第三章制造自動化技術(shù)之一-數(shù)控技術(shù)

1、 現(xiàn)代機(jī)械加工新技術(shù)現(xiàn)代機(jī)械加工新技術(shù)第三章第三章 制造自動化技術(shù)制造自動化技術(shù)第一節(jié)數(shù)控技術(shù)第一節(jié)數(shù)控技術(shù)濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院濟(jì)南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院陳秀生陳秀生 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)（數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)（CNC）數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識數(shù)控雕刻機(jī)床數(shù)控雕刻機(jī)床數(shù)控車床數(shù)控車床加工中心加工中心FANUCFANUC數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）數(shù)控系統(tǒng)（顯示器及操作面板）西門子系統(tǒng)的顯示操作部件、驅(qū)動器、可編程控制器西門子系統(tǒng)的顯示操作部件、驅(qū)動器、可編程控制器（一（一) ) 數(shù)控與數(shù)控機(jī)床數(shù)控與數(shù)控機(jī)床1.1.概念概

2、念 數(shù)控?cái)?shù)控: : 數(shù)字控制（數(shù)字控制（NC NC Numerical Control Numerical Control）, ,以數(shù)字化信以數(shù)字化信 息對機(jī)床運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。息對機(jī)床運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。NCNC已成為已成為 數(shù)控加工的專用術(shù)語。數(shù)控加工的專用術(shù)語。 數(shù)控技術(shù)：數(shù)控技術(shù)：用數(shù)控機(jī)床（數(shù)控設(shè)備）進(jìn)行自動化加工的一用數(shù)控機(jī)床（數(shù)控設(shè)備）進(jìn)行自動化加工的一 種技術(shù)，它綜合應(yīng)用了多種學(xué)科的知識。種技術(shù)，它綜合應(yīng)用了多種學(xué)科的知識。 數(shù)控機(jī)床數(shù)控機(jī)床：是實(shí)現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動生：是實(shí)現(xiàn)柔性自動化的關(guān)鍵設(shè)備，是柔性自動生 產(chǎn)系統(tǒng)的基本單元。產(chǎn)系

3、統(tǒng)的基本單元。 數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其技術(shù)水平和普及數(shù)控技術(shù)是現(xiàn)代先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)，其技術(shù)水平和普及 程度是衡量國家綜合國和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。程度是衡量國家綜合國和工業(yè)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志。 CNCCNC與與CAD/CAM/CAPP /CAD/CAM/CAPP /關(guān)系關(guān)系 : : 通訊通訊 CAD :CAD :計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(Computer Aided Design)(Computer Aided Design) CAM:CAM:計(jì)算機(jī)輔助制造計(jì)算機(jī)輔助制造(Computer Aided (Computer Aided MaunfacturngMaunf

4、acturng) ) CAE :CAE :計(jì)算機(jī)輔助工程計(jì)算機(jī)輔助工程 (C(Computer omputer A Aided ided Engineering)Engineering)一一 數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識一一 數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識數(shù)控技術(shù)的基礎(chǔ)知識CNC與現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)關(guān)系與現(xiàn)代先進(jìn)制造系統(tǒng)關(guān)系 : CNC用在制造系統(tǒng)中用在制造系統(tǒng)中 CNC： DNC FMC FMS CIMS FA 并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、智能制造、網(wǎng)絡(luò)制造、并行工程、敏捷制造、數(shù)字化制造、智能制造、網(wǎng)絡(luò)制造、 綠色制造、納米制造、高速加工等等。綠色制造、納米制造、高速加工等等。2.數(shù)控技術(shù)產(chǎn)

5、生的原因數(shù)控技術(shù)產(chǎn)生的原因高精度、高效率；高精度、高效率；剛性自動化不能滿足的要求（手工、小規(guī)模、大規(guī)模生產(chǎn)）；剛性自動化不能滿足的要求（手工、小規(guī)模、大規(guī)模生產(chǎn)）；柔性自動化（多品種、變批量）、復(fù)雜零件的加工（多坐柔性自動化（多品種、變批量）、復(fù)雜零件的加工（多坐 標(biāo)加工）；標(biāo)加工）；計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展。3.數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史數(shù)控技術(shù)的發(fā)展歷史1952年，第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；年，第一代電子管數(shù)控系統(tǒng)；1959年，第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)。隨之出現(xiàn)刀庫，機(jī)械手、年，第二代晶體管數(shù)控系統(tǒng)。隨之出現(xiàn)刀庫，機(jī)械手、 加工中心；加工中心；1960年，第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)，硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)（

6、稱為年，第三代集成電路數(shù)控系統(tǒng)，硬邏輯數(shù)控系統(tǒng)（稱為 NC； 1970年，第四代小型計(jì)算機(jī)數(shù)控（年，第四代小型計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC ）；）；1974年，第五代微型計(jì)算機(jī)數(shù)控（年，第五代微型計(jì)算機(jī)數(shù)控（MNC，統(tǒng)稱，統(tǒng)稱CNC） ；1980年后，年后，F(xiàn)MS、FMC、CIMS、開放式數(shù)控（、開放式數(shù)控（open NC）系）系 統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)（統(tǒng)、智能制造系統(tǒng)（IMS）大發(fā)展。）大發(fā)展。1990年后年后,高速加工，納米制造。高速加工，納米制造。(二二) 數(shù)控機(jī)床的工作原理數(shù)控機(jī)床的工作原理1.機(jī)床數(shù)字控制的原理機(jī)床數(shù)字控制的原理 將被加工零件圖紙上的幾何信息和工藝信息用規(guī)定將被加工零件圖紙上的幾何

7、信息和工藝信息用規(guī)定的代碼和格式編寫成加工程序，然后將程序輸入數(shù)控裝的代碼和格式編寫成加工程序，然后將程序輸入數(shù)控裝置，按照程序的要求，經(jīng)過信息處理，分配，使各坐標(biāo)置，按照程序的要求，經(jīng)過信息處理，分配，使各坐標(biāo)以最小位移量為單位移動，其合成運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了刀具與工以最小位移量為單位移動，其合成運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了刀具與工件的相對運(yùn)動，完成零件的加工。件的相對運(yùn)動，完成零件的加工。 XYOPQ123點(diǎn)位控制圖點(diǎn)位控制圖 最小位移量的合成運(yùn)動是機(jī)床數(shù)字控制的基本原理，即最小位移量的合成運(yùn)動是機(jī)床數(shù)字控制的基本原理，即軌跡控制原理。軌跡控制原理。 點(diǎn)位控制點(diǎn)位控制：嚴(yán)格控制點(diǎn)到點(diǎn)的距離，不嚴(yán)格要求路徑，：嚴(yán)格控制

8、點(diǎn)到點(diǎn)的距離，不嚴(yán)格要求路徑，運(yùn)動中不加工。運(yùn)動中不加工。輪廓控制：輪廓控制： 加工平面曲線、空間曲線、空間曲面時(shí)，需要多加工平面曲線、空間曲線、空間曲面時(shí)，需要多坐標(biāo)聯(lián)動。坐標(biāo)聯(lián)動。 以平面（兩維）的任意曲線以平面（兩維）的任意曲線L為例，要求刀為例，要求刀具具沿（逼近）曲線軌跡運(yùn)動，進(jìn)行切削加工。如圖所沿（逼近）曲線軌跡運(yùn)動，進(jìn)行切削加工。如圖所示。將曲線示。將曲線L分割成：分割成：l0、l1、l2、li等線段。等線段。 用直線（或圓?。┐妫ū平┻@些線段，當(dāng)逼近誤用直線（或圓?。┐妫ū平┻@些線段，當(dāng)逼近誤差差相當(dāng)相當(dāng) 小時(shí)，這些折線段之和就接近了曲線小時(shí)，這些折線段之和就接近了曲線

