機床數(shù)控技術(shù)緒論課件

第1章緒論1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念

1.2數(shù)控機床的組成與工作原理

1.3數(shù)控機床的分類1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1.5制造自動化技術(shù)的發(fā)展概況思考與練習(xí)題

第1章緒論1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念11.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念

數(shù)字控制（NumericalControl,簡稱NC）技術(shù)，簡稱數(shù)控技術(shù)，是使用數(shù)字化信息按給定的工作程序、運動軌跡和速度，對控制對象進(jìn)行控制的一種技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等機械量，也可以是溫度、壓力、流量、顏色等物理量。這些量的大小不僅可以測量，而且可經(jīng)A/D或D/A轉(zhuǎn)換，用數(shù)字信號表示。采用了數(shù)控技術(shù)的設(shè)備稱為數(shù)控設(shè)備。其操作命令是用數(shù)字或數(shù)字代碼的形式來描述，工作過程是按指令程序自動進(jìn)行。數(shù)控機床就是一種典型的數(shù)控設(shè)備，它是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的金屬切削機床。

1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)字控制（Numeric2數(shù)控技術(shù)綜合運用了微電子、計算機、自動控制、精密測量、機械設(shè)計與制造等技術(shù)的最新成果。它具有動作順序的程序自動控制，位移和相對位置坐標(biāo)的自動控制，速度、轉(zhuǎn)速及各種輔助功能的自動控制等功能。數(shù)控技術(shù)具有以下特點：(1)生產(chǎn)率高。

(2)加工精度高。

(3)柔性和通用性增強。

(4)可靠性高。

數(shù)控技術(shù)綜合運用了微電子、計算機、自動控制、精密測量、31.2數(shù)控機床的組成與工作原理

1.2.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由輸入／輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、輔助控制裝置和機床（或稱裸機）等五部分組成，

如圖1-1所示。

1.2數(shù)控機床的組成與工作原理1.2.1數(shù)控機床的組成4圖1-1數(shù)控機床的組成圖1-1數(shù)控機床的組成5

1．程序編制及程序載體數(shù)控程序是數(shù)控機床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定零件坐標(biāo)系在機床坐標(biāo)系上的相對位置，即零件在機床上的安裝位置，刀具與零件相對運動的尺寸參數(shù)，零件加工的工藝路線、切割加工的工藝參數(shù)以及輔助裝置的動作等。得到零件的所有運動、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用有文字、數(shù)字和符號組成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序。編制程序的工作可由人工進(jìn)行。對于形狀復(fù)雜的零件，則要在專用的編程機或通用計算機上使用CAD／CAM軟件進(jìn)行自動編程。1．程序編制及程序載體6

2．輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。編好的數(shù)控程序，可通過光電閱讀機、磁帶機等輸入裝置存儲到載體上。目前，隨著CAD/CAM、CIMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多地采用串行通信方式進(jìn)行程序的傳輸。為了便于加工程序的編輯修改、模擬顯示，數(shù)控系統(tǒng)通過顯示器為操作人員提供必要的信息界面。較簡單的顯示器只有若干個數(shù)碼管，只能顯示字符；較高級的系統(tǒng)一般配有CRT顯示器或液晶顯示器，

可以顯示圖形。

2．輸入裝置7

3．?dāng)?shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，

使其進(jìn)行規(guī)定的有序運動和動作。

3．?dāng)?shù)控裝置8在數(shù)控裝置的各項控制功能中，至關(guān)重要的是刀具相對于工件的運動軌跡的控制。零件的輪廓圖形通常是由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件的形狀和尺寸要求進(jìn)行運動，即按圖形軌跡移動。為此，數(shù)控系統(tǒng)要進(jìn)行軌跡插補運算，也就是在線段的起點和終點坐標(biāo)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)的坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制沿各坐標(biāo)軸進(jìn)給運動的執(zhí)行元件的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。

在數(shù)控裝置的各項控制功能中，至關(guān)重要的是刀具相對于工件的94．伺服驅(qū)動裝置伺服驅(qū)動裝置通過接收數(shù)控裝置發(fā)出的速度和位置信息，控制伺服電機的運動速度和方向。它一般由驅(qū)動電路和伺服電動機組成，并與機床上的進(jìn)給傳動鏈組成數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)。每個坐標(biāo)軸方向都配有一套伺服驅(qū)動裝置，根據(jù)是否配有位置檢測及反饋裝置，可以分為開環(huán)、

半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

4．伺服驅(qū)動裝置105．輔助控制裝置輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制裝置，可通過可編程控制器（PLC）對機床輔助功能M、主軸速度功能S和換刀功能T等實現(xiàn)邏輯控制。

6．位置檢測裝置位置檢測裝置與伺服驅(qū)動裝置配套組成半閉環(huán)或閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。位置檢測裝置通過直接或間接測量機床執(zhí)行部件的實際位移，并將檢測結(jié)果反饋到數(shù)控裝置并與指令位移進(jìn)行比較，根據(jù)差值發(fā)出進(jìn)給脈沖信號控制執(zhí)行部件繼續(xù)運動，直至差值為零，以便提高系統(tǒng)的精度。

5．輔助控制裝置11

7．機床的機械部件數(shù)控機床的機械部件包括：主運動部件，進(jìn)給運動執(zhí)行部件，如機床工作臺、滑板及其傳動部件和床身、立柱及支撐部件。此外，還有轉(zhuǎn)位、夾緊、潤滑、冷卻、排屑等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手或機器人等部件。數(shù)控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、摩擦、

抗振性等方面要求更高，而且傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動化。

7．機床的機械部件121.2.2數(shù)控機床的工作原理使用數(shù)控機床時，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序;然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、分配，使各坐標(biāo)移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。

1.2.2數(shù)控機床的工作原理13在鉆削、鏜削或螺紋等加工（常稱為點位控制）中，是在一定時間內(nèi)，使刀具中心從P點移動到Q點（圖1-2(a)），即刀具在X、Y軸移動以最小單位計算的程序給定的距離，它們的合成量為P點和Q點間的距離。但是，對刀具軌跡沒有嚴(yán)格的限制，可先使刀具在X軸上由P點移動到R點，然后再沿Y軸從R點移動到Q點；也可以使兩個坐標(biāo)以相同的速度，讓刀具移到K點，再沿X軸移動到Q點，這樣的點位控制，只要求嚴(yán)格控制點到點之間的距離，而對所走的路徑和速度無嚴(yán)格要求。這種運動控制是比較容易實現(xiàn)的，一般用于只需點位控制的簡易數(shù)控機床。

在鉆削、鏜削或螺紋等加工（常稱為點位控制）中，是在一定時14圖1-2數(shù)控機床加工直線、 曲線原理直線；(b)平面曲線；(c)

空間曲線圖1-2數(shù)控機床加工直線、 曲線原理15輪廓加工控制包括加工平面曲線和空間曲線兩種情況。對于二維平面的任意曲線l，要求刀具T沿曲線軌跡運動，進(jìn)行切削加工，如圖1-2(b)所示。將曲線l分割成：l0、l1、l2…li等線段。用直線（或圓?。┐妫ū平┻@些線段，當(dāng)逼近誤差相當(dāng)小時，這些折線段之和就接近了曲線。由數(shù)控機床的數(shù)控裝置進(jìn)行計算、分配，再通過兩個坐標(biāo)軸最小單位量的單位運動（Δx，Δy）的合成，不斷連續(xù)地控制刀具運動，向著目標(biāo)點不斷地逼近直線（或圓弧），從而加工出工件輪廓曲線。對于空間三維曲線（見圖1-2(c)）中的f（x，y,z），同樣可用一段一段的折線（Δli）去逼近它，只不過這時Δli的單位運動分量不僅是Δx和Δy，還有一個Δz。輪廓加工控制包括加工平面曲線和空間曲線兩種情況。對于二16這種在允許的誤差范圍內(nèi)，用沿曲線（精確地說是沿逼近線）的最小單位位移量合成的分段運動代替任意曲線運動，以得出所需要的軌跡運動，是數(shù)字控制的基本構(gòu)思之一。輪廓控制也稱連續(xù)軌跡控制，它的特點是不僅對坐標(biāo)的移動量進(jìn)行控制，而且對各坐標(biāo)的速度及它們之間的比率都要進(jìn)行嚴(yán)格控制，

以便加工出工件的輪廓曲線。

這種在允許的誤差范圍內(nèi)，用沿曲線（精確地說是沿逼近線）的17目前，一般的數(shù)控機床都具有直線插補和圓弧插補功能。插補是指在被加工軌跡的起點和終點之間，插進(jìn)許多中間點，進(jìn)行數(shù)據(jù)點的密化工作，然后用已知線型（如直線、圓弧等）逼近。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，許多生產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的廠家，逐漸推出了具有拋物線插補、螺旋線插補、極坐標(biāo)插補、樣條曲線插補、曲面直接插補等豐富功能的數(shù)控系統(tǒng)，以滿足用戶的不同需要。

目前，一般的數(shù)控機床都具有直線插補和圓弧插補功能。插補18機床的數(shù)字控制是由數(shù)控系統(tǒng)完成的。數(shù)控裝置能接受零件圖紙加工要求的信息，進(jìn)行插補運算，實時地向各坐標(biāo)軸發(fā)出速度控制指令。伺服驅(qū)動裝置能快速響應(yīng)數(shù)控裝置發(fā)出的指令，驅(qū)動機床各坐標(biāo)軸運動，同時能提供足夠的功率和扭矩。檢測裝置將坐標(biāo)位移的實際值檢測出來，反饋給數(shù)控裝置的調(diào)節(jié)電路中的比較器，有差值就發(fā)出運動控制信號，從而實現(xiàn)偏差控制。不斷地比較指令值與反饋的實際值、不斷地發(fā)出信號，直到差值為零，運動結(jié)束。

