件 已完全商品化。 3．智能化 所谓智能化数控系统，是指具有拟人智能特征，智能数控系统通过对影响加工精度和效率的物理量进行 检测、建模、提取特征、自动感知加工系统的内部状态及外部环境，快速做出实现最佳目标的智能决策，对 进给速度、切削深度、坐标移动、主轴转速等工艺参数进行实时控制，使机床的加工过程处于最佳状态。 （1）在数控系统中引进自适应控制技术。数控机床中因工件毛坯余量不匀、材料硬度不一致、刀具磨 损、工件变形、润滑或冷却液等因素的变化将直接或间接影响加工效果。自适应控制是在加工过程中不断检 查某些能代表加工状态的参数，如切削力、切削温度等，通过评价函数计算和最佳化处理，对主轴转速、刀 具或工作台进给速度等切削用量参数进行校正，使数控机床能够始终在最佳的切削状态下工作。（2）设置故障自诊断功能。数控机床工作过程中出现故障时，控制系统能自动诊断，并立即采取措施 排除故障，以适应长时间在无人环境下的正常运行要求。 （3）具有人机对话自动编程功能。可以把自动编程机具有的功能，装入数控系统，使零件的程序编制 工作可以在数控系统上在线进行，用人机对话方式，通过CRT 彩色显示和手动操作键盘的配合，实现程序的 输入IM电竞、编辑和修改，并在数控系统中建立切削用量专家系统，从而达到提高编程效率和降低操作人员技术水 平的要求。 （4）应用图像识别和声控技术。由机床自己辨别图样，并自动地进行数控加工的智能化技术和根据人 的语言声音对数控机床进行自动控制的智能化技术。 4．复合化 复合化加工，即在一台机床上工件一次装夹便可以完成多工种、多工序的加工，通过减少装卸刀具、装 卸工件、调整机床的辅助时间，实现—机多能，最大限度提高机床的开机率和利用率。60 年代初期，在一般 数控机床的基础上开发了数控加工中心（MC），即自备刀库的自动换刀数控机床。在加工中心机床上，工件 一次装夹后，机床的机械手可自动更换刀具，连续地对工件的各加工面进行多种工序加工。目前加工中心的 刀库容量可多达120 把左右，自动换刀装置的换刀时间为l~2s。加工中心中除了镗铣类加工中心和车削类车 削中心外，还出现了集成型车铣加工中心、自动更换电极的电火花加工中心，带有自动更换砂轮装置的内 圆磨削加工中心等。 随着数控技术的不断发展，打破了原有机械分类的工艺性能界限，出现了相互兼容、扩大工艺范围的趋 势。复合加工技术不仅是加工中心、车削中心等在同类技术领域内的复合，而且正向不同类技术领域内的复 合发展。 多轴同时联动移动，是衡量数控系统的重要指标，现代数控系统的控制轴数可多达 16 轴，同时联动轴 数已达到6 轴。高档次的数控系统，还增加了自动上下料的轴控制功能，有的在PLC 里增加位置控制功能， 以补充轴控制数的不足，这将会进一步扩大数控机床的工艺范围。 5．高可靠性 高可靠性的数控系统是提高数控机床可靠性的关键。选用高质量的印制电路和元器件，对元器件进行严 格地筛选，建立稳定的制造工艺及产品性能测试等一整套质量保证体系。在新型的数控系统中采用大规模、 超大规模集成电路实现三维高密度插装技术，进一步地把典型的硬件结构集成化，做成专用芯片，提高了系 统的可靠性。 现代数控机床均采用CNC 系统，数控系统的硬件由多种功能模块制成，对于不同功能的模块可根据机床 数控功能的需要选用，并可自行扩展，组成满意的数控系统。在CNC 系统中，只要改变—下软件或控制程序， 就能制成适应各类机床不同要求的数控系统。 现代数控机床都装备有各种类型的监控、检测装置，以及具有故障自动诊断与保护功能。能够对工件和 刀具进行监测，发现工件超差，刀具磨损、破裂，能及时报警，给予补偿，或对刀具进行调换，具有故障预 报和自恢复功能，保证数控机床长期可靠地工作。数控系统一般能够对软件、硬件进行故障自诊断，能自动 显示故障部位及类型，以便快速排除故障。此外系统中注意增强保护功能，如行程范围保护功能、断电保护 功能等，以避免损坏机床和工件的报废。 6．多种插补功能 数控机床除具有直线插补、圆弧插补功能外，有的还具有样条插补、渐开线插补、螺旋插补、极坐标插 补、指数曲线插补、圆柱插补、假想坐标插补等。 7．人机界面的友好 现代数控机床具有丰富的显示功能，多数系统都具有实时图形显示、PLC 梯形图显示和多窗口的其他显 示功能；丰富的编程功能，像会话式自动编程功能、图形输入自动编程功能，有的还具有CAD／CAM 功能； 方便的操作，有引导对话方式帮助你很快熟悉操作，设有自动工作手动参与功能；根据加工的要求，各系统 都设了多种方便于编程的固定循环；伺服系统数据和波形的显示，伺服系统参数的自动设定；系统具有多种 管理功能，刀具及其寿命的管理、故障记录、工作记录等；PLC 程序编制方法增加，目前有梯形图编程（Ladder Language Program）方法、步进顺序流程图编程（Step Sequence Program）方法。现在越来越广泛地用C 语言编写PLC程序；帮助功能，系统不但显示报警内容，而且能指出解决问题的方法。 三、数控技术与计算机集成制造系统 1．