1、第1章 绪 论 1.1 机床数控技术的基本概念机床数控技术的基本概念 1.2 数控机床的组成与工作原理数控机床的组成与工作原理 1.3 1.3 数控机床的分类数控机床的分类1.4 1.4 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势1.5 制造自动化技术的发展概况制造自动化技术的发展概况思考与练习题思考与练习题 1.1 机床数控技术的基本概念机床数控技术的基本概念 数字控制（Numerical Control,简称NC）技术，简称数控技术，是使用数字化信息按给定的工作程序、运动轨迹和速度，对控制对象进行控制的一种技术。数字控制系统中的控制信息是数字量。它所控制的一般是位移、角度、速度等机械量，也可以是
2、温度、压力、流量、颜色等物理量。这些量的大小不仅可以测量，而且可经A/D或D/A转换，用数字信号表示。采用了数控技术的设备称为数控设备。其操作命令是用数字或数字代码的形式来描述，工作过程是按指令程序自动进行。数控机床就是一种典型的数控设备，它是装备了数控系统的金属切削机床。数控技术综合运用了微电子、计算机、自动控制、精密测量、机械设计与制造等技术的最新成果。它具有动作顺序的程序自动控制，位移和相对位置坐标的自动控制，速度、转速及各种辅助功能的自动控制等功能。数控技术具有以下特点：(1)生产率高。(2)加工精度高。(3)柔性和通用性增强。(4)可靠性高。1.2 数控机床的组成与工作原理数控机床的
3、组成与工作原理 1.2.1 1.2.1 数控机床的组成数控机床的组成数控机床一般由输入输出装置、数控装置、伺服驱动装置、辅助控制装置和机床（或称裸机）等五部分组成，如图1-1所示。图 1-1 数控机床的组成1 1 程序编制及程序载体程序编制及程序载体数控程序是数控机床自动加工零件的工作指令。在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系上的相对位置，即零件在机床上的安装位置，刀具与零件相对运动的尺寸参数，零件加工的工艺路线、切割加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到零件的所有运动、尺寸、工艺参数等加工信息后，用有文字、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加
4、工的数控程序。编制程序的工作可由人工进行。对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上使用CADCAM软件进行自动编程。2 2 输入装置输入装置输入装置的作用是将程序载体上的数控代码传递并存入数控系统内。编好的数控程序，可通过光电阅读机、磁带机等输入装置存储到载体上。目前，随着CAD/CAM、CIMS技术的发展，越来越多地采用串行通信方式进行程序的传输。为了便于加工程序的编辑修改、模拟显示，数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息界面。较简单的显示器只有若干个数码管，只能显示字符；较高级的系统一般配有CRT显示器或液晶显示器，可以显示图形。3 3 数控装置数控装置数控装置是数控机床的
5、核心。数控装置从内部存储器中取出或接受输入装置送来的一段或几段数控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行规定的有序运动和动作。在数控装置的各项控制功能中，至关重要的是刀具相对于工件的运动轨迹的控制。零件的轮廓图形通常是由直线、圆弧或其他非圆弧曲线组成，刀具在加工过程中必须按零件的形状和尺寸要求进行运动，即按图形轨迹移动。为此，数控系统要进行轨迹插补运算，也就是在线段的起点和终点坐标之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，并向相应的坐标输出脉冲信号，控制沿各坐标轴进给运动的执行元件的进给速度、进给方
6、向和进给位移量等。4 4 伺服驱动装置伺服驱动装置伺服驱动装置通过接收数控装置发出的速度和位置信息，控制伺服电机的运动速度和方向。它一般由驱动电路和伺服电动机组成，并与机床上的进给传动链组成数控机床的进给系统。每个坐标轴方向都配有一套伺服驱动装置，根据是否配有位置检测及反馈装置，可以分为开环、半闭环和闭环伺服驱动系统。5 5 辅助控制装置辅助控制装置辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，可通过可编程控制器（PLC）对机床辅助功能M、主轴速度功能S和换刀功能T等实现逻辑控制。6 6 位置检测装置位置检测装置位置检测装置与伺服驱动装置配套组成半闭环或闭环伺服驱动系统。位置检
