1、数控技术及其应用数控技术及其应用第一章第一章 绪论绪论第一章 数控技术的应用 数控技术是一种自动控制技术，即应用数字程序实现对各种机构的执行部件进行自动控制和操作。数控技术最初应用于切削加工机床，以形成各类数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、加工中心等。随着计算机技术的发展，计算机数字控制技术日臻完善，虚拟仿真也得到了应用，这里只提及数控车床和数控铣床的虚拟数控技术应用。除了数控机床外，数控技术还可应用于对工业机械手的自动控制，对检测装置的自动控制，对电加工设备、焊接设备的自动控制，对布料裁剪机、绒线编织机的自动控制等。本章将简要介绍数控技术在具体工程学科上的一些应用情况。8.1 虚拟数
2、控技术8.1.1 虚拟数控技术的主要内容一个虚拟数控系统包括以下几个模块。虚拟数控系统8.1.2 虚拟数控技术的发展历程数控加工仿真按仿真对象考察方式的不同一般可分为两种方式（或者称为两个阶段）：纯几何仿真和物理仿真。第一种方式是纯几何仿真，它不考虑切削参数、切削力及其他物理因素的影响，只仿真刀具工件几何体的运动，以验证数控程序的正确性。几何仿真由于检验目的不同分为两种：刀具中心的运动轨迹仿真，刀具、夹具、机床、工件间的运动干涉（碰撞）仿真。第二种方式是物理仿真，它使用物理规律去模拟被仿真的事件，此时要考虑力、速度、质量、密度、能量以及其他物理参数的影响，因此这种方法比较复杂，而且随着应用对象
3、和目的的不同而有很大的不同。现在市场上的CAM软件大部分只提供几何仿真功能。对于物理仿真，由于涉及对刀具切削过程物理规律的研究，费用高，同时需要高校、研究所、工厂甚至国家的共同参与，大部分软件并没有提供相应的功能。但它是将来加工软件发展的一个重点。8.1.3 虚拟数控车床一个完整的车削加工仿真系统应具有以下的功能。（1）画面逼真地反映数控车削加工环境和整个加工过程。在仿真系统中，人们可以直观地观察全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、切削等。（2）可以真实描述数控车削加工过程中的物理效应，如车削中的应力，工件和夹具的变形。（3）能对数控车削加工过程中出现的碰撞、干涉进行检测，并提供报警信
4、息。（4）对加工过程使用的工装、夹具的实用性给予评价，对待加工产品的可加工性和工艺规程的合理性进行评估。（5）数控车削加工仿真系统还应当能够对加工精度、加工时间进行精确估算，为虚拟制造技术提供数据支持。1虚拟数控车削加工系统的总体设计数控车削加工过程几何仿真系统数控车床仿真加工系统2虚拟数控车削加工系统功能模块（1）建立几何仿真数控车床模型 几何仿真数控车床加工环境。几何仿真数控车床加工设备。（2）刀具设计模块（3）毛坯设计模块（4）夹具设计模块 8.1.4 虚拟数控铣床1虚拟数控铣削加工系统的总体设计虚拟数控铣削加工系统代码解释虚拟面板二维仿真在线帮助刀夹具库三维仿真辅助编程 系统功能模块框
5、图系统整体加工环境图系统实现流程图2虚拟数控铣削加工系统各功能模块 机床模型包括机床的几何模型、运动模型和机床的一些技术参数。本系统主要是解决机床几何模型的建立，然后通过程序来控制实现各轴的移动及主轴的转动，这里采用模块化设计来建立机床几何模型。机床的模块化设计包含两个过程，一是如何根据设计要求进行功能抽象、合理创建模块的过程；二是如何根据设计要求合理选择一组模块、产生机床拼装方案的过程。进行模块化设计要把机床划分成若干模块，这里考虑三轴数控铣床的运动关系，即主轴的转动、工作台的平动，把数控铣床分成机床主轴、床身、X向工作台、Y向工作台和Z向工作台，它和实际机床的组成有所不同，对一些与仿真无关
6、的部件，如液压装置、照明电气系统等，在仿真模型中不予考虑，从而简化仿真模型。为了给用户带来美好的视觉效果，本系统提供了变换机床颜色和材质的功能，用户可以根据自己的喜好来定制自己的数控机床；同时系统还提供了隐藏和显示机床各模块的功能，如用户不需要看机床而只想看刀具与工件的仿真加工过程，则可以隐藏机床床身和工作台。系统还提供了多方位观察截面方式：XOZ截面、YOZ截面等截面观察方式。在工件定位或加工仿真过程中，用户可以选择不同的截面来观察显示，了解不同侧面的加工信息，更好地掌握数控机床的加工过程。8.1.5 总结虚拟数控技术是在分析实际使用的数控机床的操作方式和编程原理的基础上，采用面向对象的结构
