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1 第一章概述 制造業(yè)先進(jìn)制造技術(shù)數(shù)字化制造技術(shù) 數(shù)字化 制造技術(shù) 上層 信息和下層技術(shù) 其主體 數(shù)控 計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù) 數(shù)控 NC 數(shù)控技術(shù) 指用數(shù)字化信息 數(shù)字量及字符 發(fā)出指令并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的技術(shù) 計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)部分或全部基本數(shù)控功能 數(shù)字控制系統(tǒng)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng) 被控對(duì)象 各種生產(chǎn)過程或設(shè)備 數(shù)控機(jī)床 計(jì)算機(jī)數(shù)控機(jī)床 數(shù)控機(jī)床 集機(jī)械制造 計(jì)算機(jī) 微電子 現(xiàn)代控制及精密測(cè)量等多種技術(shù)于一體典型的機(jī)電一體化產(chǎn)品 2 第一節(jié)數(shù)控機(jī)床 一 CNC系統(tǒng) 1 組成 核心 CNC裝置由三部分組成 1 計(jì)算機(jī)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(bǔ)償 速度處理 插補(bǔ)計(jì)算 位置控制等 2 PLC接收加工程序的開關(guān)功能信號(hào) 機(jī)床面板及機(jī)床側(cè)的開關(guān)量信號(hào)邏輯處理完成輸出控制功能 實(shí)現(xiàn)各功能及操作方式的聯(lián)瑣 3 即 機(jī)床電氣設(shè)備 主軸 刀具 工件 液壓 氣動(dòng) 冷卻 潤(rùn)滑系統(tǒng) 倍率開關(guān) 并實(shí)現(xiàn)各種狀態(tài)指示 故障報(bào)警以及通信 附加軸控制 3 接口上位機(jī)的通信 I O設(shè)備 機(jī)床之間信號(hào)往來(lái)的I O 主軸驅(qū)動(dòng)裝置控制主軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng) 實(shí)現(xiàn)在寬范圍內(nèi)速度連續(xù)可調(diào) 并在每種速度下都能提供切削所需的功率 I O設(shè)備 零件加工程序 簡(jiǎn)單的 一般的 高級(jí)的 進(jìn)給驅(qū)動(dòng)裝置控制機(jī)床各坐標(biāo)軸的切削進(jìn)給運(yùn)動(dòng) 提供切削過程中所需的轉(zhuǎn)矩 并可任意調(diào)節(jié)運(yùn)動(dòng)速度 位置控制系統(tǒng) 驅(qū)動(dòng)裝置 驅(qū)動(dòng)部件和速度控制單元主 直流 交流主軸電機(jī) 進(jìn)給 功率步進(jìn)電機(jī) 電液脈沖電機(jī) 交 直流伺服電機(jī) 4 2 CNC系統(tǒng)的基本功能 位置控制系統(tǒng)輸入 插補(bǔ) 伺服控制 1 輸入 2 插補(bǔ) 脈沖增量法每次插補(bǔ)運(yùn)算結(jié)束產(chǎn)生一個(gè)進(jìn)給脈沖步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的開環(huán) 數(shù)字增量法將采樣結(jié)果與插補(bǔ)生成的指令數(shù)據(jù)進(jìn)行比較 求得誤差信號(hào) 進(jìn)而得出軸進(jìn)給速度指令直流 交流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的位置采樣控制系統(tǒng) 3 伺服控制 位置進(jìn)給脈沖 進(jìn)給速度指令變換和放大伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng) 3 CNC系統(tǒng)的基本工作過程 CNC系統(tǒng)的主要任務(wù) 對(duì)刀具和工件的相對(duì)位置進(jìn)行控制 完成各種曲線輪廓的加工 5 二 主機(jī) 機(jī)床 高自動(dòng)化 高效率 大功率 高精度 高速度 高可靠性 FMC FMS 機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有的特點(diǎn) 1 高剛度和高抗振性 靜剛度和固有頻率 1 彎曲和轉(zhuǎn)矩負(fù)載巧妙的設(shè)計(jì)和布局的合理安排 2 合理布置筋板較小的質(zhì)量下 3 加配重和液壓平衡系統(tǒng)來(lái)平衡負(fù)載減少有關(guān)零部件的靜力變形 4 增大動(dòng)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(jié)構(gòu) 聚合物混凝土 大理石 