1、梅雪松梅雪松西安交通大学西安交通大学数字控制与装备技术研究所数字控制与装备技术研究所20192019、1 1制造制造l 狭义制造概念：产品的制作过程狭义制造概念：产品的制作过程l 广广义制造概念：产品整个生命周期过程义制造概念：产品整个生命周期过程制造系统制造系统l 系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合系统：由相互作用和相互依赖的若干组成部分结合 成的具有特定功能的有机整体成的具有特定功能的有机整体l 制造系统：制造过程所涉及的硬件（人员、设备、制造系统：制造过程所涉及的硬件（人员、设备、材料、能源和各种辅助装置），以及有关软件（制材料、能源和各种辅助装置），以及有关软件（制 造理论、
2、制造技术、制造方法）等组成的具有特定造理论、制造技术、制造方法）等组成的具有特定 功能的有机整体功能的有机整体 一一、基本、基本概念的更新概念的更新 1.加工装备加工装备：主主要要是机床是机床2.金属切削机床：通用机床金属切削机床：通用机床 车车、钻、镗、钻、镗、铣铣、磨、刨、磨、刨3.专用机床专用机床 如精密丝杠车床等如精密丝杠车床等4.特种加工机床：特种加工机床：电火花加工电火花加工、超声波加工、超声波加工、激光加激光加工工5.电子束加工机床等电子束加工机床等2.工艺装备：刀具、夹具、模具、量具工艺装备：刀具、夹具、模具、量具3.输送及仓储装备：物料输送、上下料、立体仓库等输送及仓储装备：
3、物料输送、上下料、立体仓库等4.辅助装备：清洗、排屑等辅助装备：清洗、排屑等 l定义：定义：大量采用最新科研成果的机电一体化设备。大量采用最新科研成果的机电一体化设备。不再是过去的纯机械设备，而是机械学、微电子学、自动化技不再是过去的纯机械设备，而是机械学、微电子学、自动化技 术、术、计算机技术和信息科学等有机结合。计算机技术和信息科学等有机结合。l种类：种类：机器人机器人MC数控测量机数控测量机FMS电火花加工电火花加工激激光光焊焊接接 广泛采用数控技术，提高制造能力和水平广泛采用数控技术，提高制造能力和水平 由由“以产品为中心以产品为中心”正在转变为正在转变为“以以 顾客为中心顾客为中心”
4、，全方位地为顾客服务、为社会服务，全方位地为顾客服务、为社会服务 由先进的信息和网络技术按照服务由先进的信息和网络技术按照服务 业的运行模式装备和改造传统制造业，使业的运行模式装备和改造传统制造业，使制造装备的发展方向制造装备的发展方向第二部分第二部分CAD/CAE/CAM与制造业信息化与制造业信息化一、一、CAD/CAE/CAM CAD与CAM几乎同步 50年代形成阶段 发展阶段：60年代计算机技术的发展 成熟阶段80年代市场化，90年代3维，大批的软件IDEAS，ProE 集成阶段：90年代 概念设计 初步设计 详细设计 文档设计：工艺设计：加工制造 先进产品制造中的CAD/CAM技术 市
5、场竞争中的CAD/CAM技术：CAD/CAM制造的全新化 CAD/CAM的经济效益:快速开发产品质量柔性制造减少浪费二、二、CAD/CAE/CAM系统的组成系统的组成 外外围围设设备备硬件硬件系统系统软件软件系统系统CAD/CAE/CAM系统系统生生产产设设备备计计算算机机支支撑撑软软件件应应用用软软件件系系统统软软件件三、三、CAD/CAE/CAM系统的工作过程系统的工作过程CAECADCAM1、系统软件操作系统：DOS/Windows/Linux语言编译系统：人机交互语言的翻译软件2、支撑软件CAD/CAE/CAPP/CAM3、应用软件:二次开发四、四、CAD/CAE/CAM在专业学科知识
