第4章設備自動化技術

第4章設備自動化技術

4.1數(shù)控技術及數(shù)控機床

4.1.1概述

世界機床技術的開展分三大階段：（1）1769~1930年的小量零星生產(chǎn)用普通機床；（2）19301952年大量大

批生產(chǎn)用高效自動化機床、自動線；（3）1952~迄今多品種、中小批量、柔性生產(chǎn)用數(shù)控機床。作為人類開展工

業(yè)必不可少的復雜生產(chǎn)工具，機床技術的開展是人類知識、經(jīng)驗和科技成果的結(jié)晶。

數(shù)控機床和數(shù)控技術是微電子技術與傳統(tǒng)機械技術相結(jié)合的產(chǎn)物。它根據(jù)機械加工的工藝要求，使用計算機

技術對整個加工過程進行信息處理與控制，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的自動化、柔性化。較好地解決了復朵、精密、多品種、

小批量機械零件加工問題，為典型多品種、單件小批量生產(chǎn)零件的精密加工提供了優(yōu)良的技術條件，是一種靈活、

通用、高效的自動化機床。從第一臺數(shù)控機床的誕生，數(shù)控技術便在工業(yè)界引發(fā)了一場不小的革命。近年來，數(shù)

控機慶更是日趨完善，具體有以下特點：

（1）不斷改善和擴展以高精、高速、高效為代表的功能通過采用64位RISC控制功能和交流伺服系統(tǒng)、

提高元件的分辯率、主軸速度和進給速度、改善插補功能到達此目標。

（2）開放結(jié)構系統(tǒng)的開展所謂開放是指系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)可與外部的控制設備互相控制。

（3）采用新元件、新工藝如新的集成半導體電路、超薄型液晶顯示器、光纖等。

（4）改善和開展伺服技術在完善交流伺服主軸電機的同時，主要開展高速主軸電機、直線進給電機。

（5）采用通訊技術CNC技術使FMS、CIMS成為可能，F(xiàn)MS>CIMS的開展反過來要求CNC系統(tǒng)應具有通訊、

連網(wǎng)功能，以便實現(xiàn)CIMS環(huán)境下的信息集成和系統(tǒng)管理，現(xiàn)代CNC系統(tǒng)一般都具有通訊的串行口和DNC接口

4.1.2NC與CNC的定義

數(shù)字控制（NumericalControl）：用數(shù)字化信號對機床的運動及其加工過程進行控制的一種方法，簡稱為數(shù)

控（NC）o

數(shù)控機床（NCMachine）：采用了數(shù)控技術的機床，或者是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機床。國際信息處理聯(lián)盟

（InternationalFederationofInformationProcessing,簡稱IFIP）第五技術委員會對數(shù)控機床作了如下

定義；數(shù)控機床是一種裝有程序控制系統(tǒng)的機床，該系統(tǒng)能邏輯地處理具有特定代碼或其他符號編碼指令規(guī)定的

程序。

數(shù)控系統(tǒng)（NCSystem）：就是上述定義中所指的程序控制系統(tǒng)，能自動閱讀輸入載體上事先給定的程序，并

將其譯碼，從而控制機床運動和加工零件過程。

計算機數(shù)控系統(tǒng)（ComputerizedNumericalControlSystem）是一種數(shù)控系統(tǒng)，由裝有數(shù)控系統(tǒng)程序的專

用計算機、輸入輸出設備、可編程序控制器（PLC）、存儲器、主軸驅(qū)動及進給驅(qū)動裝置等局部組成。習慣上稱為

CNC系統(tǒng)。

4.1.3數(shù)控機床系統(tǒng)根本構成

數(shù)控機床根本結(jié)構如圖4-1所示，包括加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制裝置、檢測裝

置及機床本體等幾局部。

數(shù)控機床完成的根本動作主要有：

（1）主軸運動：和普通機床一樣，主運動主要完成切削任務，其動力約占整個機床動力的70M80%。根本

控制是主軸的正、反轉(zhuǎn)和停止，可自動換擋及無級調(diào)速。對加工中心和有些數(shù)控車床還必須具有定向控制和C

軸控制。

（2）進給運動：數(shù)控機床區(qū)別與普通機床最根本的地方，即用電氣驅(qū)動替代了機械驅(qū)動，數(shù)控機床的進給

運動是有進給伺服系統(tǒng)完成。伺服系統(tǒng)包括伺服驅(qū)動裝置、伺服電動機、進給傳動練及位置檢測裝置。

（3）輸入/輸出（I/O）數(shù)控系統(tǒng)對加工程序處理后輸出的控制信號除了對進給運動軌跡進行連續(xù)控制外，

還要對機床的各種狀態(tài)進行控制。這些狀態(tài)控制包括主軸的變速控制，主軸的止、反轉(zhuǎn)及停止，冷卻和潤滑裝置

的起動和停止，刀具自動交換，工件夾緊和放松及分度工作臺轉(zhuǎn)位等。

國際標準《ISO4336-1981（E）機床數(shù)字控制-數(shù)控裝置和數(shù)控機床電氣設備之間的接口標準》規(guī)定，將數(shù)控接

口分為以下四類：

I類：與驅(qū)動命令有關的連接電路，主要指與坐標軸進給驅(qū)動和主軸驅(qū)動的連接電路。

II類：數(shù)控裝置與測量系統(tǒng)和測量傳感器之間的連接電路。

HI類：電源及保護電路。

IV類：開/關信號和代碼信號連接電路。

4.1.4數(shù)控機床的分類

數(shù)控機床的種類很多，按不同的分類方法可以分成不同類別，歸納起來主要有以下幾種分類方式。

（1）運動軌跡分類?？煞譃辄c位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)、輪廓控制系統(tǒng)。點位控制系統(tǒng)控制刀具相對于

工件定位點的坐標位置，對定位移動的軌跡無要求，在定位移動過程中小進彳丁切削加工，如數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標

鏤床等。直線控制系統(tǒng)是指能控制刀具或工作臺以給定的速度，沿平行于某一坐標軸方向進行直線切削加工的控

制系統(tǒng)，如數(shù)控車床、數(shù)控像銃床和加工中心等。輪廓控制系統(tǒng)也稱為連續(xù)控制系統(tǒng)，它能對兩個或兩個以上的

坐標軸同時進行連續(xù)控制，在加工過程中，需要不斷進行插補運算，然后進行相應的速度和位移控制。這類數(shù)控

機床的功能比較完善。

（2）按用途分類?？煞譃榻饘偾邢黝?、金屬成型類數(shù)控機床和數(shù)控特種加工機床。金屬切削類主要有數(shù)控

車、銃、鉆、鐐、磨等機床。金屬成型類主要有數(shù)控折彎機、彎管機和壓力機等。特種加工數(shù)控主要有數(shù)控線切

割機反、電火花加工機床和激光加工機床等。

（3）按進給伺服控制系統(tǒng)分類，它可以分為開環(huán)伺服系統(tǒng)、閉環(huán)伺服系統(tǒng)和半閉環(huán)伺服系統(tǒng)。開環(huán)伺服系

統(tǒng)對執(zhí)行機構不進行位置檢測，多采用步進電機或電液脈沖馬達作為伺服驅(qū)動元件，其控制精度較低。閉環(huán)伺服

系統(tǒng)通過檢測工作臺的實際移動位移，并將其反應回伺服控制系統(tǒng)，控制系統(tǒng)通過與理想值相比較，從而調(diào)整工

作臺的位移偏差。這種方式控制精度高、速度快，但系統(tǒng)復雜、本錢高。半閉環(huán)伺服系統(tǒng)與閉環(huán)伺服系統(tǒng)的區(qū)別

在于檢測裝置是檢測伺服電機的轉(zhuǎn)角而不是工作臺的實際位置。它的構造本錢比閉環(huán)伺服系統(tǒng)要低、調(diào)試容易些,

精度匕開環(huán)伺服系統(tǒng)高。

（4）按數(shù)控裝置分類。分為硬線數(shù)控系統(tǒng)和軟線數(shù)控系統(tǒng)。硬線數(shù)控系統(tǒng)由專用的固定組合邏輯電路實現(xiàn),

其靈活性差、制造本錢高，現(xiàn)在根本不采用。軟線數(shù)控使用小型或微型計算機和一些通用或?qū)Ｓ玫募呻娐窐嫵?