柔性制造单元（Flexible Manufacturing Cell） FMC 在早期是作为简单和初级的柔性制造技术而发展起来的。它在 MC 的基础上增加了托盘自动交换装 置或机器人、刀具和工件的自动测量装置、加工过程的监控功能等，它和 MC 相比具有更高的制造柔性和生 产效率。 图1-7 为配有托盘交换系统构成的 FMC。托盘上装夹有工件，在加工过程中，它与工件一起流动，类似 通常的随行夹具。环形工作台用于工件的输送与中间存储，托盘座在环形导轨上由内侧的环链拖动而回转， 每个托盘座上有地址识别码。当一个工件加工完毕，数控机床发出信号，由托盘交换装置将加工完的工件（包 括托盘）拖至回转台的空位处，然后转至装卸工位，同时将待加工工件推至机床工作台并定位加工。 在车削FMC 中一般不使用托盘交换工件，而是直接由机械手将工件安装在卡盘中，装卸料由机械手或机 器人实现，如图1-8 所示。 图1-7 带有托盘交换系统的FMC 1-环行交换工作台 2-托盘座 3-托盘 4-加工中心 5-托盘交换装置 图1-8 机器人搬运式FMC 1-车削中心 2-机器人 3-物料传送装置 FMC 是在加工中心（MC）、车削中心（TC）的基础上发展起来的，又是FMS 和CIMS 的主要功能模块。FMC 具有规模小，成本低（相对FMS），便于扩展等优点，它可在单元计算机的控制下，配以简单的物料传送装置， 扩展成小型的柔性制造系统，适用于中小企业。 2．柔性制造系统（Flexible Manufacturing System） FMS 是集自动化加工设备、物流和信息流自动处理为一体的智能化加工系统。FMS 由一组CNC 机床组成， 它能随机地加工一组具有不同加工顺序及加工循环的零件。实行自动运送材料及计算机控制，以便动态地平 衡资源的供应，从而使系统自动地适应零件生产混合的变化及生产量的变化。 10 图1-9 为一柔性制造系统框图。由图可见，柔性制造系统由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。 图1-9 柔性制造系统框图 （1）加工系统 该系统由自动化加工设备、检验站、清洗站、装配站等组成，是 FMS 的基础部分。加 工系统中的自动化加工设备通常由5～10 台CNC 机床、加工中心及其附属设备（例如工件装卸系统、冷却系 统、切屑处理系统和刀具交换系统等）组成，可以以任意顺序自动加工各种工件、自动换工件和刀具。 FMS 中常需在适当位置设置检验工件尺寸精度的检验站，由计算机控制的坐标测量机担任检验工作。其 外形类似３坐标数控铣床，在通常安装刀具的位置上装置检测触头，触头随夹持主轴按程序相对工件移动， 检测工件上一些预定点的坐标位置。计算机读入这些预定点的坐标值之后，经过运算和比较，可算出各种几 何尺寸（如外圆内孔的直径、平面的平面度、平行度、垂直度等）的加工误差，并发出通过或不通过等命令。 清洗站的任务是清除工件夹具和装载平板上的切屑和油污。 工件装卸站设在物料处理系统中靠近自动化仓库和 FMS 的入口处。由于装卸操作系统较复杂，大多数 FMS 均采用人力装卸。 （2）物料运贮系统 物料运送系统在计算机控制下主要实现工件和刀具的输送及入库存放，它由自动 化仓库、自动输送小车、机器人等组成。 在FMS 中，工件一般通过专用夹具安装在托盘上，工件输送时连同整个托盘一起由自动输送小车进行输 送。在计算机的控制下，根据作业调度计划自动从工件存贮区将工件取出送到指定的机床上加工，或者从机 床上取出完成该工序加工的工件送到另一机床上加工。 自动输送小车在自动化仓库和各个制造单元之间完成工件输送任务。 自动化仓库包括仓库多层货架、出入库装卸站、堆装起重机、传动齿轮和导轨等组成，它能通过物料运 贮工作站的指令实现毛坯、加工成品的自动入库及出库。 刀具输送是利用机器人实现刀具进出系统以及系统中央刀库和各加工设备刀库之间的刀具输送。 （3）信息系统 信息系统由主计算机、分级计算机及其接口、外围设备和各种控制装置的硬件和软件 组成。其主要功能是实现各系统之间的信息联系，确保系统的正常工作。对FMS ，计算机系统一般分为三级， 第一级为主计算机，又称为管理计算机，其任务是：一是用来向下一级计算机实时发布命令和分配数据；二 是用来实时采集现场工况；三是用来观察系统的运行情况。第二级为过程控制计算机，包括计算机群控（DNC 刀具管理计算机和工件管理计算机，其作用是接受主计算机的指令，根据指令对下属设备实施具体管理。第三级由各设备的控制计算机构成，执行各种操作任务。 11 在柔性制造系统中，加工零件被装夹在随行夹具或托盘上，自动地按加工顺序在机床间逐个输送，工序 间输送的工件一般不再重新装夹。专用刀具和夹具也能在计算机控制下自动调度和更换。如果在系统中设置 有测量工作站，则加工零件的质量也能在测量工作站上检查，甚至进一步实现加工质量的反馈控制。系统只 需要最低限度的操作人员，并能实现夜班无人作业，操作人员只负责启停系统和装卸工件。