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,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,数控原理与数控系统,前言,为了适应高等职业技术教育发展的需要而编写的机电一体化、数控技术专业规划教材之一。本书主要内容包括：机床数控原理与系统的基础知识，数控系统的工作原理，数控系统的插补原理与刀具补偿原理，数控系统的硬件和软件，伺服系统的检测元件，伺服驱动系统，典型计算机数控系统简介等。本书采用国家最新标准，突出实践性、实用性和先进性。,下一页,返回,目录,第一章 概论第二章名称,第二章 数控加工程序的编制基础及输入,第三章 数控系统的插补原理与刀具补偿原理,第四章 数控系统的硬件和软件,第五章 伺服系统的检测元件,第六章 数控机床的伺服驱动系统,第七章 典型数控系统简介,上一页,返回,数控原理与数控系统,前言,为了适应高等职业技术教育发展的需要而编写的机电一体化、数控技术专业规划教材之一。本书主要内容包括：机床数控原理与系统的基础知识，数控系统的工作原理，数控系统的插补原理与刀具补偿原理，数控系统的硬件和软件，伺服系统的检测元件，伺服驱动系统，典型计算机数控系统简介等。本书采用国家最新标准，突出实践性、实用性和先进性。,下一页,返回,目录,第一章 概论第二章名称,第二章 数控加工程序的编制基础及输入,第三章 数控系统的插补原理与刀具补偿原理,第四章 数控系统的硬件和软件,第五章 伺服系统的检测元件,第六章 数控机床的伺服驱动系统,第七章 典型数控系统简介,上一页,返回,第一章 概述,1.1 数控系统的基本概念,1.2 数控机床的组成与工作原理,1.3 数控机床的特点,1.4 数控机床的分类,1.5 数控系统的发展趋势,1.6 柔性制造技术,1.1 数控系统的基本概念,1.1.1 数控系统的概念,数字控制(Numerical Control)技术，简称为数控(NC)技术，是一种自动控制技术，它用数字指令来控制机床的运动。,采用数控技术的自动控制系统称为数控系统。装备了数控系统的机床称为数控机床。随着生产的发展，数控技术已不仅用于金属切削机床，同时还用于其它的机械设备，如三坐标测量机、工业机器人、激光切割机、数控雕刻机、电火花切割机等机器上。,下一页,返回,1.1 数控系统的基本概念,数控技术无论在硬件或软件方面，进展速度都很快。目前，市场上已见不到普通的数控(NC)机床，取而代之的是计算机数控机床。计算机数控(Computer Numerical Control，简写为CNC)系统是采用存贮程序的专用计算机来实现部分或全部基本数控功能的数控系统。目前所说的数控，一般是指计算机数控(CNC)。,下一页,上一页,返回,1.1 数控系统的基本概念,1.1.2 数控机床的发展简史,20世纪40年代，飞机和导弹制造业发展迅速，原来的加工设备已无法承担加工航空工业需要的高精度的复杂型面零件。数控技术是为了解决复杂型面零件加工的自动化而产生的。1948 年，美国 PARSONS 公司在研制加工直升飞机叶片轮廓检验样板的机床时，首先提出了数控机床的设想，在麻省理工学院(MIT)伺服机构研究所的协助下，于 1952 年成功研制了世界上第一台三坐标数控铣床样机。后又经过三年时间的改进和自动程序编制的研究，数控机床进入了实用阶段，市场上出现了商品化数控机床，在复杂曲面的加工中发挥了重要的作用。1958 年，美国 KEANEY TRECKER 公司在世界上首先研制成功了带有自动换刀装置的加工中心机床。,下一页,上一页,返回,1.1 数控系统的基本概念,由于微电子和计算机技术的不断发展，数控系统也随着不断更新，发展异常迅速，几乎五年左右时间就更新换代一次。从第一台数控机床诞生起，已经历以下几代变化。,下一页,上一页,返回,1.1 数控系统的基本概念,第一代数控：19521959年采用电子管构成的专用数控系统（NC）。,第二代数控：从1959年开始采用晶体管电路的NC系统。,第三代数控：从1965年开始采用小、中规模集成电路的NC系统。,第四代数控：从1970年开始采用大规模集成电路的小型通用电子计算机控制的系统（CNC）。,第五代数控：从1974年开始采用微型电子计算机控制的系统（Microcomputer Numerical Control，简称为MNC）。,下一页,上一页,返回,1.1 数控系统的基本概念,由于数控机床的优越性，在国际竞争日益剧烈、产品品种变化频繁的形势下，各国都致力于开发各种数控机床，机床的数控化率不断提高。,我国从 1958 年开始研制数控机床，到 60 年代末和70年代初，简易的数控线切割机床已在生产中广泛使用。80 年代初，我国引进了德国、日本和美国等发达国家先进的数控技术，开始批量生产数控系统，使我国的数控机床在质量和性能上都有了很大的提高。我国开发并生产了数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等 40 多种新品种。从 90 年代起，一些较高档次的五轴联动数控机床也已开发出来，我国已向高档数控机床发展。