7、测装置通过直接或间接测量机床执行部件的实际位移，并将检测结果反馈到数控装置并与指令位移进行比较，根据差值发出进给脉冲信号控制执行部件继续运动，直至差值为零，以便提高系统的精度。7 7 机床的机械部件机床的机械部件数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件，如机床工作台、滑板及其传动部件和床身、立柱及支撑部件。此外，还有转位、夹紧、润滑、冷却、排屑等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库，交换刀具的机械手或机器人等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、摩擦、抗振性等方面要求更高，而且传动和变速系统要便于实现自动化。1.2.2
8、1.2.2 数控机床的工作原理数控机床的工作原理使用数控机床时，首先要将被加工零件图纸的几何信息和工艺信息用规定的代码和格式编写成加工程序;然后将加工程序输入到数控装置，按照程序的要求，经过数控系统信息处理、分配，使各坐标移动若干个最小位移量，实现刀具与工件的相对运动，完成零件的加工。在钻削、镗削或螺纹等加工（常称为点位控制）中，是在一定时间内，使刀具中心从P点移动到Q点（图1-2(a)），即刀具在X、Y轴移动以最小单位计算的程序给定的距离，它们的合成量为P点和Q点间的距离。但是，对刀具轨迹没有严格的限制，可先使刀具在X轴上由P点移动到R点，然后再沿Y轴从R点移动到Q点；也可以使两个坐标以相同
9、的速度，让刀具移到K点，再沿X轴移动到Q点，这样的点位控制，只要求严格控制点到点之间的距离，而对所走的路径和速度无严格要求。这种运动控制是比较容易实现的，一般用于只需点位控制的简易数控机床。图 1-2 数控机床加工直线、曲线原理直线；(b)平面曲线；(a)(c)空间曲线轮廓加工控制包括加工平面曲线和空间曲线两种情况。对于二维平面的任意曲线l，要求刀具T沿曲线轨迹运动，进行切削加工，如图1-2(b)所示。将曲线l分割成：l0、l1、l2li等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差相当小时，这些折线段之和就接近了曲线。由数控机床的数控装置进行计算、分配，再通过两个坐标轴最小单位量的
10、单位运动（x，y）的合成，不断连续地控制刀具运动，向着目标点不断地逼近直线（或圆弧），从而加工出工件轮廓曲线。对于空间三维曲线（见图1-2(c)）中的f（x，y,z），同样可用一段一段的折线（li）去逼近它，只不过这时li的单位运动分量不仅是x和y，还有一个z。这种在允许的误差范围内，用沿曲线（精确地说是沿逼近线）的最小单位位移量合成的分段运动代替任意曲线运动，以得出所需要的轨迹运动，是数字控制的基本构思之一。轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的移动量进行控制，而且对各坐标的速度及它们之间的比率都要进行严格控制，以便加工出工件的轮廓曲线。目前，一般的数控机床都具有直线插补和圆弧插补
11、功能。插补是指在被加工轨迹的起点和终点之间，插进许多中间点，进行数据点的密化工作，然后用已知线型（如直线、圆弧等）逼近。随着科学技术的迅速发展，许多生产数控系统的厂家，逐渐推出了具有抛物线插补、螺旋线插补、极坐标插补、样条曲线插补、曲面直接插补等丰富功能的数控系统，以满足用户的不同需要。机床的数字控制是由数控系统完成的。数控装置能接受零件图纸加工要求的信息，进行插补运算，实时地向各坐标轴发出速度控制指令。伺服驱动装置能快速响应数控装置发出的指令，驱动机床各坐标轴运动，同时能提供足够的功率和扭矩。检测装置将坐标位移的实际值检测出来，反馈给数控装置的调节电路中的比较器，有差值就发出运动控制信号，从
12、而实现偏差控制。不断地比较指令值与反馈的实际值、不断地发出信号，直到差值为零，运动结束。这种方式适用于连续轨迹控制。在数控机床上除了上述轨迹控制和点位控制外，还有许多动作，如主轴的启停、刀具的更换、冷却液的开关、电磁铁的吸合、电磁阀的启闭、离合器的开合、各种运动的互锁和连锁；运动行程的限位、急停、报警、进给保持、循环启动、程序停止、复位等等。这些都属于开关量控制，一般由可编程控制器（Programmable Controller,简称为PC，也称为可编程逻辑控制器PLC，又称为可编程机床控制器PMC）来完成，开关量仅有“0”和“1”两种状态，显然可以很方便地融入机床控制系统中，实现对机床各种运