制作機(jī)床大件 2 小的機(jī)床熱變形 熱對(duì)稱結(jié)構(gòu)及熱平衡措施散熱 風(fēng)冷 液冷強(qiáng)冷熱位移補(bǔ)償 6 3 高效率 無(wú)間隙 低摩擦傳動(dòng) 進(jìn)給系統(tǒng)中的機(jī)械傳動(dòng)裝置和元件 高靈敏度 低摩擦阻力 無(wú)間隙及高壽命導(dǎo)軌 塑料滑動(dòng) 滾動(dòng) 靜壓 進(jìn)給系統(tǒng) 滾珠絲桿副 靜壓蝸桿 蝸母條及預(yù)加載雙齒輪 齒條結(jié)構(gòu) 4 簡(jiǎn)化的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu) 交 直流主軸電機(jī)伺服電機(jī) 二 優(yōu)點(diǎn) 1 異型復(fù)雜零件2 一機(jī)多用 3 減少專用工裝卡具 提高刀具壽命4 加工質(zhì)量 一致性 5 加工周期短6 在制品數(shù)量少 7 適應(yīng)性 靈活性8 可實(shí)現(xiàn)精確的成本計(jì)算和生產(chǎn)進(jìn)度安排 9 減輕勞動(dòng)強(qiáng)度 工人數(shù)量10 軟件誤差補(bǔ)償 優(yōu)化控制 11 實(shí)現(xiàn)柔性自動(dòng)加工的重要設(shè)備 是發(fā)展柔性生產(chǎn)和計(jì)算機(jī)輔助制造的基礎(chǔ) 7 第二節(jié)數(shù)控機(jī)床的分類 一 能控制刀具與工件間相對(duì)運(yùn)動(dòng)的軌跡 1 點(diǎn)位控制 PointtoPointControl 或位置控制 PositioningControl 2 輪廓控制 ContouringControl 二 伺服系統(tǒng)的控制方式 1 開環(huán)控制 OpenloopControl 2 閉環(huán)控制 ClosedloopControl 3 半閉環(huán)控制 Semi ClosedloopControl 8 4 開環(huán)補(bǔ)償性控制 OpenloopControlwithCompersation 5 半閉環(huán)補(bǔ)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?rùn)C(jī) 彎管機(jī) 回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī) 3 特種加工線切割機(jī) 點(diǎn)火花加工機(jī)床及激光切割機(jī) 4 其他數(shù)控火焰切割機(jī)床 三坐標(biāo)測(cè)量機(jī) 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(jīng)濟(jì)型 大體上可從 分辨率 進(jìn)給速度 伺服系統(tǒng) 同時(shí)控制軸數(shù) 通信功能 顯示功能 有無(wú)PLC及主CPU 分辨率 0 1110 進(jìn)給速度15 10015 24 15 伺服系統(tǒng)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 閉 半閉環(huán)控制步進(jìn)的開環(huán) 同時(shí)控制軸數(shù)3 52 3直線 通信功能MAP網(wǎng)卡 可進(jìn)網(wǎng)RS 232 RS422或DNN通信接口無(wú)或RS 232C 顯示功能三維圖形CRT LCD字符 圖形字符顯示 有無(wú)PLC有無(wú) 主CPU16 32 64位8 16 10 第三節(jié)數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生與發(fā)展 一 數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)與發(fā)展 機(jī)械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)合理 性能 精度和效率日趨提高對(duì)機(jī)床提出了高性能 精度與自動(dòng)化要求 對(duì)單件小批量產(chǎn)品 通用機(jī)床自動(dòng)化程度不高 特別是有曲線 曲面輪廓組成的復(fù)雜零件靠模和仿形機(jī)床或借助劃線和樣板用手工操作精度和效率 對(duì)大批大量的產(chǎn)品 為解決高產(chǎn)優(yōu)質(zhì) 多用專用生產(chǎn)設(shè)備 工藝裝備 自動(dòng)化機(jī)床 自動(dòng)生產(chǎn)線 自動(dòng)化車間 生產(chǎn)準(zhǔn)備周期長(zhǎng) 產(chǎn)品改型不易新產(chǎn)品的開發(fā)周期增長(zhǎng) 為解決上述問題并保證質(zhì)量出現(xiàn)了數(shù)字控制機(jī)床 52年P(guān)ARSONS與MIT三坐標(biāo)數(shù)控銑插補(bǔ)裝置 脈沖乘法器 真空管 59年晶體管印制版電路 65年小規(guī)模集成電路 硬接線 普通 數(shù)控系統(tǒng) NC系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)數(shù)控 