數控加工過程原理及應用,梅雪松 西安交通大學 數字控制與裝備技術研究所 2007、1,2,第一部分 現代制造業的發展概況,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 系統：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：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,舉例 機械加工系統,“三流”運動,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,傳統制造裝備 定義：能夠完成制造系統“制造”功能的設備或裝置,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，可使傳統機電裝備的性能得到改善和提高，與傳統產品相比具有明顯的優越性和先進性。 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，規格不一，功能各異，主要有：工業機器人、NC機床、CNC機床、加工中心、分布式數控（DNC）、柔性制造系統(FMS)等,6,機器人,MC,數控測量機,FMS,電火花加工,激光焊接,7,二、現代制造業的發展歷程,現代制造業是從傳統制造業發展起來的。 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、小規模集成到大規模集成4次變革。 20世紀80年代 出現了柔性制造系統（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。進一步出現了計算機集成制造系統（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，出現精良制造、敏捷制造、虛擬公司等新的生產模式。,舉例 CIMS生產模式,三、我國現代制造業的發展現狀,現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，產品質量不穩定。 裝備的落后，嚴重的影響了機械制造業的振興。 近年來制造業發展較快，但制造的產品技術含量低，附加值低，現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,四、現代制造業的發展趨勢,現代制造業的高技術化趨勢 提高高新技術含量，提高產品 附加值，廣泛采用數控技術，提高制造能力和水平 現代制造業的服務化趨勢 由“以產品為中心” 正在轉變為 “以 顧客為中心”，全方位地為顧客服務、為社會服務 現代制造業的信息化趨勢 由先進的信息和網絡技術按照服務 業的運行模式裝備和改造傳統制造業，使信息處理速度和精度 不斷提高。,現代先進制造裝備的發展方向 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 驅動裝置向數字化、交流化方向發展 控制技術逐步走向智能化 程序編制逐步實現自動化 多功能、高效率、高智能、高可靠性、結構簡化、節 能環保等都是現代制造業始終追求的目標和發展方向。,11,第二部分CAD/CAE/CAM與制造業信息化,CAD（Computer Aided Design，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（Computer Aided Engineering，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、優化方法、仿真技術、動力學計算等。 CAM （Computer Aided Manufacturing，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； Solid Edge； Solid Works；Inventor 等。,一、CAD/CAE/CAM的基本概念,12,CAD/CAM的發展,CAD與CAM幾乎同步 50年代形成階段 發展階段：60年代計算機技術的發展 成熟階段80年代市場化，90年代3維， 大批的軟件IDEAS，ProE 集成階段：90年代,13,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,14,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 產品質量 柔性制造 減少浪費,15,二、CAD/CAE/CAM系統的組成,外圍設備,硬件系統,軟件系統,CAD/CAE/CAM系統,生產設備,計算機,支撐軟件,應用軟件,系統軟件,16,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據的存儲、傳遞、加工功能,在運行過程中，結合人的經驗、知識及創造性，形成一個人機交互、各盡所長、緊密配合的系統,以提高設計制造的質量和效率。,三、CAD/CAE/CAM系統的工作過程,CAM,17,CAD/CAM軟件系統,1、系統軟件 操作系統：DOS/Windows/Linux 語言編譯系統：人機交互語言的翻譯軟件 2、支撐軟件 CAD/CAE/CAPP/CAM 3、應用軟件:二次開發,18,四、CAD/CAE/CAM在專業學科知識結構中的地位,數學基礎,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,19,產品加工過程數據流,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劃CAM 零件的數控加工CNC 零件成型質量的評估與批量管理ERP,20,加工資源（機床、刀具）,產品設計,工藝規劃數控編程,控制加工,傳統數控加工流程及制造信息的轉化,數據接口格式,數據接口格式,.基于專用接口的系統集成方式,制造過程的信息流 CAD/CAE/CAPP/ERP/ CAM/CNC,五、 CAD/CAE/CAM系統的集成方式,.基于標準接口的系統集成方式,22,3、基于STEP的系統集成方式 (總線方式),75%,35%,50%,23,STEP-NC（ISO14649）,STEP（ISO 10303）,STEP-NC與STEP的關系,24,EXPRESS信息描述語言,EXPRESS描述產品特征的數據模型，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（Wirth syntax notation）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,25,用戶層,應用系統層,PDM系統集成層,異構環境處理層,4、 基于PDM (產品數據管理)的系統集成方式,26,CAD/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 服務,27,第三部分、數控系統,28,1、數控系統結構,29,數控系統的功能組成,一般數控系統由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,數控機床,傳感器,機床強電,MMC,CNC,PLC,30,2、CNC系統硬件的層次結構,由計算機基本系統、設備支持層、設備層三部分組成。