9、 輪廓控制也稱連續(xù)軌跡控制，它的特點(diǎn)是不僅對坐標(biāo)輪廓控制也稱連續(xù)軌跡控制，它的特點(diǎn)是不僅對坐標(biāo)的移動量進(jìn)行控制，而且對各坐標(biāo)的速度及它們之間的移動量進(jìn)行控制，而且對各坐標(biāo)的速度及它們之間的比率都要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以便加工出給定的軌跡的比率都要進(jìn)行嚴(yán)格控制，以便加工出給定的軌跡輪廓控制輪廓控制 這種在允許的誤差范圍內(nèi)，用沿曲線逼近函數(shù)的最小單位移動量這種在允許的誤差范圍內(nèi)，用沿曲線逼近函數(shù)的最小單位移動量合成的分段運(yùn)動（小線段、小圓?。┐嫒我馇€運(yùn)動，以得出合成的分段運(yùn)動（小線段、小圓?。┐嫒我馇€運(yùn)動，以得出所需要的運(yùn)動軌跡，是數(shù)控的基本構(gòu)思之一。所需要的運(yùn)動軌跡，是數(shù)控的基本構(gòu)思之一。插補(bǔ)

10、（插補(bǔ)（Interpolation） 是用被加工軌跡的有限信息（如起點(diǎn)和終點(diǎn)之間），計(jì)算插進(jìn)刀具是用被加工軌跡的有限信息（如起點(diǎn)和終點(diǎn)之間），計(jì)算插進(jìn)刀具運(yùn)動的許多中間點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，然后用已知線型運(yùn)動的許多中間點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化工作，然后用已知線型（如直線、圓弧等）逼近。（如直線、圓弧等）逼近。 插補(bǔ)有二層意義：基本線型的形成及如何分段逼近。插補(bǔ)有二層意義：基本線型的形成及如何分段逼近。 基本線型：由插補(bǔ)指令完成。如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、拋物基本線型：由插補(bǔ)指令完成。如直線插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)、拋物 線插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、圓柱插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)、曲面線插補(bǔ)、螺旋線插補(bǔ)、極坐標(biāo)插補(bǔ)、

11、圓柱插補(bǔ)、樣條插補(bǔ)、曲面直接插補(bǔ)、納米插補(bǔ)、光順插補(bǔ)等，插補(bǔ)指令越多，越能實(shí)現(xiàn)復(fù)直接插補(bǔ)、納米插補(bǔ)、光順插補(bǔ)等，插補(bǔ)指令越多，越能實(shí)現(xiàn)復(fù)雜型面的加工。雜型面的加工。 分段逼近：按允許的誤差。弦線逼近、割線逼近、切線逼近。分段逼近：按允許的誤差。弦線逼近、割線逼近、切線逼近。插補(bǔ)分類插補(bǔ)分類：基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)（主要方法）。：基準(zhǔn)脈沖插補(bǔ)、數(shù)據(jù)采樣插補(bǔ)（主要方法）?；c(diǎn)和節(jié)點(diǎn)基點(diǎn)和節(jié)點(diǎn) 基點(diǎn)基點(diǎn)：在數(shù)控加工圖紙中，基本線型的交點(diǎn)；：在數(shù)控加工圖紙中，基本線型的交點(diǎn)； 節(jié)點(diǎn)：節(jié)點(diǎn)：輪廓軌跡上的插入點(diǎn)（逼近線型與輪廓軌跡的交輪廓軌跡上的插入點(diǎn)（逼近線型與輪廓軌跡的交點(diǎn)）。點(diǎn)）。為什么不用數(shù)學(xué)

12、函數(shù)直接插補(bǔ)？為什么不用數(shù)學(xué)函數(shù)直接插補(bǔ)？ 計(jì)算費(fèi)時(shí)間計(jì)算費(fèi)時(shí)間 ，不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求；，不能滿足實(shí)時(shí)控制的要求； 有的被加工輪廓用列表點(diǎn)表示的，沒用數(shù)學(xué)公式；有的被加工輪廓用列表點(diǎn)表示的，沒用數(shù)學(xué)公式； 數(shù)控加工時(shí)運(yùn)動不能突變，要滿足加速度的要求。數(shù)控加工時(shí)運(yùn)動不能突變，要滿足加速度的要求。 2.數(shù)控機(jī)床的控制數(shù)控機(jī)床的控制 軌跡控制軌跡控制 開關(guān)量控制開關(guān)量控制（三）（三） 數(shù)控機(jī)床的組成及分類數(shù)控機(jī)床的組成及分類 1.數(shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的組成 數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)：I/0接口、接口、CNC裝置、伺服系統(tǒng)、裝置、伺服系統(tǒng)、PLC 機(jī)械主機(jī)機(jī)械主機(jī)：主運(yùn)動機(jī)構(gòu)、進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)、輔助機(jī)：主運(yùn)

13、動機(jī)構(gòu)、進(jìn)給運(yùn)動機(jī)構(gòu)、輔助機(jī) 構(gòu)、床身等構(gòu)、床身等 2 .數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用 1）多品種變批量、單件小批量的自動化）多品種變批量、單件小批量的自動化 2）柔性加工和柔性自動化）柔性加工和柔性自動化 小批量而又輪番生產(chǎn)的零件；小批量而又輪番生產(chǎn)的零件； 幾何形狀復(fù)雜的零件；幾何形狀復(fù)雜的零件； 在加工過程中必須進(jìn)行多種工序加工的零件；在加工過程中必須進(jìn)行多種工序加工的零件； 切削余量大的零件；切削余量大的零件； 必須嚴(yán)格控制公差（公差帶范圍很?。┑牧慵?；必須嚴(yán)格控制公差（公差帶范圍很?。┑牧慵?工藝設(shè)計(jì)會經(jīng)常變化的零件；工藝設(shè)計(jì)會經(jīng)常變化的零件； 貴重零件；貴重零件； 需全部檢測的零

14、件，等等。需全部檢測的零件，等等。 3 .數(shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的分類 1）按控制運(yùn)動的軌跡特點(diǎn)分類按控制運(yùn)動的軌跡特點(diǎn)分類 點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床 直線控制數(shù)控機(jī)床直線控制數(shù)控機(jī)床(單軸數(shù)控單軸數(shù)控) 輪廓控制的數(shù)控機(jī)床：分為兩坐標(biāo)聯(lián)動，輪廓控制的數(shù)控機(jī)床：分為兩坐標(biāo)聯(lián)動，2.5坐坐標(biāo)聯(lián)動，三坐標(biāo)聯(lián)動，四坐標(biāo)聯(lián)動，五坐標(biāo)聯(lián)動等數(shù)控標(biāo)聯(lián)動，三坐標(biāo)聯(lián)動，四坐標(biāo)聯(lián)動，五坐標(biāo)聯(lián)動等數(shù)控機(jī)床。五坐標(biāo)聯(lián)動是關(guān)鍵技術(shù)機(jī)床。五坐標(biāo)聯(lián)動是關(guān)鍵技術(shù) 2）按伺服系統(tǒng)的控制類型分類）按伺服系統(tǒng)的控制類型分類 開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床開環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)

15、床半閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床 3）按工藝方法分類）按工藝方法分類 金屬切削類數(shù)控機(jī)床：金屬切削類數(shù)控機(jī)床： 數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加數(shù)控車床，數(shù)控銑床、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床以及加工中心等。工中心等。 金屬成型類及特種加工類數(shù)控機(jī)床金屬成型類及特種加工類數(shù)控機(jī)床4）按功能水平分類：按功能水平分類： 高、中、低檔高、中、低檔（亦稱經(jīng)濟(jì)型）（亦稱經(jīng)濟(jì)型）5）按驅(qū)動方式分類按驅(qū)動方式分類 步進(jìn)式步進(jìn)式 直流伺服直流伺服 交流伺服（交流模擬、交流數(shù)字）交流伺服（交流模擬、交流數(shù)字）6）按組成和功能）按組成和功能 開放式數(shù)控開放式數(shù)控 智能數(shù)控智能數(shù)控二二 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)