這種方式適用于連續(xù)軌跡控制。

機床的數(shù)字控制是由數(shù)控系統(tǒng)完成的。數(shù)控裝置能接受零件圖紙19在數(shù)控機床上除了上述軌跡控制和點位控制外，還有許多動作，如主軸的啟停、刀具的更換、冷卻液的開關(guān)、電磁鐵的吸合、電磁閥的啟閉、離合器的開合、各種運動的互鎖和連鎖；運動行程的限位、急停、報警、進(jìn)給保持、循環(huán)啟動、程序停止、復(fù)位等等。這些都屬于開關(guān)量控制，一般由可編程控制器（ProgrammableController,簡稱為PC，也稱為可編程邏輯控制器PLC，又稱為可編程機床控制器PMC）來完成，開關(guān)量僅有“0”和“1”兩種狀態(tài)，顯然可以很方便地融入機床控制系統(tǒng)中，

實現(xiàn)對機床各種運動的數(shù)字控制。

在數(shù)控機床上除了上述軌跡控制和點位控制外，還有許多動作，201.2.3數(shù)控機床加工的特點及應(yīng)用范圍1．?dāng)?shù)控機床加工的特點(1）數(shù)控機床在適應(yīng)不同零件的自動加工方面勝于自動化專用機床。數(shù)控機床是按照不同的零件編制不同的加工程序進(jìn)行自動加工的，因而在產(chǎn)品改型和創(chuàng)新時只需變換加工程序即可，而不必像自動化專用機床那樣，在產(chǎn)品變更時需花費很長的生產(chǎn)準(zhǔn)備周期去變更生產(chǎn)設(shè)備。

1.2.3數(shù)控機床加工的特點及應(yīng)用范圍21(2）數(shù)控機床在生產(chǎn)效率、加工精度和加工質(zhì)量穩(wěn)定性方面勝于通用機床。由于數(shù)控機床機構(gòu)簡單、剛性好，故可采用較大的切削用量，減少機加工的工時；還由于數(shù)控機床具有自動換刀等輔助操作功能，因此大大減少了輔助加工時間，從而提高了生產(chǎn)效率。此外，數(shù)控機床本身的精度較高，還可以運用軟件進(jìn)行傳動部件的誤差補償和返程側(cè)隙補償，因而加工精度較高。數(shù)控機床采用自動化加工，避免了人為操作失誤，因而加工質(zhì)量穩(wěn)定性高于通用機床。(2）數(shù)控機床在生產(chǎn)效率、加工精度和加工質(zhì)量穩(wěn)定性方面22(3）在數(shù)控機床上能完成復(fù)雜型面的加工。如圖1-3所示，手柄柄部旋轉(zhuǎn)曲面的加工可以在數(shù)控車床上實現(xiàn)。數(shù)控機床運用插補計算可以確定各進(jìn)給運動軸相應(yīng)的方向和步長，從而與主軸一起產(chǎn)生正確的成型運動，加工出復(fù)雜型面的零件。若在通用機床上加工，則很難加工出表面光滑，且尺寸、形狀滿足要求的手柄。(3）在數(shù)控機床上能完成復(fù)雜型面的加工。如圖1-3所示23圖1-3手柄簡圖圖1-3手柄簡圖24(4）一次裝夾可以完成多道工序。數(shù)控機床，特別是具有刀庫的加工中心，因為具有自動換刀功能，所以使得工件在一次裝夾中可以完成多道工序，以減少裝夾誤差，減少輔助時間，減少工序間的運輸。另外，一臺數(shù)控機床可代替多臺普通機床，因而能帶來較高的經(jīng)濟效益。(4）一次裝夾可以完成多道工序。數(shù)控機床，特別是具25(5）數(shù)控機床的其他特點。數(shù)控機床價格高，且對操作、維修人員的技術(shù)水平有較高的要求。綜上所述，使用數(shù)控機床可以高效、高質(zhì)量地制造出新的產(chǎn)品，以滿足社會不斷變化的需求，使制造業(yè)得到較高的經(jīng)濟效益。盡管數(shù)控機床價格高，但可降低制造成本，提高經(jīng)濟效益。(5）數(shù)控機床的其他特點。數(shù)控機床價格高，且對操作、26

2．應(yīng)用范圍近年來，在汽車及輕工業(yè)消費品等大批量生產(chǎn)方面，采用了大量的組合機床自動線、流水線；在標(biāo)準(zhǔn)件等大量生產(chǎn)中，采用了凸輪控制的專用機床和自動機床。這些適合于大批量生產(chǎn)的生產(chǎn)線，其制造和調(diào)試都很困難，過程很長。一旦需要更換產(chǎn)品，則整個工藝過程全變了。原有設(shè)備要拋棄，需另外購置新的設(shè)備，重新安裝和調(diào)試生產(chǎn)線，資金和時間的投入將會很大。人們把這種生產(chǎn)模式稱為剛性自動化。2．應(yīng)用范圍27由于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新加快的要求，解決單件、小批量生產(chǎn)自動化的問題便迫在眉睫。在航空、航天、造船、電子、軍工、模具等領(lǐng)域?qū)π螤顝?fù)雜零件的高精度加工要求越來越高。剛性自動化很難滿足這些領(lǐng)域的要求，而以數(shù)控機床為基礎(chǔ)的柔性加工和柔性自動化便應(yīng)運而生的發(fā)展起來了。數(shù)控機床是一種新型的自動化機床，它具有廣泛的通用性和很高的自動化程度。數(shù)控機床是實現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動化生產(chǎn)線的基本單元。由于產(chǎn)品多樣化和產(chǎn)品更新加快的要求，解決單件、小批量生產(chǎn)281.3數(shù)控機床的分類1．按加工工藝方法分類(1）普通數(shù)控機床。與傳統(tǒng)的車、銑、鉆、磨、齒輪加工相對應(yīng)的數(shù)控機床有數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控齒輪加工機床等。盡管這些數(shù)控機床在加工工藝方法上存在很大差別，具體的控制方式也各不相同，但機床的動作和運動都是數(shù)字化控制的，具有較高的生產(chǎn)率和自動化程度。1.3數(shù)控機床的分類1．按加工工藝方法分類29在普通數(shù)控機床上加裝一個刀庫和換刀裝置即成為了數(shù)控加工中心機床。加工中心機床進(jìn)一步提高了普通數(shù)控機床的自動化程度和生產(chǎn)效率。例如銑、鏜、鉆加工中心，它是在數(shù)控銑床基礎(chǔ)上增加了一個容量較大的刀庫和自動換刀裝置形成的，工件一次裝夾后，可以對箱體零件的四面甚至是五面大部分加工工序進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴、鉸以及攻螺紋等多工序加工，特別適合箱體類零件的加工。加工中心機床可以有效地避免由于工件多次安裝造成的定位誤差，減少了機床的臺數(shù)和占地面積，縮短了輔助時間，大大提高了生產(chǎn)效率和加工質(zhì)量。在普通數(shù)控機床上加裝一個刀庫和換刀裝置即成為了數(shù)控加工中30(2）特種加工類數(shù)控機床。除了切削加工數(shù)控機床以外，數(shù)控技術(shù)也大量應(yīng)用于數(shù)控電火花線切割機床、數(shù)控電火花成型機床、數(shù)控等離子弧切割機床、數(shù)控火焰切割機床以及數(shù)控激光加工機床等。(3）板材加工類數(shù)控機床。常用于金屬板材加工的數(shù)控機床有數(shù)控壓力機、數(shù)控剪板機和數(shù)控彎折機等。近年來，其他機械設(shè)備中也大量采用了數(shù)控技術(shù)，如數(shù)控多坐標(biāo)測量機、自動繪圖機及工業(yè)機器人等。(2）特種加工類數(shù)控機床。31

2．按控制運動軌跡分類(1）點位控制數(shù)控機床。點位控制數(shù)控機床的特點是機床移動部件只能實現(xiàn)由一個位置到另一個位置的精確定位，在移動和定位過程中不進(jìn)行任何加工，機床數(shù)控系統(tǒng)只控制行程終點的坐標(biāo)值，不控制點與點之間的運動軌跡。這種數(shù)控系統(tǒng)一般用于數(shù)控坐標(biāo)鏜床、數(shù)控鉆床、數(shù)控沖床、數(shù)控點焊機等。點位控制數(shù)控機床的數(shù)控裝置稱為點位數(shù)控裝置。2．按控制運動軌跡分類32(2）點位/直線控制數(shù)控機床。這種控制的數(shù)控機床除了能夠控制由一個位置到另一個位置的精確定位外，還可控制刀具或工作臺以指定的進(jìn)給速度，沿著平行于坐標(biāo)軸的方向進(jìn)行直線移動和切削加工，進(jìn)給速度根據(jù)切削條件可在一定范圍內(nèi)變化。比如，直線控制的簡易數(shù)控車床，可加工階梯軸。直線控制的數(shù)控銑床，有三個坐標(biāo)軸，可用于平面的銑削加工?，F(xiàn)代組合機床采用數(shù)控進(jìn)給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動動力頭帶有多軸箱的軸向進(jìn)給進(jìn)行鉆鏜加工，它也可算是一個直線控制數(shù)控機床。這種數(shù)控系統(tǒng)一般可用于數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床、加工中心等機床。(2）點位/直線控制數(shù)控機床。這種控制的數(shù)控機床除了能33(3）輪廓控制數(shù)控機床。輪廓控制數(shù)控機床能夠?qū)蓚€或兩個以上運動的位移及速度進(jìn)行連續(xù)相關(guān)的控制，使之合成平面曲線或空間曲線的運動軌跡以滿足零件輪廓的加工要求。它不僅能控制機床移動部件的起點與終點的位置精度，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，將工件加工成要求的輪廓形狀。常用的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、數(shù)控磨床就是典型的輪廓控制機床。數(shù)控火焰切割機、電火花加工機床以及數(shù)控繪圖機等也采用了輪廓控制系統(tǒng)。輪廓控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)要比點位／直線控制系統(tǒng)更為復(fù)雜，在加工過程中需要不斷地進(jìn)行插補運算，然后進(jìn)行相應(yīng)的速度與位移控制。(3）輪廓控制數(shù)控機床。輪廓控制數(shù)控機床能夠?qū)蓚€或34