6、结在专业学科知识结构中的地位构中的地位 数学基础数学基础力学基础力学基础机械基础机械基础机械设计理论机械设计理论机械制造理论机械制造理论CAD/CAE/CAM产品制造产品制造 零件的描述与设计零件的描述与设计CAD 零件的特性分析与修正零件的特性分析与修正CAE/CAD 零件成型方法的设计与分析零件成型方法的设计与分析CAPP 零件成型刀具轨迹的规划零件成型刀具轨迹的规划CAM 零件的数控加工零件的数控加工CNC 零件成型质量的评估与批量管理零件成型质量的评估与批量管理ERPCADDXF/IGES/STEPCAM刀位文件刀位文件后置处理器后置处理器G代码（代码（ISO 6983）CNC几何形状
7、、公差要求几何形状、公差要求工艺方法、刀具要求工艺方法、刀具要求几何形状、公差要求几何形状、公差要求刀具中心的运动轨迹、速度刀具中心的运动轨迹、速度直线运动、圆弧运动直线运动、圆弧运动加工资源（机床、刀具）加工资源（机床、刀具）直线运动、圆弧运动直线运动、圆弧运动产品设计产品设计工艺规划数工艺规划数控编程控编程控制加工控制加工 传统数控加工流程及制造信息的转化传统数控加工流程及制造信息的转化数据接口格式数据接口格式数据接口格式数据接口格式系统系统11系统系统21系统系统n1标准接口标准接口1系统系统12系统系统22系统系统32标准接口标准接口2系统系统1系统系统2专用接口专用接口1系统系统n1
8、、2专用接口专用接口1、n专用接口专用接口.基于专用接口的系统集成方式基于专用接口的系统集成方式制造过程的信息流制造过程的信息流CAD/CAE/CAPP/ERP/CAM/CNC五五、CAD/CAE/CAM系统的集成方式系统的集成方式.基于标准接口的系统集成方式基于标准接口的系统集成方式DXF/IGES/STEP/G开发设开发设计计工艺过程工艺过程规划规划制定生制定生产计划产计划数控编数控编程程数控加数控加工工质量控质量控制制CADCAPPERPCAMCNCCAQ支持产品全生命周期的数据交换标准（支持产品全生命周期的数据交换标准（STEP）3、基于、基于STEP的系统集成方式的系统集成方式(总线
9、方式总线方式)75%35%50%CAPP一般规范一般规范Part 1：总则：总则Part 2：语言联编：语言联编Part 9：术语：术语铣削模型铣削模型Part 11车削模型车削模型Part 12放电加工放电加工Part 13其他工艺其他工艺Part 1x通用模型通用模型14649-10STEP-NC（ISO14649）STEP 其他部其他部分或应用协议分或应用协议Part 11：EXPRESS语言语言Part 21：交换文件交换文件结构的纯结构的纯正文编码正文编码AP-203：配置控制配置控制设计设计AP-224：加工特性加工特性工艺规划工艺规划的机械产的机械产品定义品定义STEP（ISO
10、10303）STEP-NC与与STEP的关系的关系 EXPRESS描述产品描述产品特征特征的数据模型，对产品几何、的数据模型，对产品几何、拓扑、材料、管理信息进行描述，按照沃思语法拓扑、材料、管理信息进行描述，按照沃思语法定义的一种形式描述（定义的一种形式描述（Wirth syntax notation）便）便于人的理解和计算机处理于人的理解和计算机处理 引入实体（引入实体（ENTITY）和模式（）和模式（SCHEMA）的概）的概念，把研究对象或者概念抽象为具有属性的实体，念，把研究对象或者概念抽象为具有属性的实体，实体的集合为模式实体的集合为模式用户层用户层权限权限控制控制统一用户界面统一用
11、户界面异构硬件异构硬件网络平台网络平台分布异构分布异构数据库数据库应用应用工具工具网络通信网络通信服务服务用户用户1 1CADCAECAPPCAM用户用户1 1用户用户1 1用户用户管理管理项目项目管理管理工作流工作流程管理程管理应用工应用工具集成具集成应用系统层应用系统层PDMPDM系统集成层系统集成层异构环境处理层异构环境处理层4、基于基于PDM(产品数据管理产品数据管理)的系统集成方式的系统集成方式 硬件基础硬件基础 软件：软件：软硬件匹配软硬件匹配性能性能/价格价格使用便利使用便利开放性开放性/接口接口二次开发二次开发服务服务第三部分第三部分、数控系统数控系统1、数控系统结构硬件硬件操
