數(shù)控加工過程原理及應用

數(shù)控加工過程原理及應用梅雪松西安交通大學數(shù)字控制與裝備技術研究所2007、11第一部分現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展概況制造狹義制造概念：產品的制作過程

廣義制造概念：產品整個生命周期過程制造系統(tǒng)系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結合成的具有特定功能的有機整體制造系統(tǒng)：制造過程所涉及的硬件（人員、設備、材料、能源和各種輔助裝置），以及有關軟件（制造理論、制造技術、制造方法）等組成的具有特定功能的有機整體

一、基本概念的更新2舉例機械加工系統(tǒng)

“三流”運動

3

類型：加工裝備：主要是機床金屬切削機床：通用機床

車、鉆、鏜、銑、磨、刨

專用機床如精密絲杠車床等

特種加工機床：電火花加工、超聲波加工、激光加工

電子束加工機床等工藝裝備：刀具、夾具、模具、量具輸送及倉儲裝備：物料輸送、上下料、立體倉庫等輔助裝備：清洗、排屑等

傳統(tǒng)制造裝備

定義：能夠完成制造系統(tǒng)“制造”功能的設備或裝置

4先進制造裝備特點：綜合性不僅涉及機械、電子等學科，還與控制、信息、計算機等多種學科有密切關系，是多學科的綜合。先進性機械電子的有機結合，可使傳統(tǒng)機電裝備的性能得到改善和提高，與傳統(tǒng)產品相比具有明顯的優(yōu)越性和先進性。復雜性技術涉及多種學科和技術，復雜性顯而易見。對設計研制者和使用維修人員要求高。

定義：大量采用最新科研成果的機電一體化設備。

不再是過去的純機械設備，而是機械學、微電子學、自動化技術、計算機技術和信息科學等有機結合。

種類：

先進制造裝備種類繁多，規(guī)格不一，功能各異，主要有：工業(yè)機器人、NC機床、CNC機床、加工中心、分布式數(shù)控（DNC）、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等5機器人MC數(shù)控測量機FMS電火花加工激光焊接6二、現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展歷程

現(xiàn)代制造業(yè)是從傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展起來的。20世紀50年代產品品種單一，為提高生產率，廣泛采用自動機床、組合機床和專用生產線，適用于大批大量生產。20世紀70年代需求多樣化，市場競爭激烈。1952年美國麻省理工學院研制成功第一臺NC機床。20年來，完成了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成到大規(guī)模集成4次變革。20世紀80年代出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)（FMS），它是采用一組NC機床和其他自動化裝備組成一個有機整體。進一步出現(xiàn)了計算機集成制造系統(tǒng)（CIMS）。20世紀90年代全球經濟一體化加快，快速響應市場是一個重要方向，出現(xiàn)精良制造、敏捷制造、虛擬公司等新的生產模式。7舉例CIMS生產模式8三、我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代先進制造裝備的品種少、檔次低，導致大量進口的局面。不少工廠還是“一個工人，一把刀，一臺機床”，生產率低下，產品質量不穩(wěn)定。

裝備的落后，嚴重的影響了機械制造業(yè)的振興。近年來制造業(yè)發(fā)展較快，但制造的產品技術含量低，附加值低，現(xiàn)在也只能是一個制造大國，不是制造強國。

存在的突出問題裝備制造業(yè)簿弱產品以粗簡、低端為主，附加值不高能源消耗大，污染嚴重9四、現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢現(xiàn)代制造業(yè)的高技術化趨勢

提高高新技術含量，提高產品附加值，廣泛采用數(shù)控技術，提高制造能力和水平現(xiàn)代制造業(yè)的服務化趨勢

由“以產品為中心”正在轉變?yōu)椤耙灶櫩蜑橹行摹保轿坏貫轭櫩头?、為社會服務現(xiàn)代制造業(yè)的信息化趨勢

由先進的信息和網絡技術按照服務業(yè)的運行模式裝備和改造傳統(tǒng)制造業(yè)，使信息處理速度和精度不斷提高?，F(xiàn)代先進制造裝備的發(fā)展方向功能趨向多樣化、自動化硬件結構趨向模塊化、集成化、通用化和標準化驅動裝置向數(shù)字化、交流化方向發(fā)展控制技術逐步走向智能化程序編制逐步實現(xiàn)自動化多功能、高效率、高智能、高可靠性、結構簡化、節(jié)能環(huán)保等都是現(xiàn)代制造業(yè)始終追求的目標和發(fā)展方向。10第二部分CAD/CAE/CAM與制造業(yè)信息化CAD（ComputerAidedDesign，計算機輔助設計)

以計算機為輔助工具來完成產品設計過程中的各項工作，如幾何設計、實體建模、繪圖等。CAE（ComputerAidedEngineering，計算機輔助工程)