其主要功能由軟件實現(xiàn)，系統(tǒng)的適應性強、利用率高、構造本錢相對較低。

4.1.5數(shù)控機床的根本技術

1.數(shù)控編程技術

1）數(shù)控編程概念

數(shù)控編程是指從確定零件加工工藝路線到制成控制介質(zhì)的整個過程，而生成一定格式的加工程序單。數(shù)控程

序作為數(shù)控機床加工零件的指令集，起直接影響零件加工的質(zhì)量、生產(chǎn)效率和生產(chǎn)本錢。

數(shù)控編程過程中首先需考慮的問題是要滿足零件加工的要求，能加工出符合圖樣的合格零件，同時也應該考

慮生產(chǎn)效率和制造本錢盡量的優(yōu)化，充分發(fā)揮數(shù)控機床的功能。一般來說，數(shù)控編程過程主要包不：零件圖樣分

析、工藝處理、數(shù)學處理、程序編制、控制介質(zhì)制作和程序校核試切等過程，如圖4-2所示。

其具體步驟如下：

（1）分析零件圖樣。分析零件的材料、形狀、尺寸、精度、批量要求以及毛坯形狀和熱處理要求等，在此

基礎上明確加工內(nèi)容要求，確定加工方案。

（2）工藝處理。主要包括選擇適宜的數(shù)控機床、設計夾具、選擇刀具、確定合理的走刀路線及選擇合理的

切削用量等。工藝處理實際上設計的問題很多，例如夾具要盡量安裝使用方便，裝夾的次數(shù)盡可能少；編程原點

和坐標系的選擇應使編程簡化，引起的加工誤差?。贿x擇合理的走刀路線和切削量，盡量減少空切，保證加工過

程的平安等等。

（3）數(shù)學處理。根據(jù)零件圖紙和確定的加工路線，計算出數(shù)控機床所需要的鉆入數(shù)據(jù)，數(shù)學處理的更雜程

度取決于零件的復雜程度和數(shù)控裝置的選擇。當零件形狀比較復雜，數(shù)控裝置的插補功能不強時，可借助計算機

完成相應的任務。

（4）程序編制和輸入介質(zhì)準備,根據(jù)數(shù)學處理計算出數(shù)據(jù)和確定的加工用量，編制相應的數(shù)控代碼，并根

據(jù)數(shù)控裝置對輸入信息的要求，制作相應的輸入介質(zhì)。穿孔紙帶是過去常用的輸入介質(zhì)，但隨著計算機技術在數(shù)

控系統(tǒng)中普遍使用，數(shù)控代碼可以直接存放在計算機的儲存設備上，大大方便了程序編制和修改。

（5）程序校核試切。生成的數(shù)控代碼進行試切驗證，如果加工的零件合格，則可以進行數(shù)控加工，如果試

加工的零件達不到圖紙規(guī)定的要求，應該分析原因，返回前面適蘭的步驟進行修改，直到滿足要求為止。

2）編程方法

數(shù)控編程方法主要有手工編程、自動編程、面向車間的編程（WorkshopOrientedPrograirming,WOP）和

CAD/CAM集成系統(tǒng)的數(shù)控編程。

（1）手工編程。是指編制零件數(shù)控加工程序的各個步驟，即零件圖樣分析?、工藝處理、數(shù)學處理、程序編

制和輸入介質(zhì)準備直至程序的檢驗等過程，均有由人工完成的。對于幾何形狀不太復雜的零件，計算比較簡單，

程序段不多，采用手工編程容易實現(xiàn)。但對于具有復雜空間曲面輪廓的零件，計算繁瑣、程序量大、難校對，甚

至無法手工編制出控制程序。

（2）自動編程。使用計算機編制數(shù)控加工程序，自動地輸出零件加工程序及自動制作控制介質(zhì)過程稱自動

編程。在國外，自動編程語言最先由美國麻省理工學院在1995年研制成功的APT（AutomaticallyProgrammed

Tool,APT）系統(tǒng)，APT語言是對工件、刀具的兒何形狀以及刀具用對于工件的運動等進行定義時所用的符號語

言。使用APT語言書寫零件加工程序，經(jīng)過APT語言編譯系統(tǒng)編譯可生成刀位文件，進行數(shù)控后置處理，能自動

產(chǎn)生數(shù)控系統(tǒng)能接受的零件加工程序。在此基礎上開展起來還有日本的FAPT、德國的EXAPT等c國內(nèi)開發(fā)的自

動編程工具主要有SKCT,ZCXT等，

（3）面向車間的數(shù)控編程（NOP）。它介于手工編程和自動編程之間的一種編程方法。它可借助計算機完成

一些復雜的數(shù)學處理工作，并提供人機交互界面，讓編程人員可以方便的融入自己實際的加工經(jīng)驗。它在很大程

度上減輕了編程人員的強度，提供了編程效率。

（4）CAD/CAM集成系統(tǒng)數(shù)控編程。它以待加工零件的CAD模型為基礎的一種集加工工藝規(guī)劃及數(shù)控編程為

一體的自動編程方法。而適用于數(shù)控編程的CAD模型主要有外表模型（SurfaceModel）和實體模型:SolidModel）,

其中外表模型應用得最為廣泛。其編程的過程一般包括刀具定義和選擇、刀具相對于零件外表運動方式的定義、

切削參數(shù)的選擇、走刀軌跡的生成、加工過程動態(tài)仿真、程序效驗和后置處理等。目前流行的CAD軟件，如

Solidwork.UGII>Pro/E,I-deas等，都具有的數(shù)控編程模塊，而更專業(yè)的數(shù)控編程CAD軟件有MastorCAM.SurfCAM

等，它們的設計繪圖功能相對來說要弱一些，而更側(cè)重于數(shù)控編程。

2.數(shù)控機床插補原理

在數(shù)控加工過程中，加工對象的輪廓種類很多。對于?些復雜的高次空間輪廓曲面，其刀具軌跡的計算非常

復雜，計算量很大，難以滿足數(shù)控加工的適時性要求。因此在實際應用中，采用小段直線或圓?。ㄓ行﹫龊希?/p>

用拋物線、螺旋線甚至三次樣條等高次曲線）對加工對象的輪廓曲面進行插補（也可理解為曲面擬合）。一般米

說，對兩坐標聯(lián)動，有直線、圓弧和拋物線插補；對三坐標聯(lián)動，有空間直線插補，空間直線、圓弧與拋物線之

間的兩兩組合的綜合插補；對四坐標聯(lián)動，有圓弧、拋物線與雙直線（或單直線）綜合的五維（或四維）的插補。

插補的任務就是根據(jù)進給速度的要求，完成這些擬合曲線起點和終點之間的中間點的坐標值計算。目前普遍

應用的插補算法主要分為兩大類：

（1）脈沖增量插補。脈沖增量插補法適用于以步進電動機為吸動裝置的開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，這類插補算法的特