,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,1.2.1 数控机床的组成,数控机床一般由信息载体、数控系统和机床本体组成。而数控系统由输入输出装置、计算机数控装置、可编程序控制器和伺服驱动装置四部分组成，有些数控系统还配有位置检测装置，其结构框图如,图 1-1,所示。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,1信息载体,信息载体又称控制介质，用于记载各种加工信息，如刀具和零件的相对运动数据、工艺参数（进给速度、主轴转速等）和辅助运动等，以控制机床的运动，实现零件的加工。编程工作可由人工进行，也可由计算机自动编程软件来完成。常用的信息载体有穿孔纸带、磁带、磁盘等，并通过相应的输入装置将信息载体输入到数控系统中，或采用系统操作面板上的键盘将加工程序直接输入。最早使用的信息载体是穿孔纸带，目前我国统一使用国际上通用的ISO代码。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,2数控系统,这是数控机床的核心，它的功能是接受输入装置输入的加工信息，完成数控计算、逻辑判断、输入输出控制等功能。计算机数控系统一般由输入输出装置、计算机数控装置、可编程序控制器、伺服驱动装置和位置检测装置等组成。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（1）输入输出装置,数控机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等。此外，输入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，数控系统中必须具备必要的交互设备，即输入/输出装置。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,数控系统操作面板和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备，操作人员可通过数控系统操作面板和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令。数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，或是机床的加工信息。较简单的显示器只有若干个数码管，显示的信息也很有限；较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富；低档的显示器只能显示字符，中、高档的显示系统能显示图形。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,数控加工程序编制好后，一般存放于便于输入到数控装置的一种控制介质上。传统的方式是将编制好的程序记录在穿孔纸带或磁带上，然后由纸带阅读机或磁带机输入数控系统，因此纸带阅读机和磁带机是数控机床的典型输入设备。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（2）计算机数控装置,计算机数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是将输入装置传送的数控加工程序，经数控系统软件进行译码、插补运算和速度预处理，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（3）可编程序控制器,在数控系统中除了进行轮廓轨迹控制和点位控制外，还应控制一些开关量，如主轴的启动与停止、冷却液的开与关、刀具的更换、工作台的夹紧与松开等，主要由可编程控制器来完成。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（4）伺服驱动装置,伺服驱动装置又称伺服系统，它是CNC装置和机床本体的联系环节，它把来自CNC装置的微弱指令信号调解、转换、放大后驱动伺服电动机，通过执行部件驱动机床运动，使工作台精确定位或使刀具与工件按规定的轨迹作相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。数控机床的伺服驱动装置包括主轴驱动单元(主要是转速控制)、进给驱动单元(包括位移和速度控制)、回转工作台和刀库伺服控制装置以及它们相应的伺服电机等。它的伺服精度和动态响应是影响数控机床的加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（5）位置检测装置,位置检测装置主要用于闭环和半闭环系统。检测装置检测出实际的位移量，反馈给CNC装置中的比较器，与CNC装置发出的指令信号比较，如果有差值，就发出运动控制信号，控制数控机床移动部件向消除该差值的方向移动。不断比较指令信号与反馈信号，然后进行控制，直到差值为零，运动停止。,常用检测装置有旋转变压器、编码器、感应同步器、光栅、磁栅、霍尔检测元件等。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,3机床本体,是用于完成各种切削加工的机械部分。