16、（數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)（CNCCNC）二二 數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)（數(shù)控機(jī)床控制系統(tǒng)（CNCCNC）（一）（一） CNC系統(tǒng)的組成系統(tǒng)的組成 CNC系統(tǒng)由系統(tǒng)由“數(shù)控裝置數(shù)控裝置”、“伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)”和系統(tǒng)程序組和系統(tǒng)程序組成。成。 數(shù)控裝置（專用計(jì)算機(jī)）：硬件和軟件組成。數(shù)控裝置（專用計(jì)算機(jī)）：硬件和軟件組成。 伺服系統(tǒng)：檢測裝置、驅(qū)動裝置和伺服電機(jī)組成伺服系統(tǒng)：檢測裝置、驅(qū)動裝置和伺服電機(jī)組成。1、 數(shù)控裝置的硬件組成及功能數(shù)控裝置的硬件組成及功能 1）數(shù)控裝置的硬件包括：）數(shù)控裝置的硬件包括：o微機(jī)基本系統(tǒng)：微機(jī)基本系統(tǒng)：CPU、總線、存儲器、總線、存儲器、I/O設(shè)備等設(shè)備等o數(shù)控接口組件：進(jìn)給

17、軸位置控制接口組件、主軸控制接口組件、數(shù)控接口組件：進(jìn)給軸位置控制接口組件、主軸控制接口組件、手搖脈沖發(fā)生器接口組件等。手搖脈沖發(fā)生器接口組件等。o接口：人機(jī)界面接口、通訊接口、機(jī)電接口、輔助功能（接口：人機(jī)界面接口、通訊接口、機(jī)電接口、輔助功能（M）控）控制接口等制接口等2）硬件功能：）硬件功能： 與軟件一起接收輸入信息（程序）、經(jīng)過譯碼、軌跡計(jì)算（速與軟件一起接收輸入信息（程序）、經(jīng)過譯碼、軌跡計(jì)算（速度計(jì)算）、補(bǔ)償計(jì)算、加度計(jì)算）、補(bǔ)償計(jì)算、加/減處理和插補(bǔ)運(yùn)算，給各個(gè)坐標(biāo)的伺服減處理和插補(bǔ)運(yùn)算，給各個(gè)坐標(biāo)的伺服驅(qū)動器分配速度、位移指令，完成數(shù)控加工任務(wù)。驅(qū)動器分配速度、位移指令，完成數(shù)

18、控加工任務(wù)。 3）硬件具體組成）硬件具體組成 o微機(jī)基本系統(tǒng)微機(jī)基本系統(tǒng)o人機(jī)界面接口人機(jī)界面接口:鍵盤、顯示器、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器鍵盤、顯示器、操作面板、手搖脈沖發(fā)生器 o 通訊接口、通訊接口、 RS232、RS485串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口o 進(jìn)給軸位置控制接口進(jìn)給軸位置控制接口 o 主軸控制接口主軸控制接口 o 輔助功能（輔助功能（M 指令）控制接口指令）控制接口 CPU R O M R A M IN 接接口口0UT接接口口其它其它 接接 口口 通 訊通 訊控 制控 制接接 口口 位 置位 置控 制控 制接接 口口 主 軸主 軸控 制控 制接口接口MDI/CRT接口接口

19、手搖脈手搖脈沖發(fā)生沖發(fā)生器接口器接口單單CPU數(shù)控裝置數(shù)控裝置2、 數(shù)控裝置軟件的基本組成和功能數(shù)控裝置軟件的基本組成和功能 軟件由控制功能程序、管理功能程序組成軟件由控制功能程序、管理功能程序組成 1.控制功能程序控制功能程序-實(shí)時(shí)性強(qiáng)實(shí)時(shí)性強(qiáng),用于進(jìn)給坐標(biāo)的位置控制，用于進(jìn)給坐標(biāo)的位置控制，中斷完成中斷完成; 譯碼譯碼; 預(yù)處理（刀補(bǔ)和速度處理）；預(yù)處理（刀補(bǔ)和速度處理）； 插補(bǔ)；插補(bǔ)； 位控；位控； 2.管理功能程序管理功能程序-實(shí)時(shí)性稍差，但要保證控制軟件數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性稍差，但要保證控制軟件數(shù)據(jù)的供給傳遞，具體見圖供給傳遞，具體見圖 CNC軟件軟件 管管 理理 控控 制制顯顯 示示 S

20、T MI/O處理處理通訊診斷通訊診斷譯譯 碼碼刀具補(bǔ)償?shù)毒哐a(bǔ)償速度處理處理插插 補(bǔ)補(bǔ)位置控制位置控制輸入存儲輸入存儲（二）（二）CNC系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)系統(tǒng)的技術(shù)性能指標(biāo)1CPU的性能：的性能：8、16、32、64位，主頻十多位，主頻十多GHz, 精減指令集芯片（精減指令集芯片（RISC）,提供高的速度和豐富的軟提供高的速度和豐富的軟硬件資源；硬件資源；2系統(tǒng)具有高分辨率：保證高精度、超精密加工。進(jìn)給系統(tǒng)具有高分辨率：保證高精度、超精密加工。進(jìn)給系統(tǒng)系統(tǒng)100萬脈沖萬脈沖/每轉(zhuǎn)、每轉(zhuǎn)、1600萬脈沖萬脈沖/每轉(zhuǎn)每轉(zhuǎn)（FANUC 0i）,分辨率為分辨率為0.001mm，速度最高可，速度最高可達(dá)到

21、達(dá)到100 m 240m/min。超精密加工時(shí)分辨率。超精密加工時(shí)分辨率0.1m（甚至（甚至0.01m）,速度為速度為24m/min,或更或更高。高。 3系統(tǒng)的控制功能：系統(tǒng)的控制功能： 1)多軸聯(lián)動、多坐標(biāo)控制多軸聯(lián)動、多坐標(biāo)控制 2)多種函數(shù)的插補(bǔ)多種函數(shù)的插補(bǔ) 3)多種程序輸入功能多種程序輸入功能 4)信息轉(zhuǎn)換功能信息轉(zhuǎn)換功能 5)補(bǔ)償功能補(bǔ)償功能 6)多種加工方式選擇多種加工方式選擇 7)具有故障自診斷功能具有故障自診斷功能 8)顯示功能顯示功能 4伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能伺服驅(qū)動系統(tǒng)的性能 5數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)PLC功能功能 6系統(tǒng)的通訊和聯(lián)網(wǎng)功系統(tǒng)的通訊和聯(lián)網(wǎng)功 7系統(tǒng)的開放性系統(tǒng)的開

22、放性 8可靠性可靠性(三三) CNC系統(tǒng)的選擇系統(tǒng)的選擇1、選擇原則選擇原則 1）名牌廠家：）名牌廠家： FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、NUM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)、三菱、華中數(shù)控、廣州數(shù)控、航天數(shù)控、藍(lán)天數(shù)控、北京控、藍(lán)天數(shù)控、北京FANUC、上海開通數(shù)控、南京方達(dá)數(shù)、上海開通數(shù)控、南京方達(dá)數(shù)控、威海華東數(shù)控、南京清華數(shù)控控、威海華東數(shù)控、南京清華數(shù)控 2）系統(tǒng)的系列）系統(tǒng)的系列 FANUC: FANUC0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/ 180 /210/160i

23、/180i /210i /F30i； SIEMENS: SIEMENS-802S/802D/810D/840D 3）基本功能、選擇功能）基本功能、選擇功能 4）分辨率（設(shè)定單位）、速度、聯(lián)動軸數(shù)；）分辨率（設(shè)定單位）、速度、聯(lián)動軸數(shù)； 5）高速高精度系統(tǒng)的特殊指令功能）高速高精度系統(tǒng)的特殊指令功能 6）價(jià)格、維修。）價(jià)格、維修。 2.高速高精密數(shù)控機(jī)床的高速高精密數(shù)控機(jī)床的CNC系統(tǒng)系統(tǒng) 1）數(shù)控裝置的特殊功能）數(shù)控裝置的特殊功能 納米精加工插補(bǔ)；（納米精加工插補(bǔ)；（Nano interpolation） 光順插補(bǔ)；光順插補(bǔ)； 高精度（納米）輪廓控制；高精度（納米）輪廓控制； 5軸加工功能；軸

