数控加工过程原理及应用

数控加工过程原理及应用梅雪松西安交通大学数字控制与装备技术研究所2007、11第一部分现代制造业的发展概况制造狭义制造概念：产品的制作过程

广义制造概念：产品整个生命周期过程制造系统系统：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

一、基本概念的更新2举例机械加工系统

“三流”运动

3

类型：加工装备：主要是机床金属切削机床：通用机床

车、钻、镗、铣、磨、刨

专用机床如精密丝杠车床等

特种加工机床：电火花加工、超声波加工、激光加工

电子束加工机床等工艺装备：刀具、夹具、模具、量具输送及仓储装备：物料输送、上下料、立体仓库等辅助装备：清洗、排屑等

传统制造装备

定义：能够完成制造系统“制造”功能的设备或装置

4先进制造装备特点：综合性不仅涉及机械、电子等学科，还与控制、信息、计算机等多种学科有密切关系，是多学科的综合。先进性机械电子的有机结合，可使传统机电装备的性能得到改善和提高，与传统产品相比具有明显的优越性和先进性。复杂性技术涉及多种学科和技术，复杂性显而易见。对设计研制者和使用维修人员要求高。

定义：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、自动化技术、计算机技术和信息科学等有机结合。

种类：

先进制造装备种类繁多，规格不一，功能各异，主要有：工业机器人、NC机床、CNC机床、加工中心、分布式数控（DNC）、柔性制造系统(FMS)等5机器人MC数控测量机FMS电火花加工激光焊接6二、现代制造业的发展历程

现代制造业是从传统制造业发展起来的。20世纪50年代产品品种单一，为提高生产率，广泛采用自动机床、组合机床和专用生产线，适用于大批大量生产。20世纪70年代需求多样化，市场竞争激烈。1952年美国麻省理工学院研制成功第一台NC机床。20年来，完成了从电子管、晶体管、小规模集成到大规模集成4次变革。20世纪80年代出现了柔性制造系统（FMS），它是采用一组NC机床和其他自动化装备组成一个有机整体。进一步出现了计算机集成制造系统（CIMS）。20世纪90年代全球经济一体化加快，快速响应市场是一个重要方向，出现精良制造、敏捷制造、虚拟公司等新的生产模式。7举例CIMS生产模式8三、我国现代制造业的发展现状

现代先进制造装备的品种少、档次低，导致大量进口的局面。不少工厂还是“一个工人，一把刀，一台机床”，生产率低下，产品质量不稳定。

装备的落后，严重的影响了机械制造业的振兴。近年来制造业发展较快，但制造的产品技术含量低，附加值低，现在也只能是一个制造大国，不是制造强国。

存在的突出问题装备制造业簿弱产品以粗简、低端为主，附加值不高能源消耗大，污染严重9四、现代制造业的发展趋势现代制造业的高技术化趋势

提高高新技术含量，提高产品附加值，广泛采用数控技术，提高制造能力和水平现代制造业的服务化趋势

由“以产品为中心”正在转变为“以顾客为中心”，全方位地为顾客服务、为社会服务现代制造业的信息化趋势

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，使信息处理速度和精度不断提高。现代先进制造装备的发展方向功能趋向多样化、自动化硬件结构趋向模块化、集成化、通用化和标准化驱动装置向数字化、交流化方向发展控制技术逐步走向智能化程序编制逐步实现自动化多功能、高效率、高智能、高可靠性、结构简化、节能环保等都是现代制造业始终追求的目标和发展方向。10第二部分CAD/CAE/CAM与制造业信息化CAD（ComputerAidedDesign，计算机辅助设计)

以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的各项工作，如几何设计、实体建模、绘图等。CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程)

以计算机为辅助工具来完成产品设计过程中的工程分析工作，如有限元法、优化方法、仿真技术、动力学计算等。

CAM（ComputerAidedManufacturing，计算机辅助制造)

以计算机为辅助工具来完成从生产准备到产品制造出来的过程中的各项活动，包括工艺设计（CAPP)、工装设计、自动NC编程、机器人编程等。常用软件：Pro/E，UG，CATIA；

SolidEdge；SolidWorks；Inventor等。一、CAD/CAE/CAM的基本概念11CAD/CAM的发展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I－DEAS，Pro－E集成阶段：90年代12设计制造与CAD/CAM概念设计初步设计详细设计文档设计：工艺设计：加工制造13先进制造与CAD/CAM先进产品制造中的CAD/CAM技术市场竞争中的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14二、CAD/CAE/CAM系统的组成