3．按驅(qū)動裝置的特點分類(1）開環(huán)控制數(shù)控機床。圖1-4為開環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。這類數(shù)控機床的控制系統(tǒng)沒有位置檢測元件，伺服驅(qū)動部件通常為反應(yīng)式步進(jìn)電動機或混合式伺服步進(jìn)電動機。數(shù)控系統(tǒng)每發(fā)出一個進(jìn)給指令，經(jīng)驅(qū)動電路功率放大后，驅(qū)動步進(jìn)電機旋轉(zhuǎn)一個角度，再經(jīng)過齒輪減速裝置帶動絲杠旋轉(zhuǎn)，通過絲杠螺母機構(gòu)轉(zhuǎn)換為移動部件的直線位移。移動部件的移動速度與位移量是由輸入脈沖的頻率與脈沖數(shù)所決定的。此類數(shù)控機床的信息流是單向的，即進(jìn)給脈沖發(fā)出去后，實際移動值不再反饋回來，所以稱為開環(huán)控制數(shù)控機床。3．按驅(qū)動裝置的特點分類35圖1-4開環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖圖1-4開環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖36(2）閉環(huán)控制數(shù)控機床。閉環(huán)數(shù)控機床是在機床移動部件上直接安裝直線位移檢測裝置，直接對工作臺的實際位移進(jìn)行檢測，將測量的實際位移值反饋到數(shù)控裝置中，與輸入的指令位移值進(jìn)行比較，用差值對機床進(jìn)行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，最終實現(xiàn)移動部件的精確運動和定位。從理論上講，閉環(huán)系統(tǒng)的運動精度主要取決于檢測裝置的檢測精度，與傳動鏈的誤差無關(guān)，因此其控制精度較高。圖1-5為閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。(2）閉環(huán)控制數(shù)控機床。閉環(huán)數(shù)控機床是在機床移動部件上37圖1-5閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖圖1-5閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖38(3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床。半閉環(huán)控制數(shù)控機床是在伺服電機的軸或數(shù)控機床的傳動絲杠上裝有角位移電流測量裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉(zhuǎn)角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數(shù)控裝置中去，并對誤差進(jìn)行修正。圖1-6為半閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖。圖中,A為速度傳感器，B為角度傳感器。通過A和B可間接檢測出伺服電機的轉(zhuǎn)速，從而推算出工作臺的實際位移量，將此值與指令值進(jìn)行比較，用差值來實現(xiàn)控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而稱為半閉環(huán)控制數(shù)控機床。(3）半閉環(huán)控制數(shù)控機床。半閉環(huán)控制數(shù)控機床是在伺服電39圖1-6半閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖圖1-6半閉環(huán)控制數(shù)控機床的系統(tǒng)框圖40(4）混合控制數(shù)控機床。將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合起來，就形成了混合控制數(shù)控機床?；旌峡刂茢?shù)控機床特別適用于大型或重型數(shù)控機床，因為大型或重型數(shù)控機床需要較高的進(jìn)給速度與相當(dāng)高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環(huán)控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環(huán)中，閉環(huán)調(diào)試比較復(fù)雜?；旌峡刂葡到y(tǒng)又分為兩種形式：開環(huán)補償型和半閉環(huán)補償型。圖1-7為開環(huán)補償型控制方式。它的基本控制選用步進(jìn)電機的開環(huán)伺服機構(gòu)，另外附加一個校正電路，用裝在工作臺的直線位移測量元件的反饋信號校正機械系統(tǒng)的誤差。(4）混合控制數(shù)控機床。將以上三類數(shù)控機床的特點結(jié)合41圖1-7開環(huán)補償型控制方式圖1-7開環(huán)補償型控制方式42圖1-8為半閉環(huán)補償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取得高精度控制，再用裝在工作臺的直線位移測量元件實現(xiàn)全閉環(huán)修正，以獲得高速度與高精度的統(tǒng)一。其中A是速度測量元件（如測速發(fā)電機），B是角度測量元件，C是直線位移測量元件。圖1-8為半閉環(huán)補償型控制方式。它是用半閉環(huán)控制方式取43圖1-8半閉環(huán)補償型控制方式圖1-8半閉環(huán)補償型控制方式441.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢

1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢從1952年美國麻省理工學(xué)院研制出第一臺試驗性數(shù)控系統(tǒng)到現(xiàn)在已走過了53年的歷程。數(shù)控系統(tǒng)由當(dāng)初的電子管式起步，經(jīng)歷了以下幾個發(fā)展階段：分立式晶體管式——小規(guī)模集成電路式——大規(guī)模集成電路式——小型計算機式——超大規(guī)模集成電路——微機式的數(shù)控系統(tǒng)。到20世紀(jì)80年代，總體的發(fā)展趨勢是：數(shù)控裝置由NC向CNC發(fā)展；廣泛采用32位CPU組成多微處理器系統(tǒng)；提高系統(tǒng)的集成度，縮小體積，采用模塊化結(jié)構(gòu)，便于裁剪、擴展和功能升級，滿足不同類型數(shù)控機床的需要；驅(qū)動裝置向交流、數(shù)字化方向發(fā)展；1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1．?dāng)?shù)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢45CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展；采用新型的自動編程系統(tǒng)；增強通信功能；數(shù)控系統(tǒng)的可靠性不斷提高。總之，數(shù)控機床技術(shù)不斷發(fā)展，功能越來越完善，使用越來越方便，可靠性越來越高，性能價格比也越來越高。CNC裝置向人工智能化方向發(fā)展；采用新型的自動編程系統(tǒng)；461）新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，推動了數(shù)控機床技術(shù)的更新?lián)Q代。世界上許多數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家利用PC機豐富的軟硬件資源開發(fā)開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)使數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性、適應(yīng)性、擴展性，并向智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。近幾年,許多國家紛紛研究開發(fā)這種系統(tǒng)，如美國科學(xué)制造中心（NCMS）與空軍共同領(lǐng)導(dǎo)的“下一代工作站、機床控制器體系結(jié)構(gòu)”NGC，歐共體的“自動化系統(tǒng)中開放式體系結(jié)構(gòu)”O(jiān)SACA，日本的OSEC計劃等。1）新一代數(shù)控系統(tǒng)采用開放式體系結(jié)構(gòu)47開發(fā)研究成果已得到應(yīng)用，如Cincinnati-Milacron公司從1995年開始在其生產(chǎn)的加工中心、數(shù)控銑床、數(shù)控車床等產(chǎn)品中采用了開放式體系結(jié)構(gòu)的A2100系統(tǒng)。開放式體系結(jié)構(gòu)可以大量采用通用微機的先進(jìn)技術(shù)，如多媒體技術(shù)，實現(xiàn)聲控自動編程、圖形掃描自動編程等功能。數(shù)控系統(tǒng)繼續(xù)向高集成度方向發(fā)展，每個芯片上可以集成更多個晶體管，使系統(tǒng)更加小型化、微型化,可靠性大大提高。利用多CPU的優(yōu)勢實現(xiàn)故障自動排除,可增強通信功能，提高進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)能力。開發(fā)研究成果已得到應(yīng)用，如Cincinnati-Mil48開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬、軟件和總線規(guī)范都是對外開放的，由于有充足的軟、硬件資源可供利用，不僅使數(shù)控系統(tǒng)制造商和用戶進(jìn)行的系統(tǒng)集成得到有力的支持，而且也為用戶的二次開發(fā)帶來了極大的方便，促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)多檔次、多品種的開發(fā)和廣泛應(yīng)用；它既可通過升檔或剪裁構(gòu)成各種檔次的數(shù)控系統(tǒng)，又可通過擴展構(gòu)成不同類型數(shù)控機床的數(shù)控系統(tǒng)。這種數(shù)控系統(tǒng)可隨CPU升級而升級，結(jié)構(gòu)上不必變動。開放式體系結(jié)構(gòu)的新一代數(shù)控系統(tǒng)，其硬、軟件和總線規(guī)范都是492）新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能大大提高數(shù)控系統(tǒng)在控制性能上向智能化發(fā)展。隨著人工智能在計算機領(lǐng)域的滲透和發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)引入了自適應(yīng)控制、模糊系統(tǒng)和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的控制機理，不但具有自動編程、前饋控制、模糊控制、學(xué)習(xí)控制、自適應(yīng)控制、工藝參數(shù)自動生成、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償?shù)裙δ?，而且人機界面極為友好，并具有故障診斷專家系統(tǒng)使自診斷和故障監(jiān)控功能更趨完善。伺服系統(tǒng)智能化的主軸交流驅(qū)動和智能化進(jìn)給伺服裝置，能自動識別負(fù)載并自動優(yōu)化調(diào)整參數(shù)。直線電機驅(qū)動系統(tǒng)已投入使用。2）新一代數(shù)控系統(tǒng)控制性能大大提高502．?dāng)?shù)控機床的發(fā)展趨勢1）高速、高效、高精度和高可靠性