12、作系统操作系统管理软件管理软件应用软件应用软件控制软件控制软件数控加工程序数控加工程序 接接口口被控设备被控设备 机机 床床 机器人机器人 测量机测量机 .一般数控系统由一般数控系统由3部分部分组成：组成：1，MMC：人机接口人机接口2，CNC：运动控制部：运动控制部分，分，包括伺服部分，但一般包括伺服部分，但一般主轴在主轴在PLC部分。部分。3，PLC：机床的顺控：机床的顺控部分部分人机接口人机接口NC控制器控制器伺服驱动器伺服驱动器数控机床数控机床传感器传感器机床强电机床强电MMCCNCPLC 由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。成。
13、计计 算算 机机 基基 本本 系系 统统设设备备层层设设备备支支持持层层接 口人机控制运动控制PMC其他I/O其他设备计算机系统显示设备输入/出设备机 床机器人测量机 .操作系统操作系统管理软件管理软件控制软件控制软件零零件件程程序序管管理理显显示示处处理理人人机机交交互互交交互互位位置置控控制制输输入入输输出出管管理理插插补补运运算算故故障障诊诊断断处处理理速速度度处处理理机机床床输输入入输输出出编编译译处处理理主主轴轴控控制制刀刀具具半半径径补补偿偿.图3-2 CNC 软件系统功能框图CAD/CAECAD/CAE/CAMCAM 系统系统MISMIS 系统系统专家系统专家系统外部接口模块外部
14、接口模块总总控控制制模模块块代码处理模块代码处理模块插补运算模块插补运算模块过程过程、逻辑控制模块逻辑控制模块轴控模块轴控模块人机界面人机界面设备管理软件设备管理软件检测监控模块检测监控模块人机界面人机界面设备驱动程序设备驱动程序CNCCNC 系统应用软件系统应用软件操作系统平台操作系统平台控制器硬件平台控制器硬件平台机床系统硬件平台机床系统硬件平台3、数控系统参考模型、数控系统参考模型1)专用数控系统：专用数控系统：生产厂商基于专门的控制硬件，在此基础上开生产厂商基于专门的控制硬件，在此基础上开发所有数控系统控制软件，与外设有标准的发所有数控系统控制软件，与外设有标准的接口；接口；FANUC
15、,SIMENZI;数控系统软件功能模块数控系统软件功能模块数控装置数控装置控制模块控制模块管理模块管理模块电电机机运运动动控控制制位位置置运运动动控控制制插插补补计计算算刀刀补补计计算算速速度度处处理理G功功能能处处理理监监控控处处理理中中断断处处理理PLC处处理理误误差差补补偿偿电机运动控制电机运动控制插补计算插补计算刀补计算刀补计算监控处理监控处理中断处理中断处理匀匀速速控控制制加加/减减速速控控制制直直线、线、圆圆弧弧插插补补螺螺旋旋线线、空空间间插插补补刀刀具具半半径径补补偿偿刀刀具具长长度度补补偿偿键键盘盘处处理理显显示示处处理理报报警警处处理理急急停停处处理理部分控制模块功能部分控
16、制模块功能管理模块管理模块系系统统的的初初始始化化键键盘盘及及显显示示系系统统的的初初始始化化数控程数控程序的读序的读入入CAD/CAM程程序序的的编编辑辑与与修修改改故故障障诊诊断断程程序序系统初始化系统初始化CPU和和CTC的初的初始化始化标标志志位位的的初初始始化化键键盘盘和和缓缓冲冲区区的的初初始始化化显显示示缓缓冲冲区区的的初初始始化化故障诊断程序故障诊断程序定定时时器器的的故故障障诊诊断断中中断断功功能能的的故故障障诊诊断断键键盘盘的的诊诊断断状状态态的的诊诊断断 操作面板操作面板 NC 工作站工作站 硬盘硬盘 UMS 显示显示/文本文本/菜单菜单 基本系统基本系统 NCK-UMS