7、化程序设计语言开发的一套用于数控机床实验教学培训的软件系统。能够较好地满足用户对数控加工仿真系统的要求，为数控操作人员提供了强有力的辅助工具。解决数控教学设备不足的问题。具体来讲，工作主要集中在以下几个方面。（1）虚拟数控加工系统控制面板的构造。（2）数控代码的编辑、修改及翻译。（3）实时地反映数控加工过程的动态仿真模型的建立。（4）强大的在线帮助功能。8.2 柔性制造系统8.2.1 柔性制造系统的定义 关于柔性制造系统的定义很多，下面列出一些权威性单位的定义。美国国家标准局（National Bureau of Standard，NBS）把FMS定义为：“由一个传输系统联系起来的一些设备，传
8、输装置把工件放在其他连接装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件”。美国政府称FMS为：“由一组自动化的机床或制造设备与一个自动化的物料处理系统相结合，由一个公共的、多层的、数字化可编程的计算机进行控制，可对事先确定类别的零件进行自由地加工或装配的系统”。国际生产工程研究协会指出：“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”欧盟机床工业委员会认为：“柔性制造系统是一个自动化制造系统，它能够以最少的人干预，加工任一范围的零
9、件族工件，该系统通常用于有效加工中小批量零件族，以不同批量加工或混合加工；系统的柔性一般受到系统设计时考虑的产品族限制，该系统含有调度生产和产品通过系统路径的功能。系统也具有产生报告和系统操作数据的手段”。在中华人民共和国国家军用标准有关“武器装备柔性制造系统术语”中的定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产”。简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。8.2.2
10、柔性制造系统的类型与构成1柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的制造系统。柔性制造系统有以下3种类型。（1）柔性制造单元。（2）柔性制造系统。（3）柔性自动生产线。2柔性制造系统的构成 就机械制造业的柔性制造系统而言，柔性制造系统（FMS）由下面3部分组成：多工位的数控加工系统、自动化物料储运系统和计算机控制的信息系统。（1）自动加工系统。（2）物流系统。（3）信息系统。8.2.3 柔性制造系统的优点柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾，具体优点如下。（1）设备利用率高
11、。（2）再制品减少80%左右。（3）生产能力相对稳定。（4）产品质量高。（5）运行灵活。（6）产品应变能力大。8.2.4 柔性制造系统的应用实例由于箱体、框架类零件及板材等采用柔性制造系统加工，经济效益特别显著，故现在的柔性制造系统中，加工箱体、框架类零件及板材的柔性制造系统加工占得比重较大。1板材加工的柔性制造系统 板金加工主要是剪切加工和冲压加工，在传统的生产车间中，加工对象滞留在工厂里的大部分时间是用在等待上，极少部分时间用于加工。时间的等待无异于资金的积压，而板材加工的柔性制造系统能有效地解决这一问题。由5大部分组成：自动仓库单元、冲压加工单元、剪切加工单元、中央控制单元和自动工艺编程
12、单元。板材加工的柔性制造系统的总体布局图2加工箱体类零件的柔性制造系统加工箱体类零件的柔性制造系统8.3 计算机集成制造系统8.3.1 计算机集成制造系统简介 使用柔性制造系统虽然有较高的经济效益，但它的高效和自动化只是局限在制造加工的范围内，随着制造行业的发展，柔性制造系统越来越体现出“自动化孤岛”的特点。当今制造业的竞争关键在于：T（Time to Market）加快新产品的开发和产品的上市时间；Q（Quality）改善质量；C（Cost）降低成本；S（Service）完善售前售后服务。而柔性制造系统的“自动化孤岛”特点阻碍了T、Q、C和S的完善，因而降低了市场的竞争力。1973年，美国的