點是每次插補的結(jié)果僅產(chǎn)生一個行程增量，以一個個脈沖的方式輸出給步進電動機。脈沖增量插補的實現(xiàn)方法較

簡單，通常僅用加法和移位就可完成插補，容易用硬件來實現(xiàn)，而且，用硬件實現(xiàn)這類運算的速度很快。但是，

CNC系統(tǒng)一般均用軟件來完成這類算法。用軟件實現(xiàn)的脈沖增量插補算法一般要執(zhí)行20多條指令，如果CPU的

時鐘為5MHz,那么計算一個脈沖當量所需的時間大約為40nso當脈沖當最為0.001mm時，可以到達的坐標軸極

限速度為1.5m/min。如果要控制兩個或兩個以上坐標，且承當其他必要的數(shù)控功能時，所能形成的輪廓插補進

給速度將進一步降低。如果要求保證一定的進給速度，只好增大脈沖當量，使精度降低。例如脈沖當量為0.01MU

時，單坐標控制速度為15m/min。因此脈沖增量插補輸出的速率主要受插補程序所用時間的限制，它僅僅適用于

中等精度和中等速度、以步進電動機為執(zhí)行機構的機床系統(tǒng)。隨著計算機技術的開展，目前的肘鐘頻率可到達1

以上，這方面的問題可以得到很大的改善。

（2）數(shù)據(jù)采樣插補。適用于閉環(huán)和半閉環(huán)以直流或交流伺服電動機為執(zhí)行機構的CNC系統(tǒng)。這種方法是將

加工一段直線或圓弧的時間劃分為若干相等的插補周期，每經(jīng)過一個插補周期就進行一次插補計算，算出在該插

補周期內(nèi)個坐標軸的進給量，邊計算，邊加工，若干次插補周期后完成一個曲線段的加工，即從曲線段的起點走

到終點。

3.數(shù)控機床的刀具補償

為了簡化數(shù)控編程，使數(shù)控程序盡量與刀具的尺寸和安裝位置無關，數(shù)控系統(tǒng)一般都提供刀具補償功能，主

要是刀具長度補償和刀具半徑補償。

（1）刀具長度補償。

由于夾具高度、刀具長度、加工深度等變化需要對切削深度進行刀具長度補償，如圖4-3所示，一般是使刀

具垂直于走刀面偏移一個刀具長度修正值。刀具長度補償主要針對二坐標或三坐標聯(lián)動數(shù)控機床的，對三坐標以

上聯(lián)動的數(shù)控機床是無效的。刀具長度補償大多由操作者通過手動數(shù)據(jù)輸入方式實現(xiàn)，也可通過編程實現(xiàn)。

（2）刀具半徑補償。

在輪廓加工過程中，由于刀具總有一定的半徑（如銃刀半徑），刀具中心的運動軌跡與工件輪廓是不一致的，

如圖4-4所示。如果不考慮刀具半徑，直接按照工件輪廓編程，則加工出來的零件會比圖紙要求的輪廓小一圈或

大T卷I，因此實際加工時，應該使刀具偏移?個刀具半徑r,這種偏移稱為刀具半徑補償。由于同??輪廓的零件

采用不同尺寸的刀具，或同?尺寸刀具因重新調(diào)整或因磨損引起尺寸變化，所以程序編制時很難考慮刀具的補償，

一般是由數(shù)控裝置提供刀補功能進行刀補。

4.數(shù)控機床的伺服控制系統(tǒng)

數(shù)控伺服是數(shù)控系統(tǒng)和機床機械傳動部件間的聯(lián)接環(huán)節(jié)，是數(shù)控機床的重要組成局部。伺服系統(tǒng)主要包含機

械傳動、電器驅(qū)動、檢測、自動控制等內(nèi)容，它根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)插補運算生成的位置指令，精確地變換為機床移動

部件的位移，它直接反映機床坐標相跟蹤運動指令和實際定位的性能。

數(shù)控伺服通常指進給伺服系統(tǒng)，圖4-5所示是一個典型的閉環(huán)進給伺服系統(tǒng)結(jié)構圖。對于機床主軸控制一般

只需要滿足主軸調(diào)速及正、反轉(zhuǎn)功能，對于一些特殊加工，例如螺紋加工等，需要對主軸位置提出相應的控制要

求時，也應該具有伺服驅(qū)動功能，此時稱主軸伺服系統(tǒng)。數(shù)控機床對伺服系統(tǒng)的一般要求為：

(1)調(diào)速范圍寬。一般速比應大于1:10000,低速平穩(wěn)，高速能滿足進給速度要求。

(2)高精度。控制精度能滿足定位精度和加工精度要求，位置同服系統(tǒng)的定位精度一般要求能到達甚至

0.iPnio

(3)快速響應好。一般使電動機轉(zhuǎn)速從零升到加工轉(zhuǎn)速或從加工速度降至零，要在0.2s以內(nèi)，甚至少于幾

十毫秒。

(4)低速大轉(zhuǎn)矩。低速進給驅(qū)動要有大的轉(zhuǎn)矩輸出，以滿足對切削力的要求。

(5)系統(tǒng)工作可靠性較高，抗干擾能力強，工作穩(wěn)定。

(6)伺服驅(qū)動系統(tǒng)常用的驅(qū)動元件有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機等。伺服驅(qū)動系統(tǒng)對驅(qū)

動元件的要求主要有：調(diào)速范圍寬、穩(wěn)定性好、負載特性硬、反映速度快、能適應頻繁起停和換向等。

5.數(shù)控系統(tǒng)的位置檢測裝置

在閉環(huán)和半閉環(huán)系統(tǒng)中，必須有位置檢測裝置，它的作用是檢測位移并發(fā)出反應信號，經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換，返

回控制裝置，與控制信號相比較以修正機床的運動偏差。位置檢測裝置根據(jù)安裝形式和測量方式可分為下面幾種

檢測方式。

I曾量式和絕對式。增量式只檢測位移I曾量，它可以以任何一個對中點作為測量的起點，其優(yōu)點是檢測裝置簡

單，但一旦發(fā)生計數(shù)錯誤，就引起以后的測量結(jié)果全錯。絕對式測量的特點是，被測點的任一點的位置都從一個

固定的零點算起，每一被測點都有一個相應的測量值，從而克服了增量式測量中缺點。

數(shù)字式和模擬式。數(shù)字式檢測是以量化后的數(shù)字形式表示測量值，得到的測量信號是脈沖形式，以計數(shù)后得

到的肽沖個數(shù)表示位移量。數(shù)字式測量的信號抗干擾能力強，便于顯示和處理。模擬式檢測將被測量用連續(xù)的變

量表示，如電壓變化、相位變化。模刃測量的信號處理電路較復雜，易受干擾，其主要用于小量程的高精度測量。

直接測顯和間接測晟。若位置檢測裝置檢測的對象就是被測對象本身，即稱為直接測最，否貝!稱為間接測最。

對于工作臺的直線位移，直接檢測可以直觀反映其位移量，但檢測裝置要與行程等長，在大型數(shù)控機床上應用有

一定的限制。間接檢測通過和工作臺運動相關聯(lián)的回轉(zhuǎn)運動來間接地檢測工作臺的直線位移，它慎用可靠，無長

度限制，但檢測信號參加了直線轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)動鏈誤差，從而影響檢測精度。