13、动的数字控制。1.2.3 1.2.3 数控机床加工的特点及应用范围数控机床加工的特点及应用范围 1 1 数控机床加工的特点数控机床加工的特点 (1）数控机床在适应不同零件的自动加工方面胜于自动化专用机床。数控机床是按照不同的零件编制不同的加工程序进行自动加工的，因而在产品改型和创新时只需变换加工程序即可，而不必像自动化专用机床那样，在产品变更时需花费很长的生产准备周期去变更生产设备。(2）数控机床在生产效率、加工精度和加工质量稳定性方面胜于通用机床。由于数控机床机构简单、刚性好，故可采用较大的切削用量，减少机加工的工时；还由于数控机床具有自动换刀等辅助操作功能，因此大大减少了辅助加工时间，从而
14、提高了生产效率。此外，数控机床本身的精度较高，还可以运用软件进行传动部件的误差补偿和返程侧隙补偿，因而加工精度较高。数控机床采用自动化加工，避免了人为操作失误，因而加工质量稳定性高于通用机床。(3）在数控机床上能完成复杂型面的加工。如图1-3所示，手柄柄部旋转曲面的加工可以在数控车床上实现。数控机床运用插补计算可以确定各进给运动轴相应的方向和步长，从而与主轴一起产生正确的成型运动，加工出复杂型面的零件。若在通用机床上加工，则很难加工出表面光滑，且尺寸、形状满足要求的手柄。图 1-3 手柄简图(4）一次装夹可以完成多道工序。数控机床，特别是具有刀库的加工中心，因为具有自动换刀功能，所以使得工件在
15、一次装夹中可以完成多道工序，以减少装夹误差，减少辅助时间，减少工序间的运输。另外，一台数控机床可代替多台普通机床，因而能带来较高的经济效益。(5）数控机床的其他特点。数控机床价格高，且对操作、维修人员的技术水平有较高的要求。综上所述，使用数控机床可以高效、高质量地制造出新的产品，以满足社会不断变化的需求，使制造业得到较高的经济效益。尽管数控机床价格高，但可降低制造成本，提高经济效益。2 应用范围应用范围近年来，在汽车及轻工业消费品等大批量生产方面，采用了大量的组合机床自动线、流水线；在标准件等大量生产中，采用了凸轮控制的专用机床和自动机床。这些适合于大批量生产的生产线，其制造和调试都很困难，过
16、程很长。一旦需要更换产品，则整个工艺过程全变了。原有设备要抛弃，需另外购置新的设备，重新安装和调试生产线，资金和时间的投入将会很大。人们把这种生产模式称为刚性自动化。由于产品多样化和产品更新加快的要求，解决单件、小批量生产自动化的问题便迫在眉睫。在航空、航天、造船、电子、军工、模具等领域对形状复杂零件的高精度加工要求越来越高。刚性自动化很难满足这些领域的要求，而以数控机床为基础的柔性加工和柔性自动化便应运而生的发展起来了。数控机床是一种新型的自动化机床，它具有广泛的通用性和很高的自动化程度。数控机床是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动化生产线的基本单元。1.3 数控机床的分类数控机床的分类
17、1 按加工工艺方法分类按加工工艺方法分类(1）普通数控机床。与传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工相对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上存在很大差别，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制的，具有较高的生产率和自动化程度。在普通数控机床上加装一个刀库和换刀装置即成为了数控加工中心机床。加工中心机床进一步提高了普通数控机床的自动化程度和生产效率。例如铣、镗、钻加工中心，它是在数控铣床基础上增加了一个容量较大的刀库和自动换刀装置形成的，工件一次装夹后，可以对箱体零件的四面甚至是五面大部分加工工序进行铣、镗、钻、扩
18、、铰以及攻螺纹等多工序加工，特别适合箱体类零件的加工。加工中心机床可以有效地避免由于工件多次安装造成的定位误差，减少了机床的台数和占地面积，缩短了辅助时间，大大提高了生产效率和加工质量。(2）特种加工类数控机床。除了切削加工数控机床以外，数控技术也大量应用于数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。(3）板材加工类数控机床。常用于金属板材加工的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控弯折机等。近年来，其他机械设备中也大量采用了数控技术，如数控多坐标测量机、自动绘图机及工业机器人等。2 按控制运动轨迹分类按控制运动轨迹分类(1）点位控制