根据不同的零件加工要求，有车床、铣床、镗床、重型机床、电加工机床、绘图机、测量机等。与普通机床不同的是，数控机床的主体结构上具有如下特点：,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,（1）由于大多数数控机床采用了高性能的主轴及伺服传动系统，因此，数控机床的机械传动结构得到了简化，传动链较短。,（2）为了适应数控机床连续地自动化加工，数控机床机械结构具有较高的动态刚度、阻尼精度及耐磨性，热变形较小。,（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副、直线滚动导轨等。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,1.2.2 数控机床的工作原理,首先，根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数和刀具位移数据，再按编程手册的有关规定编写零件加工程序。其次，把零件加工程序输入到数控系统。数控装置的系统程序将对加工程序进行译码与运算，发出相应的命令，通过伺服系统驱动机床的各运动部件，并控制所需要的辅助动作，最后加工出合格的零件。,1.2 数控机床的组成与工作原理,系统程序存于计算机内存中。所有的数控功能基本上都依靠该程序完成，例如输入、译码、数据处理、插补、伺服输出等。下面简单介绍计算机数控系统的工作过程。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,1输入,以前，零件加工程序通常由光电阅读机读入数控装置。读入过程有两种不同的方式：一种是边读入边加工，阅读机是间歇式工作；另一种是一次将零件加工程序读入计算机内部的存储器，加工时再从存储器一段一段地往外调出。,下一页,上一页,返回,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,现代数控装置都使用标准串行通信接口与微型计算机相联接，实现零件加工程序和参数的传送。,零件加工程序较短时，也可直接用系统操作面板键盘将程序输入到数控装置。,零件加工程序较长时，目前大都通过系统自备的RS232通信接口与微型计算机相联接，利用通信软件传输零件加工程序。传输方式有两种：一种是数控装置内存许可时，将零件加工程序直接传输到系统内部存储器。另一种是加工程序太大，数控装置内存不足，只能边传输边加工。,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,2译码,输入的程序段含有零件的轮廓信息(起点、终点、直线还是圆弧等)、要求的加工速度以及其他的辅助信息(换刀、换档、冷却液等)。计算机依靠译码程序来识别这些数据符号，译码程序将零件加工程序翻译成计算机内部能识别的语言。,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,3数据处理,数据处理程序一般包括刀具半径补偿、速度计算以及辅助功能的处理。刀具半径补偿是把零件轮廓轨迹转化为刀具中心轨迹。这是因为轮廓轨迹的实现是靠刀具的运动来实现的缘故。速度计算是解决该加工数据段以什么样的速度运动的问题。加工速度的确定是一个工艺问题。CNC系统仅仅是保证这个编程速度的可靠实现。另外，辅助功能如换刀、换档等亦在这个程序中处理。,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,4插补,插补，即知道了一个曲线的种类、起点、终点以及速度后，在起点和终点之间进行数据点的密化。计算机数控系统中有一个采样周期，在每个采样周期形成一个微小的数据段。若干次采样周期后完成一个数据段的加工，即从数据段的起点走到终点。计算机数控系统是一边插补，一边加工的。本次采样周期内插补程序的作用是计算下一个采样周期的位置增量。一个数据段正式插补加工前，必须先完成诸如换刀、换档、冷却液等功能，即只有辅助功能完成后才能进行插补。,1.2 数控机床的组成与工作原理,下一页,上一页,返回,5伺服控制,伺服控制的功能是根据不同的控制方式（如开环、闭环），把来自数控系统插补输出的脉冲信号经过功率放大，通过驱动元件和机械传动机构，使机床的执行机构按规定的轨迹和速度加工。,1.2 数控机床的组成与工作原理,上一页,返回,6管理程序,当一个数据段开始插补时，管理程序即着手准备下一个数据段的读入、译码、数据处理。即由它调用各个功能子程序，且保证一个数据段加工过程中将下一个程序段准备完毕。一旦本数据段加工完毕，即开始下一个数据段的插补加工。整个零件加工就是在这种周而复始的过程中完成。,1.3 数控机床的特点,下一页,返回,1.3.1 数控机床的特点,1数控机床的优点,数控机床是一种高效能的自动加工机床，是一种典型的机电一体化产品。采用数控技术的金属切削机床与普通机床相比具有以下一些优点：,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,（1）高柔性 用数控机床加工形状复杂的零件或新产品时，不必像普通机床那样需要很多工装，而仅需要少量工夹具和重新编制加工程序，这为单件、小批量零件加工及试制新产品提供了极大的便利。