17、 显显 示示 操操 作作 MMC 存存 储储 应应 用用 界界 机机 器器 参参 数数 硬硬 盘盘 面面 部部 分分 程程 序序 存存 储储 诊诊 断断 程程 序序 模模 拟拟 通通 信信 服服 务务 MMC-UMS 处处 理理 器器（CP）块块 准准 备备 存存 储储 盒盒 PLC PLC MMC-数数 据据 操作系统操作系统 NCK 界界 计算机计算机 标标 准准 刀刀 具具 面面 调调 停停 接接 口口 功能块功能块 管管 理理 用于机床控制的用户程序用于机床控制的用户程序 位位 置置 控控 制制 PLC 机机 床床 界界 面面 输入输入/输出输出PLCPLC机器界面机器界面 灵敏度灵敏
18、度 V.24 机机 器器 控控 制制 （驱动（驱动/马达）马达）SINEC H1 MAP 3.0 软软 盘盘 数数 据据 RS232C（V.24）中中 心心 AT 驱驱 动动 存存 储储 输入输入/输出输出 （标（标 题）题）扩扩 展展 盒盒 （V.24）PG MMC-PLC 界面界面西门子西门子840840数数控系统控系统 MMC-NCK PLCPLC RS232CSINUMERIK 840C包括了三个基本部分：包括了三个基本部分：l l NCK（数控中心）（数控中心）l l PLC（可编程逻辑控制器）（可编程逻辑控制器）l l MMC（人机交换）（人机交换）NCK执行部分典型的数控任务。例
19、如：利用块处理和插补的工执行部分典型的数控任务。例如：利用块处理和插补的工件程序的执行，轴和主轴通过位置控制的激励。件程序的执行，轴和主轴通过位置控制的激励。PLC表示机床的界面控制，并且控制辅助轴、刀具库及监控设备表示机床的界面控制，并且控制辅助轴、刀具库及监控设备等机床特殊功能。等机床特殊功能。显示和操作功能，跟显示和操作功能，跟MMC操作模式的主控制一样，在操作模式的主控制一样，在MMC部部分里被执行。分里被执行。NCK组成部件基本包括：组成部件基本包括：l l 零件程序存储器零件程序存储器l l 通信处理器（通信处理器（CP）l l 控制参数控制参数l l UMSl l NCK 结构结
20、构l l 轴和主轴控制轴和主轴控制零件程序存储器零件程序存储器当前正在加工的工件程序在当前正在加工的工件程序在NC部分储存和管理。在部分储存和管理。在NCK部件部件的零件程序存储器不具有带电保持。零件程序能被存储在硬的零件程序存储器不具有带电保持。零件程序能被存储在硬盘的数据管理部分（盘的数据管理部分（MMC）。数据是面向工件存储的。）。数据是面向工件存储的。接口部件（接口部件（CP 模块）模块）l l SBC RS232C(V.24)l l MMC 界面界面l l CP 模块模块 NCK控制参数控制参数数字控制包括不同类型的控制参数数字控制包括不同类型的控制参数：l l 机床数据机床数据所有
21、由机床厂家所设定的用来适应特定机床控制的数据所有由机床厂家所设定的用来适应特定机床控制的数据存储为机床数据。例如，它们包括参考点的位置，轴存储为机床数据。例如，它们包括参考点的位置，轴的数量和名称，驱动单元的数量和名称，驱动单元.主轴转速或进给速率的加减主轴转速或进给速率的加减速特性。机床数据能被一个可变的密码保护。速特性。机床数据能被一个可变的密码保护。l l 设置数据设置数据设置数据能被机床操作者或使用者改变。例如：它们包设置数据能被机床操作者或使用者改变。例如：它们包括工作区限制。括工作区限制。l l PLC机器数据机器数据PLC机器数据可在机器数据可在NC和和PLC的连接的连接RAM中