外围设备硬件系统软件系统CAD/CAE/CAM系统生产设备计算机支撑软件应用软件系统软件15充分利用计算机高速、准确、高效的计算功能,图形处理功能,以及对大量的各类数据的存储、传递、加工功能,在运行过程中，结合人的经验、知识及创造性，形成一个人机交互、各尽所长、紧密配合的系统,以提高设计制造的质量和效率。

三、CAD/CAE/CAM系统的工作过程CAECADCAM16CAD/CAM软件系统1、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17四、CAD/CAE/CAM在专业学科知识结构中的地位

数学基础力学基础机械基础机械设计理论机械制造理论CAD/CAE/CAM产品制造18产品加工过程数据流零件的描述与设计CAD零件的特性分析与修正CAE/CAD零件成型方法的设计与分析CAPP零件成型刀具轨迹的规划CAM零件的数控加工CNC零件成型质量的评估与批量管理ERP19CADDXF/IGES/STEP…CAM刀位文件后置处理器G代码（ISO6983）CNC几何形状、公差要求…工艺方法、刀具要求…几何形状、公差要求…刀具中心的运动轨迹、速度直线运动、圆弧运动…加工资源（机床、刀具）直线运动、圆弧运动…产品设计工艺规划数控编程控制加工

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20系统11系统21系统n1标准接口1系统12系统22系统32标准接口2系统1系统2专用接口1系统n1、2专用接口1、n专用接口１.基于专用接口的系统集成方式制造过程的信息流CAD/CAE/CAPP/ERP/CAM/CNC五、

CAD/CAE/CAM系统的集成方式２.基于标准接口的系统集成方式DXF/IGES/STEP/G…21开发设计工艺过程规划制定生产计划数控编程数控加工质量控制CADCAPPERPCAMCNCCAQ支持产品全生命周期的数据交换标准（STEP）3、基于STEP的系统集成方式(总线方式)75%35%50%CAPP22一般规范Part1：总则Part2：语言联编…Part9：术语铣削模型Part11车削模型Part12放电加工Part13其他工艺Part1x通用模型14649-10STEP-NC（ISO14649）STEP其他部分或应用协议Part11：EXPRESS语言Part21：交换文件结构的纯正文编码AP-203：配置控制设计AP-224：加工特性工艺规划的机械产品定义STEP（ISO10303）

STEP-NC与STEP的关系23EXPRESS信息描述语言EXPRESS描述产品特征的数据模型，对产品几何、拓扑、材料、管理信息进行描述，按照沃思语法定义的一种形式描述（Wirthsyntaxnotation）便于人的理解和计算机处理引入实体（ENTITY）和模式（SCHEMA）的概念，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24用户层权限控制统一用户界面异构硬件网络平台分布异构数据库应用工具网络通信服务用户1CADCAECAPPCAM…用户1用户1…用户管理项目管理工作流程管理应用工具集成…应用系统层PDM系统集成层异构环境处理层4、基于PDM(产品数据管理)的系统集成方式25CAD/CAM软件的选择原则硬件基础软件：软硬件匹配性能/价格使用便利开放性/接口二次开发服务26第三部分、数控系统271、数控系统结构硬件操作系统管理软件应用软件控制软件数控加工程序

接口被控设备

机床机器人测量机

......28数控系统的功能组成一般数控系统由3部分组成：1，MMC：人机接口2，CNC：运动控制部分，包括伺服部分，但一般主轴在PLC部分。3，PLC：机床的顺控部分人机接口NC控制器伺服驱动器数控机床传感器机床强电MMCCNCPLC29

2、CNC系统硬件的层次结构由计算机基本系统、设备支持层、设备层三部分组成。30操作系统管理软件控制软件零件程序管理显示处理人机交互交互位置控制输入输出管理插补运算故障诊断处理速度处理机床输入输出编译处理主轴控制刀具半径补偿......31CAD/CAE/CAM系统MIS系统专家系统外部接口模块总控制模块代码处理模块插补运算模块过程、逻辑控制模块轴控模块人机界面设备管理软件检测监控模块人机界面设备驱动程序CNC系统应用软件操作系统平台控制器硬件平台机床系统硬件平台3、数控系统参考模型324、数控系统的形式：1)专用数控系统：生产厂商基于专门的控制硬件，在此基础上开发所有数控系统控制软件，与外设有标准的接口；FANUC,SIMENZI;33840数控系统的硬件组成34西门子810

D

硬件及其连接图35数控系统软件功能模块数控装置控制模块管理模块电机运动控制位置运动控制插补计算刀补计算速度处理G功能处理监控处理中断处理PLC处理误差补偿36数控软件功能模块电机运动控制插补计算刀补计算监控处理中断处理匀速控制加/减速控制直线、圆弧插补螺旋线、空间插补刀具半径补偿刀具长度补偿键盘处理显示处理报警处理急停处理部分控制模块功能37管理模块系统的初始化键盘及显示系统的初始化数控程序的读入CAD/CAM程序的编辑与修改故障诊断程序38系统初始化CPU和CTC的初始化标志位的初始化键盘和缓冲区的初始化显示缓冲区的初始化故障诊断程序定时器的故障诊断中断功能的故障诊断键盘的诊断状态的诊断39