（1）高速、高效。機床向高速化方向發(fā)展，可充分發(fā)揮現(xiàn)代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且還可提高零件的表面加工質(zhì)量和精度。超高速加工技術(shù)對制造業(yè)實現(xiàn)高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的生產(chǎn)有廣泛的適用性。2．?dāng)?shù)控機床的發(fā)展趨勢51（2）高精度。從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工業(yè)強國致力發(fā)展的方向。其精度從微米級到亞微米級，乃至納米級（<10nm）。超精密加工主要包括超精密切削（車、銑）、超精密磨削、超精密研磨拋光以及超精密特種加工（三束加工及微細(xì)電火花加工、微細(xì)電解加工和各種復(fù)合加工等）。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對超精密加工技術(shù)又提出了新的要求。新材料及新零件的出現(xiàn)，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工藝。只有發(fā)展新型超精密加工機床，完善現(xiàn)代超精密加工技術(shù)，才能適應(yīng)現(xiàn)代科技的發(fā)展。（2）高精度。從精密加工發(fā)展到超精密加工（特高精度加工52當(dāng)前，高精度的機械加工要求如下：普通的加工精度提高了一倍，達(dá)到5μm；精密加工精度提高了兩個數(shù)量級，超精密加工精度進(jìn)入納米級（0.001μm），主軸回轉(zhuǎn)精度要求達(dá)到0.01~0.05μm，加工圓度為0.1μm，加工表面粗糙度為0.003μm等。精密化是為了適應(yīng)高新技術(shù)發(fā)展的需要，也是為了提高普通機電產(chǎn)品的性能、質(zhì)量和可靠性。隨著高新技術(shù)的發(fā)展和對機電產(chǎn)品性能與質(zhì)量要求的提高，機床用戶對機床加工精度的要求也越來越高。為了滿足用戶的需要，近10多年來，普通級數(shù)控機床的加工精度已由±10μm提高到±5μm，精密級加工中心的加工精度則從±(3~5)μm提高到±(1~1.5)μm。當(dāng)前，高精度的機械加工要求如下：普通的加工精度提高了一倍53（3）高可靠性。它是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備的可靠性一個數(shù)量級以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是適度可靠，因為商品受性能價格比的約束。對于每天工作兩班的無人工廠而言，如果要求在16小時內(nèi)連續(xù)正常工作，無故障率P(t)＝99%以上的話，則數(shù)控機床的平均無故障運行時間(MTBF)就必須大于3000小時。MTBF大于3000小時，對于由不同數(shù)量的數(shù)控機床構(gòu)成的無人化工廠差別就大多了，若只對一臺數(shù)控機床而言，如主機與數(shù)控系統(tǒng)的失效率之比為10∶1的話（數(shù)控系統(tǒng)的可靠性比主機高一個數(shù)量級）。此時數(shù)控系統(tǒng)的MTBF就要大于33333.3小時，而其中的數(shù)控裝置、主軸及驅(qū)動等的MTBF就必須大于10萬小時。當(dāng)前,國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6000小時以上，驅(qū)動裝置達(dá)30000小時以上。（3）高可靠性。它是指數(shù)控系統(tǒng)的可靠性要高于被控設(shè)備542）模塊化、智能化、柔性化和集成化（1）模塊化、專門化與個性化。為了適應(yīng)數(shù)控機床多品種、小批量的特點，數(shù)控系統(tǒng)必須結(jié)構(gòu)模塊化，數(shù)控功能專門化。機床性能價格比必須提高并加快優(yōu)化,個性化是近幾年來特別明顯的發(fā)展趨勢。2）模塊化、智能化、柔性化和集成化55（2）智能化。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：①為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如自適應(yīng)控制，工藝參數(shù)自動生成。②為提高驅(qū)動性能及使用連接方便方面的智能化，如前饋控制、電機參數(shù)的自適應(yīng)運算、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等。③簡化編程、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程，智能化的人機界面等。④智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容，方便系統(tǒng)的診斷及維修等。（2）智能化。智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面56（3）柔性化和集成化。數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的趨勢是：從點（數(shù)控單機、加工中心和數(shù)控復(fù)合加工機床）、線（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段車間獨立制造、FA）、體（CIMS、分布式網(wǎng)絡(luò)集成制造系統(tǒng)）的方向發(fā)展。另一方面向注重應(yīng)用性和經(jīng)濟性方向發(fā)展。柔性自動化技術(shù)是制造業(yè)適應(yīng)動態(tài)市場需求及產(chǎn)品迅速更新的主要手段，是各國制造業(yè)發(fā)展的主流趨勢，是先進(jìn)制造領(lǐng)域的基礎(chǔ)技術(shù)。其重點是以提高系統(tǒng)的可靠性、實用化為前提，以易于聯(lián)網(wǎng)和集成為目標(biāo)；注重加強單元技術(shù)的開拓、完善；CNC單機向高精度、高速度和高柔性方向發(fā)展；數(shù)控機床及其構(gòu)成柔性制造系統(tǒng)能方便地與CAD、CAM、CAPP、MTS連接，向信息集成方向發(fā)展；網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)向開放、集成和智能化方向發(fā)展。（3）柔性化和集成化。數(shù)控機床向柔性自動化系統(tǒng)發(fā)展的573）開放性為適應(yīng)數(shù)控進(jìn)線、聯(lián)網(wǎng)、普及型個性化、多品種、小批量、柔性化及數(shù)控迅速發(fā)展的要求，最重要的發(fā)展趨勢是體系結(jié)構(gòu)的開放性，設(shè)計生產(chǎn)開放式的數(shù)控系統(tǒng)。例如美國、歐共體及日本發(fā)展開放式數(shù)控的計劃等。3）開放性584）出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備為適應(yīng)制造自動化的發(fā)展，向FMC、FMS和CIMS提供基礎(chǔ)設(shè)備，要求數(shù)字控制制造系統(tǒng)不僅能完成通常的加工功能，而且還要具備自動測量、自動上下料、自動換刀、自動更換主軸頭（有時帶坐標(biāo)變換）、自動誤差補償、自動診斷、進(jìn)線和連網(wǎng)等功能。新一代數(shù)控加工工藝和裝備的主要發(fā)展方向有：(1)FMC，F(xiàn)MSWebbased制造及無圖紙制造技術(shù)。4）出現(xiàn)新一代數(shù)控加工工藝與裝備59(2)圍繞數(shù)控技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機構(gòu)機床、機器人化機床、多功能機床等整機方面的運用，這種虛擬軸數(shù)控機床用軟件的復(fù)雜性代替?zhèn)鹘y(tǒng)機床機構(gòu)的復(fù)雜性，開拓了數(shù)控機床發(fā)展的新領(lǐng)域。(3)以計算機輔助管理和工程數(shù)據(jù)庫、因特網(wǎng)等為主體的信息支持技術(shù)和智能化決策系統(tǒng),對機械加工中的信息進(jìn)行存儲和實時處理。應(yīng)用數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得機械加工整個系統(tǒng)趨于資源合理支配并高效地應(yīng)用。(4)由于采用了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)、模糊控制技術(shù)、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得機械加工向虛擬制造的方向發(fā)展。(2)圍繞數(shù)控技術(shù)在快速成型、并聯(lián)機構(gòu)機床、機器人化機601.5制造自動化技術(shù)的發(fā)展概況1.5.1概述制造業(yè)是技術(shù)革新最迅速的領(lǐng)域之一。制造業(yè)對提高勞動生產(chǎn)率、產(chǎn)品質(zhì)量和加速新品開發(fā)的不斷追求，使得機械、電子、信息、材料及現(xiàn)代管理技術(shù)等方面的最新成果在產(chǎn)品的整個生命周期中得到綜合應(yīng)用，不斷產(chǎn)生先進(jìn)的制造技術(shù)。目前，先進(jìn)的制造技術(shù)主要包括設(shè)計自動化技術(shù)、現(xiàn)代管理技術(shù)、制造自動化技術(shù)、流程工業(yè)綜合自動化技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等。1.5制造自動化技術(shù)的發(fā)展概況1.5.1概述61制造自動化(以下簡稱自動化)的概念是一個動態(tài)發(fā)展的過程。過去，人們對自動化的理解或者說自動化的功能目標(biāo)是以機械的動作代替人力操作，自動地完成特定的作業(yè)。這實質(zhì)上是自動化代替人的體力勞動的觀點。后來隨著電子和信息技術(shù)的發(fā)展，特別是隨著計算機的出現(xiàn)和廣泛應(yīng)用，自動化的概念已擴展為用機器(包括計算機)不僅代替人的體力勞動而且還代替或輔助腦力勞動，以自動地完成特定的作業(yè)。制造自動化(以下簡稱自動化)的概念是一個動態(tài)發(fā)展的過程。621.5.2CAD/CAPP/CAM集成1.CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)的意義21世紀(jì)，高科技迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用。高科技之一的先進(jìn)制造技術(shù)已成為當(dāng)前制造業(yè)發(fā)展的重要技術(shù)保證。CAD／CAPP/CAM集成技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的核心基礎(chǔ)，它的發(fā)展與應(yīng)用已成為一個國家科技進(jìn)步和工業(yè)現(xiàn)代化的重要標(biāo)志。全球市場日趨一體化，市場競爭激烈、產(chǎn)品更新?lián)Q代加快、產(chǎn)品性能價格比越來越高，促使世界上許多國家和企業(yè)都把發(fā)展CAD／CAM技術(shù)確定為本國制造業(yè)的發(fā)展戰(zhàn)略，制定了很多計劃，借以推動CAD／CAM集成技術(shù)的開發(fā)與應(yīng)用。目前CAD／CAM集成技術(shù)已成為我國制造工業(yè)的熱點。1.5.2CAD/CAPP/CAM集成63