24、加工功能； NURBS插補(bǔ)；插補(bǔ)； 前視功能；前視功能； 預(yù)測及反復(fù)控制；預(yù)測及反復(fù)控制； 法線方向及緩曲線法線方向控制；法線方向及緩曲線法線方向控制； 精細(xì)加精細(xì)加/減速功能；減速功能； 切削進(jìn)給插補(bǔ)前切削進(jìn)給插補(bǔ)前/后的直線加后的直線加/減速功能；減速功能； 切削進(jìn)給插補(bǔ)前切削進(jìn)給插補(bǔ)前/后的鈴型（或叫鼓型）加后的鈴型（或叫鼓型）加/減速減速 插補(bǔ)型螺距誤差補(bǔ)償；插補(bǔ)型螺距誤差補(bǔ)償； 雙向螺距誤差補(bǔ)償；雙向螺距誤差補(bǔ)償； 直線度補(bǔ)償；直線度補(bǔ)償； 插補(bǔ)型直線度補(bǔ)償插補(bǔ)型直線度補(bǔ)償豐富的宏指令，循環(huán)指令；豐富的宏指令，循環(huán)指令； 完善的自診斷、參數(shù)設(shè)置、動態(tài)圖形顯示、高速緩存、完善的自診斷、

25、參數(shù)設(shè)置、動態(tài)圖形顯示、高速緩存、I/O外外部設(shè)備控制和聯(lián)網(wǎng)功能等部設(shè)備控制和聯(lián)網(wǎng)功能等 接外部補(bǔ)償?shù)墓δ?。接外部補(bǔ)償?shù)墓δ堋?2）對驅(qū)動控制及伺服電機(jī)的特殊要求）對驅(qū)動控制及伺服電機(jī)的特殊要求 光纖通訊的三環(huán)（電流、速度、位置）全閉環(huán)控制交流數(shù)字伺服光纖通訊的三環(huán)（電流、速度、位置）全閉環(huán)控制交流數(shù)字伺服系系 統(tǒng)；統(tǒng)； 高響應(yīng)的矢量控制功能高響應(yīng)的矢量控制功能:FANUC系統(tǒng)稱為系統(tǒng)稱為: HRV-High Response Vector高響應(yīng)向量控制）；高響應(yīng)向量控制）； 雙位置反饋控制；雙位置反饋控制； 特殊制造的高響應(yīng)高精度電機(jī)特殊制造的高響應(yīng)高精度電機(jī),且具有平穩(wěn)運(yùn)行的低速性能；且具

26、有平穩(wěn)運(yùn)行的低速性能；三 數(shù)控機(jī)床的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)（一）機(jī)床本體（一）機(jī)床本體 機(jī)床本體也稱主機(jī)，它包括機(jī)床本體也稱主機(jī)，它包括:o 主運(yùn)動部件主運(yùn)動部件:主軸箱及主軸；主軸箱及主軸；o 進(jìn)給運(yùn)動部件：進(jìn)給傳動件、工作臺、刀架、導(dǎo)軌等；進(jìn)給運(yùn)動部件：進(jìn)給傳動件、工作臺、刀架、導(dǎo)軌等；o 基礎(chǔ)部件：支撐部件，如：底座、床身、立柱等；基礎(chǔ)部件：支撐部件，如：底座、床身、立柱等；o 特殊部件：刀庫、自動換刀裝置和托盤交換裝置等）；特殊部件：刀庫、自動換刀裝置和托盤交換裝置等）；o 現(xiàn)在包括現(xiàn)在包括CNC裝置，各個(gè)部件都看做功能部件，專門生產(chǎn)。裝置，各個(gè)部件都看做功能部件，專門生產(chǎn)。 數(shù)控車床的主要內(nèi)部結(jié)

27、構(gòu)數(shù)控車床的主要內(nèi)部結(jié)構(gòu)（二）數(shù)控機(jī)床主機(jī)的特點(diǎn)（二）數(shù)控機(jī)床主機(jī)的特點(diǎn)o主運(yùn)動及進(jìn)給運(yùn)動都由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動；主運(yùn)動及進(jìn)給運(yùn)動都由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動；o傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單；運(yùn)動關(guān)系由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)控制。傳動鏈短、結(jié)構(gòu)比較簡單；運(yùn)動關(guān)系由計(jì)算機(jī)來協(xié)調(diào)控制。o采用高效傳動件：精密滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌副、精密齒條、采用高效傳動件：精密滾珠絲杠、直線滾動導(dǎo)軌副、精密齒條、靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。靜壓、磁浮導(dǎo)軌等。o 機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的靜態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性機(jī)械結(jié)構(gòu)應(yīng)具有較高的靜態(tài)特性、動態(tài)剛度、阻尼精度、耐磨性以及抗熱變形性能。以及抗熱變形性能。o在加工中心上還具備有刀庫和自動交換刀

28、具的機(jī)械手。在加工中心上還具備有刀庫和自動交換刀具的機(jī)械手。配套設(shè)施齊全，如：冷卻、自動排屑、防護(hù)、可靠的潤滑、配套設(shè)施齊全，如：冷卻、自動排屑、防護(hù)、可靠的潤滑、 對刀儀等對刀儀等（三）主機(jī)的設(shè)計(jì)（三）主機(jī)的設(shè)計(jì)1.總體設(shè)計(jì)總體設(shè)計(jì) 1）總體方案：布局外觀、精度、性能、靜動態(tài)特性（剛度特性、）總體方案：布局外觀、精度、性能、靜動態(tài)特性（剛度特性、摩擦特性、熱特性）摩擦特性、熱特性）. 2）參數(shù)：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、行程、速度）參數(shù)：功率、扭矩、轉(zhuǎn)速、行程、速度. 3）機(jī)電匹配：機(jī)電分工、電機(jī)和控制系統(tǒng)的選擇）機(jī)電匹配：機(jī)電分工、電機(jī)和控制系統(tǒng)的選擇.2.主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)主傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1) 傳動

29、系統(tǒng)傳動系統(tǒng). 2）電主軸）電主軸. 3) 自動卡盤自動卡盤. 4) 動力刀架動力刀架3. 進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì)進(jìn)給傳動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 1)開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán). 2)傳動方案傳動方案. 3)高效傳動件的設(shè)計(jì)、選擇、計(jì)算、機(jī)電匹配高效傳動件的設(shè)計(jì)、選擇、計(jì)算、機(jī)電匹配. 4)直線電機(jī)系統(tǒng)直線電機(jī)系統(tǒng). 4. 其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì)其它系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 1)數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺數(shù)控回轉(zhuǎn)工作臺. 2)換刀機(jī)械手。換刀機(jī)械手。 3)刀庫、刀具系統(tǒng)刀庫、刀具系統(tǒng). 4)冷卻、排屑系統(tǒng)冷卻、排屑系統(tǒng)四四 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向（一）（一） 數(shù)控技術(shù)總的發(fā)展趨勢數(shù)控技術(shù)總的發(fā)展趨勢 當(dāng)代，數(shù)控技術(shù)的當(dāng)

30、代，數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用是：典型應(yīng)用是： FMC/FMS/CIMS 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向是：數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向是： 高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、復(fù)合化、開放化和智能化以及數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)化、復(fù)合化、開放化和智能化以及數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展的發(fā)展 目前的動向是目前的動向是: 開放式數(shù)控系統(tǒng)、高速加工系統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)、高速加工系統(tǒng)。 （二）（二） 開放式數(shù)控（開放式數(shù)控（OPEN CNC ）1、開放數(shù)控的產(chǎn)生和發(fā)展：、開放數(shù)控的產(chǎn)生和發(fā)展：1）產(chǎn)生的原因）產(chǎn)生的原因 當(dāng)今的當(dāng)今的CNC控制器是個(gè)黑匣子，封閉保密，制造廠和用戶不能把控制器是個(gè)黑匣子，封閉保密

