《数控机床构造（第3版）》-第九章

９.１数控机床应用关键技术数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果,数控机床应用的关键技术主要包括计算机信息处理、自动控制的数字伺服、精密机械、精密检测和智能化的传感、网络及通信等技术。１.计算机信息处理技术计算机技术包括计算机软件和硬件技术、数据库技术以及网络通信技术。而信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换,计算机作为信息处理的工具。两者之间具有极为密切的关系。数控系统中计算机指挥和管理整个系统的有序运行,信息处理的高速、及时和正确将直接影响系统的工作质量和效率。因此,计算机技术的发展已成为数控机床发展和变革中最活跃的因素。下一页返回９.１数控机床应用关键技术２.自动控制及智能化的数字伺服技术目前世界上几个著名的数控装置生产厂家,如日本的ＦＡＮＵＣ、德国的ＳＩＥＭＥＮＳ和美国的Ａ－Ｂ公司产品都在向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。自动控制理论和伺服驱动技术对数控机床的功能、动态特性和控制品质具有决定性的影响。例如,在数控机床伺服速度环控制中采用软件实现前馈控制,可以有效地减少位置环跟踪误差,增加系统的稳定性和伺服精度。在数控机床伺服驱动技术中采用以微处理器为主的数字集成元件实现智能化的数字伺服技术控制,可以有效地克服零点漂移、温度漂移等弱点。上一页下一页返回９.１数控机床应用关键技术３.精密机械技术精密机械技术包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。对一台数控机床而言,机械结构和传动占了很大比例,因此不断发展各种新的设计计算方法和新型结构,采用新材料和新一代机械加工工艺,使数控机床向高精度、高速度、高可靠性、体积小、质量小、维修方便和价格低廉发展。４.网络及通信技术随着计算机网络技术在通信领域的广泛应用,正在对数控机床和以数控机床为基础的柔性制造单元(ＦＭＣ)、柔性制造系统(ＦＭＳ)以及计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)产生重大而深远的影响。数控系统网络的通信通常分工厂管理级、车间单元控制级、现场设备级。上一页下一页返回９.１数控机床应用关键技术当前,国内外一些机床和数控系统制造企业研究者正在从网络化联盟制造的角度出发,研究与此相适应的制造单元,它将能与企业资源计划(ＥＲＰ)和ＣＡＤ/ＣＡＰＰ/ＣＡＭ的信息集成,进而通过与客户关系管理(ＣＲＭ)和供应链管理(ＳＣＭ)的联系做出智能决策,实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率,实现高效的柔性生产。上述这些主要专业技术领域的最新成果将为数控机床的进一步发展提供强有力的技术支撑,也将为最新型数控机床的问世奠定坚实的基础。上一页返回９.２直接数字控制(ＤＮＣ)９.２.１直接数字控制(ＤＮＣ)简介ＤＮＣ(ＤｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌ)称为分布式数控,意为直接数字控制或分布数字控制。是实现ＣＡＤ/ＣＡＭ和计算机辅助生产管理系统集成的纽带,是机械加工自动化的又一种形式。ＤＮＣ最早的含义是直接数字控制,其研究开始于２０世纪６０年代。它指的是将若干台数控设备直接连接在一台中央计算机上,把相关程序存放在公用的存储器中,计算机按照约定及请求,向这些机床发送程序和数据,并能收集、显示、编辑与控制过程有关的数据。此外,系统计算机还具有生产调度、自动编程、程序校验以及系统的自动维护等功能。下一页返回９.２直接数字控制(ＤＮＣ)它解决了早期的数控设备因使用纸带而带来的一系列问题。随着数控技术、通信技术、控制技术、计算机技术、网络技术的发展,显然,“集成”的思想和方法在ＤＮＣ中占有越来越重要的地位,“集成”已成为现代ＤＮＣ的核心。９.２.２ＤＮＣ控制系统的组成尽管ＤＮＣ有多种多样的分类方式,但各种分类方式都有构成ＤＮＣ系统必不可少的基本组成部分。如图９－１所示,

