1 第一章概述 制造業先進制造技術數字化制造技術 數字化 制造技術 上層 信息和下層技術 其主體 數控 計算機數控技術 數控 NC 數控技術 指用數字化信息 數字量及字符 發出指令并實現自動控制的技術 計算機數控 CNC 用計算機實現部分或全部基本數控功能 數字控制系統計算機數控系統 被控對象 各種生產過程或設備 數控機床 計算機數控機床 數控機床 集機械制造 計算機 微電子 現代控制及精密測量等多種技術于一體典型的機電一體化產品 2 第一節數控機床 一 CNC系統 1 組成 核心 CNC裝置由三部分組成 1 計算機硬件 I O接口電路 位置控制電路 軟件 管理和控制軟件 譯碼 刀具補償 速度處理 插補計算 位置控制等 2 PLC接收加工程序的開關功能信號 機床面板及機床側的開關量信號邏輯處理完成輸出控制功能 實現各功能及操作方式的聯瑣 3 即 機床電氣設備 主軸 刀具 工件 液壓 氣動 冷卻 潤滑系統 倍率開關 并實現各種狀態指示 故障報警以及通信 附加軸控制 3 接口上位機的通信 I O設備 機床之間信號往來的I O 主軸驅動裝置控制主軸的旋轉運動 實現在寬范圍內速度連續可調 并在每種速度下都能提供切削所需的功率 I O設備 零件加工程序 簡單的 一般的 高級的 進給驅動裝置控制機床各坐標軸的切削進給運動 提供切削過程中所需的轉矩 并可任意調節運動速度 位置控制系統 驅動裝置 驅動部件和速度控制單元主 直流 交流主軸電機 進給 功率步進電機 電液脈沖電機 交 直流伺服電機 4 2 CNC系統的基本功能 位置控制系統輸入 插補 伺服控制 1 輸入 2 插補 脈沖增量法每次插補運算結束產生一個進給脈沖步進電機驅動的開環 數字增量法將采樣結果與插補生成的指令數據進行比較 求得誤差信號 進而得出軸進給速度指令直流 交流伺服電機驅動的位置采樣控制系統 3 伺服控制 位置進給脈沖 進給速度指令變換和放大伺服電機的轉動 3 CNC系統的基本工作過程 CNC系統的主要任務 對刀具和工件的相對位置進行控制 完成各種曲線輪廓的加工 5 二 主機 機床 高自動化 高效率 大功率 高精度 高速度 高可靠性 FMC FMS 機械結構應具有的特點 1 高剛度和高抗振性 靜剛度和固有頻率 1 彎曲和轉矩負載巧妙的設計和布局的合理安排 2 合理布置筋板較小的質量下 3 加配重和液壓平衡系統來平衡負載減少有關零部件的靜力變形 4 增大動剛度改善阻尼特性 填阻尼材料阻尼涂層間斷焊縫 5 鋼板焊接結構 聚合物混凝土 大理石 制作機床大件 2 小的機床熱變形 熱對稱結構及熱平衡措施散熱 風冷 液冷強冷熱位移補償 6 3 高效率 無間隙 低摩擦傳動 進給系統中的機械傳動裝置和元件 高靈敏度 低摩擦阻力 無間隙及高壽命導軌 塑料滑動 滾動 靜壓 進給系統 滾珠絲桿副 靜壓蝸桿 蝸母條及預加載雙齒輪 齒條結構 4 簡化的機械傳動結構 交 直流主軸電機伺服電機 二 優點 1 異型復雜零件2 一機多用 3 減少專用工裝卡具 提高刀具壽命4 加工質量 一致性 5 加工周期短6 在制品數量少 7 適應性 靈活性8 可實現精確的成本計算和生產進度安排 9 減輕勞動強度 工人數量10 軟件誤差補償 優化控制 11 實現柔性自動加工的重要設備 是發展柔性生產和計算機輔助制造的基礎 7 第二節數控機床的分類 一 能控制刀具與工件間相對運動的軌跡 1 點位控制 PointtoPointControl 或位置控制 PositioningControl 2 輪廓控制 ContouringControl 二 伺服系統的控制方式 1 開環控制 OpenloopControl 2 閉環控制 ClosedloopControl 