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,（2）高精度 目前数控机床的脉冲当量普遍达到了 0.001mm，而且进给传动链的反向间隙与丝杠螺距误差等均可由数控装置进行补偿，因此，数控机床能达到很高的加工精度。对于中、小型数控机床，定位精度可达 0.025mm，重复定位精度可达 0.01mm。此外，数控机床的自动加工方式避免了生产者的人为操作误差，同一批加工零件的尺寸一致性好，产品合格率高，加工质量稳定。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,（3）高效率 零件加工所需的时间主要包括机动时间和辅助时间两部分。数控机床主轴的转速和进给速度的变化范围比普通机床大，因此，数控机床每一道工序都可选用最有利的切削用量。由于数控机床的结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强力切削，提高了数控机床的切削效率，节省了机动时间。数控机床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，辅助时间比普通机床少。数控机床通常不需要专用的工夹具，因而可省去工夹具的设计和制造时间。在加工中心机床上加工零件时，可实现多道工序的连续加工，生产效率的提高更为明显。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,（4）自动化程度高 数控机床对零件的加工是按事先编好的程序自动完成，操作者除了操作键盘、装卸工件、关键工序尺寸中间检测，以及观察机床运行之外，操作者不需要进行繁重的重复性手工操作，劳动强度大大减轻。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,（5）能加工复杂型面 数控机床可以加工普通机床难以加工的复杂型面零件。,（6）便于现代化管理 用数控机床加工零件，能精确地估算零件的加工工时，有助于精确编制生产进度表，有利于生产管理的现代化。数控机床使用数字信息与标准代码输入，最适宜于数字计算机联网，便于实现计算机辅助制造(CAM)和发展柔性生产。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,2数控机床的不足之处,数控机床存在的不足之处是：,（1）数控机床的价格较贵。,（2）调试和维修比较复杂，需要专门的技术人员。,（3）对编程人员和操作人员的技术水平要求较高。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,3数控机床的适用范围,数控机床具有普通机床所不具备的许多优点，数控机床的应用范围正在不断扩大，但它并不能完全代替普通机床，也还不能以最经济的方式解决机械加工中的所有问题。,1.3 数控机床的特点,下一页,上一页,返回,数控机床最适合加工以下零件：,（1）多品种小批量零件。如,图1-2,所示，表示了通用机床、专用机床和数控机床加工批量与成本的关系。从图中可以看出零件加工批量增大对于选用数控机床是不利的。,（2）形状结构比较复杂的零件。如,图1-3,所示中可以看出，数控机床非常适合加工形状复杂的零件。、,（3）需要频繁改型设计的零件。,1.3 数控机床的特点,上一页,返回,（4）价格昂贵、不允许报废的关键零件。如飞机大梁零件，此零件虽不多，但若加工中出现差错而报废，将造成巨大的经济损失。,（5）必须严格控制位置要求的零件。如箱体类零件、航空附件壳体等。,1.4 数控机床的分类,1.4.1 按工艺用途分类,1普通数控机床,这类数控机床和传统的通用机床一样，有数控的车、铣、钻、镗、磨床等，而且每一类里又有很多品种，例如数控铣床中就立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等，这类机床的工艺性能和通用机床相似，所不同的是它能自动加工具有复杂形状的零件。,下一页,返回,1.4 数控机床的分类,2加工中心机床,这是一种在普通数控机床上加装一个刀库和自动换刀装置而构成的数控机床。它和普通数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控系统就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工面进行铣(车)、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工，这就大大减少了机床台套数。由于减少了多次安装造成的定位误差，从而提高了各加工面间的位置精度。因此，近年来加工中心得以迅速发展。