31、，制造廠和用戶不能把特殊加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能等放進(jìn)去，要求透明，因此特殊加工工藝、管理經(jīng)驗(yàn)和操作技能等放進(jìn)去，要求透明，因此需要開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。需要開放結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)。 現(xiàn)在的現(xiàn)在的CNC技術(shù)（其核心為技術(shù)（其核心為CNC控制器和驅(qū)動技術(shù)）及結(jié)構(gòu)為控制器和驅(qū)動技術(shù)）及結(jié)構(gòu)為專用的軟硬件，遠(yuǎn)落后于專用的軟硬件，遠(yuǎn)落后于PC的主流技術(shù)。升級困難，各廠家產(chǎn)品的主流技術(shù)。升級困難，各廠家產(chǎn)品不兼容，成本高。用戶界面不靈活，網(wǎng)絡(luò)功能弱，系統(tǒng)維護(hù)培訓(xùn)不兼容，成本高。用戶界面不靈活，網(wǎng)絡(luò)功能弱，系統(tǒng)維護(hù)培訓(xùn)昂貴昂貴。2）發(fā)展情況：）發(fā)展情況：o 美國：美國： OMAC 1）1981年，國防部為了

32、減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性，年，國防部為了減少軍備制造對日本控制系統(tǒng)的依賴性，開始了一項(xiàng)名為開始了一項(xiàng)名為“下一代控制器（下一代控制器（NGC）”的計(jì)劃，并成立了的計(jì)劃，并成立了“美國國家科學(xué)制造中心美國國家科學(xué)制造中心”，該計(jì)劃于，該計(jì)劃于1991年終止，完成了年終止，完成了“開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（開放式系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)（SOSAS）”。 2）1995年，在年，在NGC的基礎(chǔ)上，由美國國防部資助又開始了由的基礎(chǔ)上，由美國國防部資助又開始了由20個(gè)公司合作的個(gè)公司合作的“OASAY”計(jì)劃，目的是建立計(jì)劃，目的是建立8個(gè)控制器并在個(gè)控制器并在6個(gè)不個(gè)不同的系統(tǒng)平臺上測試這同的系統(tǒng)平臺上

33、測試這8個(gè)控制器。個(gè)控制器。3）1994年美國汽車工業(yè)為了解決自身發(fā)展過程中碰到的一系列問題，年美國汽車工業(yè)為了解決自身發(fā)展過程中碰到的一系列問題，由克萊斯勒、福特和通用三家大汽車公司開始了一項(xiàng)名為：由克萊斯勒、福特和通用三家大汽車公司開始了一項(xiàng)名為： “開開放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器（放式模塊化體系結(jié)構(gòu)控制器（OMAC-Open Modular Architecture Controls）”的計(jì)劃。的計(jì)劃。 歐洲：歐洲： OSACA 1992年在歐洲，啟動了一項(xiàng)年在歐洲，啟動了一項(xiàng)“自動化系統(tǒng)中控制器的開自動化系統(tǒng)中控制器的開放系放系 統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)（OSACA-OpenSystem

34、Architecture for Controls within Automation Systems）”的聯(lián)合計(jì)的聯(lián)合計(jì)劃。由劃。由22家歐州的機(jī)床生產(chǎn)商、控制開發(fā)商、控制集成商和研究家歐州的機(jī)床生產(chǎn)商、控制開發(fā)商、控制集成商和研究機(jī)構(gòu)參機(jī)構(gòu)參 加，后來擴(kuò)大到加，后來擴(kuò)大到27名會員名會員。o 日本：日本： OSEC 1995年日本六家公司年日本六家公司:東芝機(jī)器制造公司、豐田機(jī)器廠、東芝機(jī)器制造公司、豐田機(jī)器廠、 MAZAK公司、日本公司、日本IBM、三菱電子公司和、三菱電子公司和SML公司共同實(shí)施了公司共同實(shí)施了“控制器開放系統(tǒng)環(huán)境計(jì)劃?？刂破鏖_放系統(tǒng)環(huán)境計(jì)劃。OSEC-Open Sys

35、tem Environment for Controllers”的計(jì)劃。的計(jì)劃。 OMAC、OSACA、OSEC是在當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)有很是在當(dāng)前開放式控制系統(tǒng)領(lǐng)域內(nèi)有很大影響的三個(gè)計(jì)劃。這幾大開放數(shù)控系統(tǒng)計(jì)劃正在執(zhí)行中，已有大影響的三個(gè)計(jì)劃。這幾大開放數(shù)控系統(tǒng)計(jì)劃正在執(zhí)行中，已有了自己的標(biāo)準(zhǔn)和樣機(jī)產(chǎn)品。了自己的標(biāo)準(zhǔn)和樣機(jī)產(chǎn)品。2. 開放性：開放性： 開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化開放式數(shù)控系統(tǒng)，不但要求模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化(用戶界用戶界 面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊面、圖形顯示、動態(tài)仿真、數(shù)控編程、故障診斷、網(wǎng)絡(luò)通訊)， 而且對實(shí)時(shí)性和可靠性要

36、求很高。其特點(diǎn)：而且對實(shí)時(shí)性和可靠性要求很高。其特點(diǎn)：可移植性：在保持應(yīng)用模塊功能的情況下，不需任何變化就可移植性：在保持應(yīng)用模塊功能的情況下，不需任何變化就 可以應(yīng)用到不同的平臺上?？梢詰?yīng)用到不同的平臺上?？蓴U(kuò)展性：不同的模塊能運(yùn)行于一個(gè)平臺，而不出現(xiàn)沖突?？蓴U(kuò)展性：不同的模塊能運(yùn)行于一個(gè)平臺，而不出現(xiàn)沖突。互操作性：模塊在一起工作時(shí)，表現(xiàn)為相互協(xié)調(diào)，可以根據(jù)互操作性：模塊在一起工作時(shí)，表現(xiàn)為相互協(xié)調(diào)，可以根據(jù) 定義相互交換數(shù)據(jù)。定義相互交換數(shù)據(jù)?？删S護(hù)性：用戶修方便?？删S護(hù)性：用戶修方便。統(tǒng)一的人機(jī)界面。統(tǒng)一的人機(jī)界面。3. 結(jié)構(gòu)：結(jié)構(gòu)：目前開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有目前開放的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)有3種

37、：種： 基于基于PC的的CNC系統(tǒng)（軟數(shù)控系統(tǒng)（軟數(shù)控 ： Soft CNC）：）： 以以PC機(jī)為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要解決實(shí)時(shí)性的問機(jī)為平臺，數(shù)控功能由軟件模塊實(shí)現(xiàn)，但要解決實(shí)時(shí)性的問題。運(yùn)動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo)軸電機(jī)。題。運(yùn)動執(zhí)行通過伺服卡傳遞數(shù)據(jù)，由伺服系統(tǒng)驅(qū)動坐標(biāo)軸電機(jī)。全方位開放。全方位開放。 PC嵌入式嵌入式: 把一塊多軸運(yùn)動控制卡插入傳統(tǒng)的把一塊多軸運(yùn)動控制卡插入傳統(tǒng)的PC中，運(yùn)動卡運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)中，運(yùn)動卡運(yùn)行以坐標(biāo)軸運(yùn)動為主的實(shí)時(shí)控制（作為數(shù)控功能運(yùn)行）。動為主的實(shí)時(shí)控制（作為數(shù)控功能運(yùn)行）。PC作為人機(jī)接口平作為人機(jī)接口平臺臺 。易于實(shí)現(xiàn)。易