2．CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)產(chǎn)生的背景、過程20世紀(jì)60年代開始，CAD和CAM技術(shù)各自獨立地發(fā)展，國內(nèi)外先后開發(fā)了一批性能優(yōu)良相互獨立的商品化CAD、CAPP和CAM系統(tǒng)。它們分別在產(chǎn)品設(shè)計自動化、工藝過程設(shè)計自動化和數(shù)控編程自動化方面起到了重要的作用。這些系統(tǒng)提高了企業(yè)的生產(chǎn)效率，縮短了產(chǎn)品設(shè)計與制造周期，適應(yīng)了市場的需求。經(jīng)集成的CAD、CAPP、CAM系統(tǒng)，即“孤島”之間的信息傳輸依賴于工程圖樣和工藝規(guī)程等有關(guān)技術(shù)文檔，由手工將這些文檔通過鍵盤輸入至各個“孤島”的計算機。2．CAD/CAPP/CAM集成技術(shù)產(chǎn)生的背景、過程64采用人工傳遞信息的方法，“孤島”之間的信息傳遞效率較低，因數(shù)據(jù)量不能過多，所以會造成信息不完整，準(zhǔn)確度差，無法進(jìn)行實時控制。解決的辦法是借助于計算機來輔助企業(yè)生產(chǎn)的全過程，包括產(chǎn)品的設(shè)計，并將有關(guān)產(chǎn)品信息存放于數(shù)據(jù)庫中。使產(chǎn)品信息成為制造產(chǎn)品的重要依據(jù)，例如：(1）用來制訂工藝規(guī)程和生產(chǎn)作業(yè)計劃。采用人工傳遞信息的方法，“孤島”之間的信息傳遞效率較低，65(2)組織各項制造活動，包括及時備料和物料的采購，及時向機床提供毛坯和所需的工夾量具。(3）同時編制完成零件加工用的數(shù)控程序，并傳輸給加工機床。(4）加工和裝配時，實時檢測出加工、裝配和物料搬運中的有關(guān)數(shù)據(jù)，并反饋給計算機系統(tǒng)，進(jìn)行監(jiān)控和工藝過程的自動校正。上述過程就是所謂的CAD／CAM集成系統(tǒng)。在此系統(tǒng)的支持下，CAD、CAPP、CAM之間的數(shù)據(jù)和信息能夠自動地傳遞和轉(zhuǎn)換，保證了系統(tǒng)內(nèi)信息的暢通無阻，使各個子系統(tǒng)能協(xié)調(diào)高效地運行。(2)組織各項制造活動，包括及時備料和物料的采購，及時66

3．CAD/CAM系統(tǒng)的組成CAD/CAM系統(tǒng)基本上由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩部分組成。1）系統(tǒng)軟件系統(tǒng)軟件用于實現(xiàn)計算機系統(tǒng)的管理、控制、調(diào)度、監(jiān)視和服務(wù)。它是應(yīng)用軟件的開發(fā)環(huán)境(內(nèi)容有操作系統(tǒng)、程序設(shè)計語言處理系統(tǒng)、服務(wù)性程序等)。它與計算機硬件直接聯(lián)系，可為用戶提供方便，也可擴充用戶計算機功能。3．CAD/CAM系統(tǒng)的組成672）管理軟件管理軟件負(fù)責(zé)CAD／CAM系統(tǒng)中生成的各類數(shù)據(jù)的組織和管理。通常采用數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)進(jìn)行管理。它是CAD／CAM軟件系統(tǒng)的核心。3）支撐軟件支撐軟件是CAD／CAM的基礎(chǔ)軟件，它包括工程繪圖、三維實體造型、曲面造型、有限元分析、數(shù)控編程、系統(tǒng)運行學(xué)與動力學(xué)模擬分析等。它以系統(tǒng)軟件為基礎(chǔ)，用于開發(fā)CAD／CAM應(yīng)用軟件所必需的通用軟件。目前市場上出售的大部分軟件是支撐軟件。2）管理軟件684）應(yīng)用軟件應(yīng)用軟件是為用戶解決某種應(yīng)用問題而編制的一些程序。軟件應(yīng)用范圍為各個領(lǐng)域?qū)Ｓ?。其軟件開發(fā)一般由用戶或用戶與研究機構(gòu)在系統(tǒng)軟件與支撐軟件的基礎(chǔ)上聯(lián)合開發(fā)。4）應(yīng)用軟件694.CAD/CAM系統(tǒng)流程CAD／CAM系統(tǒng)的基本構(gòu)成如圖1-9所示。圖1-9CAD/CAM系統(tǒng)的基本構(gòu)成4.CAD/CAM系統(tǒng)流程圖1-9CAD/CAM系70

5．CAD／CAM系統(tǒng)的集成1）CAD／CAM系統(tǒng)集成的概念CAD／CAM系統(tǒng)集成信息背景定義是指設(shè)計與制造過程中，CAD、CAPP和NCP三個主要環(huán)節(jié)的軟件集成，有時也叫CAD／CAPP／CAM集成。CAM的廣義概念：CAM應(yīng)包括從工藝過程設(shè)計、夾具設(shè)計到加工、在線檢測、加工過程中的故障診斷、裝配以及車間生產(chǎn)計劃調(diào)度等制造過程的全部環(huán)節(jié)。5．CAD／CAM系統(tǒng)的集成71CAD／CAM系統(tǒng)集成的具體定義是把CAD、CAE、CAPP、NCP，以至PPC(生產(chǎn)計劃與控制)等功能不同的軟件結(jié)合起來，統(tǒng)一組織各種信息的提取、交換、共享和處理，保證系統(tǒng)內(nèi)信息流的暢通，協(xié)調(diào)各個系統(tǒng)的運行。CAD／CAM集成的最顯著特點是與生產(chǎn)管理和質(zhì)量管理有機地集成在一起，通過生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集和信息流形成一個閉環(huán)系統(tǒng)。CAD／CAM的集成作用是制造業(yè)邁向CIM的基礎(chǔ)。CAD／CAM系統(tǒng)集成的具體定義是把CAD、CAE、C722)CAD／CAM系統(tǒng)三個方面的集成(1)硬件集成：CAD系統(tǒng)網(wǎng)和CAM系統(tǒng)網(wǎng)互連。(2)信息集成：CAD／CAM系統(tǒng)雙向數(shù)據(jù)共享與集成。(3)功能集成：指PDMS(產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理系統(tǒng))。它是CAD／CAM集成的核心。通過PDMS可以實現(xiàn)CAD／CAM的數(shù)據(jù)共享與集成。2)CAD／CAM系統(tǒng)三個方面的集成733）CAD／CAM系統(tǒng)的集成方法CAD／CAM系統(tǒng)主要有以下幾種集成方法：（1）基于數(shù)據(jù)交換接口的方法。這種方法通過標(biāo)準(zhǔn)格式(IGES，STEP)數(shù)據(jù)交換接口來實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享。所謂IGES，即原始圖形數(shù)據(jù)交換規(guī)范，以圖形描述數(shù)據(jù)為主。（已不適應(yīng)信息集成發(fā)展的需要）。STEP克服了IGES的缺點，它是由ISO制定的一個進(jìn)行產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換與實現(xiàn)共享的國際標(biāo)準(zhǔn)。（2）基于特征的方法。該方法通過引入特征的概念，建立特征造型系統(tǒng)，以特征為橋梁完成系統(tǒng)的信息集成；基于特征的產(chǎn)品建模，把特征作為產(chǎn)品定義模型的基本構(gòu)造單元，并將產(chǎn)品描述為特征的有機集合。3）CAD／CAM系統(tǒng)的集成方法74（3）面向并行工程的方法。在設(shè)計階段就進(jìn)行工藝分析和設(shè)計，并在整個過程中貫穿著質(zhì)量控制和價格控制，使集成達(dá)到更高的程度。在設(shè)計產(chǎn)品的同時，同步地設(shè)計與產(chǎn)品生命周期有關(guān)的全部過程，包括設(shè)計、分析、制造、裝配、檢驗、維護等。在每一個設(shè)計階段同時考慮設(shè)計結(jié)果能否在現(xiàn)有的制造環(huán)境中以最優(yōu)的方式制造，整個設(shè)計過程是一個并行的動態(tài)設(shè)計過程。（3）面向并行工程的方法。在設(shè)計階段就進(jìn)行工藝分析和設(shè)75

6．CAD／CAM集成的體系結(jié)構(gòu)現(xiàn)有的或正在開發(fā)的CAD／CAM系統(tǒng)可分為下述三種類型。1）傳統(tǒng)型系統(tǒng)這類系統(tǒng)有I-DEAS、VG-Ⅱ、CADAM、CATIA、CADDS等較著名的系統(tǒng)。這些系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)上是以某種應(yīng)用功能(如工程繪圖)為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，后來逐漸將其功能擴充到CAD／CAM的其他鄰域。6．CAD／CAM集成的體系結(jié)構(gòu)76如I-DEAS是美國SDRC公司開發(fā)的CAD/CAM軟件。國外如波音、索尼、三星、現(xiàn)代、福特等公司均是SDRC公司的大客戶和合作伙伴。該軟件是高度集成化的CAD/CAE/CAM軟件系統(tǒng)。它幫助工程師以極高的效率，完成從產(chǎn)品設(shè)計、仿真分析、測試直至數(shù)控加工的產(chǎn)品研發(fā)全過程。它是全世界制造業(yè)用戶廣泛應(yīng)用的大型CAD/CAE/CAM軟件。它可以方便地仿真刀具及機床的運動，從簡單的2軸、2.5軸加工到以7軸5聯(lián)動方式來加工極為復(fù)雜的工件表面，并可以對數(shù)控加工過程進(jìn)行自動控制和優(yōu)化。如I-DEAS是美國SDRC公司開發(fā)的CAD/CAM軟件772）改進(jìn)型系統(tǒng)這類系統(tǒng)是20世紀(jì)80年代中期發(fā)展起來的，如CIMPLEX、Pro／ENGINEER等。這些系統(tǒng)提高了某些功能的自動化程度。又如參數(shù)化特征設(shè)計、系統(tǒng)數(shù)據(jù)與文件管理、數(shù)據(jù)加工程序（NC程序）的自由生成等。2）改進(jìn)型系統(tǒng)783）數(shù)據(jù)驅(qū)動型系統(tǒng)這是正在發(fā)展中的新一代CAD／CAM集成系統(tǒng)。其基本出發(fā)點是：從解決產(chǎn)品整個生命周期的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型出發(fā)，尋求產(chǎn)品數(shù)據(jù)完全實現(xiàn)交換和共享的途徑。這類系統(tǒng)采用STEP產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一的系統(tǒng)信息結(jié)構(gòu)設(shè)計和系統(tǒng)功能設(shè)計。3）數(shù)據(jù)驅(qū)動型系統(tǒng)79