19、数控机床。点位控制数控机床的特点是机床移动部件只能实现由一个位置到另一个位置的精确定位，在移动和定位过程中不进行任何加工，机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点与点之间的运动轨迹。这种数控系统一般用于数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机等。点位控制数控机床的数控装置称为点位数控装置。(2）点位/直线控制数控机床。这种控制的数控机床除了能够控制由一个位置到另一个位置的精确定位外，还可控制刀具或工作台以指定的进给速度，沿着平行于坐标轴的方向进行直线移动和切削加工，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。比如，直线控制的简易数控车床，可加工阶梯轴。直线控制的数控铣床，有三个坐标轴，可用
20、于平面的铣削加工。现代组合机床采用数控进给伺服系统，驱动动力头带有多轴箱的轴向进给进行钻镗加工，它也可算是一个直线控制数控机床。这种数控系统一般可用于数控车床、数控镗铣床、加工中心等机床。(3）轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床能够对两个或两个以上运动的位移及速度进行连续相关的控制，使之合成平面曲线或空间曲线的运动轨迹以满足零件轮廓的加工要求。它不仅能控制机床移动部件的起点与终点的位置精度，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，将工件加工成要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。轮廓控制系
21、统的结构要比点位直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断地进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。3 按驱动装置的特点分类按驱动装置的特点分类(1）开环控制数控机床。图1-4 为开环控制数控机床的系统框图。这类数控机床的控制系统没有位置检测元件，伺服驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机。数控系统每发出一个进给指令，经驱动电路功率放大后，驱动步进电机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动值不再反馈回来，所以
22、称为开环控制数控机床。图 1-4 开环控制数控机床的系统框图(2）闭环控制数控机床。闭环数控机床是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于检测装置的检测精度，与传动链的误差无关，因此其控制精度较高。图1-5 为闭环控制数控机床的系统框图。图 1-5 闭环控制数控机床的系统框图(3）半闭环控制数控机床。半闭环控制数控机床是在伺服电机的轴或数控机床的传动丝杠上装有角位移电
23、流测量装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。图1-6 为半闭环控制数控机床的系统框图。图中,A为速度传感器，B为角度传感器。通过A和B可间接检测出伺服电机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。由于工作台没有包括在控制回路中，因而称为半闭环控制数控机床。图 1-6 半闭环控制数控机床的系统框图(4）混合控制数控机床。将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适用于大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传
24、动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。混合控制系统又分为两种形式：开环补偿型和半闭环补偿型。图1-7 为开环补偿型控制方式。它的基本控制选用步进电机的开环伺服机构，另外附加一个校正电路，用装在工作台的直线位移测量元件的反馈信号校正机械系统的误差。图 1-7 开环补偿型控制方式 图1-8 为半闭环补偿型控制方式。它是用半闭环控制方式取得高精度控制，再用装在工作台的直线位移测量元件实现全闭环修正，以获得高速度与高精度的统一。其中A是速度测量元件（如测速发电机），B是角度测量元件，C是直线位移测量元件。图 1-8 半闭环补偿型控制方式 1.4