13、约瑟夫哈灵顿博士首先提出了计算机集成制造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念，他认为，企业的生产组织和管理应该强调两个观点，即：企业的各种生产经营活动是不可分割的，需要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息的采集、传递和加工处理的过程。哈灵顿博士强调的一是系统观点，二是信息观点。两者都是信息时代企业组织和企业管理最基本和重要的观点。可以说，CIM是信息时代组织和管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生产模式。基于这一理论和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing Sys
14、tem，CIMS）。（1）CIMS的概念，计算机集成制造系统是在信息技术、自动化技术、计算机技术及制造技术的基础上，通过计算机及其软件，将工厂制造的全部生产活动设计、制造及经营管理（包括市场调研、生产决策、生产计划、生产管理、产品开发、产品设计、加工制造以及销售经营）等与整个生产过程有关的物料流与信息流实现计算机高度统一的综合化管理，把各种分散的自动化系统有机地集成起来，构成一个优化的完整的生产系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竞争。（2）CIMS的构成，CIMS包括工厂制造的生产、经营的全部活动，应具有经营管理、工程设计和
15、加工制造等主要功能。右图为CIMS的构成。它是在CIMS数据库的支持下，由信息管理模块、设计和工艺模块及制造模块组成。设计与工艺模块主要包括：计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助工程（CAE）、成组技术（GT）、计算机辅助工艺规程设计（CAPP）、计算机辅助数控编程技术等，目的是使产品的开发更高效、优质并自动地进行。柔性制造系统是制造模块的主体，主要包括：零件的数控加工、生产调度、刀具管理、质量检测和控制、装配、物料储运等。CIMS基本构成图 信息管理模块主要包括：市场预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售及售后跟踪服务、成本核算、人力资源管理等，通过信息的集成，达到缩短产品生产周期
16、、减少占用的流动资金、提高企业的应变能力。公用数据库是CIMS的核心，对信息资源进行存储与管理，并与各个计算机系统进行通信，实现企业数据的共享和信息集成。由上述可知，CIMS是建立在多项先进制造技术基础上的高技术制造系统。为赶上工业先进国家的机械制造水平，我国863计划将CIMS作为自动化领域中的一个主题项目进行研究，开展了关键技术的攻关工作，确定了若干试点工厂，取得了一批重要的研究成果。CIMS的实施过程中要实现工程设计、制造过程、信息管理、工厂生产等技术和功能的集成。这种集成不是现有生产系统的计算机化，而原有的生产系统集成很困难，独立的自动化系统异构同化非常复杂，因此要考虑在实施CIMS计
17、划的收益和支出。8.3.2 CIMS的应用进展1CIMS在国外的应用发展技术上的可能和市场竞争的需要，终于使哈林顿在1973年提出的CIMS概念由不被重视迅速地成为一些技术上处于先导地位的企业和一些国家政府的实践活动。世界上一些著名的大公司，从20世纪70年代末80年代初开始制订本公司实现CIMS的规划，建立CIMS的生产工厂（车间），攻克实现CIMS的技术难关并且不断取得重大进展。一些工业发达的国家政府和组织如美国、日本、欧盟和经互会成员国，都把CIMS作为科学技术发展的一个战略目标，通过制订各种计划、规划，建立国家级研究实验基地等手段积极推进这一新的生产方式的发展。2CIMS在中国的应用发
18、展（1）CIMS在中国的发展历史 CIMS单元技术的研究和应用开始于20世纪中叶。1986年CIMS正式列入863计划，即“高技术研究发展计划纲要”，从此开始了在中国研究应用CIMS技术的新篇章。本节以我国863计划为主线，介绍CIMS在中国的应用发展情况。CIMS在中国应用，概括起来经历了下列3个阶段。“CIMS离我国还很遥远”：19861987年我国863/CIMS计划刚起动时，社会上有这种看法。“CIMS正在向我们走来”：19891990年一些大中型骨干企业出于市场竞争的需求，要求实施CIMS工程。“要求推广应用CIMS技术”：19931995年越来越多的企业，包括不少中小型企业要求实施