,3金属成形类数控机床,有数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,4多坐标数控机床,有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机机翼曲面及其他复杂零件的加工等，都需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需的形状，于是出现了多坐标数控机床。,5数控特种加工机床,数控特种加工机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,1.4.2 按机床运动的控制轨迹分类,1点位控制数控机床,数控系统只控制刀具从一点到另一点的准确定位，在移动过程中不进行加工，对两点间的移动速度及运动轨迹没有严格的要求。如,图1-4,所示为点位控制数控机床的刀具轨迹。这类数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床、数控冲剪床等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,2直线控制数控机床,数控系统除了控制点与点之间的准确位置以外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条平行于坐标轴的直线，而且对移动速度也要进行控制，以便适应随工艺因素变化的不同要求。如,图1-5,所示为直线控制数控机床的刀具轨迹。有些数控机床有45 斜线切削功能，但不能以任意斜率进行直线切削。这类数控机床主要有简易数控车床、数控磨床等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,3轮廓控制数控机床,数控系统能同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续相关的控制，不仅能控制轮廓的起点和终点，而且还要控制轨迹上每一点的速度和位移。轮廓控制要比点位控制更为复杂，需要在加工过程中不断进行多坐标轴之间的插补运算，实现相应的速度和位移控制。很显然，轮廓控制包含了点位控制和直线控制。这类数控机床主要有数控车床、数控铣床和加工中心等。如,图1-6,所示为轮廓控制数控机床的刀具轨迹。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,随着计算机数控装置的发展，如增加轮廓控制功能，只需增加插补运算软件即可，几乎不带来成本的提高。因此，除少数专用的数控机床(如数控钻床、冲床等)以外，现代的数控机床都具有轮廓控制功能。,对于轮廓控制的数控机床，根据同时控制坐标轴的数目还可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动和五轴联动。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,1.4.3 按伺服系统的控制方式分类,1开环控制系统的数控机床,开环控制系统的数控机床不带位置检测元件，通常使用功率步进电动机作为执行元件。数控装置每发出一个指令脉冲，经驱动电路功率放大后，就驱动步进电动机旋转一个角度，再由传动机构带动工作台移动。如,图1-7,所示是一个典型的开环控制系统。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,2闭环控制系统的数控机床,如,图1-8,所示为一典型的闭环控制系统。闭环控制系统在机床运动部件或工作台上直接安装直线位移检测装置，将检测到的实际位移反馈到数控装置的比较器中，与程序指令值进行比较，用差值进行控制，直到差值为零。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，而与传动链的误差无关。但对机床结构及传动链仍然提出了严格的要求，传动系统的刚性不足及间隙的存在，导轨的低速爬行等因素都会增加系统调试的困难，甚至会使数控机床的伺服系统工作时产生振荡。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,此外还利用与伺服驱动电动机同轴刚性连接的测速元器件，随时实测驱动电动机的转速，得到速度反馈信号，将它与速度指令信号相比较，得到速度误差信号，对驱动电动机的转速随时进行校正。,利用上述的位置控制和速度控制的两个回路，可以获得比开环控制系统精度更高、速度更快、驱动功率更大的特性指标。但其成本较高，结构复杂，调试维修困难，主要用于精度要求很高的数控坐标镗床、数控精密磨床等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,3半闭环控制系统的数控机床,如果将角位移检测装置安装在驱动电动机的端部，或安装在传动丝杠端部，间接测量执行部件的实际位置或位移，就是半闭环控制系统。如,图l-9,所示为一半闭环控制系统。它介于开环和闭环控制系统之间，获得的位移精度比开环高，但比闭环要低。与闭环控制系统相比，易于实现系统的稳定性。现在大多数数控机床都采用半闭环控制系统。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,1.4.4 按数控系统功能水平分类,按数控系统的功能水平，可分为经济型、普及型和高档型数控机床三种。