4.1.6數(shù)控機床中新技術的應用

1.工業(yè)計算機(IPC)在數(shù)控機床中的應用

1)IPC的根本結(jié)構

工業(yè)計算機(也稱為工控機)的工作原理與商用計算機根本相同，但其結(jié)構和配件的配置要求與普通的商用

計算機有一定的區(qū)別。由于對工業(yè)環(huán)境的適應性的特殊要求，其穩(wěn)定性、抗干擾性等方面大大優(yōu)于普通的商用計

算機，它與普通商用計算機主要區(qū)別在于：

(1)箱體。工業(yè)計算機的機箱要求防塵、防震、防潮。

(2)供電系統(tǒng)。由于工業(yè)計算機不僅要為自身工作供電，而且還要為許多擴展卡、現(xiàn)場儀器儀表供電。因

此其供電系統(tǒng)的功率設計要根據(jù)系統(tǒng)的實際要求確定。在要求連續(xù)作業(yè)的場合，還必須提供后備電源。

(3)底板。由于工業(yè)計算機應用過程中，除了常用計算機顯卡、聲卡、網(wǎng)卡、Modem卡等常用擴展卡外，

還需要添加A/D卡、D/A卡、I/O卡等擴展卡，因此常用計算機主板上的擴展槽不夠用，所以一般工業(yè)計算機帶

有一塊底板，其作用就是提供更多的擴展槽，并且通常是采用ISA總線結(jié)構。

(4)主板。工業(yè)計算機主板上不帶擴展槽，并同其他的擴展板卡一樣插在底板上。有的主板集成有顯卡，

甚至集成有電子盤接口板。它比常用的計算機備有更多的串行輸入輸出口，以滿足通訊的需要。

(5)擴展板。除了常用計算機的擴展板卡(如顯卡、聲卡、Modem卡等)以外，工業(yè)計算機?般還有I/O

板、A/D板、D/A板等擴展卡，以適應現(xiàn)場信號檢測、動作控制的需要，具體配置可根據(jù)系統(tǒng)具體要求選用。

目前國內(nèi)市場上的工控產(chǎn)品主要來自臺灣廠家，如研華、研詳、康拓、威達等，國內(nèi)也有浪潮等廠家開發(fā)有

一些工控產(chǎn)品。

2)PC-NC的實現(xiàn)途徑

IPC-NC的主要實現(xiàn)形式可歸納為三種：IPC內(nèi)藏型NC、NC內(nèi)藏型IPC、軟件NC。

IPC內(nèi)藏型NC是在NC內(nèi)部加裝IPC板，IPC板與CNC之間通過專用總線相連接，如圖4-6所示。這一形式

主要為一些大型CNC控制器制造商所采用，其優(yōu)點是原型NC幾乎可以不加改動地使用，旦數(shù)據(jù)傳送快、系統(tǒng)響

應快。缺點是不能直接使用通用IPC,開放程度受到限制。

NC內(nèi)藏型PC就是將運動控制板或整個NC單元插入到PC的擴展槽中。PC做非實時處理，實時控制由CNC

單元或運動控制板來承當，如圖4-7所示。這種類型的優(yōu)點是能充分保證系統(tǒng)性能，軟件的通用性強，而且編程

處理靈活。缺點是很難利用原型CNC資源，系統(tǒng)可靠性有待進一步提高。

軟件NC是指NC系統(tǒng)的各項功能，如編譯、解釋、插補和PLC等，均由軟件模塊來實現(xiàn)，并通過裝在PC擴

展槽中的接口卡對伺服驅(qū)動進行控制，如圖4-8所示。這類系統(tǒng)優(yōu)點是可借助現(xiàn)有的操作系統(tǒng)平臺(如WINDOWS,

LINUX等)和大量應用軟件(如VC,VB等)，通過對NC軟件的適當組織、劃分、標準和開發(fā)，能方便的實現(xiàn)

NC功能的擴充。缺點是在通用PC上進行實時處理較困難，難以利用原型CNC資源，可靠性也還有待進一步提高。

2?計算機網(wǎng)絡技術在數(shù)控機床中的應用

(1)計算機網(wǎng)絡技術在企業(yè)中應用狀況

計算機網(wǎng)絡是把分布在不同地點具有獨立功能的多個計算機通過通信線路及其設備連接起來，配上相應網(wǎng)絡

操作系統(tǒng)，按照網(wǎng)絡協(xié)議互相通信。其目的是共享各個計算機處理單元的軟硬件資源和數(shù)據(jù)資源。

企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)絡的應用可以分為兩層，如圖4-9所示，即處理企業(yè)管理與決策信息的信息網(wǎng)絡和處理企業(yè)現(xiàn)場

實時測控信息的控制網(wǎng)絡。信息網(wǎng)絡一般處于企業(yè)上層，處理大量的、變化的、多樣的信息，具有高速、綜合的

特征?？刂凭W(wǎng)處于企業(yè)的下層，處理大量的車間現(xiàn)成設備信息，這些現(xiàn)場設備包括各種數(shù)控機床.而控制網(wǎng)要求

具有協(xié)議簡單、容錯性強、平安可靠、本錢低廉等特征。

(2)Net-NC實現(xiàn)方式

H前Net-NC的典型應用是DMC(DirectNumericalControl)系統(tǒng)和FMS系統(tǒng)。DNC是把車間加工設備與上

層控制計算機集成起來，實現(xiàn)若干臺數(shù)控機床的集中管理。而FMS的主要特征之一是增加了物料流控制系統(tǒng)。

Net-NC連接方式主要有三種：通過符合MAP(ManufacturingAutomationProtocol)標準的網(wǎng)絡接口聯(lián)接，

它是美國GM公司研究和開發(fā)的一種通信標準，采用了標準7層OSI/OS網(wǎng)絡模型，其優(yōu)點是傳輸速度快，可以實

現(xiàn)多種網(wǎng)絡拓撲結(jié)構，但實現(xiàn)復雜，開發(fā)費用高，在國內(nèi)應用很少。通過RS232/RS485等串口通訊方式直接相聯(lián)，

它在主機中安裝一塊串口通信卡，數(shù)控機床通過RS232或RS485以星形結(jié)構與主機聯(lián)接，它的實現(xiàn)本錢低，方法

簡單，但其通信速度慢，網(wǎng)絡實現(xiàn)方式不靈活；通過以太網(wǎng)(Ethernet)相聯(lián),以太網(wǎng)絡采用網(wǎng)絡技術現(xiàn)在最流

行的、應用最廣泛的TCP/IP協(xié)議，其實現(xiàn)簡單，開放性好，網(wǎng)絡實現(xiàn)方式靈活，是最具開展前景的一種互聯(lián)方

式。

Net-NC從網(wǎng)絡體系結(jié)構上可分為主從結(jié)構和分布式結(jié)構。主從網(wǎng)絡結(jié)構系統(tǒng)中，所有的數(shù)控機床必須依賴

中央主機，中央計算機負責存儲分配各個數(shù)控機床數(shù)控程序。其連接方式簡單，本錢低，實現(xiàn)方便，但一旦主機

出現(xiàn)故障，整個系統(tǒng)就癱瘓了。分布式網(wǎng)絡結(jié)構正好克服了主從結(jié)構的缺陷，這種體系結(jié)構中，每臺數(shù)控機床通

過PC與中央效勞器聯(lián)接，中央效勞器只是提供信息交換和任務調(diào)度功能。當中央效勞器出現(xiàn)故障時，每個數(shù)控

單元也可單獨作業(yè)，而不會造成整個系統(tǒng)癱瘓，從而提高了系統(tǒng)的平安性，但其本錢較高。

3.現(xiàn)場總線技術在數(shù)控系統(tǒng)中的應用

現(xiàn)場總線(卜】eldbus)是一種互聯(lián)現(xiàn)場自動化設備及其控制系統(tǒng)的雙向數(shù)字通信協(xié)議。它是國際上9()年代蓬

勃開展起來的新技術，科技界廣泛認為，這一新技術將對下個世紀工業(yè)控制、工業(yè)自動化的各個領域產(chǎn)生深遠的

影響，并會在工業(yè)和其它領域中得到廣泛應用。目前，現(xiàn)場總線已有許多種類，其中應用較多的有

CAN（ControlledrAreaNetwork）,LON（LocalOperatingNetwork）?Profibus等“現(xiàn)場總線具,有以下特點:

高通訊速率：可達1MBP/S；

遠距離傳輸：可達10km；

接口簡單、安裝方便；

通訊控制簡單；

擴展能力強；

互操作性強，

系統(tǒng)本錢低，

在數(shù)控系統(tǒng)中采用現(xiàn)場總線技術主要為r更好適應Net-NC系統(tǒng)中低層I網(wǎng)絡通信和控制的需要。與MAP協(xié)議