19、CIMS，从1995年开始，经过几届专家组和全国几千名从事CIMS研究、开发、应用的科技人员的共同努力，为我国CIMS技术实验、研究、应用打下了基础，创造了良好的环境。1992年底CIMS工程中心建成，1993年底7个单元技术工程实验室建成，突破了CIMS领域中以信息集成为代表的一批关键技术，建成了具有先进水平的实验环境，培养了一支技术队伍。1994年建在清华大学的CIMS工程研究中心获得CASE/SME“大学领先奖”，进一步表明中国已跻身于国际CIMS研究与开发的先进行列。继1994年清华大学的CIMS工程研究中获得CASE/SME“大学领先奖”之后，CIMS典型应用工厂北京第一机床厂在19
20、95年获得CASE/SME“工业领先奖”。1994年成都飞机工业公司、沈阳鼓风机厂、北京第一机床厂等大型企业的CIMS应用工程取得重大进展，产生了良好的经济效益，证实了企业实施CIMS的必要性，对大中型企业产生了深远影响并起了良好的示范作用。从此，开始了CIMS推广和应用的新局面。（2）CIMS在中国的发展现状目前我国863/CIMS计划分4个层次展开。应用工程。产品开发。关键技术攻关。应用基础研究。（3）CIMS应用工程的进展 通过CIMS应用工程的实践，促进了对CIMS工程总体设计技术的掌握，反过来又促进应用工程的广泛开展。国内CIMS应用工程的研究始于1989年底、1900年初。1994
21、年第一批典型应用工厂验收，取得了良好的经济效益，并开始在十几个省市、部委推广应用。CIMS应用取得了很大的进展，主要表现在以下几个方面。CIMS应用覆盖了多种行业。包括机械、电子、化工、冶金等行业。在机械行业又有飞机、汽车、轮船、机床、纺织机械等多种产业。分布在全国各地。共有65家CIMS应用企业，遍及十几个省市。出现一批典型，取得了成功的实施经验。如成都飞机工业公司、沈阳鼓风机厂、北京第一机床等，1994年相继完成了CIMS“突破口”工程，先后被评为“CIMS应用领先企业”，它们的成功，为推广应用CIMS提供了宝贵的经验。取得了明显的经济效益，在国内外产生较大的影响。8.4 数控技术应用于工
22、业机器人 20世纪人类创造了许多伟大的发明，机器人技术就是其中之一。机器人自20世纪60年代初问世以来，首先在生产流水线上得到了应用，成为制造业中的关键装备。进而在许多行业中得到了广泛的应用，成为许多产业不可缺少的自动化设备。经过40多年的发展，机器人技术已取得长足的进步。目前，世界上有多于75万台工业机器人正与生产工人一起工作在各行各业中。柔性制造系统内的物流子系统，除了无人化搬运小车外，很大程度上要依赖于工业机器人进行刀具和工件的搬运。工业机器人由机座、工作构件、驱动系统、传感装置和控制器组成，现代机器人甚至还可以包括人工智能系统，以实现机器人对工件的自动识别和适应性操作。机座主要用来支承
23、工作构件、安装驱动装置及其他装置等。若为移动式机器人，机座上还将安装行走机构。工作构件主要用来抓取物体并实现所需运动。一般由手部、腕部、臂部等构成，驱动系统用来驱动工作构件的运动，它可以是液压装置、气动机构或电气传动。传感装置主要用来检测工业机器人的运动位置、状态，并将所测结果反馈给控制系统。控制器是一个计算机数字控制系统，具有较强的运算能力和较大的信息储存能力，它是机器人的灵魂。它接收外界的信息和指令，并根据机器人的状态环境等情况，产生控制信号，去驱动机器人按规定的程序动作和运动。工业机器人通常按坐标形式分以下几类：直角坐标型机器人（如图（a）所示）、圆柱坐标型机器人（如图（b）所示）、球面坐标型机器人（如图（c）所示）、SCARA型机器人（即装配机器人，如图（d）所示）和多关节型机器人（如图（e）所示）。工业机器人的5种类型控制柜CMC80工业控制机输入输出1输出2计算接口测量仪功率放大脉冲分配升降机功率驱动方向判别涡流传感器气动电磁阀步进电动机光电编码器机器人手臂某一工业机器人数控系统原理框图一个关节的步进电动机驱动系统原理框图