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,1经济型数控机床,经济型数控机床大多指采用开环控制系统的数控机床，其功能简单，精度一般，价格便宜。采用8位微处理器或单片机控制，分辨率为 10m，快速进给速度在 68m/min，采用步进电动机驱动，一般无通讯功能，有的具有RS232接口，联动轴数为23轴，具有数码显示或CRT字符显示功能。如经济型数控线切割机床、数控车床、数控铣床等。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,2普及型数控机床,又称为全功能数控机床，大多采用交流或直流伺服电动机实现半闭环控制，其功能较多，以实用为主，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等。采用16位或32位微处理器，分辨率为1m，快速进给速度在1524 m/min之间，具有RS232接口，联动轴数为25轴。,这类数控机床的功能较全，价格适中，应用较广。,下一页,上一页,返回,1.4 数控机床的分类,3高档型数控机床,指加工复杂形状的多轴联动加工中心，其工序集中、自动化程度高、功能强大，具有高柔性。一般采用32位以上微处理器，采用多微处理器结构。分辨率为0.1m，快速进给速度可达100 m/min或更高，具有制造自动化协议MAP(Manufacturing Automation Protocol)高性能通讯接口，具有联网功能，联动轴数在5轴以上，有三维动态图形显示功能。这类数控机床的功能齐全，价格昂贵。如具有5轴以上的数控铣床，加工复杂零件的大、重型数控机床，五面体加工中心，车削加工中心等。,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,随着微电子技术和计算机技术的发展，数控系统性能日臻完善，数控系统应用领域日益扩大。为了满足社会经济发展和科技发展的需要，数控系统正朝着高精度、高速度、高可靠性、智能化及开放性等方向发展。,下一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,1高速化和高精度化,速度和精度是数控系统的两个重要技术指标，它直接关系到加工效率和产品质量。要提高生产率，其中最主要的方法是提高切削速度。高速度主要取决于数控系统数据处理的速度，采用高速微处理器是提高数控系统速度的最有效手段。现代数控系统已普遍采用32位微处理器(CPU)，其总线频率已达40MHz，并有向64位微处理器发展的趋势。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度，有的采用多微处理器系统，进一步提高了控制速度。,下一页,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,2高可靠性,现代数控机床已大量使用高集成度和高质量的硬件，大大降低了数控机床的故障率。衡量可靠性的重要指标是平均无故障工作时间（MTBF），现代数控系统的平均无故障工作时间可达到1000036000h。此外，现代数控系统还具有人工智能功能的故障诊断系统，能对潜在的和发生的故障发出警报，提示解决方法。,下一页,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,3智能化,数控系统应用高技术的重要目标是智能化，主要体现在以下几个方面：,（1）自适应控制技术 通常数控机床是按照预先编好的程序进行工作的，由于加工过程中的不确定因素，如毛坯余量和硬度的不均匀、刀具的磨损等难以预测，为了保证质量，编程时一般采用比较保守的切削用量，从而降低了加工效率。自适应控制系统可以在加工过程中随时对主轴转矩、切削力、切削温度、刀具磨损参数进行自动检测，并由微处理器进行比较运算后及时调整切削参数，使加工过程始终处于最佳状态。,下一页,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,（2）自动编程技术 为了提高编程效率和质量，降低对操作人员技术水平的要求，现代数控系统附加人机会话自动编程软件，实现自动编程。,（3）具有设备故障自诊断功能 数控系统发生故障，控制系统能够进行自诊断，并自动采取排除故障的措施，以适应长时间无人操作环境的要求。,（4）引进模式识别技术 应用图像识别和声控技术，使机器能够根据零件的图像信息，按图样自动加工，或按照自然语言指令进行加工。,下一页,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,4具有更高的通信功能,为了适应自动化技术的进一步发展，一般数控系统都具有RS232和RS422高速远距离串行接口。可按照用户级的要求，与上一级计算机进行数据交换。高档的数控系统应具有直接数字控制DNC（Direct Numerical Control）接口，可以实现几台数控机床之间的数据通信，也可以直接对几台数控机床进行控制。