網(wǎng)絡以及基于TCP/IP協(xié)議的以太網(wǎng)相比，采用現(xiàn)場總線技術的控制網(wǎng)絡在容錯能力、可靠性、平安性以及工作

效率上均有一定的優(yōu)勢。但其也存在一些明顯的缺乏，最突出的問題是目前還沒有統(tǒng)一的技術標準，而是一個多

種現(xiàn)場總線并存的局面。典型基于現(xiàn)場總線的網(wǎng)絡數(shù)控系統(tǒng)如圖4-10所示。

4.2加工中心構成及根本工作原理

4.2.1加工中心根本概念

加工中心是在數(shù)控機床出現(xiàn)后，為了進一步提高加工效率，減少輔助時間，將更換刀具的動作與功能和數(shù)控

機床集成而形成的自動化程度和生產(chǎn)率更高的新型數(shù)控機床。加工中心是備有刀庫并能自動更換刀具對工件進行

多工序集中加工的數(shù)控機床。工件經(jīng)一次裝夾后，數(shù)控系統(tǒng)能控制機床按不同工序（或工步）自動選擇和更換刀具,

自動改變機床主軸轉(zhuǎn)速、進給量和刀具相對工件的運動軌跡及實現(xiàn)其他輔助功能，依次完成工件多種工序的加工。

通常，加工中心僅指主要完成停銃加工的加工中心。這種自動完成多工序集中加工的方法，擴展到各種類型的數(shù)

控機反，例如車削中心、滾齒中心、磨削中心等。由于加工工藝復合化和工序集中化，為適應多品種小批量生產(chǎn)

的需要，還出現(xiàn)了能實現(xiàn)切削、磨削以及特種加工的復合加工中心。加工中心具有刀具庫及自動喚刀機構、回轉(zhuǎn)

工作臺、交換工作臺等，有的加工中心還具有可交換式主軸頭或臥一立式主軸。

加工中心和普通數(shù)控機床的主要區(qū)別有以下四點：

（1）有自動換刀裝置（包括刀庫和換刀機械手），能實現(xiàn)工序間的自動

換刀，這是加工中心最突出的標志性結(jié)構；

（2）三坐標以上的全數(shù)字控制，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)一般不能滿足需要：

（3）多工序的功能。在一次裝夾中，盡可能完成多工序加工，要實現(xiàn)多面加工，一般應有回轉(zhuǎn)工作臺；

（4）還可配置自動更換的雙工作臺，實現(xiàn)機床上、下料的自動化。

世界上工業(yè)興旺國家如美、德、日重視機床技術和機床工業(yè)的開展，機床制造技術先進，因比其工業(yè)開展較

快。第一臺加工中心是1958年由美國卡尼-特雷克公司首先研制成功的，它在數(shù)控臥式鎖銃床的基礎上增加了自

動換刀裝置，從而實現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進行銃削、鉆削、錢削、錢削和攻絲等多種工序的集中加工。

目前，加工中心作為數(shù)控機床各類產(chǎn)品中開展最快、所占比重最大的一類產(chǎn)品，成為制造業(yè)應用最廣的一類

設備。一些主要經(jīng)濟興旺國家都把開展加工中心作為開展數(shù)控機床的首要任務，它的開展直接關系到國家經(jīng)濟建

設和國防平安。

4.2.2加工中心特點、精度及適用范圍

1.加工中心特點

加工中心的技術特點主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（1）帶有自動換刀裝置（ATC）,可實現(xiàn)銃、鉆、鑲、較、攻絲等多工序加工；

（2）加上托板自動交換裝置（APC）,可實現(xiàn)工件自動儲存和上下料，組成柔性加工單元（FMC）。加工中

心還可方便地組成FTL（柔性自動線）或FMS（柔性制造系統(tǒng)），由“單機〃構成“制造系統(tǒng)〃，便于進一步開

展實現(xiàn)FA（工廠自動化）、CIM（計算機集成制造）、CIMS（計算機集成制造系統(tǒng)），可實現(xiàn)無人化運轉(zhuǎn)，有的

24小時，有的可達72小時等等；

（3）“柔性”大，換品種調(diào)整方便，能實現(xiàn)中小批量、多品種、柔性生產(chǎn)自動化，克服了高效自動化機床、

自動線的“剛性”缺點。隨著技術的開展，加工中心不斷向高速化、復合化、柔性化等方面開展，在加工效率上

不斷提高，己逐步能替代組合機床、自動線。

2.加工中心一般加工精度

加工中心的加工精度一般介于臥式銃鎮(zhèn)床與坐標鎮(zhèn)床之間，精密加工中心也可以到達生產(chǎn)型坐標鏤床的精

度。加工中心的加工精度主要與其位置精度有關，加工孔的位置精度（列如孔距誤差）大約是相關運動坐標定位

精度的L5倍。銃圓精度是綜合評價加工中心相關數(shù)控軸的伺服跟隨運動特性和數(shù)控系統(tǒng)插補功能的指標，其允

差普通級為0.03-0.04mm,精密級為0.02mm。加工中心川粗、精加工兼容，為適應這一要求，其精度往往有較多

的儲藏量并有良好的精度保持性。加工中心實現(xiàn)自動化加工還可防止如非數(shù)控機床加工時因人工操作出現(xiàn)的失

誤，俁證加工質(zhì)量穩(wěn)定可靠，這對于復雜、昂貴的工件，意義尤為重要。加工中心自動完成多工序集中加工，可

減少工件安裝次數(shù)，也有利于保證加工質(zhì)量。

3.加工中心的類型與適用范圍

加工中心適用范圍廣，主要適用于多品種、中小批量生產(chǎn)中對較復雜、精密零件的多工序集中加工，或為完

成在通用機床上難以加工的特殊零件（如帶有復雜多維曲面的零件）的加工。工件一次裝夾后即可完成鉆孔、擴孔、

較孔、攻螺紋、銃削、鎮(zhèn)削等加工。

（3）生產(chǎn)率高加工中心因有自動換刀功能實現(xiàn)多工序集中加工，停機時間短；同時，因可減少工序周轉(zhuǎn)時

間，工件的生產(chǎn)周期顯著縮短。加工中心在正常生產(chǎn)條件卜其開動率可達90%以上，而切削時間與開動時間的比

率可達70%?85%（普通機床僅為15%?30%）,有利于實現(xiàn)多機床看管，提高勞動生產(chǎn)率。

加工中心的類型及適用范圍見表4-1?

表4-1加工中心類型及適用范圍

類型布局型式特點適用范圍

主軸支承跨距較小。占地面枳較小，中型零件，漏度尺寸較小的

立式加工固定立柱型、移動立柱

剛性低于為K加工中心，刀庫容量多為零件加工,尤其是盆板類零件

中心型

1040加工

中、大型零件及工序復雜且

臥式加工固定立柱型、移動立主軸及夠機剛性強，鋒詵加工能力較

精度校商的零件加工，通常用

中心柱型強，加工精度較高，刀庫容量多為40-80

于箱體類零件加工

主軸或工作臺可立、臥式兼容，交多

五面加工交換主軸頭、回轉(zhuǎn)主方向加工而無需屢次裝夾工件，但編程具有多面、多方向或多坐標

中心軸頭、轉(zhuǎn)換圓工作臺較兔雜，主軸或工作臺剛性受到一定影業(yè)雜型面的零件加工

響

由數(shù)控龍門銃鐐床配備自動換刀裝

龍門加工工作臺移動型、龍門置、附件頭庫等組成，立柱、橫梁構成

大型、長型、災雜零件加工

中心架移動型龍門結(jié)構，縱向行程大。多數(shù)具有五面

加工性能.成為龍門式五面加工中心

4.2.3加工中心的典型自動化機構

加工中心除了具有一般數(shù)控機床的特點外，它還具有其自身的特點。加工中心必須具有刀具庫及刀具自動交

換機構，其結(jié)構形式和布局是多種多樣的。刀具庫通常位于機床的側(cè)面或頂部。刀具庫遠離工作主軸的優(yōu)點是少

受切削液的污染，使操作者在加工時調(diào)換庫中刀具免受傷害。FMC和FMS中的加工中心通常需要大量刀具，除了

滿足不同零件的加工外，還需要后備刀具，以實現(xiàn)在加工過程中實時更換破損刀具和磨損刀具，因而要求刀庫的

容量較大。換刀機械手有單臂機械手和雙臂機械手，180。布置的雙臂機械手應用最普遍。

（1）自動換刀與刀庫。加工中心刀具的存取方式有順序方式和隨機方式，刀具隨機存取是最主要方式。隨

機存取就是在任何時候可以取用刀庫中任一把刀，選刀次序是任意的，可以屢次選取同i把刀，從主軸卸下的刀

允許放在不同于先前所在刀座上，CYC可以記憶刀具所在的位置“采用順序存取方式時，刀具嚴格按數(shù)控程序調(diào)