38、于實(shí)現(xiàn)。 PC + CNC （融合系統(tǒng)）：（融合系統(tǒng)）： 專業(yè)廠家認(rèn)為專業(yè)廠家認(rèn)為CNC系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可系統(tǒng)最主要功能是高速、高精加工和可靠性，像靠性，像PC一樣出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象是不允許一樣出現(xiàn)死機(jī)現(xiàn)象是不允許 的。已生產(chǎn)的大的。已生產(chǎn)的大量量CNC系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可靠性不利。故系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)上變化，對維修和可靠性不利。故采取了：增加一塊采取了：增加一塊PC板，提供鍵盤，使板，提供鍵盤，使PC與與CNC 聯(lián)系在聯(lián)系在一起的方案。界面開放，提高人機(jī)界面的功能。專業(yè)一起的方案。界面開放，提高人機(jī)界面的功能。專業(yè)CNC系統(tǒng)廠家（如系統(tǒng)廠家（如Fanuc，Simens等）現(xiàn)

39、在都這樣做。等）現(xiàn)在都這樣做。（三）（三） 新一帶數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)新一帶數(shù)控標(biāo)準(zhǔn) STEP-NC 1. STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生及概念標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)生及概念o 產(chǎn)生：產(chǎn)生： 數(shù)控發(fā)展已數(shù)控發(fā)展已50多年了，編程還在采用多年了，編程還在采用G、M代碼、地址字的代碼、地址字的程序格式（程序格式（ISO6983），它是面向運(yùn)動和開關(guān)控制的語言。限），它是面向運(yùn)動和開關(guān)控制的語言。限制了制了CNC系統(tǒng)的開放性和智能化發(fā)展的需要，使系統(tǒng)的開放性和智能化發(fā)展的需要，使CNC與與 CAM技技術(shù)之間形成了瓶頸。體現(xiàn)不出術(shù)之間形成了瓶頸。體現(xiàn)不出IT技術(shù)與技術(shù)與MT技術(shù)的結(jié)合：技術(shù)的結(jié)合：CAD/CAM/CAE/PDM不能真

40、正實(shí)現(xiàn)集成，不能真正實(shí)現(xiàn)集成，限制了制造業(yè)的限制了制造業(yè)的發(fā)展。發(fā)展。 為此國際標(biāo)準(zhǔn)化組織為此國際標(biāo)準(zhǔn)化組織ISO制定了制定了“產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)” STEP（Standard for the Exchange of Product Model Data）（）（ISO10303）產(chǎn)品模型數(shù)）產(chǎn)品模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)據(jù)轉(zhuǎn)換標(biāo)準(zhǔn)STEP，是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，將此擴(kuò)展到，是面向?qū)ο蟮臄?shù)據(jù)模型，將此擴(kuò)展到數(shù)控領(lǐng)域，形成了數(shù)控領(lǐng)域，形成了STEP-NC新標(biāo)準(zhǔn)（新標(biāo)準(zhǔn)（ISO-14649） 2. STEP-NC數(shù)據(jù)模型數(shù)據(jù)模型 STEP-NC為為“新型的新型的CNC控制器數(shù)據(jù)模型控制器

41、數(shù)據(jù)模型” 標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)，它是從它是從 CAM到到CNC的數(shù)據(jù)模型。的數(shù)據(jù)模型。STEP、STEP-NC是是中性的中性的,采用面向?qū)ο笳Z言采用面向?qū)ο笳Z言:EXPRESS,以面向?qū)ο蟮男问揭悦嫦驅(qū)ο蟮男问綄a(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息與制造信息聯(lián)系起來，將產(chǎn)品的設(shè)計(jì)信息與制造信息聯(lián)系起來，STEP-NC數(shù)控?cái)?shù)控系統(tǒng)能進(jìn)行系統(tǒng)能進(jìn)行CAD /CAM與與CNC一體化的加工。一體化的加工。 STEP-NC為為CNC系統(tǒng)重新規(guī)定系統(tǒng)重新規(guī)定CAD/CAM與與CNC之間的接口，之間的接口，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。要求可以進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。要求CNC系統(tǒng)直接使用符合系統(tǒng)直接使用符合STEP標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)的CAD三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括工

42、件幾何數(shù)據(jù)、設(shè)置、制造特征信三維產(chǎn)品數(shù)據(jù)模型（包括工件幾何數(shù)據(jù)、設(shè)置、制造特征信息、工藝信息和刀具信息），而直接產(chǎn)生的加工程序用來控制機(jī)息、工藝信息和刀具信息），而直接產(chǎn)生的加工程序用來控制機(jī)床。床。3. STEP-NC研究情況研究情況STEP-NC是當(dāng)前世界各國正在開展的研究項(xiàng)目。是當(dāng)前世界各國正在開展的研究項(xiàng)目。 歐洲、美國（歐洲、美國（Super Model項(xiàng)目）、韓國、日本（項(xiàng)目）、韓國、日本（Digital Sater項(xiàng)目）都在積極的進(jìn)行，而且關(guān)于項(xiàng)目）都在積極的進(jìn)行，而且關(guān)于STEP-NC的研究已的研究已 取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)展。 法那科、西門子數(shù)控系統(tǒng)公司都宣布將

43、執(zhí)行法那科、西門子數(shù)控系統(tǒng)公司都宣布將執(zhí)行STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)。 4. STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)容 STEP-NC定義了一個(gè)新的應(yīng)用協(xié)議定義了一個(gè)新的應(yīng)用協(xié)議AP-238 ，作為，作為 CAM與與CNC之間數(shù)據(jù)交換的具體規(guī)范之間數(shù)據(jù)交換的具體規(guī)范 。1) AP-238 AP-238包括從產(chǎn)品概念到成品（零件）全過程所需的全部信息。包括從產(chǎn)品概念到成品（零件）全過程所需的全部信息。其中有：其中有：三維幾何信息三維幾何信息-AP-203/AP214；特征信息特征信息-AP-224；工藝信息（如車、銑、放電加工等）工藝信息（如車、銑、放電加工等）-AP-219；檢測信息檢測信息-AP-2

44、19等等等等2) STEP-NC 標(biāo)準(zhǔn)（草案）內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)（草案）內(nèi)容： 有關(guān)基本規(guī)則與銑削加工的標(biāo)準(zhǔn)（草案）已完成，包括：有關(guān)基本規(guī)則與銑削加工的標(biāo)準(zhǔn)（草案）已完成，包括： 基本概念和規(guī)則（基本概念和規(guī)則（Part 1）；）； 通用數(shù)據(jù)（通用數(shù)據(jù)（Part 10）；）； 數(shù)控銑削加工工藝（數(shù)控銑削加工工藝（Part 11）；）； 刀具、銑削刀具（刀具、銑削刀具（Part 111）等。）等。 數(shù)控車削加工（數(shù)控車削加工（Part 12）；）； 正在制定的正在制定的STEP-NC標(biāo)準(zhǔn)有：標(biāo)準(zhǔn)有： 放電加工（放電加工（Part 13）；）； 木材和玻璃加工（木材和玻璃加工（Part 14）；）； 檢

45、測（檢測（Part 15）等）等3)標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)通用數(shù)據(jù) 包括二大部分包括二大部分: 工件工件(Workpiece，指成品，指成品)和工作計(jì)劃和工作計(jì)劃(Workplan)。 工件上需去除的材料的區(qū)域由一系列加工特征工件上需去除的材料的區(qū)域由一系列加工特征(Machining-feature)定義。定義。 工作計(jì)劃包括若干工作步驟工作計(jì)劃包括若干工作步驟(Working step）。）。 工作步驟將具體的加工特征（如平面、復(fù)雜曲面、孔等）與具體工作步驟將具體的加工特征（如平面、復(fù)雜曲面、孔等）與具體的操作（的操作（Machining-operation）聯(lián)系起來。操作）聯(lián)系起來。操作（op