不少数控系统采用MAP（Manufacturing Automation Protocol）工业控制网络，可以很方便地进入柔性制造系统和计算机集成制造系统。,下一页,上一页,返回,1.5 数控系统的发展趋势,5开放性,由于数控系统生产厂家技术的保密，传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修、升级困难，难以满足市场对数控技术的要求。针对这些情况，人们提出了开放式数控系统的概念，国内外数控系统生产厂家正在大力研发开放式数控系统。开放性数控系统具有标准化的人机界面和编程语言，软、硬件兼容，维修方便。,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,如果数台CNC机床由一台通用计算机进行集中监控，就形成了直接数字控制（DNC）系统。如果把CNC机床与传递系统和控制系统等有机地组合起来，可形成柔性制造单元（FMC）或柔性制造系统（FMS）。如果把生产活动的全部环节，包括市场分析、产品设计、加工制造、经营管理等，通过集成技术实现计算机控制的一体化管理，则可形成高效率、高智能的计算机集成制造系统（CIMS）。,下一页,返回,1.6 柔性制造技术,1.6.1 直接数字控制（DNC）,计算机直接数字控制系统（Direct Numerical Control，简称DNC）也称计算机群控系统，它是用一台大型通用计算机为数台数控机床进行自动编程，并直接控制一群数控机床的系统。大型通用计算机也称中央计算机，它有足够的存储容量，可以统一存储和管理大量的零件程序。,根据机床与计算机结合方式的不同，直接数字控制可分为间接型、直接型和计算机网络等三种不同的方式。,在间接型群控系统中，把来自通用计算机存储的程序，通过连接装置分别传输到每台机床的数控系统中。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,在直接型群控系统中，机床群中每台数控机床不必带有普通数控系统，只需具有伺服控制电路和操作面板的机床控制装置即可，而机床的数控机能和插补运算功能全部由中央计算机来完成，这些功能集中到一个“分时多路数控系统”中，再与中央计算机构成一个完整的群控系统。在这种系统中，各台数控机床不能独立工作，一旦计算机出了故障，各台数控机床都将停止运行。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,在计算机网络群控系统中，各台数控机床都有独立的、由小型计算机构成的数控系统，并与中央计算机连接成网络，实现分级控制。由于每台数控专用计算机价格比较便宜，又都有应用软件，并且相对具有独立性，所以整个网络不再由一台计算机去分时完成所有数控系统的功能，全部机床可连续进行工作。,DNC系统与CNC系统最大的区别是：CNC系统采用专业的过程控制计算机控制一台机床，而DNC系统中则用一台中央计算机分时管理多台数控机床。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,1.6.2 柔性制造单元FMC,柔性制造单元(Flexible Manufacturing Cell，简称FMC)，是由一至两台加工中心和自动交换工件装置所组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。这里的柔性是指能够容易地适应多品种、小批量的生产。FMC的生产过程是：运输小车从装卸站将装有毛坯的托盘送至托盘库工位或直接送至机床上，接着毛坯就一个接着一个自动地进入加工。加工过程由控制系统进行控制。在加工的同时，工人可以在装卸站装卸零件，这样各种零件可以不间断地进行加工。如,图1-10,所示为一典型的FMC示意图，APC为托盘交换装置；MC为加工中心；CNC为计算机数控装置。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,1.6.3 柔性制造系统FMS,1柔性制造系统FMS的定义,柔性制造系统尚无统一的定义，中华人民共和国国家军用标准武器装备柔性制造系统中关于FMS的定义：FMS是由数控加工设备、物料储运装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统。它包括多个FMC，能根据制造任务或生产的变化迅速进行调整，适用于多品种和中、小批量生产。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,柔性制造系统(Flexible Manufacturing System，简称FMS)，是由两台或两台以上的数控加工中心或柔性制造单元（FMC）所组成，配有物料运储装置和计算机控制系统等组成的自动化制造系统，并具有计算机综合控制功能，数据管理功能，生产计划和调度管理功能和监控功能等。如,图1-11,所示为FMS-500示意图。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,2FMS的柔性,这里的柔性是指对产品的柔性，稍加调整就可以从一种零件的加工更换为另一种零件的加工，并可同时加工几种不同的零件，及时满足顾客的需求。