7．CAD／CAM系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用效益評價國外推廣CAD／CAM技術(shù)是在20世紀(jì)70年代。美國科學(xué)研究院的工程技術(shù)委員會曾對CAD／CAM集成技術(shù)所取得的效益做過一個測算，其所得數(shù)據(jù)如下：(1)降低工程設(shè)計成本15％～30％。(2)減少產(chǎn)品設(shè)計到投產(chǎn)的時間30％～60％。(3)由于較準(zhǔn)確地預(yù)測了產(chǎn)品的合格率而提高了產(chǎn)品的質(zhì)量，其預(yù)測量級提高了2～5倍。7．CAD／CAM系統(tǒng)的推廣與應(yīng)用效益評價80(4)增加工程師分析問題廣度和深度的能力3～35倍。(5)增加產(chǎn)品作業(yè)生產(chǎn)率40％～70％。(6)減少加工過程30％～60％。(7)降低人力成本5％～20％。國內(nèi)推廣CAD／CAM技術(shù)是在20世紀(jì)90年代。1992年國務(wù)院轉(zhuǎn)批了《CAD應(yīng)用工程聯(lián)合報告》，成立了全國CAD應(yīng)用工程協(xié)調(diào)指導(dǎo)小組，促使全國CAD／CAM的開發(fā)推廣走上一條適合國情健康發(fā)展的道路。(4)增加工程師分析問題廣度和深度的能力3～35倍。811.5.3計算機集成制造系統(tǒng)1．計算機集成制造系統(tǒng)的概念1973年美國的約瑟夫.哈林頓（JosephHarrington）博士在《ComputerIntegratedManufacturing》一書中，首次提出了計算機集成制造系統(tǒng)（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的概念，其基本思想可歸納為兩點：①從產(chǎn)品研制到售后服務(wù)的生產(chǎn)周期全部活動是一個不可分割的整體，每個組成過程應(yīng)緊密連接安排而不能單獨考慮。②整個生產(chǎn)過程的活動，實質(zhì)上是一系列數(shù)據(jù)處理過程。每一過程都有數(shù)據(jù)產(chǎn)生、分類、傳輸、分析、加工等，其最終生成的產(chǎn)品，可以看作是數(shù)據(jù)的物質(zhì)表現(xiàn)。1.5.3計算機集成制造系統(tǒng)82此后，許多專家對CIM提出各種認(rèn)識，但是，到目前為止，還沒有形成一個對CIM公認(rèn)的、統(tǒng)一的定義。根據(jù)CIM概念提出后20多年來的研究與實踐，可以對它作如下理解：CIM是一種現(xiàn)代信息技術(shù)、管理技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)，它對生產(chǎn)企業(yè)從產(chǎn)品設(shè)計、生產(chǎn)準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理、加工制造、直到產(chǎn)品發(fā)貨與用戶服務(wù)的整個生產(chǎn)過程的信息進(jìn)行統(tǒng)一管理、控制，以優(yōu)化企業(yè)生產(chǎn)活動，提高企業(yè)效益與市場競爭力的思想方法或生產(chǎn)模式。此后，許多專家對CIM提出各種認(rèn)識，但是，到目前為止，83

2．CIMS與工廠自動化（FactoryAutomation,FA）兩者雖然有許多共同點，但兩者又有本質(zhì)的區(qū)別。(1）在功能上:CIMS包含了一個企業(yè)全部生產(chǎn)經(jīng)營活動的功能，即從市場預(yù)測、產(chǎn)品設(shè)計、加工制造直到產(chǎn)品售后服務(wù)的全部活動。CIMS比傳統(tǒng)的工廠自動化的范圍要大得多。2．CIMS與工廠自動化（FactoryAutoma84(2）在組成上:CIMS涉及的自動化不是工廠各環(huán)節(jié)的自動化或計算機化的簡單相加，而是有機的集成。它不僅是設(shè)備、機器的集成，更主要的是以體現(xiàn)信息集成為特征的技術(shù)集成，創(chuàng)造整體配合協(xié)作的環(huán)境，將各子系統(tǒng)緊密集成為一個整體。(2）在組成上:CIMS涉及的自動化不是工廠各環(huán)節(jié)的85

3．CIMS的特征CIMS的特點可以歸納為以下四個方面：(1）從科學(xué)技術(shù)、創(chuàng)造發(fā)明來說，CIMS是高科技密集型技術(shù)，是系統(tǒng)工程、管理科學(xué)、計算技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件工程和制造技術(shù)等高新技術(shù)的高度綜合體。(2）從制造業(yè)的生產(chǎn)管理和經(jīng)營管理來看，CIMS是一個大型的一體化的管理系統(tǒng)。由于CIMS將市場分析、預(yù)測、經(jīng)營決策、產(chǎn)品設(shè)計、工藝設(shè)計、加工制造和銷售、經(jīng)營集成為一個良性循環(huán)系統(tǒng)，因此增強了企業(yè)的應(yīng)變和競爭能力。3．CIMS的特征86(3）從數(shù)據(jù)的共享來看，CIMS將物流、技術(shù)信息流和管理信息流集成為一體。它使企業(yè)中的數(shù)據(jù)共享達(dá)到了一個嶄新的水平。(4）從管理技術(shù)和方法上來看，CIMS將MIS、MRPⅡ、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助工藝計劃、計算機輔助制造、成組技術(shù)等技術(shù)集成了起來。(3）從數(shù)據(jù)的共享來看，CIMS將物流、技術(shù)信息流和87

4．CIMS的功能與組成1）功能CIMS的功能包括四個功能分系統(tǒng)與兩個支撐系統(tǒng),分別如下：（1）經(jīng)營管理功能，通過對經(jīng)營信息及管理控制層的業(yè)務(wù)性信息進(jìn)行管理，來控制和協(xié)調(diào)企業(yè)的生產(chǎn)活動。（2）工程設(shè)計自動化用以支持產(chǎn)品的設(shè)計和工藝準(zhǔn)備。（3）生產(chǎn)制造自動化用以支持企業(yè)的制造功能。（4）質(zhì)量保證自動化用以控制產(chǎn)品質(zhì)量。4．CIMS的功能與組成88(5)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用以實現(xiàn)CIMS的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通信功能，從而滿足各功能分系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)支持服務(wù)的不同要求。(6)數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)用以實現(xiàn)CIMS的數(shù)據(jù)共享和信息集成。(5)計算機網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)用以實現(xiàn)CIMS的數(shù)據(jù)傳遞和系統(tǒng)通892）組成制造型企業(yè)CIMS的組成是上述功能結(jié)構(gòu)企業(yè)中的具體化，四方面功能中包括一些功能模塊。（1）管理信息分系統(tǒng)（ManagementInformationSystem,MIS）包括經(jīng)營管理、生產(chǎn)計劃與控制、采購管理、財務(wù)管理等功能，與MRPⅡ系統(tǒng)相似。（2）技術(shù)信息分系統(tǒng)包括計算機輔助設(shè)計（ComputerAidedDesign,CAD）、計算機輔助工藝規(guī)程編制（ComputerAidedProcessPlanning,CAPP）和數(shù)控程序編制（NumericalControlProgrammed,NCP）等功能，用以支持產(chǎn)品的設(shè)計和工藝準(zhǔn)備，處理有關(guān)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方面的信息。2）組成90（3）制造自動化分系統(tǒng)，也可稱為計算機輔助制造（ComputerAidedManufacture,CAM）分系統(tǒng)，它包括各種不同自動化程度的制造設(shè)備和子系統(tǒng)，如數(shù)控機床，柔性制造單元，柔性制造系統(tǒng)、裝配系統(tǒng)、進(jìn)貨管理系統(tǒng)、運輸管理系統(tǒng)、設(shè)備維修系統(tǒng)等，用來實現(xiàn)信息流對物流的控制和完成物流的轉(zhuǎn)換。它是信流和物流的接合部，用來支持企業(yè)的制造功能。（4）計算機輔助質(zhì)量管理（ContputerAidedQualityControl,CAQ）分系統(tǒng)具有制定質(zhì)量管理計劃，實施質(zhì)量管理、處理質(zhì)量方面信息、支持質(zhì)量保證等功能。（3）制造自動化分系統(tǒng)，也可稱為計算機輔助制造（Com915．CIMS實施的效益根據(jù)許多資料分析，CIMS取得效益主要在如下方面：(1）提高設(shè)備利用率。(2）降低直接和間接勞動強度。(3）縮短制造周期。(4）加工中使用設(shè)備較少。(5）生產(chǎn)計劃具有可調(diào)性。5．CIMS實施的效益92以上這些效果直接表現(xiàn)在產(chǎn)品成本的降低、生產(chǎn)周期的縮短和產(chǎn)品質(zhì)量的提高等直接經(jīng)濟效益上。CIMS的實施還可以帶來一系列重要的、間接的、不可定量計算的效果。如提高了企業(yè)的市場競爭能力，提高了顧客的滿意度，保證了均衡生產(chǎn)，加快了產(chǎn)品更新?lián)Q代周期、交貨期準(zhǔn)時，改善了企業(yè)形象，提高了人員素質(zhì)，改善了人員結(jié)構(gòu)和員工工作氣氛。因此，實施CIMS已成為現(xiàn)代企業(yè)發(fā)展的一個方向。以上這些效果直接表現(xiàn)在產(chǎn)品成本的降低、生產(chǎn)周期的縮短和產(chǎn)931.5.4柔性制造系統(tǒng)1．柔性制造系統(tǒng)的組成典型的柔性制造系統(tǒng)由數(shù)字控制加工設(shè)備、物料儲運系統(tǒng)和信息控制系統(tǒng)組成。為了實現(xiàn)制造系統(tǒng)的柔性,FMS必須包括下列組成部分。(1）加工系統(tǒng)。柔性制造系統(tǒng)采用的設(shè)備由待加工工件的類別決定,主要有加工中心、車削中心或計算機數(shù)控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機床等,用以自動完成多種工序的加工。1.5.4柔性制造系統(tǒng)94(2）物料系統(tǒng)。物料系統(tǒng)用以實現(xiàn)工件及工裝夾具的自動供給和裝卸以及完成工序間的自動傳送、調(diào)運和存儲工作,包括各種傳送帶、自動導(dǎo)引小車、工業(yè)機器人及專用起吊運送機等。(3）計算機控制系統(tǒng)。計算機控制系統(tǒng)用以處理柔性制造系統(tǒng)的各種信息,輸出數(shù)控CNC機床和物料系統(tǒng)等自動操作所需的信息。通常采用三級(設(shè)備級、工作站級、單元級)分布式計算機控制系統(tǒng),其中單元級控制系統(tǒng)(單元控制器)是柔性制造系統(tǒng)的核心。(2）物料系統(tǒng)。物料系統(tǒng)用以實現(xiàn)工件及工裝夾具的自動95(4）系統(tǒng)軟件。系統(tǒng)軟件用以確保柔性制造系統(tǒng)有效地適應(yīng)中小批量多品種生產(chǎn)的管理、控制及優(yōu)化工作，包括設(shè)計規(guī)劃軟件、生產(chǎn)過程分析軟件、生產(chǎn)過程調(diào)度軟件、系統(tǒng)管理和監(jiān)控軟件。(4）系統(tǒng)軟件。96