以計算機為輔助工具來完成產品設計過程中的工程分析工作，如有限元法、優(yōu)化方法、仿真技術、動力學計算等。

CAM（ComputerAidedManufacturing，計算機輔助制造)

以計算機為輔助工具來完成從生產準備到產品制造出來的過程中的各項活動，包括工藝設計（CAPP)、工裝設計、自動NC編程、機器人編程等。常用軟件：Pro/E，UG，CATIA；

SolidEdge；SolidWorks；Inventor等。一、CAD/CAE/CAM的基本概念11CAD/CAM的發(fā)展CAD與CAM幾乎同步50年代形成階段發(fā)展階段：60年代計算機技術的發(fā)展成熟階段80年代市場化，90年代3維，大批的軟件I－DEAS，Pro－E集成階段：90年代12設計制造與CAD/CAM概念設計初步設計詳細設計文檔設計：工藝設計：加工制造13先進制造與CAD/CAM先進產品制造中的CAD/CAM技術市場競爭中的CAD/CAM技術：CAD/CAM制造的全新化CAD/CAM的經濟效益:快速開發(fā)產品質量柔性制造減少浪費14二、CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成

外圍設備硬件系統(tǒng)軟件系統(tǒng)CAD/CAE/CAM系統(tǒng)生產設備計算機支撐軟件應用軟件系統(tǒng)軟件15充分利用計算機高速、準確、高效的計算功能,圖形處理功能,以及對大量的各類數(shù)據(jù)的存儲、傳遞、加工功能,在運行過程中，結合人的經驗、知識及創(chuàng)造性，形成一個人機交互、各盡所長、緊密配合的系統(tǒng),以提高設計制造的質量和效率。

三、CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的工作過程CAECADCAM16CAD/CAM軟件系統(tǒng)1、系統(tǒng)軟件操作系統(tǒng)：DOS/Windows/Linux語言編譯系統(tǒng)：人機交互語言的翻譯軟件2、支撐軟件CAD/CAE/CAPP/CAM3、應用軟件:二次開發(fā)17四、CAD/CAE/CAM在專業(yè)學科知識結構中的地位

數(shù)學基礎力學基礎機械基礎機械設計理論機械制造理論CAD/CAE/CAM產品制造18產品加工過程數(shù)據(jù)流零件的描述與設計CAD零件的特性分析與修正CAE/CAD零件成型方法的設計與分析CAPP零件成型刀具軌跡的規(guī)劃CAM零件的數(shù)控加工CNC零件成型質量的評估與批量管理ERP19CADDXF/IGES/STEP…CAM刀位文件后置處理器G代碼（ISO6983）CNC幾何形狀、公差要求…工藝方法、刀具要求…幾何形狀、公差要求…刀具中心的運動軌跡、速度直線運動、圓弧運動…加工資源（機床、刀具）直線運動、圓弧運動…產品設計工藝規(guī)劃數(shù)控編程控制加工

傳統(tǒng)數(shù)控加工流程及制造信息的轉化數(shù)據(jù)接口格式數(shù)據(jù)接口格式20系統(tǒng)11系統(tǒng)21系統(tǒng)n1標準接口1系統(tǒng)12系統(tǒng)22系統(tǒng)32標準接口2系統(tǒng)1系統(tǒng)2專用接口1系統(tǒng)n1、2專用接口1、n專用接口１.基于專用接口的系統(tǒng)集成方式制造過程的信息流CAD/CAE/CAPP/ERP/CAM/CNC五、

CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成方式２.基于標準接口的系統(tǒng)集成方式DXF/IGES/STEP/G…21開發(fā)設計工藝過程規(guī)劃制定生產計劃數(shù)控編程數(shù)控加工質量控制CADCAPPERPCAMCNCCAQ支持產品全生命周期的數(shù)據(jù)交換標準（STEP）3、基于STEP的系統(tǒng)集成方式(總線方式)75%35%50%CAPP22一般規(guī)范Part1：總則Part2：語言聯(lián)編…Part9：術語銑削模型Part11車削模型Part12放電加工Part13其他工藝Part1x通用模型14649-10STEP-NC（ISO14649）STEP其他部分或應用協(xié)議Part11：EXPRESS語言Part21：交換文件結構的純正文編碼AP-203：配置控制設計AP-224：加工特性工藝規(guī)劃的機械產品定義STEP（ISO10303）