,31,32,CAD/CAE,/,CAM,系統,MIS,系統,專家系統,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,檢測監控模塊,人機界面,設備驅動程序,CNC,系統應用軟件,操作系統平臺,控制器硬件平臺,機床系統硬件平臺,3、數控系統參考模型,33,4、數控系統的形式：,1)專用數控系統： 生產廠商基于專門的控制硬件，在此基礎上開發所有數控系統控制軟件，與外設有標準的接口；FANUC,SIMENZI;,34,840數控系統的硬件組成,35,西門子810 D 硬件及其連接圖,36,數控系統軟件功能模塊,數控裝置,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,監控處理,中斷處理,PLC處理,誤差補償,37,數控軟件功能模塊,電機運動控制,插補計算,刀補計算,監控處理,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,刀具長度補償,鍵盤處理,顯示處理,報警處理,急停處理,部分控制模塊功能,38,管理模塊,系統的初始化,鍵盤及顯示系統的初始化,數控程序的讀入CAD/ CAM,程序的編輯與修改,故障診斷程序,39,系統初始化,CPU和CTC的初始化,標志位的初始化,鍵盤和緩沖區的初始化,顯示緩沖區的初始化,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,狀態的診斷,40,操作面板,NC,工作站,硬盤,UMS,顯示,/,文本,/,菜單,基本系統,NCK-UMS,顯,示,操,作,MMC,存,儲,應,用,界,機,器,參,數,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,PLC,PLC MMC-,數,據,操作系統,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）,SINEC H1,MAP 3.0,軟,盤,數,據,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數控系統,MMC-NCK,PLC,RS232C,41,SINUMERIK 840C控制結構,SINUMERIK 840C包括了三個基本部分： l NCK（數控中心） l PLC（可編程邏輯控制器） l MMC（人機交換） NCK執行部分典型的數控任務。例如：利用塊處理和插補的工件程序的執行，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部分里被執行。,42,(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 l UMS l 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據管理部分（MMC）。數據是面向工件存儲的。 接口部件（CP 模塊）,43,SINUMERIK 840C把從MMC到NCK的通信單元連接起來,l SBC RS232C (V.24) l MMC 界面 l CP 模塊 NCK 控制參數 數字控制包括不同類型的控制參數： l 機床數據 所有由機床廠家所設定的用來適應特定機床控制的數據存儲為機床數據。例如，它們包括參考點的位置，軸的數量和名稱，驅動單元.主軸轉速或進給速率的加減速特性。機床數據能被一個可變的密碼保護。,44,l 設置數據 設置數據能被機床操作者或使用者改變。例如：它們包括工作區限制。 l PLC機器數據 PLC機器數據可在NC和PLC的連接RAM中發現，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機器數據在NC的每次冷啟動時被傳輸到PLC中。所有的PLC機器數據直到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據及磨損數據。,45,UMS（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）或操作者界面（顯示，菜單，信息）能在程控工作站“WS 800A”上生成。機床上的功能，文本和顯示以及機床生產者的參數都存儲在UMS中。UMS是在SINUMERIK 840C中MMC-CPU間的硬盤上的一個數據文件。當控制啟動后和執行NCK的操作界面時，這個文件被載入NCK。,46,2). MMC部件,MMC部件被分為 l 基本系統 l 應用 基本系統包括下列： l 標準操作系統（FlexOS） l 驅動器 l 數據管理 l 主控制 l MMC操作者通訊系統 l 基本工具，例如：ASCII和DIN編輯器 l 顯示管理 通信協調,47,MMC部件在應用領域執行,l 機床 l 參數 l 編程 l 診斷 l 伺服,48,開放式數控系統的需求,智能化 數據共享（CAD/CAE/CAPP/CAM） 可擴展(功能擴展、平臺擴展、重構),2)開放式數控系統,49,開放式數控系統形式,PC連接型NC 即將現有原型CNC與PC用通用串行線直接相連的一種組成形式:DNC PC嵌入型NC 即在傳統的專用數控機床中嵌入PC技術，PC與CNC之間用專用總線連接。 系統。 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為硬件平臺的數控系統。PMAC運動控制器 全軟件型NC 即完全采用PC的全軟件形式的數控系統。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,50,CNC系統應用軟件：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，產生相應的數據結構交給插補運算模塊或過程、邏輯控制模塊執行，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、機床狀態等； 設備管理：進行檢測、監控。外部接口模塊：提供CAD/CAM接口、MIS系統接口、專家系統接口、數據庫系統接口等。 外部程序運行于操作系統之上，可利用CNC系統提供的庫函數開發相關應用，并集成到一起。,51,在最低層，是數控機床系統的硬件平臺，它包括機床本身的各軸驅動器、繼電器、伺服電機等。 數控制器的硬件平臺，它是一個計算機系統，一般采用通用的PC機硬件結構，還應提供與機床底層的接口，如數字I