其中主要包括:(１)ＤＮＣ控制计算机,包括大容量存储器和Ｉ/０接口;(２)通信介质(双绞线,同轴电缆等);上一页下一页返回９.２直接数字控制(ＤＮＣ)(３)通信接口;(４)ＮＣ或ＣＮＣ数控设备;(５)软件系统(包括实时多任务操作系统、ＤＮＣ通信软件、ＤＮＣ管理和监控软件、ＮＣ程序编辑软件、还可能有数控系统软件)。由于ＤＮＣ系统的多种构成形式,系统的大小和复杂程度也各不相同。ＤＮＣ系统可以小到只有一台ＤＮＣ主机控制多台数控机床,也可以大到包括单元层、车间层和工厂层。所以具体的ＤＮＣ系统组成要根据其要求达到的目标和具体条件来决定。上一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)９.３.１柔性制造系统(ＦＭＳ)简介ＦＭＳ最初是在２０世纪６０年代由英国Ｍｏｌｉｎｓ公司的雇员ＴｈｅｏＷｉｌｌｉａｍｓｏｎ提出来的。该方案被称为“系统２４”,是指系统可在无人情况下可工作２４ｈ。ＦＭＳ的首创者是美国的ＭＡＡＬＲＯＳＥ公司,它于１９６３年制造了世界上第一条加工多种柴油机工件的数控自动线。２０世纪７０年代到８０年代,ＦＭＳ发展迅速,从探索阶段走向了实用化和商品化阶段,成为机械制造技术进步的重要标志。下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)ＦＭＳ经历了一个由简到繁的发展过程,主要有计算机数控系统(ＣＮＣＳ)、柔性制造单元(ＦＭＣ)、柔性制造生产线(ＦＭＬ)和柔性制造系统(ＦＭＳ)。(１)计算机数控系统(ＣＮＣＳ:ＣｏｍｐｕｔｅｒｉｚｅｄＮｕｍｅｒｉｃａｌＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ)ＦＭＳ初级阶段是计算机数控系统ＣＮＣＳ,它用计算机通过执行其寄存器内的程序来完成数控系统的部分或全部功能,并配有接口电路、输入输出设备、可编程控制器(ＰＬＣ)、主轴驱动和进给驱动装置等组成的一种专用计算机系统。上一页下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)(２)柔性制造单元(ＦＭＣ:ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＣｅｌｌ)ＦＭＣ由单台带有多托盘系统的加工中心或三台以下的ＣＮＣ机床组成,它可以自动地加工一组工件,适用于小批量、多品种加工。如图９－２所示为柔性加工单元,可实现无人看管自动加工。(３)柔性制造生产线(ＦＭＬ:ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇＬｉｎｅ)柔性制造生产线(ＦＭＬ)又称为柔性自动线(ＦＴＬ)或可变自动线,它与传统的刚性自动线的区别在于它能同时或依次加工少量不同的工件。主要用于汽车、拖拉机等行业。上一页下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)(４)柔性制造系统(ＦＭＳ:ＦｌｅｘｉｂｌｅＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＳｙｓｔｅｍ)ＦＭＳ是由两台以上ＣＮＣ机床组成并配备有自动化物料储运子系统的制造系统,它是适用于中小批量、较多品种加工的高柔性、高智能的制造系统。如图９－３所示为精密机械零件的ＦＭＳ。９.３.２柔性制造系统(ＦＭＳ)的组成ＦＭＳ的主要硬件设备有:计算机、数控机床、机器人、托盘、传输线、自动搬运小车和自动立体仓库等。它实现了工厂中工程设计、制造和经营管理三大功能中的“制造”功能。上一页下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)ＦＭＳ主要由多工位的数控加工系统、自动化的物料储运系统和计算机控制的信息系统构成自动化制造系统。它能够根据制造任务或生产环境变化迅速进行调整,适应于多品种、中小批量的生产。其构成框图如图９－４所示。１.加工系统加工系统的功能是以任意顺序自动加工各种工件,并能自动地更换工件和刀具。常由若干台对工件进行加工的ＣＮＣ机床和所使用的刀具构成。２.物流系统上一页下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)在ＦＭＳ中工件和工具流统称为物流,物流系统即物料储运系统,是柔性制造系统中的一个重要组成部分。ＦＭＳ的物流储运系统一般包含工件装卸站、托盘缓冲站、物料运送装置和自动化仓库等几个组成部分,主要用来执行工件、刀具、托盘以及其他辅助设备与材料的装卸、运输和储存工作。３.信息系统信息系统包括过程控制及过程监控两个系统。过程控制系统进行加工系统及物流系统的自动控制;过程监控系统进行在线状态数据自动采集和处理。上一页下一页返回９.３柔性制造系统(ＦＭＳ)信息系统的核心是一个分布式数据库管理和控制系统,其主要任务是:组织和指挥制造流程,并对制造流程进行控制和监视;向ＦＭＳ的加工系统、物流系统提供全部控制信息并进行过程监视,反馈各种在线检测数据,以便修正控制信息,保证安全运行。除了上述的三个主要组成部分之外,ＦＭＳ还包括冷却系统、排屑系统、刀具监控和管理等附属系统。上一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)９.４.１计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)简介２０世纪７０年代以来,随着自动化技术、信息技术和制造技术的应用,制造系统中许多以自动化为特征的单元技术得以广泛应用。