STEP-NC與STEP的關系23EXPRESS信息描述語言EXPRESS描述產品特征的數(shù)據(jù)模型，對產品幾何、拓撲、材料、管理信息進行描述，按照沃思語法定義的一種形式描述（Wirthsyntaxnotation）便于人的理解和計算機處理引入實體（ENTITY）和模式（SCHEMA）的概念，把研究對象或者概念抽象為具有屬性的實體，實體的集合為模式24用戶層權限控制統(tǒng)一用戶界面異構硬件網絡平臺分布異構數(shù)據(jù)庫應用工具網絡通信服務用戶1CADCAECAPPCAM…用戶1用戶1…用戶管理項目管理工作流程管理應用工具集成…應用系統(tǒng)層PDM系統(tǒng)集成層異構環(huán)境處理層4、基于PDM(產品數(shù)據(jù)管理)的系統(tǒng)集成方式25CAD/CAM軟件的選擇原則硬件基礎軟件：軟硬件匹配性能/價格使用便利開放性/接口二次開發(fā)服務26第三部分、數(shù)控系統(tǒng)271、數(shù)控系統(tǒng)結構硬件操作系統(tǒng)管理軟件應用軟件控制軟件數(shù)控加工程序

接口被控設備

機床機器人測量機

......28數(shù)控系統(tǒng)的功能組成一般數(shù)控系統(tǒng)由3部分組成：1，MMC：人機接口2，CNC：運動控制部分，包括伺服部分，但一般主軸在PLC部分。3，PLC：機床的順控部分人機接口NC控制器伺服驅動器數(shù)控機床傳感器機床強電MMCCNCPLC29

2、CNC系統(tǒng)硬件的層次結構由計算機基本系統(tǒng)、設備支持層、設備層三部分組成。30操作系統(tǒng)管理軟件控制軟件零件程序管理顯示處理人機交互交互位置控制輸入輸出管理插補運算故障診斷處理速度處理機床輸入輸出編譯處理主軸控制刀具半徑補償......31CAD/CAE/CAM系統(tǒng)MIS系統(tǒng)專家系統(tǒng)外部接口模塊總控制模塊代碼處理模塊插補運算模塊過程、邏輯控制模塊軸控模塊人機界面設備管理軟件檢測監(jiān)控模塊人機界面設備驅動程序CNC系統(tǒng)應用軟件操作系統(tǒng)平臺控制器硬件平臺機床系統(tǒng)硬件平臺3、數(shù)控系統(tǒng)參考模型324、數(shù)控系統(tǒng)的形式：1)專用數(shù)控系統(tǒng)：生產廠商基于專門的控制硬件，在此基礎上開發(fā)所有數(shù)控系統(tǒng)控制軟件，與外設有標準的接口；FANUC,SIMENZI;33840數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成34西門子810

D

硬件及其連接圖35數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊數(shù)控裝置控制模塊管理模塊電機運動控制位置運動控制插補計算刀補計算速度處理G功能處理監(jiān)控處理中斷處理PLC處理誤差補償36數(shù)控軟件功能模塊電機運動控制插補計算刀補計算監(jiān)控處理中斷處理勻速控制加/減速控制直線、圓弧插補螺旋線、空間插補刀具半徑補償?shù)毒唛L度補償鍵盤處理顯示處理報警處理急停處理部分控制模塊功能37管理模塊系統(tǒng)的初始化鍵盤及顯示系統(tǒng)的初始化數(shù)控程序的讀入CAD/CAM程序的編輯與修改故障診斷程序38系統(tǒng)初始化CPU和CTC的初始化標志位的初始化鍵盤和緩沖區(qū)的初始化顯示緩沖區(qū)的初始化故障診斷程序定時器的故障診斷中斷功能的故障診斷鍵盤的診斷狀態(tài)的診斷39

操作面板

NC工作站

硬盤

UMS

顯示/文本/菜單

基本系統(tǒng)

NCK-UMS

顯

示

操

作

MMC存

儲

應

用

界

機

器

參

數(shù)

硬

盤

面

部

分

程

序

存

儲

診

斷

程

序

模

擬

通

信

服

務

MMC-UMS處

理

器（CP）

塊

準

備

存

儲

盒

PLCPLCMMC-

數(shù)

據(jù)

操作系統(tǒng)

NCK

界

計算機

標

準

刀

具

面

調

停

接

口

功能塊

管

理

用于機床控制的用戶程序

位

置

控

制

PLC—

機

床

界

面

輸入/輸出PLC—機器界面

靈敏度V.24

機

器

控

制

（驅動/馬達）

SINECH1

MAP3.0

軟

盤

數(shù)

據(jù)

RS232C（V.24）

中

心

AT

驅

動

存

儲

輸入/輸出

（標

題）

擴

展

盒

（V.24）

PG

MMC-PLC界面西門子840數(shù)控系統(tǒng)