3 半閉環控制 Semi ClosedloopControl 8 4 開環補償性控制 OpenloopControlwithCompersation 5 半閉環補償型控制 Semi ClosedloopControlwithCompersation 三 加工方式 1 金屬切削車 鉆 銑 鏜 磨和加工中心 2 金屬成型折彎機 彎管機 回轉頭壓力機 3 特種加工線切割機 點火花加工機床及激光切割機 4 其他數控火焰切割機床 三坐標測量機 能較好地解決丟步或過沖 9 四 按照CNC裝置的功能水平分類 高 中 低 經濟型 大體上可從 分辨率 進給速度 伺服系統 同時控制軸數 通信功能 顯示功能 有無PLC及主CPU 分辨率 0 1110 進給速度15 10015 24 15 伺服系統伺服電機驅動 閉 半閉環控制步進的開環 同時控制軸數3 52 3直線 通信功能MAP網卡 可進網RS 232 RS422或DNN通信接口無或RS 232C 顯示功能三維圖形CRT LCD字符 圖形字符顯示 有無PLC有無 主CPU16 32 64位8 16 10 第三節數控機床的產生與發展 一 數控機床的出現與發展 機械產品的結構合理 性能 精度和效率日趨提高對機床提出了高性能 精度與自動化要求 對單件小批量產品 通用機床自動化程度不高 特別是有曲線 曲面輪廓組成的復雜零件靠模和仿形機床或借助劃線和樣板用手工操作精度和效率 對大批大量的產品 為解決高產優質 多用專用生產設備 工藝裝備 自動化機床 自動生產線 自動化車間 生產準備周期長 產品改型不易新產品的開發周期增長 為解決上述問題并保證質量出現了數字控制機床 52年PARSONS與MIT三坐標數控銑插補裝置 脈沖乘法器 真空管 59年晶體管印制版電路 65年小規模集成電路 硬接線 普通 數控系統 NC系統 計算機數控 CNC 系統小型計算機代替專用硬接線 以控制軟件實現數控功能 二 我國數控機床的發展概況 5880年代86 9091 應用了電子計算機 自動控制 伺服驅動 精密檢測與新型機械結構 11 起步于58年60年代末70年代初 研制出一些晶體管式的數控系統 品種 數量少 穩定性 可靠性差 只在一些復雜 特殊零件的加工中使用 80年代初 從日 德 美等引進一些先進的CNC裝置及主軸 進給伺服系統的生產技術 使CNC系統性能比較完善 穩定性和可靠性都比較好 數控機床在質量 性能及水平上有了一個飛躍 到85年 進入了實用階段 品種達80多種 86 90 通過實施國家重點科技公關項目 柔性制造技術及設備開發研究 重點科技開發項目 數控機床引進技術消化吸收 推動了數控機床的發展 91年以來 從日 德 美等購進CNC系統 在開發 設計 制造具有自主版權的中 高檔CNC系統 已覆蓋車 銑 鏜銑 鉆 磨 加工中心及齒輪機床 折彎機 火焰切割機 柔性制造單元等 品種達300多種 中 低檔CNC系統達小批量生產能力 12 三 數控機床的發展趨勢 隨著柔性制造系統的迅猛發展和計算機集成制造系統的興起和不斷成熟 要求數控機床向更高速度 更高精度 更高可靠性及更完善的功能方向發展 1 高速 高精度32位和多微處理器交流數字伺服系統 伺服電機的位置 速度及電流環都實現了數字化 現代控制理論 實現了不受機械負荷變動影響的高速響應伺服驅動 補償功能 2 可靠性模塊化 通用化和標準化大 超大規模集成電路 專用芯片 混合式集成電路 3 長時間 連續的自動加工各種類型的監控 檢測裝置 實現了工件的自動檢測和刀具的監控 4 自動程序編制技術強的存儲 運算功能 把很多自動編程功能植入CNC系統 小型工藝數據庫 在線零件程序編制功能 自動選擇最佳刀具及切削用量 