CNC 系統(tǒng)小型計(jì)算機(jī)代替專用硬接線 以控制軟件實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能 二 我國(guó)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展概況 5880年代86 9091 應(yīng)用了電子計(jì)算機(jī) 自動(dòng)控制 伺服驅(qū)動(dòng) 精密檢測(cè)與新型機(jī)械結(jié)構(gòu) 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(shù)控系統(tǒng) 品種 數(shù)量少 穩(wěn)定性 可靠性差 只在一些復(fù)雜 特殊零件的加工中使用 80年代初 從日 德 美等引進(jìn)一些先進(jìn)的CNC裝置及主軸 進(jìn)給伺服系統(tǒng)的生產(chǎn)技術(shù) 使CNC系統(tǒng)性能比較完善 穩(wěn)定性和可靠性都比較好 數(shù)控機(jī)床在質(zhì)量 性能及水平上有了一個(gè)飛躍 到85年 進(jìn)入了實(shí)用階段 品種達(dá)80多種 86 90 通過實(shí)施國(guó)家重點(diǎn)科技公關(guān)項(xiàng)目 柔性制造技術(shù)及設(shè)備開發(fā)研究 重點(diǎn)科技開發(fā)項(xiàng)目 數(shù)控機(jī)床引進(jìn)技術(shù)消化吸收 推動(dòng)了數(shù)控機(jī)床的發(fā)展 91年以來(lái) 從日 德 美等購(gòu)進(jìn)CNC系統(tǒng) 在開發(fā) 設(shè)計(jì) 制造具有自主版權(quán)的中 高檔CNC系統(tǒng) 已覆蓋車 銑 鏜銑 鉆 磨 加工中心及齒輪機(jī)床 折彎?rùn)C(jī) 火焰切割機(jī) 柔性制造單元等 品種達(dá)300多種 中 低檔CNC系統(tǒng)達(dá)小批量生產(chǎn)能力 12 三 數(shù)控機(jī)床的發(fā)展趨勢(shì) 隨著柔性制造系統(tǒng)的迅猛發(fā)展和計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的興起和不斷成熟 要求數(shù)控機(jī)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(fā)展 1 高速 高精度32位和多微處理器交流數(shù)字伺服系統(tǒng) 伺服電機(jī)的位置 速度及電流環(huán)都實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化 現(xiàn)代控制理論 實(shí)現(xiàn)了不受機(jī)械負(fù)荷變動(dòng)影響的高速響應(yīng)伺服驅(qū)動(dòng) 補(bǔ)償功能 2 可靠性模塊化 通用化和標(biāo)準(zhǔn)化大 超大規(guī)模集成電路 專用芯片 混合式集成電路 3 長(zhǎng)時(shí)間 連續(xù)的自動(dòng)加工各種類型的監(jiān)控 檢測(cè)裝置 實(shí)現(xiàn)了工件的自動(dòng)檢測(cè)和刀具的監(jiān)控 4 自動(dòng)程序編制技術(shù)強(qiáng)的存儲(chǔ) 運(yùn)算功能 把很多自動(dòng)編程功能植入CNC系統(tǒng) 小型工藝數(shù)據(jù)庫(kù) 在線零件程序編制功能 自動(dòng)選擇最佳刀具及切削用量 5 更高的通信功能MAP工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)或類似網(wǎng)絡(luò) 13 第四節(jié)FMC FMS及CIMS 一 FMC FlexibleManufacturingCell 加工中心有自動(dòng)換刀的一次裝夾進(jìn)行多工序加工 可使加工自動(dòng)而連續(xù)地進(jìn)行提高了生產(chǎn)率和加工精度 FMC是在加工中心的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的 增加了托盤自動(dòng)交換裝置或機(jī)器人 刀具和工件自動(dòng)測(cè)量裝置 加工過程監(jiān)測(cè)裝置 FMC進(jìn)行的所有操作都由單元計(jì)算機(jī)來(lái)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(yīng)的數(shù)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(wú)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(xù)運(yùn)轉(zhuǎn) 對(duì)同一工件族內(nèi)不同的工件進(jìn)行自動(dòng)化加工的最小單元 14 1 托盤存儲(chǔ)庫(kù)式 2 機(jī)器人直接搬運(yùn)式加工中心 數(shù)控機(jī)床 機(jī)器人及工件傳輸系統(tǒng) 二 FMS FlexibleManufacturingSystem