25、 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 1 数控系统的发展趋势数控系统的发展趋势从1952年美国麻省理工学院研制出第一台试验性数控系统到现在已走过了53年的历程。数控系统由当初的电子管式起步，经历了以下几个发展阶段：分立式晶体管式小规模集成电路式大规模集成电路式小型计算机式超大规模集成电路微机式的数控系统。到20世纪80年代，总体的发展趋势是：数控装置由NC向CNC发展；广泛采用32位CPU组成多微处理器系统；提高系统的集成度，缩小体积，采用模块化结构，便于裁剪、扩展和功能升级，满足不同类型数控机床的需要；驱动装置向交流、数字化方向发展；CNC装置向人工智能化方向发展；采用新型的自动编程系统；
26、增强通信功能；数控系统的可靠性不断提高。总之，数控机床技术不断发展，功能越来越完善，使用越来越方便，可靠性越来越高，性能价格比也越来越高。1）新一代数控系统采用开放式体系结构进入20世纪90年代以来，计算机技术的飞速发展，推动了数控机床技术的更新换代。世界上许多数控系统生产厂家利用PC机丰富的软硬件资源开发开放式体系结构的新一代数控系统。开放式体系结构使数控系统有更好的通用性、柔性、适应性、扩展性，并向智能化、网络化方向发展。近几年,许多国家纷纷研究开发这种系统，如美国科学制造中心（NCMS）与空军共同领导的“下一代工作站、机床控制器体系结构”NGC，欧共体的“自动化系统中开放式体系结构”OS
27、ACA，日本的OSEC计划等。开发研究成果已得到应用，如Cincinnati-Milacron公司从1995年开始在其生产的加工中心、数控铣床、数控车床等产品中采用了开放式体系结构的A2100系统。开放式体系结构可以大量采用通用微机的先进技术，如多媒体技术，实现声控自动编程、图形扫描自动编程等功能。数控系统继续向高集成度方向发展，每个芯片上可以集成更多个晶体管，使系统更加小型化、微型化,可靠性大大提高。利用多CPU的优势实现故障自动排除,可增强通信功能，提高进线、联网能力。开放式体系结构的新一代数控系统，其硬、软件和总线规范都是对外开放的，由于有充足的软、硬件资源可供利用，不仅使数控系统制造商
28、和用户进行的系统集成得到有力的支持，而且也为用户的二次开发带来了极大的方便，促进了数控系统多档次、多品种的开发和广泛应用；它既可通过升档或剪裁构成各种档次的数控系统，又可通过扩展构成不同类型数控机床的数控系统。这种数控系统可随CPU升级而升级，结构上不必变动。2）新一代数控系统控制性能大大提高数控系统在控制性能上向智能化发展。随着人工智能在计算机领域的渗透和发展，数控系统引入了自适应控制、模糊系统和神经网络的控制机理，不但具有自动编程、前馈控制、模糊控制、学习控制、自适应控制、工艺参数自动生成、三维刀具补偿、运动参数动态补偿等功能，而且人机界面极为友好，并具有故障诊断专家系统使自诊断和故障监控
29、功能更趋完善。伺服系统智能化的主轴交流驱动和智能化进给伺服装置，能自动识别负载并自动优化调整参数。直线电机驱动系统已投入使用。2 数控机床的发展趋势数控机床的发展趋势 1）高速、高速、高效、高效、高精度和高可靠性高精度和高可靠性（1）高速、高效。机床向高速化方向发展，可充分发挥现代刀具材料的性能，不但可大幅度提高加工效率、降低加工成本，而且还可提高零件的表面加工质量和精度。超高速加工技术对制造业实现高效、优质、低成本的生产有广泛的适用性。（2）高精度。从精密加工发展到超精密加工（特高精度加工），是世界各工业强国致力发展的方向。其精度从微米级到亚微米级，乃至纳米级（10 nm）。超精密加工主要包
30、括超精密切削（车、铣）、超精密磨削、超精密研磨抛光以及超精密特种加工（三束加工及微细电火花加工、微细电解加工和各种复合加工等）。随着现代科学技术的发展，对超精密加工技术又提出了新的要求。新材料及新零件的出现，更高精度要求的提出等都需要超精密加工工艺。只有发展新型超精密加工机床，完善现代超精密加工技术，才能适应现代科技的发展。当前，高精度的机械加工要求如下：普通的加工精度提高了一倍，达到5 m；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加工精度进入纳米级（0.001 m），主轴回转精度要求达到0.010.05 m，加工圆度为0.1 m，加工表面粗糙度为0.003 m等。精密化是为了适应高新技术发展的需
31、要，也是为了提高普通机电产品的性能、质量和可靠性。随着高新技术的发展和对机电产品性能与质量要求的提高，机床用户对机床加工精度的要求也越来越高。为了满足用户的需要，近10多年来，普通级数控机床的加工精度已由10m提高到5m，精密级加工中心的加工精度则从(35)m提高到(11.5)m。（3）高可靠性。它是指数控系统的可靠性要高于被控设备的可靠性一个数量级以上，但也不是可靠性越高越好，仍然是适度可靠，因为商品受性能价格比的约束。对于每天工作两班的无人工厂而言，如果要求在16小时内连续正常工作，无故障率P(t)99%以上的话，则数控机床的平均无故障运行时间(MTBF)就必须大于3000小时。MTBF大