5 更高的通信功能MAP工業控制網絡或類似網絡 13 第四節FMC FMS及CIMS 一 FMC FlexibleManufacturingCell 加工中心有自動換刀的一次裝夾進行多工序加工 可使加工自動而連續地進行提高了生產率和加工精度 FMC是在加工中心的基礎上發展起來的 增加了托盤自動交換裝置或機器人 刀具和工件自動測量裝置 加工過程監測裝置 FMC進行的所有操作都由單元計算機來控制 但工件 刀具由操作者裝卸 在具有足夠的被加工工件及相應的數控加工程序 具有足夠的加工所有工件所需刀具的條件下 單元能在無人看管的情況下將事先存放的工件加工完 柔性制造單元是一種在人的參與尖刀最低的情況下 能連續運轉 對同一工件族內不同的工件進行自動化加工的最小單元 14 1 托盤存儲庫式 2 機器人直接搬運式加工中心 數控機床 機器人及工件傳輸系統 二 FMS FlexibleManufacturingSystem FMC可作為獨立使用的加工生產設備 也可作為柔性制造系統或柔性自動線的基本組成模塊 兩種構成形式 以托板交換為特征組成環形回轉式托板庫 15 FMS公認的特征 1 多臺制造設備 2 連接設備的物料運輸系統 3 由計算機進行高度自動的多級控制與管理 FMS根據其特點分類 1 隨機FMS對不同類型零件可進行隨機順序加工 2 序列FMS系統在一個時期加工一批零件 可很快調整加工新的一批 1 定義 特征 分類 美國國家標準局 由一個傳輸系統聯系起來的一些設備 具有換刀裝置的加工中心 歐共體機床工業委員會 是一個自動化制造系統 能以最少人的干預 加工任一范圍的零件族工件 系統含有調度生產和產品通過系統路徑的功能 也具有產生報告和系統操作數據的手段 16 3 專用FMS專門用于有限的幾種零件的加工 4 工程FMS按用戶的技術要求進行設計和安裝 5 模塊化FMS采用不同廠商的標準設備 由FMC一步步向FMS發展 2 FMS的柔性 主要指對產品的柔性 即是一種可很容易地在一定范圍內從一種零件的加工更換為另一種零件的加工具體體現在 1 隨機加工能力同時加工一個以上零件的能力 并當工件在品種 類型 要求或數量方面有變化時 都能很好地適應 2 容忍故障能力如出現局部故障 能重新選擇工件路徑并繼續加工 17 3 工作和生產能力的柔性系統可在無人照管的情況下運行 各項工作在時間上可靈活 4 生產綱領的柔性系統的規模可根據生產綱領的增加而容易地 模塊化地擴展 3 FMS的組成計算機控制系統和機械系統 計算機控制系統FMS計算機系統 負責各個設備和工作站活動的協調 網絡與數據庫 負責連接FMS計算機和各工作站 各設備的控制裝置 其應具有的基本功能 1 數據分配向FMS內的各種設備發送數據 2 協調FMS內設備的各種活動通過協調 使物料傳輸系統能及時滿足加工設備對被加工零件毛胚的需求 使各設備能達到盡可能高的利用率 18 3 提供友好的人機界面以便對系統進行操作 監視 控制和輸入數據 4 故障處理系統發生故障后 使系統具有再啟動和繼續運行的條件 機械系統加工設備 傳輸系統和存儲裝置 4 FMS的效益 優點 能按裝配作業配套要求及時安排所需零件的加工 實現及時生產 從而減少毛坯和在制品的庫存量及相應的流動資金占有量 縮短生產周期 提高設備利用率 減少設備數量和廠房面積 減少直接勞動力 19 二 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem CIM 是運用系統工程的整體優化的觀點 將現代信息技術和生產技術結合起來綜合運用 從信息技術和組織上將生產全過程的各個工作系統和信息系統連接起來 以有效地提高企業對市場需求的響應能力