22、发现，并且中发现，并且能被操作者用来定义机床控制面板和机床选项等等。能被操作者用来定义机床控制面板和机床选项等等。PLC机器数据在机器数据在NC的每次冷启动时被传输到的每次冷启动时被传输到PLC中。所中。所有的有的PLC机器数据直到机器数据直到PLC的再次冷启动才有效。的再次冷启动才有效。l l 刀具补偿刀具补偿机床操作者，在刀具补偿中存储刀具的几何数据及磨损机床操作者，在刀具补偿中存储刀具的几何数据及磨损数据。数据。为了适应特定的机床控制和用户的要求，可以配为了适应特定的机床控制和用户的要求，可以配置操作者界面。机床特定的功能（例如循环）置操作者界面。机床特定的功能（例如循环）或操作者界面（
23、显示，菜单，信息）能在程控或操作者界面（显示，菜单，信息）能在程控工作站工作站“WS 800A”上生成。机床上的功能，上生成。机床上的功能，文本和显示以及机床生产者的参数都存储在文本和显示以及机床生产者的参数都存储在UMS中。中。UMS是在是在SINUMERIK 840C中中MMC-CPU间的硬盘上的一个数据文件。当控间的硬盘上的一个数据文件。当控制启动后和执行制启动后和执行NCK的操作界面时，这个文件的操作界面时，这个文件被载入被载入NCK。MMC部件被分为部件被分为l l 基本系统基本系统l l 应用应用基本系统包括下列：基本系统包括下列：l l 标准操作系统（标准操作系统（FlexOS）
24、l l 驱动器驱动器l l 数据管理数据管理l l 主控制主控制l l MMC操作者通讯系统操作者通讯系统l l 基本工具，例如：基本工具，例如：ASCII和和DIN编辑器编辑器l l 显示管理显示管理通信协调通信协调 l l 机床机床l l 参数参数l l 编程编程l l 诊断诊断l l 伺服伺服 智能化智能化 数据共享（数据共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）可扩展可扩展(功能扩展、平台扩展、重功能扩展、平台扩展、重构构)PC连接型连接型NC 即将现有原型即将现有原型CNCCNC与与PCPC用通用串行线直用通用串行线直接相连的一种组成形式接相连的一种组成形式:DNC:DNC PC嵌入型
25、嵌入型NC 即在传统的专用数控机床中嵌入即在传统的专用数控机床中嵌入PCPC技技术，术，PCPC与与CNCCNC之间用专用总线连接。之间用专用总线连接。系统系统。运动控制器运动控制器+PC+PC型型 即在通用即在通用PCPC的扩展槽中插入运动控的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以制卡，完全采用以PCPC为硬件平台的数控系统为硬件平台的数控系统。PMACPMAC运动控制器运动控制器 全软件型全软件型NCNC 即完全采用即完全采用PCPC的全软件形式的数控系统。的全软件形式的数控系统。NCNC的全部功能处理全由的全部功能处理全由PCPC进行，并通过装在进行，并通过装在PCPC扩展扩展槽中的接口卡等
26、进行控制。槽中的接口卡等进行控制。STEP-NCSTEP-NC CNCCNC系统系统应用软件应用软件：CNCCNC软件的内部结构也是模块化软件的内部结构也是模块化的。的。它它负责负责：人机界面，代码处理模块对人机界面，代码处理模块对NCNC程序进程序进行解释和预处理行解释和预处理，产生相应的数据结构交给插补运产生相应的数据结构交给插补运算模块或过程、逻辑控制模块执行，结果通过设备算模块或过程、逻辑控制模块执行，结果通过设备驱动程操作相应的硬件驱动程操作相应的硬件；过程逻辑控制主要处理过程逻辑控制主要处理：过程控制、各种开关量、过程控制、各种开关量、机床状态等机床状态等；设备管理设备管理：进行检
27、测、监控。外部接口模块进行检测、监控。外部接口模块：提供提供CAD/CAMCAD/CAM接口、接口、MISMIS系统接口、专家系统接口、数据系统接口、专家系统接口、数据库系统接口等。库系统接口等。外部程序运行于操作系统之上，可利用外部程序运行于操作系统之上，可利用CNCCNC系统提供系统提供的库函数开发相关应用，并集成到一起。的库函数开发相关应用，并集成到一起。在最低层，是数控机床系统的硬件平台，在最低层，是数控机床系统的硬件平台，它包括机床本身的各轴驱动器、继电器、它包括机床本身的各轴驱动器、继电器、伺服电机等。伺服电机等。数控制器的硬件平台，它是一个计算机数控制器的硬件平台，它是一个计算机