企业自动化也由“点”(即单机自动化)到“线”(即由多种自动化设备组成的生产线),再由“线”发展到“面”(通过引入柔性制造系统,实现企业全部作业流程的自动化),进而由“面”向“立体”(指企业全部生产系统和企业内部业务实现综合自动化)的方向发展,以期实现企业全部业务的一元化、集成化和高效化。下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)１９７４年,美国约瑟夫哈林顿(ＪｏｓｅｐｈＨａｒｒｉｎｇｔｏｎ)博士最早提出计算机集成制造ＣＩＭ(ＣｏｍｐｕｔｅｒＩｎｔｅｒｇｒａｔｅｄＭａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ)的概念,其中包含两个基本观点:(１)企业生产的各个环节,即从市场分析、产品设计、加工制造、经营管理到售后服务的全部生产活动,是一个不可分割的整体,要紧密连接、统一考虑。(２)整个生产过程实质是一个数据采集、传递和加工处理的过程。最终形成的产品,可以看作数据的物质表现。ＣＩＭ的实质内容是信息的集成。上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)目前,已被越来越多的人接受,应用领域也从典型的离散型机械制造业扩展到化工、冶金等连续或半连续制造业。CIMS

(ComputerIntergratedManufacturingＳｙｓｔｅｍ,计算机集成制造系统)则是基于ＣＩＭ思想而组成的现代制造系统。ＣＩＭＳ是基于现代管理技术、制造技术、信息技术、自动化技术、系统工程技术的一门综合性技术。它综合并发展了企业生产各个环节有关的计算机辅助技术(ＭＩＳ、ＭＲＰ、ＭＲＰ－ＩＩ、ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＰＰ、ＣＡＭ、ＤＮＣ、ＦＭＣ、ＦＭＳ等),将企业制造工厂生产活动所需的各种分散的自动化系统通过计算机及其软件有机地集成起来,形成适合于多种、中小批量生产的总体高效益、高柔性的制造系统。上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)ＣＩＭＳ的最基本内涵是用集成的观点组织生产经营,是企业组织、管理和运行的一种新的生产模式。９.４.２计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)的组成从系统的功能角度考虑,一般认为ＣＩＭＳ可由经营管理信息系统、工程设计自动化系统、制造自动化系统和质量保证信息系统四个功能分系统,以及计算机网络和数据库管理两个支撑系统组成,

如图９－５所示。１.经营管理信息系统上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)经营管理信息系统是将企业生产经营过程中产、供、销、人、财、物等进行统一管理的计算机应用系统,是ＣＩＭＳ的神经中枢,指挥与控制着ＣＩＭＳ其他各部分有条不紊地工作。它具有三方面的基本功能:信息处理、事务管理和辅助决策。其核心是制造资源计划ＭＲＰ－ＩＩ。２.工程设计自动化系统工程设计自动化系统实质上是指在产品设计开发过程中引用计算机技术,使产品设计开发工作更有效、更优质、更自动地进行。产品设计开发活动包含有产品概念设计、工程结构分析、详细设计、工艺设计,以及数控编程等产品设计和制造准备阶段中的一系列工作。上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)工程设计自动化系统包括人们通常所熟悉的ＣＡＤ/ＣＡＰＰ/ＣＡＭ系统。３.制造自动化系统制造自动化系统由加工系统、控制系统、物流系统、监控系统组成。机械加工系统用于对零件或产品进行各种加工和装配,包含有数控机床、加工中心、柔性制造单元和柔性制造系统的加工设备、测量设备和装配设备。控制系统用以实现对机械加工系统的操作过程控制。物流系统是制造自动化系统物流集成的基础,它完成对工件和工具的存储、搬运、装卸等操作功能。上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)监控系统是制造自动化系统工作质量保证的基础,它完成制造过程中对加工对象、加工设备及加工工具的在线自动监控。４.质量保证信息系统质量保证信息系统是以提高企业产品制造质量和企业工作管理质量为目标,通过质量保证规划、工况监控采集、质量分析评价和控制,以达到预定的质量要求。ＣＩＭＳ中的质量保证信息系统覆盖产品周期的各个阶段,它可由四个子系统组成:质量计划子系统、质量检测管理子系统、质量分析评价子系统和质量信息综合管理与反馈控制子系统。５.计算机网络系统上一页下一页返回９.４计算机集成制造系统(ＣＩＭＳ)计算机网络系统是以共享资源为目的而由多台计算机、终端设备、数据传输设备以及通信控制处理等设备组成的