由于FMS 是一种 具有很高柔性的自动化制造系统，因此它最适合于多品种、中小批量的零件生产。 3．DNC DNC 是Direct Numerical Control 或Distributed Numerical Control 的简称，意为直接数字控制或分 布数字控制。DNC 最早的含义是直接数字控制，其研究开始于20 世纪六十年代。它指的是将若干台数控设备 直接连接在一台中央计算机上，由中央计算机负责NC 程序的管理和传送。当时的研究目的主要是为了解决 早期数控设备NC因使用纸带输入数控加工程序而引起的一系列问题和早期数控设备的高计算成本等问题。 DNC 的基本功能是下传NC 程序。随着技术的发展，现代DNC 还具有制造数据传送（NC 程序上传、NC 程序校 正文件下传、刀具指令下传、托盘零点值下传、机器人程序下传、工作站操作指令下传等）、状态数据采集 机床状态、刀具信息和托盘信息等、刀具管理、生产调度、生产监控、单元控制和CADCAPPCAM 接口等 功能。 4．计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System）简介 CIMS 是用于制造业工厂的综合自动化大系统。它在计算机网络和分布式数据库的支持下，把各种局部的 自动化子系统集成起来，实现信息集成和功能集成，走向全面自动化，从而缩短产品开发周期、提高质量、 降低成本。它是工厂自动化的发展方向，未来制造业工厂的模式。 （1）CIMS 的概念 计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上， 通过计算机及其软件，将制造工厂的全部生产活动设计、制造及经营管理（包括市场调研、生产决策、 生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产过程有关的物料流与信 息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的 生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应 变能力，以赢得竞争。 （2）CIMS 的构成 CIMS 包括制造工厂的生产、经营的全部活动，应具有经营管理、工程设计和加工制 造等主要功能。图 1-10 CIMS的构成。它是在 CIMS 数据库的支持下，由信息管理模块、设计和工艺模块 和制造模块组成。 图1-10 CIMS 的构成 设计和工艺模块主要包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机 辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助数控编程技术等，目的使产品的开发更高效、优质、并自动化地进 12 柔性制造系统是制造模块的主体，主要包括：零件的数控加工、生产调度、刀具管理、质量检测和控制、装配、物料储运等。 信息管理模块主要包括：市场预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售及售后跟踪服务、 成本核算、人力资源管理等，通过信息的集成，达到缩短产品生产周期、减少占用的流动资金、提高企业的 应变能力。 公用数据库是 CIMS 的核心，对信息资源进行存储与管理，并对各个计算机系统进行通信，实现企业数 据的共享和信息集成。 由上述可知，CIMS 是建立在多项先进制造技术基础上的高技术制造系统，为赶上工业先进国家的机械制 造水平，我国 863 计划将 CIMS 作为自动化领域中的一个主题项目进行研究，开展了关键技术的攻关工作， 确定了若干试点工厂，取得了一批重要的研究成果。CIMS 的实施过程中要实现工程设计、制造过程、信息管 理、工厂生产等技术和功能的集成，这种集成不是现有生产系统的计算机化，而原有的生产系统集成很困难， 独立的自动化系统异构同化非常复杂，所以要考虑在实施CIMS 计划时的收益和支出。 思考题与习题一 1-1 数控机床由哪些部分组成？各有什么作用？ 1-2 什么叫做点位控制、直线控制、轮廓控制数控机床？有何特点及应用？ 1-3 简述开环、闭环、半闭环伺服系统的区别。 1-4 数控机床适合加工什么样的零件？ 1-5 加工中心与普通数控机床的区别是什么？ 1-6 现代制造系统的发展与数控技术的关系如何？ 1-7 FMC 有什么特点？有那些类型？ 1-8 什么是FMS？由哪几部分组成？ 1-9 什么是CIMS 系统？ 13 控制机床Numer calCont olMachi ne Tool 简称数控机床,这是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术 它把机械加工过程中的各种控制信 息用代码化的数字表示,

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