2．柔性制造系統(tǒng)的分類

按規(guī)模大小,柔性制造系統(tǒng)FMS可分為如下三類：(1）柔性制造單元(FMC)。FMC由單臺帶多托盤系統(tǒng)的加工中心或三臺以下的CNC機床組成,具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC的柔性最高。(2）柔性制造線(FML)。FML是處于非柔性自動線和FMS之間的生產(chǎn)線,對物料系統(tǒng)的柔性要求低于FMS，但生產(chǎn)效率更高。2．柔性制造系統(tǒng)的分類97(3）柔性制造系統(tǒng)(FMS)。FMS通常包括三臺以上的CNC機床(或加工中心),由集中的控制系統(tǒng)及物料系統(tǒng)連接起來,可在不停機情況下實現(xiàn)多品種、中小批量的加工管理。FMS是使用柔性制造技術(shù)最具代表性的制造自動化系統(tǒng)。(3）柔性制造系統(tǒng)(FMS)。FMS通常包括三臺以上98

3．柔性制造系統(tǒng)的效用

采用FMS的主要技術(shù)經(jīng)濟效果是：能按裝配作業(yè)配套需要，及時安排所需零件的加工，實現(xiàn)及時生產(chǎn)，從而減少毛坯和在制品的庫存量及相應(yīng)的流動資金占用量，縮短生產(chǎn)周期；提高設(shè)備的利用率，減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積；減少直接勞動力，在少數(shù)人看管條件下可實現(xiàn)24小時晝夜地連續(xù)無人化生產(chǎn)，也可提高產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。3．柔性制造系統(tǒng)的效用99

4．柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展方向柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展方向如下：(1）加快發(fā)展各種工藝內(nèi)容的柔性制造單元和小型FMS。因為FMC的投資比FMS少得多而且效果相仿，所以它更適合于財力有限的中小型企業(yè)。多品種、大批量生產(chǎn)中應(yīng)用FML的發(fā)展趨勢是用價格低廉的專用數(shù)控機床代替通用的加工中心。(2）完善FMS的自動化功能。FMS完成的作業(yè)內(nèi)容擴大，由早期單純的機械加工型向焊接、裝配、檢驗及鈑材加工乃至鑄鍛等綜合性領(lǐng)域發(fā)展。另外，F(xiàn)MS還要與計算機輔助設(shè)計和輔助制造技術(shù)(CAD/CAM)相結(jié)合，向全盤自動化工廠方向發(fā)展。4．柔性制造系統(tǒng)的發(fā)展方向1001.5.5智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)智能制造是在制造生產(chǎn)的各個環(huán)節(jié)中，以一種高度柔性和高度集成的方式，應(yīng)用智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)進(jìn)行制造的生產(chǎn)模式。智能制造系統(tǒng)是一種由智能機器和人類專家共同組成的人機一體化智能系統(tǒng)。它在制造過程中，通過計算機模擬人類專家的智能活動，進(jìn)行諸如分析、推理、判斷、構(gòu)思和決策等活動，旨在取代或延伸制造環(huán)境中人的部分腦力勞動，并對人類專家的制造智能進(jìn)行收集、存儲、完善、共享、繼承和發(fā)展；智能制造技術(shù)的宗旨在于通過人與智能機器的合作共事，去擴大、延伸和部分地取代人類專家在制造過程中的腦力勞動，以實現(xiàn)制造過程的優(yōu)化。智能制造可實現(xiàn)決策自動化的優(yōu)勢使其能很好地與未來制造生產(chǎn)的知識密集型特征相吻合，實現(xiàn)“制造智能”和制造技術(shù)的“智能化”。智能制造將是未來制造自動化發(fā)展的重要方向。1.5.5智能制造技術(shù)和智能制造系統(tǒng)101與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特征：(1）自律能力。它具有搜集與理解環(huán)境信息和自身的信息，并進(jìn)行分析判斷和規(guī)劃自身行為的能力。具有自律能力的設(shè)備稱為“智能機器”?！爸悄軝C器”在一定程度上表現(xiàn)出獨立性、自主性和個性，甚至相互間還能協(xié)調(diào)運作與競爭。強有力的知識庫和基于知識的模型是自律能力的基礎(chǔ)。與傳統(tǒng)的制造系統(tǒng)相比，智能制造系統(tǒng)具有以下特征：102(2）人機一體化。IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是人機一體化智能系統(tǒng)，是一種混合智能。基于人工智能的智能機器只能進(jìn)行機械式的推理、預(yù)測、判斷，它只能具有邏輯思維（專家系統(tǒng)），最多做到形象思維（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)），而做不到靈感（頓悟）思維，只有人類專家才能同時具備以上三種思維能力。因此，想以人工智能全面取代制造過程中人類專家的智能，獨立承擔(dān)起分析、判斷、決策等任務(wù)是不現(xiàn)實的。人機一體化一方面突出了人在制造系統(tǒng)中的核心地位，同時在智能機器的配合下，更好地發(fā)揮出人的潛能，使人機之間表現(xiàn)出一種平等共事、相互“理解”、相互協(xié)作的關(guān)系，使二者在不同的層次上能各顯其能，相輔相成。(2）人機一體化。IMS不單純是“人工智能”系統(tǒng)，而是103(3）虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）技術(shù)。這是實現(xiàn)虛擬制造的支持技術(shù)，也是實現(xiàn)高水平人機一體化的關(guān)鍵技術(shù)之一。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是以計算機為基礎(chǔ)，融信號處理、動畫技術(shù)、智能推理、預(yù)測、仿真和多媒體技術(shù)為一體，借助各種音像和傳感裝置，虛擬展示現(xiàn)實生活中的各種過程、物件等，因而也能模擬實際制造過程和未來的產(chǎn)品，從感官和視覺上使人獲得完全如同真實的感受。但其特點是可以按照人們的意愿任意變化，這種人機結(jié)合的新一代智能界面，是智能制造的一個顯著特征。(3）虛擬現(xiàn)實（VirtualReality）技術(shù)。104(4）自組織與超柔性。智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依據(jù)工作任務(wù)的需要，自行組成一種最佳結(jié)構(gòu)，其柔性不僅表現(xiàn)在運行方式上，而且表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)形式上，所以稱這種柔性為超柔性，如同一群人類專家組成的群體，具有生物特征。(4）自組織與超柔性。智能制造系統(tǒng)中的各組成單元能夠依105(5）學(xué)習(xí)能力與自我維護能力。智能制造系統(tǒng)能夠在實踐中不斷地充實知識庫，具有自學(xué)習(xí)功能。同時，在運行過程中自行故障診斷，并具備對故障自行排除、自行維護的能力。這種特征使智能制造系統(tǒng)能夠自我優(yōu)化并適應(yīng)各種復(fù)雜的環(huán)境。(5）學(xué)習(xí)能力與自我維護能力。智能制造系統(tǒng)能夠在實踐106綜上所述，可以看出智能制造作為一種模式，它是集自動化、柔性化、集成化和智能化于一身，并不斷向縱深發(fā)展的高技術(shù)含量和高技術(shù)水平的先進(jìn)制造系統(tǒng)。它需要投入巨大的科研力量去突破一個個技術(shù)難點。目前，研究的重點涉足四個層次，即虛擬企業(yè)、分布式智能系統(tǒng)、并行工程和代理結(jié)構(gòu)。但同時也應(yīng)看到，這是一個人機一體化智能系統(tǒng)，只要不是單純追求人工智能，而是注重人的智能和機器智能的有效結(jié)合，這樣的系統(tǒng)就有可能實現(xiàn)。當(dāng)然，這種實現(xiàn)是一個從初級到高級的發(fā)展過程。最后，需強調(diào)指出，隨著知識經(jīng)濟的發(fā)展，知識將作為主要的經(jīng)濟稟賦，智能產(chǎn)品的價值日益攀升，智能制造模式將會成為下一代重要的生產(chǎn)模式。綜上所述，可以看出智能制造作為一種模式，它是集自動化、107思考與練習(xí)題1．?dāng)?shù)控技術(shù)有哪些特點？2．?dāng)?shù)控機床由哪幾部分組成？各部分有什么作用？3．什么是點位控制、點位/直線控制和輪廓控制？4．簡述數(shù)控機床的分類。5．?dāng)?shù)控技術(shù)的主要發(fā)展方向是什么？6．簡述數(shù)控機床的發(fā)展趨勢。7．柔性制造系統(tǒng)由哪幾部分組成？每個部分的主要功能是什么？8．什么是計算機集成制造系統(tǒng)？它由哪幾個部分組成？思考與練習(xí)題1．?dāng)?shù)控技術(shù)有哪些特點？108第1章緒論1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念