32、于3000小时，对于由不同数量的数控机床构成的无人化工厂差别就大多了，若只对一台数控机床而言，如主机与数控系统的失效率之比为10 1的话（数控系统的可靠性比主机高一个数量级）。此时数控系统的MTBF就要大于33 333.3小时，而其中的数控装置、主轴及驱动等的MTBF就必须大于10万小时。当前,国外数控装置的MTBF值已达6000小时以上，驱动装置达30 000小时以上。2）模块化、智能化、柔性化和集成化（1）模块化、专门化与个性化。为了适应数控机床多品种、小批量的特点，数控系统必须结构模块化，数控功能专门化。机床性能价格比必须提高并加快优化,个性化是近几年来特别明显的发展趋势。（2）智能化。
33、智能化的内容包括在数控系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如自适应控制，工艺参数自动生成。为提高驱动性能及使用连接方便方面的智能化，如前馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等。简化编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程，智能化的人机界面等。智能诊断、智能监控方面的内容，方便系统的诊断及维修等。（3）柔性化和集成化。数控机床向柔性自动化系统发展的趋势是：从点（数控单机、加工中心和数控复合加工机床）、线（FMC、FMS、FTL、FML）向面（工段车间独立制造、FA）、体（CIMS、分布式网络集成制造系统）的方向发展。另一方面向注重应用性和经济性
34、方向发展。柔性自动化技术是制造业适应动态市场需求及产品迅速更新的主要手段，是各国制造业发展的主流趋势，是先进制造领域的基础技术。其重点是以提高系统的可靠性、实用化为前提，以易于联网和集成为目标；注重加强单元技术的开拓、完善；CNC单机向高精度、高速度和高柔性方向发展；数控机床及其构成柔性制造系统能方便地与CAD、CAM、CAPP、MTS连接，向信息集成方向发展；网络系统向开放、集成和智能化方向发展。3）开放性为适应数控进线、联网、普及型个性化、多品种、小批量、柔性化及数控迅速发展的要求，最重要的发展趋势是体系结构的开放性，设计生产开放式的数控系统。例如美国、欧共体及日本发展开放式数控的计划等。
35、4）出现新一代数控加工工艺与装备为适应制造自动化的发展，向FMC、FMS和CIMS提供基础设备，要求数字控制制造系统不仅能完成通常的加工功能，而且还要具备自动测量、自动上下料、自动换刀、自动更换主轴头（有时带坐标变换）、自动误差补偿、自动诊断、进线和连网等功能。新一代数控加工工艺和装备的主要发展方向有：(1)FMC，FMS Webbased制造及无图纸制造技术。(2)围绕数控技术在快速成型、并联机构机床、机器人化机床、多功能机床等整机方面的运用，这种虚拟轴数控机床用软件的复杂性代替传统机床机构的复杂性，开拓了数控机床发展的新领域。(3)以计算机辅助管理和工程数据库、因特网等为主体的信息支持技术
36、和智能化决策系统,对机械加工中的信息进行存储和实时处理。应用数字化网络技术，使得机械加工整个系统趋于资源合理支配并高效地应用。(4)由于采用了神经网络控制技术、模糊控制技术、数字化网络技术，使得机械加工向虚拟制造的方向发展。1.5 制造自动化技术的发展概况制造自动化技术的发展概况1.5.1 概述概述制造业是技术革新最迅速的领域之一。制造业对提高劳动生产率、产品质量和加速新品开发的不断追求，使得机械、电子、信息、材料及现代管理技术等方面的最新成果在产品的整个生命周期中得到综合应用，不断产生先进的制造技术。目前，先进的制造技术主要包括设计自动化技术、现代管理技术、制造自动化技术、流程工业综合自动化
37、技术和系统集成技术等。制造自动化(以下简称自动化)的概念是一个动态发展的过程。过去，人们对自动化的理解或者说自动化的功能目标是以机械的动作代替人力操作，自动地完成特定的作业。这实质上是自动化代替人的体力劳动的观点。后来随着电子和信息技术的发展，特别是随着计算机的出现和广泛应用，自动化的概念已扩展为用机器(包括计算机)不仅代替人的体力劳动而且还代替或辅助脑力劳动，以自动地完成特定的作业。1.5.2 CAD/CAPP/CAM集成集成1.CAD/CAPP/CAM集成技术的意义集成技术的意义21世纪，高科技迅猛发展并广泛应用。高科技之一的先进制造技术已成为当前制造业发展的重要技术保证。CADCAPP/