MMC-NCKPLC

RS232C40SINUMERIK840C控制結構

SINUMERIK840C包括了三個基本部分：l

NCK（數(shù)控中心）l

PLC（可編程邏輯控制器）l

MMC（人機交換）NCK執(zhí)行部分典型的數(shù)控任務。例如：利用塊處理和插補的工件程序的執(zhí)行，軸和主軸通過位置控制的激勵。PLC表示機床的界面控制，并且控制輔助軸、刀具庫及監(jiān)控設備等機床特殊功能。顯示和操作功能，跟MMC操作模式的主控制一樣，在MMC部分里被執(zhí)行。

41(1)．

NCK的組成部件

NCK組成部件基本包括：l

零件程序存儲器l

通信處理器（CP）l

控制參數(shù)l

UMSl

NCK結構l

軸和主軸控制零件程序存儲器當前正在加工的工件程序在NC部分儲存和管理。在NCK部件的零件程序存儲器不具有帶電保持。零件程序能被存儲在硬盤的數(shù)據(jù)管理部分（MMC）。數(shù)據(jù)是面向工件存儲的。接口部件（CP模塊）

42SINUMERIK840C把從MMC到NCK的通信單元連接起來

l

SBCRS232C(V.24)l

MMC界面l

CP模塊NCK控制參數(shù)數(shù)字控制包括不同類型的控制參數(shù)：l

機床數(shù)據(jù)所有由機床廠家所設定的用來適應特定機床控制的數(shù)據(jù)存儲為機床數(shù)據(jù)。例如，它們包括參考點的位置，軸的數(shù)量和名稱，驅動單元.主軸轉速或進給速率的加減速特性。機床數(shù)據(jù)能被一個可變的密碼保護。

43l

設置數(shù)據(jù)設置數(shù)據(jù)能被機床操作者或使用者改變。例如：它們包括工作區(qū)限制。l

PLC機器數(shù)據(jù)PLC機器數(shù)據(jù)可在NC和PLC的連接RAM中發(fā)現(xiàn)，并且能被操作者用來定義機床控制面板和機床選項等等。PLC機器數(shù)據(jù)在NC的每次冷啟動時被傳輸?shù)絇LC中。所有的PLC機器數(shù)據(jù)直到PLC的再次冷啟動才有效。l

刀具補償機床操作者，在刀具補償中存儲刀具的幾何數(shù)據(jù)及磨損數(shù)據(jù)。44UMS（用戶存儲器子模塊）為了適應特定的機床控制和用戶的要求，可以配置操作者界面。機床特定的功能（例如循環(huán)）或操作者界面（顯示，菜單，信息）能在程控工作站“WS800A”上生成。機床上的功能，文本和顯示以及機床生產者的參數(shù)都存儲在UMS中。UMS是在SINUMERIK840C中MMC-CPU間的硬盤上的一個數(shù)據(jù)文件。當控制啟動后和執(zhí)行NCK的操作界面時，這個文件被載入NCK。

452).

MMC部件MMC部件被分為l

基本系統(tǒng)l

應用基本系統(tǒng)包括下列：l

標準操作系統(tǒng)（FlexOS）l

驅動器l

數(shù)據(jù)管理l

主控制l

MMC操作者通訊系統(tǒng)l

基本工具，例如：ASCII和DIN編輯器l

顯示管理通信協(xié)調

46MMC部件在應用領域執(zhí)行l(wèi)

機床l

參數(shù)l

編程l

診斷l(xiāng)

伺服47開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求智能化數(shù)據(jù)共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）可擴展(功能擴展、平臺擴展、重構)2)開放式數(shù)控系統(tǒng)48開放式數(shù)控系統(tǒng)形式PC連接型NC

即將現(xiàn)有原型CNC與PC用通用串行線直接相連的一種組成形式:DNCPC嵌入型NC

即在傳統(tǒng)的專用數(shù)控機床中嵌入PC技術，PC與CNC之間用專用總線連接。－８４０系統(tǒng)。運動控制器+PC型

即在通用PC的擴展槽中插入運動控制卡，完全采用以PC為硬件平臺的數(shù)控系統(tǒng)。－PMAC運動控制器全軟件型NC

即完全采用PC的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC的全部功能處理全由PC進行，并通過裝在PC擴展槽中的接口卡等進行控制。STEP-NC

49CNC系統(tǒng)應用軟件：CNC軟件的內部結構也是模塊化的。它負責：人機界面，代碼處理模塊對NC程序進行解釋和預處理，產生相應的數(shù)據(jù)結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結果通過設備驅動程操作相應的硬件；過程邏輯控制主要處理：過程控制、各種開關量、機床狀態(tài)等；設備管理：進行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊：提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。

外部程序運行于操作系統(tǒng)之上，可利用CNC系統(tǒng)提供的庫函數(shù)開發(fā)相關應用，并集成到一起。50在最低層，是數(shù)控機床系統(tǒng)的硬件平臺，它包括機床本身的各軸驅動器