用。程序開始時，刀具按照排列次序一個接著一個取用，用過的刀具仍放回原刀座上，以保持確定的順序不變。

（2）觸發(fā)式測頭測量系統(tǒng)。用于循環(huán)中（Incycle）測量，工序前對工件及夾具通過檢測控制其正確位置，

以保證精確的工件坐標原點和均勻的加工余審；工序后主要測量加工工件的尺寸，根據(jù)其誤差做出相應的坐標位

置調(diào)整，以便進行必要的補充加工，防止出現(xiàn)廢品。觸發(fā)式測頭測量系統(tǒng)原理見圖2—25。觸發(fā)式測頭具有三維

測量功能。測量時.，機械手將觸發(fā)式測頭從刀庫中取出裝于主軸錐孔中。工作臺以一定速度趨近測頭。當測桿端

球1觸及工件被測外表時，發(fā)出編碼紅外線信號3,通過裝在主軸箱上方的接收器4傳人數(shù)控裝置，使測量運動

中斷，并采集和存儲在接觸瞬間的X、Y、Z坐標值，與原存儲的公稱坐標值進行比較，即得出誤差值。當檢測某

一孔的中心坐標時，可將該孔圓周上測得的3-4點坐標值，調(diào)用相應程序運算處理，即可得所測孔的中心坐標。

該測量系統(tǒng)一股只用于相比照較測量，重復精度0.5um。在經(jīng)測量值修正后，測量值誤差可在5um以內(nèi)，可做

全方位精密測量。觸發(fā)式測頭測量系統(tǒng)信號的傳輸和接收除上述紅外輻射式外，常用的還有電磁耦合式。

（3）刀具長度測量系統(tǒng)。用以檢查刀具長度正確性以及刀具折斷、破損現(xiàn)象檢測準確度為±1mm。當發(fā)現(xiàn)不

合格刀具時，測量系統(tǒng)會發(fā)出停車信號。在機床正面兩側(cè)的地面上，裝有光源1和接收器2,如需檢測主軸上的

刀長，可令立軸3向前移動，接收器2向數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出信號，在數(shù)據(jù)處理后即可得出刀具長度實測值。經(jīng)與規(guī)定

的刀具設定長度比較，如果超出允差時，可發(fā)出令機床停車的信號。此外，也可以用觸發(fā)式測頭檢測刀具長度的

變化。

（4）回轉(zhuǎn)工作臺?；剞D(zhuǎn)工作臺是臥式加工中心實現(xiàn)B軸運動的部件，B軸的運動可作為分度運動或進給運

動?；剞D(zhuǎn)工作臺有兩種結(jié)構形式，僅用于分度的回轉(zhuǎn)工作臺用鼠齒盤定位，分度前工作臺抬起，使上下鼠齒盤別

離，分度后落下定位，上下鼠齒盤嚙合，實現(xiàn)機械剛性聯(lián)接。用于進給運動的回轉(zhuǎn)工作臺用伺服電動機驅(qū)動，用

網(wǎng)轉(zhuǎn)式感應同步器檢測及定位，并控制網(wǎng)轉(zhuǎn)速度，也稱數(shù)控工作臺。數(shù)控工作臺和X、Y、z軸及其他附加運動

構成4?5軸輪廓控制，可加工復雜輪廓外表。此外，加工中心的交換工作臺和托盤交換裝置配合使用，實現(xiàn)了

工件的自動更換，從而縮短了消耗在更換工件上的輔助時間。

4.2.4臥式加工中心常見幾種布局結(jié)構形式

臥式加工中心的主要運動包括三個移動軸（X、Y、Z）和一個回轉(zhuǎn)軸（B軸），在四個運動軸的分配上，四個

相對運動既可以分配給刀具，也可以分配給工件，或者由工件和刀具共同來完成。從目前機床結(jié)構看，一個回轉(zhuǎn)

軸一般都由工作臺的回轉(zhuǎn)來完成（B軸），所以機床的布局主要在三個移動軸的分配上.按三軸運動實現(xiàn)方式和

三個運動的分配，臥式加工中心結(jié)構形式主要有：

（1）三個移動軸全部集中在刀具一側(cè)來完成

具代表性的產(chǎn)品以哈挺公司（HARDINGE）的臥式加工中心HMC700HPD為例（見圖4-11），機床工作臺固定,

不做軸向移動，立柱沿十字滑鞍作X軸和Z軸的移動，主軸箱在立柱上的完成Y軸移動。這種結(jié)溝的機床，優(yōu)點

是適合于加工具有復雜形面的大型、重型箱體件，如大型汽車發(fā)動機箱體等。缺點是運動部件質(zhì)量大，慣性力大,

不適宜于用過高的進給速度和加速度加工。不過運動部件的質(zhì)量雖大，但較恒定，因為刀具重量相對較小，改變

刀具時，對運動部件重量變化影響不大，故機床的運動特性還是比較穩(wěn)定的。

（2）二個移動軸分別由刀具和工件來完成

這種結(jié)構型式的機床產(chǎn)品很多，應用也最廣，最普遍?？砂慈齻€移動坐標軸的配置方式進一步分為三種結(jié)構

型式的機床。

第一種工作臺Z坐標移動，柱X坐標移動的T型床身布局。-亥結(jié)構的特點是刀具切削處位置位移變化相對

較小，工件和工作臺的質(zhì)量比立柱和主軸箱的質(zhì)量輕，保證移動部件質(zhì)量最輕的原則，而且工作臺的Z軸移動還

可以保證Z坐標的最大行程。該結(jié)構在精密臥式加工中心和高速加工中心中普遍采用，如迪西公司DIXI的精密

臥式加工中心DHP80（如圖4T2）、德國DMG公司DUC系列臥式加工中心以及美國辛辛那提CINCINATI公司的MAXIM

系列臥式加工中心等都采用該結(jié)構布局形式。

第二種工作臺X坐標移動，立柱Z坐標移動的T型床身布局。該結(jié)構應用也很普遍，如日本馬扎克MAZAK

公司的臥式加工中心H-500、北京機床所精密機電有限公司的U2000系列精密臥式加工中心（見圖473）以及

美國漢斯HAAS的HS系列臥式加工中心等。該結(jié)構運動部件的質(zhì)量雖大，但較恒定，因為刀具重量相對較小，改

變刀具時，對運動部件重量變化影響不大，故機床的運動特性還是比較穩(wěn)定的。

圖4-13北京機床所精密機電有限公司的U200C系列精密臥式加工中心

（3）第三種運用直線電機技術,主軸直接在橫梁上作X向運動，以德國愛克塞羅EX-CELL-0公司XHC系列

加工中心（見圖4-14）為例，該結(jié)構的特點是高速，軸快移速度到達120m/min,加速度1.4g,屑一屑時間為2.6s,

而旦運動精度很高。

圖4-14德國愛克塞羅EX-CELL-0公司XHC241

臥式加工中心移動軸主要結(jié)構形式及特點見表2-1描述：

表4-2臥式加工中心移動軸主要結(jié)構形式及特點

三個移動軸典登產(chǎn)品應用范圍優(yōu)缺點

工作臺固定、二軸移動均哈挺公司臥式加加工具有更運動部件質(zhì)量大,慣性力

由刀具一側(cè)完成工中心HMC7OOHPD雜形面的大大,不適宜于用過高的進

堂、重型殼給速度和加速度加工

體件

三軸工作臺2向適合中、小刀具切削處位置位移變

移動移動,立柱型臥式加工化相對較小，移動部件

迪西公司精密臥式加

由刀拖板X移動精密機床采質(zhì)量輕，而且工作臺的Z

中心DHP80

具、用的結(jié)構型軸移動還可以保證Z坐

工件式標的最大行程，

分別

工作臺X北京機床所精密機電有適合中、小運動部件的偵量雖大，但

完成

向，立柱Z限公司的u2000系列精型臥式加工較恒定，因為刀具重量相

向密臥式加工中心機床采用的對較小,改變刀具時,對

結(jié)構型式運動部件室被變化膨響

不大

立柱固定，德國愛克塞羅系中、小型結(jié)構的特點是高速,軸快

主軸X向移EX-CELL-0公司較多的一種移速度高，且運動精度高

動XHC241結(jié)構型式

4.2.5立式加工中心

是指主軸軸線與工作臺垂直設置的加工中心，主要適用于加工板類、盤類、模具及小型殼體類復雜零件。立

式加工中心能完成銃、鐐削、鉆削、攻螺紋和用切削螺紋等工序。正式加工中心最少是三軸二聯(lián)動，一般可實現(xiàn)