38、CAM集成技术是先进制造技术的核心基础，它的发展与应用已成为一个国家科技进步和工业现代化的重要标志。全球市场日趋一体化，市场竞争激烈、产品更新换代加快、产品性能价格比越来越高，促使世界上许多国家和企业都把发展CADCAM技术确定为本国制造业的发展战略，制定了很多计划，借以推动CADCAM集成技术的开发与应用。目前CADCAM集成技术已成为我国制造工业的热点。2 CAD/CAPP/CAM集成技术产生的背景、集成技术产生的背景、过程过程20世纪60年代开始，CAD和CAM技术各自独立地发展，国内外先后开发了一批性能优良相互独立的商品化CAD、CAPP和CAM系统。它们分别在产品设计自动化、工艺过程
39、设计自动化和数控编程自动化方面起到了重要的作用。这些系统提高了企业的生产效率，缩短了产品设计与制造周期，适应了市场的需求。经集成的CAD、CAPP、CAM系统，即“孤岛”之间的信息传输依赖于工程图样和工艺规程等有关技术文档，由手工将这些文档通过键盘输入至各个“孤岛”的计算机。采用人工传递信息的方法，“孤岛”之间的信息传递效率较低，因数据量不能过多，所以会造成信息不完整，准确度差，无法进行实时控制。解决的办法是借助于计算机来辅助企业生产的全过程，包括产品的设计，并将有关产品信息存放于数据库中。使产品信息成为制造产品的重要依据，例如：(1）用来制订工艺规程和生产作业计划。(2)组织各项制造活动，包
40、括及时备料和物料的采购，及时向机床提供毛坯和所需的工夹量具。(3）同时编制完成零件加工用的数控程序，并传输给加工机床。(4）加工和装配时，实时检测出加工、装配和物料搬运中的有关数据，并反馈给计算机系统，进行监控和工艺过程的自动校正。上述过程就是所谓的CADCAM集成系统。在此系统的支持下，CAD、CAPP、CAM之间的数据和信息能够自动地传递和转换，保证了系统内信息的畅通无阻，使各个子系统能协调高效地运行。3 CAD/CAM系统的组成系统的组成CAD/CAM系统基本上由硬件系统和软件系统两部分组成。1）系统软件系统软件用于实现计算机系统的管理、控制、调度、监视和服务。它是应用软件的开发环境(内
41、容有操作系统、程序设计语言处理系统、服务性程序等)。它与计算机硬件直接联系，可为用户提供方便，也可扩充用户计算机功能。2）管理软件管理软件负责CADCAM系统中生成的各类数据的组织和管理。通常采用数据库管理系统进行管理。它是CADCAM软件系统的核心。3）支撑软件支撑软件是CADCAM的基础软件，它包括工程绘图、三维实体造型、曲面造型、有限元分析、数控编程、系统运行学与动力学模拟分析等。它以系统软件为基础，用于开发CADCAM应用软件所必需的通用软件。目前市场上出售的大部分软件是支撑软件。4）应用软件应用软件是为用户解决某种应用问题而编制的一些程序。软件应用范围为各个领域专用。其软件开发一般由
42、用户或用户与研究机构在系统软件与支撑软件的基础上联合开发。4.CAD/CAM系统流程系统流程CADCAM系统的基本构成如图1-9 所示。图 1-9 CAD/CAM系统的基本构成 5 CADCAM系统的集成系统的集成1）CADCAM系统集成的概念CADCAM系统集成信息背景定义是指设计与制造过程中，CAD、CAPP和NCP三个主要环节的软件集成，有时也叫CADCAPPCAM集成。CAM的广义概念：CAM应包括从工艺过程设计、夹具设计到加工、在线检测、加工过程中的故障诊断、装配以及车间生产计划调度等制造过程的全部环节。CADCAM系统集成的具体定义是把CAD、CAE、CAPP、NCP，以至PPC(
43、生产计划与控制)等功能不同的软件结合起来，统一组织各种信息的提取、交换、共享和处理，保证系统内信息流的畅通，协调各个系统的运行。CADCAM集成的最显著特点是与生产管理和质量管理有机地集成在一起，通过生产数据采集和信息流形成一个闭环系统。CADCAM的集成作用是制造业迈向CIM的基础。2)CADCAM系统三个方面的集成(1)硬件集成：CAD系统网和CAM系统网互连。(2)信息集成：CADCAM系统双向数据共享与集成。(3)功能集成：指PDMS(产品数据管理系统)。它是CADCAM集成的核心。通过PDMS可以实现CADCAM的数据共享与集成。3）CADCAM系统的集成方法系统的集成方法 CADC