FMC可作為獨(dú)立使用的加工生產(chǎn)設(shè)備 也可作為柔性制造系統(tǒng)或柔性自動(dòng)線的基本組成模塊 兩種構(gòu)成形式 以托板交換為特征組成環(huán)形回轉(zhuǎn)式托板庫(kù) 15 FMS公認(rèn)的特征 1 多臺(tái)制造設(shè)備 2 連接設(shè)備的物料運(yùn)輸系統(tǒng) 3 由計(jì)算機(jī)進(jìn)行高度自動(dòng)的多級(jí)控制與管理 FMS根據(jù)其特點(diǎn)分類 1 隨機(jī)FMS對(duì)不同類型零件可進(jìn)行隨機(jī)順序加工 2 序列FMS系統(tǒng)在一個(gè)時(shí)期加工一批零件 可很快調(diào)整加工新的一批 1 定義 特征 分類 美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局 由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來(lái)的一些設(shè)備 具有換刀裝置的加工中心 歐共體機(jī)床工業(yè)委員會(huì) 是一個(gè)自動(dòng)化制造系統(tǒng) 能以最少人的干預(yù) 加工任一范圍的零件族工件 系統(tǒng)含有調(diào)度生產(chǎn)和產(chǎn)品通過系統(tǒng)路徑的功能 也具有產(chǎn)生報(bào)告和系統(tǒng)操作數(shù)據(jù)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(shù)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和安裝 5 模塊化FMS采用不同廠商的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備 由FMC一步步向FMS發(fā)展 2 FMS的柔性 主要指對(duì)產(chǎn)品的柔性 即是一種可很容易地在一定范圍內(nèi)從一種零件的加工更換為另一種零件的加工具體體現(xiàn)在 1 隨機(jī)加工能力同時(shí)加工一個(gè)以上零件的能力 并當(dāng)工件在品種 類型 要求或數(shù)量方面有變化時(shí) 都能很好地適應(yīng) 2 容忍故障能力如出現(xiàn)局部故障 能重新選擇工件路徑并繼續(xù)加工 17 3 工作和生產(chǎn)能力的柔性系統(tǒng)可在無(wú)人照管的情況下運(yùn)行 各項(xiàng)工作在時(shí)間上可靈活 4 生產(chǎn)綱領(lǐng)的柔性系統(tǒng)的規(guī)?？筛鶕?jù)生產(chǎn)綱領(lǐng)的增加而容易地 模塊化地?cái)U(kuò)展 3 FMS的組成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)FMS計(jì)算機(jī)系統(tǒng) 負(fù)責(zé)各個(gè)設(shè)備和工作站活動(dòng)的協(xié)調(diào) 網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)庫(kù) 負(fù)責(zé)連接FMS計(jì)算機(jī)和各工作站 各設(shè)備的控制裝置 其應(yīng)具有的基本功能 1 數(shù)據(jù)分配向FMS內(nèi)的各種設(shè)備發(fā)送數(shù)據(jù) 2 協(xié)調(diào)FMS內(nèi)設(shè)備的各種活動(dòng)通過協(xié)調(diào) 使物料傳輸系統(tǒng)能及時(shí)滿足加工設(shè)備對(duì)被加工零件毛胚的需求 使各設(shè)備能達(dá)到盡可能高的利用率 18 3 提供友好的人機(jī)界面以便對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行操作 監(jiān)視 控制和輸入數(shù)據(jù) 4 故障處理系統(tǒng)發(fā)生故障后 使系統(tǒng)具有再啟動(dòng)和繼續(xù)運(yùn)行的條件 機(jī)械系統(tǒng)加工設(shè)備 傳輸系統(tǒng)和存儲(chǔ)裝置 4 FMS的效益 優(yōu)點(diǎn) 能按裝配作業(yè)配套要求及時(shí)安排所需零件的加工 實(shí)現(xiàn)及時(shí)生產(chǎn) 從而減少毛坯和在制品的庫(kù)存量及相應(yīng)的流動(dòng)資金占有量 縮短生產(chǎn)周期 提高設(shè)備利用率 減少設(shè)備數(shù)量和廠房面積 減少直接勞動(dòng)力 19 二 CIMS ComputerIntegratedManufacturingSystem CIM 是運(yùn)用系統(tǒng)工程的整體優(yōu)化的觀點(diǎn) 將現(xiàn)代信息技術(shù)和生產(chǎn)技術(shù)結(jié)合起來(lái)綜合運(yùn)用 從信息技術(shù)和組織上將生產(chǎn)全過程的各個(gè)工作系統(tǒng)和信息系統(tǒng)連接起來(lái) 以有效地提高企業(yè)對(duì)市場(chǎng)需求的響應(yīng)能力