三軸三聯(lián)動。有的可進行五軸、六軸控制。立式加工中心立柱高度是有限的，對箱體類工件加工范圍要減少，

這是立式加工中心的缺點,但立式加工中心工件裝夾、定位方便：刃具運動軌跡易觀察，調(diào)試程序檢杳測量方便，

可及時發(fā)現(xiàn)問題，進行停機處理或修改；冷卻條件易建立，切削液能直接到達刀具和加工外表；三個坐標軸與笛

卡兒坐標系吻合，感覺直觀與圖樣視角一致，切屑易排除和掉落，防止劃傷加工過的外表。與相應的臥式加工

中心相比，結(jié)構簡單，占地面積較小，價格較低。立式加工中心分類一般如下

依據(jù)導軌分類：依據(jù)立式加工中心各軸導軌的形式可分硬軌及線軌。硬軌適合重切削，線軌運動更

靈敏。

依據(jù)轉(zhuǎn)速分類：立式加工中心主軸轉(zhuǎn)速6000-1500(kpm為低速型，18000rpni以上為高速型。

依據(jù)結(jié)構分類：依據(jù)立式加工中心的床身結(jié)構可分為C型及龍門型。

4.2.6復合加工中心

五面加工中心的功能比多工作臺加工中心的功能還要多，控制系統(tǒng)先進，其價格是工作臺尺寸相同

的多工位加工中心的二倍左右。復合加工中心也稱多工面加工中心，是指工件一次裝夾后，能完成多個

面的加工的設備?，F(xiàn)有的五面加工中心，它在工件一次裝夾后，能完成除安裝底面外的五個面的加工。

這種加工中心兼有立式和臥式加工中心的功能，在加工過程中可保證工件的位置公差。常見的五面加工

中心有兩種形式，一種是主軸做或相應角度旋轉(zhuǎn)，可成為立式加工中心或臥式加工中心。另一種是工作

臺帶著工件做旋轉(zhuǎn)，主軸不改變方向而實現(xiàn)五面加工。無論是哪種五面加工中心都存在著結(jié)構復雜，造

價昂貴的缺點。五面加工中心的坐標系統(tǒng)如以下圖475所示,

X，，Ei

X2

圖4T5五面加工中心坐標系統(tǒng)示意圖

4.3FMC和FMS

4.3.1FMC和FMS的構成

柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell,FMC)是由一臺或幾臺設備組成，具有獨立自動加工的功能，

在毛坯和工具儲量保證的情況下，具有局部自動傳送和監(jiān)控管理功能，具有一定的生產(chǎn)調(diào)度能力。高檔的FMC

可進行24小時無人運轉(zhuǎn)。

FMC可分為兩大類，一類是數(shù)控機床配上機器手，另一類是加工中心配上托盤交換系統(tǒng)。配備機器手的機床

由機港手完成工件和物料的裝卸。配托盤交換系統(tǒng)的FMC,將加工工件裝夾在托盤上，通過拖動托盤，可以實現(xiàn)

加工工件的流水線式加工作業(yè)。

柔性制造系統(tǒng)(FlexibleManufactureSystem)。將FMC進行擴展,增加必要的加工中心數(shù)量,配備完善的

物料和刀具運送管理系統(tǒng)，通過一套中央控制系統(tǒng)，管理生產(chǎn)進度，并對物料搬運和機床群的加工過程實行綜合

控制，就可以構成一個完善的FMS。

FMS的根本構成框架如圖4T6所示，它主要由三局部組成，蟲計算機控制與管理層、

以NC為主的多臺加工設備、物料運愉裝置。與此相對應，可將其劃分為控制與管理系統(tǒng)、加工系統(tǒng)、物流系統(tǒng)

三個子系統(tǒng)?？刂婆c管理系統(tǒng)實現(xiàn)在線數(shù)據(jù)的采集和處理，運行仿真和故障診斷等功能；加工系統(tǒng)能實現(xiàn)自動加

工多種工件，自動更換工件和刀具，自動實現(xiàn)工件的清洗和測試；物流系統(tǒng)由工件流和刀具流組成，能滿足變節(jié)

拍生產(chǎn)的物料自動識別、存儲、輸送和交換的要求，實現(xiàn)刀具的預調(diào)和管理等功能。這三個子系統(tǒng)有機的結(jié)合，

構成了FMS的能量流、物料流和信息流。

4.3.2FMS應用的特點

對于大批量、少品種的生產(chǎn)一般采用自動流水線作業(yè)，它的物流設備和加工工藝相對固定，所以也稱為固定

自動億。由于它的設備固定，缺少靈活性，所以只能加工一個或相似的幾個品種的零件。而小批量、多品種的情

況下多采用單臺數(shù)控機床，它的特點是加工靈活性好，但相對于自動流水線來說生產(chǎn)效率低，制造本錢高。因此

對應中等批量、中等品種產(chǎn)品的加工，需要在自動流水線和單臺數(shù)控之間選擇一個折中方案，結(jié)合自動流水線和

單臺數(shù)控各自的優(yōu)點，將幾臺NC與物料輸送設備、刀具庫等通過一個中央控制單元聯(lián)接起來，形成具有一定柔

性而又有一定連續(xù)作業(yè)能力的加工系統(tǒng)，即柔性制造單元或柔性制造系統(tǒng)。圖4-17比較了幾種加工方式適用范

囤C

4.3.3FMS的加工系統(tǒng)

1.加工系統(tǒng)的構成

FMS中的加工系統(tǒng)是實際完成加工任務，將工件從原材料轉(zhuǎn)變?yōu)楫a(chǎn)品的執(zhí)行局部。它主要由數(shù)控機床、加工

中心等加T.設備構成，有的帶有工件清洗、在線檢測等輔助設備。目前FMS的加工對象主要由楂柱體類和回轉(zhuǎn)體

類組成，對加工系統(tǒng)而言，通常用于加工棱柱體類工件的FMS由立、臥式加工中心，數(shù)控組合機床和托盤交換器

組成，用于加工回轉(zhuǎn)體類工件的FMS由數(shù)控車床、切削中心、數(shù)控組合機床和上下料機械手或機器人及棒料輸送

裝置等構成。一般來說，為了適應不同的加工要求，增加FMS的適應性，F(xiàn)MS最少應配備4~6臺以上的數(shù)控加工

設備。這些設備在FMS中的配置方式有并聯(lián)、串聯(lián)和混合形式等三種。

2.加工系統(tǒng)的配置

FMS的加工系統(tǒng)原則上應該是可靠的、自動化的、高效的和易控制的，其實用性、匹配性和工藝性應良好，

并能滿足加工對象的尺寸范圍、精度、材質(zhì)等要求。因此其配置原則為：

(1)工序集中。如選多功能機床、加工中心等，以減少工位數(shù)和物流負擔，保證加工質(zhì)量。

(2)控制功能強、可擴展性好。如選用模塊化結(jié)構，外部通信功能和內(nèi)部管理功能強，有內(nèi)裝可編程控制器,

有用戶宏程序的數(shù)控系統(tǒng)，以易于與上下料、檢測等輔助設備相連接，增加各種輔助功能等。

(3)高剛度、高精度、高速度。選用切削功能強、加工質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高的機床。