,系统的柔性具体体现在以下几处方面：,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（1）随机加工能力。,（2）容忍故障的能力。,（3）工作和生产能力的柔性。,（4）生产纲领的柔性。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,3FMS的组成,柔性制造系统由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。,（1）加工系统 加工系统中的加工设备主要由410台加工中心组成。所用的刀具必须标准化、系列化以及具有较长的刀具寿命，以减少刀具数和换刀次数。加工系统中还应具备完善的在线检测和监控功能，以及排屑、清洗、装卸、去毛刺等辅助功能。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（2）物料输送系统 是区分FMS和FMC的主要标志。它包括工件和刀具的输送、搬运（上、下料）及仓库存储。,FMS的存储系统多用立体仓库并由仓库计算机进行控制。输送方式有直线往复式、封闭环形式。输送设备有输送带、有轨小车、无轨小车以及行走机器人等。目前FMS多用结构简单的输送带和有轨小车进行输送。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（3）信息系统 大多采用中央计算机的集中控制。对整个FMS实行监控，对每一个标准的数控加工中心或制造单元的加工数据实行控制，对刀具、夹具等实现集中管理和控制，协调各控制装置之间的动作。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,4FMS的特点,FMS应用于制造领域具有许多优势，主要体现在以下几个方面：,（1）保证系统具有一定柔性的同时，还具有较高的设备利用率：柔性制造系统能获得高效率的原因，一是计算机给每个零件都安排了加工机床，一旦机床空闲，立即将零件送上加工，同时将相应的数控加工程序输入这台机床。二是由于送人机床的零件早已在装卸站上装夹在托盘上，因而机床无需等待零件的装夹。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（2）减少设备投资,由于设备利用率高，柔性制造系统就能以较少的设备来完成同样的工作量。把车间采用的多台加工中心换成柔性制造系统，其投资一般可减少2/3。,（3）减少直接工时费用,数控机床是在计算机控制下进行工作的，整个系统除工件装卸外，不需工人去操纵。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（4）减少了工序中在制品量，缩短了生产准备时间,和一般加工相比，FMS由于缩短了等待加工时间，因而在减少工序中零件积存数量上有惊人的效果。促成等待加工时间缩短的因素主要有：系统占用的场地小，在制品流动路线缩短，加工工序集中，零件装夹次数减少，计算机按制定的进度计划高效地把零件分批送入FMS加工。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（5）对加工对象具有快速应变能力,柔性制造系统有其内在的灵活性，能适应由于市场需求变化和工程设计变更所出现的变动，进行多品种生产。而且还能在不明显打乱正常生产计划的情况下，插入备件和急件制造任务。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（6）维持生产能力强,许多柔性制造系统设计成具有当一台或几台机床发生故障时仍能降级运转的能力。即采用了加工能力有冗余度的设计，并使物料传送系统有自行绕过故障机床的能力。此时，虽然生产率要降低些，但系统仍能维持生产。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（7）产品质量高、稳定性好,柔性制造系统与联成系统的数控机床相比，产品质量高，并具有良好的质量稳定性。高度的自动化，零件装夹次数的减少，工装的精心准备等都有利于提高单个零件的质量。,（8）运行的灵活性,运行的灵活性是提高生产率的另一个因素。有些柔性制造系统能够在无人照看的情况下进行第二和第三班的生产。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（9）产量的灵活性,车间平面布局规划合理，开始时柔性制造系统的设计产量可以较低。但需要增加产量时，则易于布置增加的机床，以满足扩大生产能力的需要。,（10）便于实现工厂自动化,由于采用了FMS，使得工厂的底层设备控制管理实现了自动化。因而可与上层控制管理层进行无缝连接，有助于实现工厂全面自动化。,下一页,上一页,返回,1.6 柔性制造技术,（11）投资高、风险大，管理水平要求高,一个全新的FMS需要很大的投入，一旦投资失败，可带来巨大的损失，因而投资风险很大。系统即使成功开发，但系统的使用和维护需要有
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