44、AM系统主要有以下几种集成方法：（1）基于数据交换接口的方法。这种方法通过标准格式(IGES，STEP)数据交换接口来实现数据共享。所谓IGES，即原始图形数据交换规范，以图形描述数据为主。（已不适应信息集成发展的需要）。STEP克服了IGES的缺点，它是由ISO制定的一个进行产品数据交换与实现共享的国际标准。（2）基于特征的方法。该方法通过引入特征的概念，建立特征造型系统，以特征为桥梁完成系统的信息集成；基于特征的产品建模，把特征作为产品定义模型的基本构造单元，并将产品描述为特征的有机集合。（3）面向并行工程的方法。在设计阶段就进行工艺分析和设计，并在整个过程中贯穿着质量控制和价格控制，使集
45、成达到更高的程度。在设计产品的同时，同步地设计与产品生命周期有关的全部过程，包括设计、分析、制造、装配、检验、维护等。在每一个设计阶段同时考虑设计结果能否在现有的制造环境中以最优的方式制造，整个设计过程是一个并行的动态设计过程。6 CADCAM集成的体系结构集成的体系结构现有的或正在开发的CADCAM系统可分为下述三种类型。1）传统型系统这类系统有I-DEAS、VG-、CADAM、CATIA、CADDS等较著名的系统。这些系统在结构上是以某种应用功能(如工程绘图)为基础发展起来的，后来逐渐将其功能扩充到CADCAM的其他邻域。如I-DEAS是美国SDRC公司开发的CAD/CAM软件。国外如波音
46、、索尼、三星、现代、福特等公司均是SDRC公司的大客户和合作伙伴。该软件是高度集成化的CAD/CAE/CAM软件系统。它帮助工程师以极高的效率，完成从产品设计、仿真分析、测试直至数控加工的产品研发全过程。它是全世界制造业用户广泛应用的大型CAD/CAE/CAM软件。它可以方便地仿真刀具及机床的运动，从简单的2轴、2.5轴加工到以7轴5联动方式来加工极为复杂的工件表面，并可以对数控加工过程进行自动控制和优化。2）改进型系统这类系统是20世纪80年代中期发展起来的，如 CIMPLEX、ProENGINEER等。这些系统提高了某些功能的自动化程度。又如参数化特征设计、系统数据与文件管理、数据加工程序
47、（NC程序）的自由生成等。3）数据驱动型系统这是正在发展中的新一代CADCAM集成系统。其基本出发点是：从解决产品整个生命周期的统一数据模型出发，寻求产品数据完全实现交换和共享的途径。这类系统采用STEP产品数据交换标准，逐步实现统一的系统信息结构设计和系统功能设计。7 CADCAM系统的推广与应用效益评价系统的推广与应用效益评价 国外推广CADCAM技术是在20世纪70年代。美国科学研究院的工程技术委员会曾对CADCAM集成技术所取得的效益做过一个测算，其所得数据如下：(1)降低工程设计成本1530。(2)减少产品设计到投产的时间3060。(3)由于较准确地预测了产品的合格率而提高了产品的质
48、量，其预测量级提高了25倍。(4)增加工程师分析问题广度和深度的能力335倍。(5)增加产品作业生产率4070。(6)减少加工过程3060。(7)降低人力成本520。国内推广CADCAM技术是在20世纪90年代。1992年国务院转批了CAD应用工程联合报告，成立了全国CAD应用工程协调指导小组，促使全国CADCAM的开发推广走上一条适合国情健康发展的道路。1.5.3 计算机集成制造系统计算机集成制造系统1 计算机集成制造系统的概念计算机集成制造系统的概念1973年美国的约瑟夫.哈林顿（Joseph Harrington）博士在Computer Integrated Manufacturing一
49、书中，首次提出了计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念，其基本思想可归纳为两点：从产品研制到售后服务的生产周期全部活动是一个不可分割的整体，每个组成过程应紧密连接安排而不能单独考虑。整个生产过程的活动，实质上是一系列数据处理过程。每一过程都有数据产生、分类、传输、分析、加工等，其最终生成的产品，可以看作是数据的物质表现。此后，许多专家对CIM提出各种认识，但是，到目前为止，还没有形成一个对CIM公认的、统一的定义。根据CIM概念提出后20多年来的研究与实践，可以对它作如下理解：CIM是一种现代信息技术、管理技术和生产技术，它对生产
50、企业从产品设计、生产准备、生产管理、加工制造、直到产品发货与用户服务的整个生产过程的信息进行统一管理、控制，以优化企业生产活动，提高企业效益与市场竞争力的思想方法或生产模式。2 CIMS与工厂自动化（与工厂自动化（Factory Automation,FA）两者虽然有许多共同点，但两者又有本质的区别。(1）在功能上:CIMS包含了一个企业全部生产经营活动的功能，即从市场预测、产品设计、加工制造直到产品售后服务的全部活动。CIMS比传统的工厂自动化的范围要大得多。(2）在组成上:CIMS涉及的自动化不是工厂各环节的自动化或计算机化的简单相加，而是有机的集成。它不仅是设备、机器的集成，更主要的是以