(4)經(jīng)濟性好。如導軌油可呵I收，排屑處理快速徹底等，以延長刀具使用壽命，節(jié)省系統(tǒng)運行費用。

(5)操作性好、可靠性好、維修性好，具有自保護性和自維護性。如能設定切削力過載保護、功率過我保護、

運行行程和工作區(qū)域限制等，具有故障診斷和預警功能等。

(6)對環(huán)境適應性與保護性好。對工作環(huán)境的溫度、濕度、噪音、粉塵等要求不高，各種密封件性能可靠、

無泄霹，冷卻液不外濺，能及時排除煙霧、異味。噪音震動小，能保護良好的工作環(huán)境。

4.3.4FMS中的物流管理

1.工件流支持系統(tǒng)

工件在柔性制造系統(tǒng)中的流動，是輸送和存儲兩種功能的結(jié)合，包括夾具系統(tǒng)、工件輸送系統(tǒng)、自動化倉庫

及工件裝卸工作站。

夾具系統(tǒng)。在柔性制造系統(tǒng)中加工對象多為小批量多品種的產(chǎn)品，采用專用夾具會降低系統(tǒng)的柔性。因此多

采用組合夾具、可調(diào)整夾具、數(shù)控夾具或托盤等裝夾方式。

工件輸送系統(tǒng)。工件輸送系統(tǒng)決定FMS的布局和運行方式，一般有直線輸送、機器人輸送、環(huán)型輸送等方式。

自動化倉庫。FMS中輸送線本身的儲存能力一般較小，當須加工的工件較多時，大多設立自動化倉庫。它可

以分平面?zhèn)}庫和立體倉庫，平面?zhèn)}庫主要應用于大型工件的存儲，而立體倉庫通過計算機和控制系統(tǒng)將搬運、存

取、儲存等功能集于一體的新型自動化倉庫。

工件裝卸工作站。它主要有毛壞入庫工作站和成品出庫工作站。入庫工作站位于FMS物料輸入的開始部位，

出庫工作站位于FMS的物料輸出局部。

2.刀具流支持系統(tǒng)

FMS的刀具流支持系統(tǒng)主要由中央刀具庫、刀具室、刀具裝卸站、刀具交換設備及刀具管理系統(tǒng)幾局部組成,

如圖4-18所示。

中央刀具庫是刀具系統(tǒng)的暫存區(qū)，它集中儲存FMS的各種刀具，并按一定位置放置。中央刀具庫通過換刀機

器人或刀具傳輸小車為若干加工單元進行換刀效勞，不同的加工單元可以共享中央刀具庫的資源，提高系統(tǒng)的柔

性程度。

刀具室進行刀具預調(diào)及刀具裝卸的區(qū)域，刀具進入FMS以前，應先在刀具預調(diào)儀（也稱對刀儀）上測出其主

要參數(shù)，安裝刀套，打印剛號或貼條形碼標簽，并進行刀具登記。然后將刀具掛到刀具裝卸站的適當位置，通過

刀具裝卸站進入FMSo

刀具裝卸站。負責刀具進入或退出FMS或FMS內(nèi)部刀具的調(diào)度，其結(jié)構多為框架式，裝卸站的主要指標有：

刀具容量；可掛刀具的最大長度；可掛刀具的最大直徑；可掛刀具的最大重量。為了保證機器人可靠的取刀和送

刀，還應該對刀具在裝卸站上的定位精度進行一定的技術要求。

刀具交換裝置。一般是指換刀機器人或刀具輸送小車，它們完成刀具裝卸站與中央刀庫或中央刀庫與加工機

床之間的刀具交換。刀具交換裝置按運行軌道的不同，可分為有軌和無軌的。實際系統(tǒng)多采用有軌裝置，價格較

低，且平安可靠。無軌裝置一般要配有視覺系統(tǒng)，其靈活性大，但技術難度大，造價高，平安性還有待提高。

刀具管理系統(tǒng)。刀具管理系統(tǒng)主要包括：刀具存貯、運輸和交換；刀具狀況監(jiān)控、刀具信息處理等?，F(xiàn)在刀

具管理系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)一般由刀具數(shù)據(jù)庫和刀具專家系統(tǒng)組成。

3.輸送設備

物流系統(tǒng)中的輸送設備主要有輸送機、輸送小車和機器人等。

輸送機。輸送機的結(jié)構形式多為滾子輸送機、鏈式輸送機和直線電動機輸送機，具有連續(xù)輸送和單位時間輸

送量大的特點，常應用于環(huán)路型布局的FUS中。

輸送小車。是一種無人駕駛的自動搬運設備，分為有軌小車和無軌小車。有軌小車由平行導向鋼軌和在其上

行走的小車組成，它利用定位槽銷等機械結(jié)構控制小車的準確?？?，其定位精度可高達0.1mm。無軌小車沒有導

向的鋼軌，制導方式主要有磁性制導、光學制導、電磁制導和激光掃描制導等。

工業(yè)機器人。是一種可編程的、多功能操作手，用于物料、工件和工具的搬運，通過可變編程完成多種任務。

它一般由機器人本體、執(zhí)行機構、控制結(jié)構和傳感器等四局部構成。機器人變成方式主要通過手動示教、引導通

過示教和編程語言等方式完成。

4.3.5FMS中的信息流管理

1.FMS信息流結(jié)構

圖4-19所示為FMS信息流結(jié)構圖，信息流子系統(tǒng)是FMS的核心組成局部，它完成FMS加工過程中系統(tǒng)運行

狀態(tài)的在線監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集、處理、分析等任務，控制整個FUS的正常運行。信息流子系統(tǒng)的核心是分布式數(shù)據(jù)

庫管理和控制系統(tǒng)，按功能可分為五個層次。

廠級管理信息：總廠的生產(chǎn)調(diào)度、年度方案等信息。

車間層：它一般包括兩個信息，即設計單元和管理單元。設計單元主要控制包括產(chǎn)品設計、工藝設計、仿真

分析等設計信息的流向，管理單元管理車間級的產(chǎn)品信息和設備信息，包括作業(yè)方案、工具管理、在制品（包括

半成品、毛坯）管理、技術資料管理等等。

設備控制單元層：設備控制級，它包括對現(xiàn)場生產(chǎn)設備、輔助工具以及現(xiàn)場物流狀態(tài)的各種控制設備。

執(zhí)行層：各種現(xiàn)場生產(chǎn)設備，主要是加工中心或數(shù)控機床在設備控制單元的控制下完成規(guī)定的生產(chǎn)任務，并

通過傳感器采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)和工況以便進行加工過程的監(jiān)測和管理。

2.FMS信息流特征

按FMS所管理的信息范圍和控制對象可將它分為以下幾類：

刀具信息包括：刀具參數(shù)；屬于那些機床；刀具使用狀況；刀具安裝形式；刀具損壞原因；刀具處理情況;

刀具使用頻率統(tǒng)計等等。

機床狀態(tài)信息包括：機床是否處于工作狀況；機床的T.況；機床故障發(fā)生情況；機床故障排除情況；機床

加工參數(shù)；

運行狀態(tài)信息包括：小車的工況；托盤的工況；中央刀庫刀具所處狀態(tài)（空閑或正在某機床上工作）；工件

的位置；測量站工況；機器人工況；清洗站工況等；

在線檢測信息主要指所加工產(chǎn)品的合格情況，不合格產(chǎn)品應進行報廢或返工處理。

系統(tǒng)平安信息包括：供電系統(tǒng)的平安情況；系統(tǒng)本身的平安情況。它包括系統(tǒng)工作環(huán)境的平安信息，如環(huán)境溫

度、濕度等，還有系統(tǒng)工作設備的平安信息，如小車保證不會相互碰撞、刀具安裝可靠等等。工作人員的平安情

況；

3.FMS信息流程

圖4-20為FMS的信息運行流程。

4.3.6FMS開展趨勢

FMS已經(jīng)進入實用化階段，并且.