46、eration）本身是）本身是ISO-14649定義的一個(gè)面向的概念，涉定義的一個(gè)面向的概念，涉及加工方法、刀具、刀軌、工藝策略等。及加工方法、刀具、刀軌、工藝策略等。5. STEP-NC數(shù)控程序結(jié)構(gòu)數(shù)控程序結(jié)構(gòu)1) STEP-NC數(shù)控程序編制的原則：數(shù)控程序編制的原則：o采用了采用了ISO-10303數(shù)據(jù)格式和面向特征的編程原則。數(shù)據(jù)格式和面向特征的編程原則。o以工作步驟為加工流程的的基本單位。將特征與技術(shù)信息聯(lián)系到以工作步驟為加工流程的的基本單位。將特征與技術(shù)信息聯(lián)系到一起。一起。o每個(gè)工作步驟只定義一個(gè)具體操作（干什么、如何干、只能用一每個(gè)工作步驟只定義一個(gè)具體操作（干什么、如何干、只能

47、用一種刀具和一種策略）種刀具和一種策略）2) 程序結(jié)構(gòu)：程序結(jié)構(gòu)分為文件頭和數(shù)據(jù)段程序結(jié)構(gòu)：程序結(jié)構(gòu)分為文件頭和數(shù)據(jù)段 文件頭以文件頭以HEADER為標(biāo)記，主要說明文件名、編程者、日為標(biāo)記，主要說明文件名、編程者、日 期以及注釋等。期以及注釋等。 數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)以DATA開始，包含了加工零件所需的所有信息和操開始，包含了加工零件所需的所有信息和操 作任務(wù)。根據(jù)規(guī)定，首先要有一個(gè)作任務(wù)。根據(jù)規(guī)定，首先要有一個(gè)PROJECT語句。語句。 其后的內(nèi)容可分為三部分：其后的內(nèi)容可分為三部分： 工作與可執(zhí)行語句（工作與可執(zhí)行語句（Executable，包括工作步驟、一般，包括工作步驟、一般NC 功能如信息顯示

48、等、流程控制）。功能如信息顯示等、流程控制）。 技術(shù)描述（刀具、機(jī)床功能、加工策略等）技術(shù)描述（刀具、機(jī)床功能、加工策略等） 幾何描述（幾何數(shù)據(jù)、加工特征等）幾何描述（幾何數(shù)據(jù)、加工特征等） ENDSEC為程序結(jié)束標(biāo)志。為程序結(jié)束標(biāo)志。3) 例子（西門子公司開發(fā)的例子（西門子公司開發(fā)的,其中的斜體為特意加入的說明其中的斜體為特意加入的說明)：HEADER ; 文件頭部開始語句文件頭部開始語句 ENDSEC ; 文件頭部分結(jié)束文件頭部分結(jié)束DATA ; 數(shù)據(jù)段開始數(shù)據(jù)段開始# 1 = PROJECT(Workplan #10) ; #1規(guī)劃由工作計(jì)劃規(guī)劃由工作計(jì)劃#10完成完成#10=Workp

49、lan(#20, #35, ) ;#10包括：包括：#20工步、工步、#35工工步、步、 #20=Machining - Workingstep( , #21 (feature), #22 (Machining) ;#20為加工工步，包括：為加工工步，包括： #21加工特征、加工特征、 #22加工操作加工操作#21=Round hole( Hole M6 , , ) ;被加工的是被加工的是M6,圓周孔圓周孔#22=Drilling(#(Tool) , , , #(technology), #(Machine -functions) ; 鉆削加工（刀具、工藝、機(jī)鉆削加工（刀具、工藝、機(jī)床功能）床

50、功能） #35=Machining - Workingstep() ; #35為加為加工工步工工步 其它加工工步其它加工工步ENDSEC ; 程序結(jié)束（數(shù)據(jù)段程序結(jié)束（數(shù)據(jù)段） 6. STEP-NC特點(diǎn)：廢棄了傳統(tǒng)的數(shù)控程序，無后置處特點(diǎn)：廢棄了傳統(tǒng)的數(shù)控程序，無后置處理，無理，無G、M代碼。代碼。ISO14649的目標(biāo)為：的目標(biāo)為： 改進(jìn)改進(jìn)CAD/CAM 系統(tǒng)與系統(tǒng)與CNC控制器之間的連接，數(shù)據(jù)傳遞。控制器之間的連接，數(shù)據(jù)傳遞。 不采用刀具運(yùn)動編程，而采用工作步驟面向?qū)ο蟮母拍?。工作不采用刀具運(yùn)動編程，而采用工作步驟面向?qū)ο蟮母拍?。工作步驟對應(yīng)于高級特征和過程參數(shù)。步驟對應(yīng)于高級特征和過程

51、參數(shù)。 CNC對工作步驟解析為坐標(biāo)的對工作步驟解析為坐標(biāo)的運(yùn)動和刀具的動作。運(yùn)動和刀具的動作。 數(shù)據(jù)模塊必須包括所有的復(fù)雜級別（從加工時(shí)，指令的數(shù)據(jù)模塊必須包括所有的復(fù)雜級別（從加工時(shí)，指令的CAD 幾幾何數(shù)據(jù)到離散值的簡單軸運(yùn)動）。何數(shù)據(jù)到離散值的簡單軸運(yùn)動）。 CNC 程序設(shè)想可以放在新開發(fā)的程序設(shè)想可以放在新開發(fā)的CNC控制器上控制器上, 也可能放在分也可能放在分離的支持和改進(jìn)現(xiàn)有離的支持和改進(jìn)現(xiàn)有CNC控制器的高級系統(tǒng)上（包括各種網(wǎng)絡(luò)）。控制器的高級系統(tǒng)上（包括各種網(wǎng)絡(luò)）。 對于數(shù)控程序的新標(biāo)準(zhǔn)將提供機(jī)床操作者更多的柔性、功能、對于數(shù)控程序的新標(biāo)準(zhǔn)將提供機(jī)床操作者更多的柔性、功能、統(tǒng)計(jì)

52、表的編輯定義、相關(guān)控制和幾何過程的修正。統(tǒng)計(jì)表的編輯定義、相關(guān)控制和幾何過程的修正。 新標(biāo)準(zhǔn)允許操作者因?yàn)閷Ｓ脵C(jī)床和技術(shù)，而執(zhí)行專門的功能。新標(biāo)準(zhǔn)允許操作者因?yàn)閷Ｓ脵C(jī)床和技術(shù)，而執(zhí)行專門的功能。 對于最終用戶新的標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的編程格式，使程序準(zhǔn)備更快、對于最終用戶新的標(biāo)準(zhǔn)提供統(tǒng)一的編程格式，使程序準(zhǔn)備更快、更廉價(jià)。更廉價(jià)。 較少的后置處理，而且更標(biāo)準(zhǔn)化。在數(shù)控編程級較少的后置處理，而且更標(biāo)準(zhǔn)化。在數(shù)控編程級CAD/CAM系系統(tǒng)和統(tǒng)和NC系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換將更方便系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)交換將更方便。7. STEP-NC為計(jì)算機(jī)數(shù)控（為計(jì)算機(jī)數(shù)控（CNC）提供的發(fā)展空間）提供的發(fā)展空間 STEP-NC的發(fā)

53、展使得的發(fā)展使得STEP標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到自動化加工的底層設(shè)備，標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展到自動化加工的底層設(shè)備，建立了一條貫穿整個(gè)制造過程的高速公路。將影響相關(guān)的建立了一條貫穿整個(gè)制造過程的高速公路。將影響相關(guān)的CAX技術(shù)（技術(shù)（CAD、CAPP、CAM、CAE、PDM、ERP等）、刀具、等）、刀具、機(jī)床、夾具、先進(jìn)生產(chǎn)模式等。主要有以下幾方面：機(jī)床、夾具、先進(jìn)生產(chǎn)模式等。主要有以下幾方面： 數(shù)控編程界面；數(shù)控編程界面； 數(shù)控系統(tǒng)的開放性；數(shù)控系統(tǒng)的開放性； 數(shù)控系統(tǒng)的智能化；數(shù)控系統(tǒng)的智能化； CAM和和CNC之間的功能重新劃分（嵌入式之間的功能重新劃分（嵌入式CAM）；）； 加工質(zhì)量和效率，加工質(zhì)量和效率，CNC