1.2數(shù)控機床的組成與工作原理

1.3數(shù)控機床的分類1.4數(shù)控機床的發(fā)展趨勢1.5制造自動化技術(shù)的發(fā)展概況思考與練習(xí)題

第1章緒論1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念1091.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念

數(shù)字控制（NumericalControl,簡稱NC）技術(shù)，簡稱數(shù)控技術(shù)，是使用數(shù)字化信息按給定的工作程序、運動軌跡和速度，對控制對象進(jìn)行控制的一種技術(shù)。數(shù)字控制系統(tǒng)中的控制信息是數(shù)字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等機械量，也可以是溫度、壓力、流量、顏色等物理量。這些量的大小不僅可以測量，而且可經(jīng)A/D或D/A轉(zhuǎn)換，用數(shù)字信號表示。采用了數(shù)控技術(shù)的設(shè)備稱為數(shù)控設(shè)備。其操作命令是用數(shù)字或數(shù)字代碼的形式來描述，工作過程是按指令程序自動進(jìn)行。數(shù)控機床就是一種典型的數(shù)控設(shè)備，它是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的金屬切削機床。

1.1機床數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)字控制（Numeric110數(shù)控技術(shù)綜合運用了微電子、計算機、自動控制、精密測量、機械設(shè)計與制造等技術(shù)的最新成果。它具有動作順序的程序自動控制，位移和相對位置坐標(biāo)的自動控制，速度、轉(zhuǎn)速及各種輔助功能的自動控制等功能。數(shù)控技術(shù)具有以下特點：(1)生產(chǎn)率高。

(2)加工精度高。

(3)柔性和通用性增強。

(4)可靠性高。

數(shù)控技術(shù)綜合運用了微電子、計算機、自動控制、精密測量、1111.2數(shù)控機床的組成與工作原理

1.2.1數(shù)控機床的組成數(shù)控機床一般由輸入／輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動裝置、輔助控制裝置和機床（或稱裸機）等五部分組成，

如圖1-1所示。

1.2數(shù)控機床的組成與工作原理1.2.1數(shù)控機床的組成112圖1-1數(shù)控機床的組成圖1-1數(shù)控機床的組成113

1．程序編制及程序載體數(shù)控程序是數(shù)控機床自動加工零件的工作指令。在對加工零件進(jìn)行工藝分析的基礎(chǔ)上，確定零件坐標(biāo)系在機床坐標(biāo)系上的相對位置，即零件在機床上的安裝位置，刀具與零件相對運動的尺寸參數(shù)，零件加工的工藝路線、切割加工的工藝參數(shù)以及輔助裝置的動作等。得到零件的所有運動、尺寸、工藝參數(shù)等加工信息后，用有文字、數(shù)字和符號組成的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)控代碼，按規(guī)定的方法和格式，編制零件加工的數(shù)控程序。編制程序的工作可由人工進(jìn)行。對于形狀復(fù)雜的零件，則要在專用的編程機或通用計算機上使用CAD／CAM軟件進(jìn)行自動編程。1．程序編制及程序載體114

2．輸入裝置輸入裝置的作用是將程序載體上的數(shù)控代碼傳遞并存入數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)。編好的數(shù)控程序，可通過光電閱讀機、磁帶機等輸入裝置存儲到載體上。目前，隨著CAD/CAM、CIMS技術(shù)的發(fā)展，越來越多地采用串行通信方式進(jìn)行程序的傳輸。為了便于加工程序的編輯修改、模擬顯示，數(shù)控系統(tǒng)通過顯示器為操作人員提供必要的信息界面。較簡單的顯示器只有若干個數(shù)碼管，只能顯示字符；較高級的系統(tǒng)一般配有CRT顯示器或液晶顯示器，

可以顯示圖形。

2．輸入裝置115

3．?dāng)?shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控機床的核心。數(shù)控裝置從內(nèi)部存儲器中取出或接受輸入裝置送來的一段或幾段數(shù)控加工程序，經(jīng)過數(shù)控裝置的邏輯電路或系統(tǒng)軟件進(jìn)行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種控制信息和指令，控制機床各部分的工作，

使其進(jìn)行規(guī)定的有序運動和動作。

3．?dāng)?shù)控裝置116在數(shù)控裝置的各項控制功能中，至關(guān)重要的是刀具相對于工件的運動軌跡的控制。零件的輪廓圖形通常是由直線、圓弧或其他非圓弧曲線組成，刀具在加工過程中必須按零件的形狀和尺寸要求進(jìn)行運動，即按圖形軌跡移動。為此，數(shù)控系統(tǒng)要進(jìn)行軌跡插補運算，也就是在線段的起點和終點坐標(biāo)之間進(jìn)行“數(shù)據(jù)點的密化”，求出一系列中間點的坐標(biāo)值，并向相應(yīng)的坐標(biāo)輸出脈沖信號，控制沿各坐標(biāo)軸進(jìn)給運動的執(zhí)行元件的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量等。

在數(shù)控裝置的各項控制功能中，至關(guān)重要的是刀具相對于工件的1174．伺服驅(qū)動裝置伺服驅(qū)動裝置通過接收數(shù)控裝置發(fā)出的速度和位置信息，控制伺服電機的運動速度和方向。它一般由驅(qū)動電路和伺服電動機組成，并與機床上的進(jìn)給傳動鏈組成數(shù)控機床的進(jìn)給系統(tǒng)。每個坐標(biāo)軸方向都配有一套伺服驅(qū)動裝置，根據(jù)是否配有位置檢測及反饋裝置，可以分為開環(huán)、

半閉環(huán)和閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。

4．伺服驅(qū)動裝置1185．輔助控制裝置輔助控制裝置是介于數(shù)控裝置和機床機械、液壓部件之間的控制裝置，可通過可編程控制器（PLC）對機床輔助功能M、主軸速度功能S和換刀功能T等實現(xiàn)邏輯控制。

6．位置檢測裝置位置檢測裝置與伺服驅(qū)動裝置配套組成半閉環(huán)或閉環(huán)伺服驅(qū)動系統(tǒng)。位置檢測裝置通過直接或間接測量機床執(zhí)行部件的實際位移，并將檢測結(jié)果反饋到數(shù)控裝置并與指令位移進(jìn)行比較，根據(jù)差值發(fā)出進(jìn)給脈沖信號控制執(zhí)行部件繼續(xù)運動，直至差值為零，以便提高系統(tǒng)的精度。

5．輔助控制裝置119

7．機床的機械部件數(shù)控機床的機械部件包括：主運動部件，進(jìn)給運動執(zhí)行部件，如機床工作臺、滑板及其傳動部件和床身、立柱及支撐部件。此外，還有轉(zhuǎn)位、夾緊、潤滑、冷卻、排屑等輔助裝置。對于加工中心類的數(shù)控機床，還有存放刀具的刀庫，交換刀具的機械手或機器人等部件。數(shù)控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結(jié)構(gòu)要求更為簡單，在精度、剛度、摩擦、

抗振性等方面要求更高，而且傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動化。

7．機床的機械部件1201.2.2數(shù)控機床的工作原理使用數(shù)控機床時，首先要將被加工零件圖紙的幾何信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序;然后將加工程序輸入到數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)信息處理、分配，使各坐標(biāo)移動若干個最小位移量，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，完成零件的加工。

1.2.2數(shù)控機床的工作原理121在鉆削、鏜削或螺紋等加工（常稱為點位控制）中，是在一定時間內(nèi)，使刀具中心從P點移動到Q點（圖1-2(a)），即刀具在X、Y軸移動以最小單位計算的程序給定的距離，它們的合成量為P點和Q點間的距離。但是，對刀具軌跡沒有嚴(yán)格的限制，可先使刀具在X軸上由P點移動到R點，然后再沿Y軸從R點移動到Q點；也可以使兩個坐標(biāo)以相同的速度，讓刀具移到K點，再沿X軸移動到Q點，這樣的點位控制，只要求嚴(yán)格控制點到點之間的距離，而對所走的路徑和速度無嚴(yán)格要求。這種運動控制是比較容易實現(xiàn)的，一般用于只需點位控制的簡易數(shù)控機床。

在鉆削、鏜削或螺紋等加工（常稱為點位控制）中，是在一定時122圖1-2數(shù)控機床加工直線、 曲線原理直線；(b)平面曲線；(c)

空間曲線圖1-2數(shù)控機床加工直線、 曲線原理123輪廓加工控制包括加工平面曲線和空間曲線兩種情況。對于二維平面的任意曲線l，要求刀具T沿曲線軌跡運動，進(jìn)行切削加工，如圖1-2(b)所示。將曲線l分割成：l0、l1、l2…li等線段。用直線（或圓?。┐妫ū平┻@些線段，當(dāng)逼近誤差相當(dāng)小時，這些折線段之和就接近了曲線。由數(shù)控機床的數(shù)控裝置進(jìn)行計算、分配，再通過兩個坐標(biāo)軸最小單位量的單位運動（Δx，Δy）的合成，不斷連續(xù)地控制刀具運動，向著目標(biāo)點不斷地逼近直線（或圓?。瑥亩庸こ龉ぜ喞€。對于空間三維曲線（見圖1-2(c)）中的f（x，y,z），同樣可用一段一段的折線（Δ