28、系统，一般采用通用的系统，一般采用通用的PCPC机硬件结构，机硬件结构，还应提供与机床底层的接口，如数字还应提供与机床底层的接口，如数字I/OI/O、可编程控制器、运动控制卡等。可编程控制器、运动控制卡等。软件的最低层是操作系统，软件的最低层是操作系统，LinuxLinux系统、系统、windoswindos系统，通过操作系统提供良好的系统，通过操作系统提供良好的用户接口（用户接口（GUIGUI）、应用程序接口（）、应用程序接口（APIAPI）库、多任务机制库、多任务机制。即在传统的专用数控机床中嵌入即在传统的专用数控机床中嵌入PCPC技术，技术，PCPC与与CNCCNC之间用专用总线连接。其
29、优点是原之间用专用总线连接。其优点是原型型CNCCNC几乎可以不加改动的使用，且数据传几乎可以不加改动的使用，且数据传送速度快、系统响应快。其目的是增加数送速度快、系统响应快。其目的是增加数控系统的计算机功能，实现联网和大规模控系统的计算机功能，实现联网和大规模数据处理。如数据处理。如FANUCFANUC公司的公司的150/160/180/210150/160/180/210系统、系统、Siemens840DSiemens840D系统、系统、Num1060Num1060系统、系统、AB9/360AB9/360等数控系统。等数控系统。设计好的操作，工件材料，设计好的操作，工件材料，需要的精确度，
30、（位置精确需要的精确度，（位置精确度、表面精度），空的直径度、表面精度），空的直径、深度，入口，出口，几个、深度，入口，出口，几个尺寸尺寸监测者监测者伺 服伺 服控制控制CL数据数据产生产生操作者操作者切 削切 削过程过程CNC测量测量驱动驱动闭环闭环1闭环闭环2闭环闭环3数据库数据库启动启动6、智能数控系统、智能数控系统 它的它的CNCCNC软件全部装在计算机中，而硬件部分仅软件全部装在计算机中，而硬件部分仅是计算机与伺服驱动和外部是计算机与伺服驱动和外部I/OI/O之间的标准化通之间的标准化通用接口。目前由于存在着操作系统的实时性标准用接口。目前由于存在着操作系统的实时性标准统一性及系统稳
31、定性等问题，这种系统目前正处统一性及系统稳定性等问题，这种系统目前正处于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。于探求阶段，还没有大规模投入到实际的应用中。目前全软件型目前全软件型NCNC的典型产品有美国的典型产品有美国MDSIMDSI公司的公司的Open CNCOpen CNC、德国、德国Power AutomationPower Automation公司的公司的PA8000 PA8000 NTNT等。等。STEP-NC与与STEP(Standard for the Exchange of Product model data)兼容的数控数据接口兼容的数控数据接口（STEP-compliant data interface for numerical control）（STEP-NC）开发设开发设计计工程分工程分析析工艺过工艺过程规划程规划数控编数控编程程数控加数控加工工质量控质量控制制CADCAECAMCNCCAQ支持产品全生命周期的数据交换标准（支持产品全生命周期的数据交换标准（STEP）基于基于STEP的数控系统的数控系统(总线方式总线方式)CAPPSTEP数控系统接口数控系统接口STEP-NC程序程序翻译器翻译器CNCSTEP-NC控制器控制器人机界面人机界面G代码代码内嵌内嵌CAM