54、改變被動執(zhí)行者的地位；改變被動執(zhí)行者的地位； 數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)制造。數(shù)據(jù)共享與網(wǎng)絡(luò)制造。（四）數(shù)控機(jī)床部件的發(fā)展趨勢（四）數(shù)控機(jī)床部件的發(fā)展趨勢（四）數(shù)控機(jī)床部件的發(fā)展趨勢1. CNC控制器的發(fā)展趨勢控制器的發(fā)展趨勢2. 伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展伺服驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展3. 機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)機(jī)械結(jié)構(gòu)技術(shù)CNC控制器的發(fā)展趨勢（四）數(shù)控機(jī)床部件的發(fā)展趨勢（四）數(shù)控機(jī)床部件的發(fā)展趨勢1. CNC控制器的發(fā)展趨勢控制器的發(fā)展趨勢o 多坐標(biāo)、多通道控制。多坐標(biāo)、多通道控制。 FANUC 30i-MODEL A：十個(gè)通道，十個(gè)通道，40個(gè)軸（個(gè)軸（32個(gè)進(jìn)給軸、個(gè)進(jìn)給軸、8個(gè)主軸）個(gè)主軸） 聯(lián)動軸數(shù)聯(lián)動軸數(shù)24/每通道。

55、每通道。 3個(gè)個(gè)PMC通道。最大通道。最大I/O點(diǎn)數(shù)點(diǎn)數(shù)4096/4096 PMC基本命令速度基本命令速度25ns。 最大預(yù)讀程序段：最大預(yù)讀程序段：1000段。段。 (適合作為大型自動機(jī)床、復(fù)合機(jī)床、多頭機(jī)床的控制器適合作為大型自動機(jī)床、復(fù)合機(jī)床、多頭機(jī)床的控制器)o 高速高精、低速高精加工功能高速高精、低速高精加工功能1）新功能）新功能u前饋控制。補(bǔ)償由于反饋滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度前饋控制。補(bǔ)償由于反饋滯后所產(chǎn)生的誤差，提高加工精度u進(jìn)給率和加減速曲線控制。減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。進(jìn)給率和加減速曲線控制。減少加減速滯后所產(chǎn)生的誤差。u前瞻控制。在程序執(zhí)行前，對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處

56、理和多段前瞻控制。在程序執(zhí)行前，對運(yùn)動數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算處理和多段 緩沖，從而控制刀具以很小的誤差進(jìn)行高速運(yùn)動。緩沖，從而控制刀具以很小的誤差進(jìn)行高速運(yùn)動。u平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制。對指令的實(shí)時(shí)識別，最佳的控平滑運(yùn)行的高精度輪廓控制。對指令的實(shí)時(shí)識別，最佳的控 制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳狀態(tài)。制速度、加速度、加加速度，使加工保持最佳狀態(tài)。u數(shù)字濾波器技術(shù)。用以消除機(jī)械諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置數(shù)字濾波器技術(shù)。用以消除機(jī)械諧振，提高伺服系統(tǒng)的位置 增益增益u高精高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)、高精高速主軸伺服系統(tǒng)。高精高速進(jìn)給伺服系統(tǒng)、高精高速主軸伺服系統(tǒng)。u高增益的驅(qū)動器、控制單元、電機(jī)；高增益的驅(qū)

57、動器、控制單元、電機(jī)；u提高編碼器的分辨率，提高編碼器的分辨率，1600萬萬/轉(zhuǎn)；轉(zhuǎn)； 直線伺服電機(jī)驅(qū)動，提高進(jìn)給剛度；對于直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù)直線伺服電機(jī)驅(qū)動，提高進(jìn)給剛度；對于直線電機(jī)，設(shè)計(jì)數(shù) 字濾波器以避免直接驅(qū)動機(jī)械帶來的多點(diǎn)諧振。字濾波器以避免直接驅(qū)動機(jī)械帶來的多點(diǎn)諧振。u主軸采用交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動時(shí)，高增益控制、無齒槽效主軸采用交流同步伺服電機(jī)驅(qū)動時(shí)，高增益控制、無齒槽效 應(yīng)高分辨率電機(jī)，使主軸低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、精度高；采用交流應(yīng)高分辨率電機(jī)，使主軸低速時(shí)轉(zhuǎn)矩大、精度高；采用交流 異步高分辨率伺服電機(jī)驅(qū)動時(shí)，高速度高精度。異步高分辨率伺服電機(jī)驅(qū)動時(shí)，高速度高精度。u納米控制：在系統(tǒng)檢測分

58、辨率為納米控制：在系統(tǒng)檢測分辨率為1 m時(shí)，插補(bǔ)分辨率為時(shí)，插補(bǔ)分辨率為1nm。 采取措施：采取措施：CNC內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位計(jì)算，使誤最內(nèi)部計(jì)算以納米或更小的單位計(jì)算，使誤最 小化；高精度的交流數(shù)字伺服控制；很高的電流檢測精度；小化；高精度的交流數(shù)字伺服控制；很高的電流檢測精度； 相應(yīng)的硬件（相應(yīng)的硬件（RISC芯片）。芯片）。u納米平滑功能：以納米為單位評估原始曲線，圓整指令公差。納米平滑功能：以納米為單位評估原始曲線，圓整指令公差。 使加工自由曲面時(shí)，減小或消除程序段之間出現(xiàn)的條紋使加工自由曲面時(shí)，減小或消除程序段之間出現(xiàn)的條紋uNURBS插補(bǔ)。插補(bǔ)。2）NURBS插補(bǔ)簡介插補(bǔ)簡

59、介u概述概述 高速加工高速加工CNC控制器具有控制器具有NURBS插補(bǔ)功能，可以接受插補(bǔ)功能，可以接受CAM軟件軟件傳來的傳來的BURBS格式的刀位軌跡數(shù)據(jù)格式的刀位軌跡數(shù)據(jù),進(jìn)行進(jìn)行BURBS插補(bǔ)加工。插補(bǔ)加工。 在在CAM軟件的刀位軌跡計(jì)算時(shí)，直接輸出定義軟件的刀位軌跡計(jì)算時(shí)，直接輸出定義NURBS曲線的曲線的“控制點(diǎn)控制點(diǎn)”、“權(quán)重權(quán)重”、“節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)”，然后通過后處理譯成機(jī)床，然后通過后處理譯成機(jī)床CNC系統(tǒng)可識別的系統(tǒng)可識別的G代碼，代碼，CNC以插補(bǔ)速率對原始的以插補(bǔ)速率對原始的NURBS曲曲線進(jìn)行插補(bǔ)加工。線進(jìn)行插補(bǔ)加工。 常規(guī)的常規(guī)的CAM后置處理提供二種插補(bǔ)：直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)

60、，常后置處理提供二種插補(bǔ)：直線插補(bǔ)和圓弧插補(bǔ)，常用線性插補(bǔ)逼近。高速加工設(shè)備出現(xiàn)了用線性插補(bǔ)逼近。高速加工設(shè)備出現(xiàn)了NURBS曲線插補(bǔ)，這使曲線插補(bǔ)，這使CNC系統(tǒng)具備了能自動進(jìn)行系統(tǒng)具備了能自動進(jìn)行NURBS格式定義的加工域生成的能格式定義的加工域生成的能力。各種插補(bǔ)比較如下：力。各種插補(bǔ)比較如下：公差公差CAD的的NURBS曲線曲線CAM的的 直線插補(bǔ)直線插補(bǔ)基于點(diǎn)集基于點(diǎn)集的直線插補(bǔ)的直線插補(bǔ)基于基于NURBS的樣條插補(bǔ)的樣條插補(bǔ)NURBS曲線的插補(bǔ)方式曲線的插補(bǔ)方式 u NURBS插補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)：插補(bǔ)的優(yōu)點(diǎn)：與線性插補(bǔ)相比，與線性插補(bǔ)相比，CAM輸出的輸出的NURBS插補(bǔ)的刀位文件大為插補(bǔ)