操作面板

NC工作站

硬盘

UMS

显示/文本/菜单

基本系统

NCK-UMS

显

示

操

作

MMC存

储

应

用

界

机

器

参

数

硬

盘

面

部

分

程

序

存

储

诊

断

程

序

模

拟

通

信

服

务

MMC-UMS处

理

器（CP）

块

准

备

存

储

盒

PLCPLCMMC-

数

据

操作系统

NCK

界

计算机

标

准

刀

具

面

调

停

接

口

功能块

管

理

用于机床控制的用户程序

位

置

控

制

PLC—

机

床

界

面

输入/输出PLC—机器界面

灵敏度V.24

机

器

控

制

（驱动/马达）

SINECH1

MAP3.0

软

盘

数

据

RS232C（V.24）

中

心

AT

驱

动

存

储

输入/输出

（标

题）

扩

展

盒

（V.24）

PG

MMC-PLC界面西门子840数控系统

MMC-NCKPLC

RS232C40SINUMERIK840C控制结构

SINUMERIK840C包括了三个基本部分：l

NCK（数控中心）l

PLC（可编程逻辑控制器）l

MMC（人机交换）NCK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。PLC表示机床的界面控制，并且控制辅助轴、刀具库及监控设备等机床特殊功能。显示和操作功能，跟MMC操作模式的主控制一样，在MMC部分里被执行。

41(1)．

NCK的组成部件

NCK组成部件基本包括：l

零件程序存储器l

通信处理器（CP）l

控制参数l

UMSl

NCK结构l

轴和主轴控制零件程序存储器当前正在加工的工件程序在NC部分储存和管理。在NCK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盘的数据管理部分（MMC）。数据是面向工件存储的。接口部件（CP模块）

42SINUMERIK840C把从MMC到NCK的通信单元连接起来

l

SBCRS232C(V.24)l

MMC界面l

CP模块NCK控制参数数字控制包括不同类型的控制参数：l

机床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，轴的数量和名称，驱动单元.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。

43l

设置数据设置数据能被机床操作者或使用者改变。例如：它们包括工作区限制。l

PLC机器数据PLC机器数据可在NC和PLC的连接RAM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。PLC机器数据在NC的每次冷启动时被传输到PLC中。所有的PLC机器数据直到PLC的再次冷启动才有效。l

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数据。44UMS（用户存储器子模块）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）或操作者界面（显示，菜单，信息）能在程控工作站“WS800A”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UMS中。UMS是在SINUMERIK840C中MMC-CPU间的硬盘上的一个数据文件。当控制启动后和执行NCK的操作界面时，这个文件被载入NCK。

452).

MMC部件MMC部件被分为l

基本系统l

应用基本系统包括下列：l

标准操作系统（FlexOS）l

驱动器l

数据管理l

主控制l

MMC操作者通讯系统l

基本工具，例如：ASCII和DIN编辑器l

显示管理通信协调

46MMC部件在应用领域执行l

机床l

参数l

编程l

诊断l

伺服47开放式数控系统的需求智能化数据共享（CAD/CAE/CAPP/CAM）可扩展(功能扩展、平台扩展、重构)2)开放式数控系统48开放式数控系统形式PC连接型NC

即将现有原型CNC与PC用通用串行线直接相连的一种组成形式:DNCPC嵌入型NC

即在传统的专用数控机床中嵌入PC技术，PC与CNC之间用专用总线连接。－８４０系统。运动控制器+PC型

即在通用PC的扩展槽中插入运动控制卡，完全采用以PC为硬件平台的数控系统。－PMAC运动控制器全软件型NC

即完全采用PC的全软件形式的数控系统。NC的全部功能处理全由PC进行，并通过装在PC扩展槽中的接口卡等进行控制。STEP-NC

49CNC系统应用软件：CNC软件的内部结构也是模块化的。它负责：人机界面，代码处理模块对NC程序进行解释和预处理，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，结果通过设备驱动程操作相应的硬件；过程逻辑控制主要处理：过程控制、各种开关量、机床状态等；设备管理：进行检测、监控。外部接口模块：提供CAD/CAM接口、MIS系统接口、专家系统接口、数据库系统接口等。

外部程序运行于操作系统之上，可利用CNC系统提供的库函数开发相关应用，并集成到一起。50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