《机械工程概论》-第１9 章

第十九章机械加工自动化1233第一节组合机床及其自动线第二节数控机床第三节现代制造技术返回第一节组合机床及其自动线组合机床及其自动线是集机电于一体的、综合自动化程度较高的制造技术和成套工艺装备。它的特征是高效、高质、经济实用，因而被广泛应用于工程机械、交通、能源、军工、轻工和家电等行业。一、组合机床概述组合机床是根据工件加工需要，以大量系列化、标准化的通用部件为基础，配以少量专用部件，对一种或数种工件按预先确定的工序进行加工的、灵活高效的专用机床，主要用于加工箱体类零件，如气缸体、变速箱体、气缸盖、阀体等；一些重要零件的关键加工工序，虽然生产批量不大，但也采用组合机床来保证其加工质量。组合机床由机械传动实现刀具的旋转主运动，由机械或液压传动实现刀具或工作台的直线进给运动。组合机床能够对工件进行多刀、多轴、多面、多工位同时加工；下一页返回第一节组合机床及其自动线可完成钻孔、扩孔、镗孔、攻丝、铣削、车孔端面等工序；随着组合机床技术的发展，其工艺范围日益扩大，如进行焊接、热处理、自动测量和自动装配、清洗等非切削工序。组合机床广泛应用于大批大量的生产行业，如汽车、拖拉机、电动机、内燃机、阀门、缝纫机等制造业。其结构简单，生产率和自动化程度较高，具有一定的重新调整能力，适宜在大批、大量生产中对一种或几种类似零件的一道或几道工序进行加工。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线１组成组合机床主要由通用部件和专用部件组成，通用部件包括滑台１、切削头２、动力箱５、中间底座８、侧底座９、立柱６、立柱底座７、辅助部件和控制部件，专用部件包括夹具３、多轴箱４，如图１９－１所示。通用部件按功能分为动力部件、支撑部件、输送部件、控制部件和辅助部件五类。动力部件为机床提供主运动和进给运动，支撑部件用以安装动力滑台，包括各种底座和支架；输送部件用以输送工件或主轴箱至加工工位；控制部件用以控制机床的自动工作循环；辅助部件包括润滑、冷却和排屑装置等。专用部件是按照加工零件的形状和工艺要求而设计的。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线２组合机床特点在专用机床中某些部件因重复使用，逐步发展成为通用部件，因而产生了组合机床。组合机床与一般专用机床相比较，具有以下优点：１）研制周期短，便于设计、制造和使用维护，成本低。因为通用化、系列化、标准化程度高，故通用零部件占机床部件的７０％～９０％，通用件可组织批量生产及进行预制或外购。２）组合机床的通用零部件，是经过生产实践考验多次反复修改定型的，因而结构的可靠性和工艺性较好，使用性能较稳定，有利于稳定地保证加工质量。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线３）组合机床的通用部件是经过周密设计和长期生产实践考验的，又由专门工厂成批制造，因此结构稳定，工作可靠，使用和维修方便。４）在组合机床上加工零件时，由于采用专用夹具、刀具和导向装置等，加工质量靠工艺装备保证，对操作工人的技术水平要求不高。５）便于产品更新。当改变加工对象时，通用部件可以重新利用，改装成新的专用机床。但由于组合机床的通用部件不是为某一种机床设计的，具有较广的适应性，而且规格也有限，这样就使组合机床的结构较一般专用机床更为复杂。组合机床改装时，有１０％～２０％的零件不能利用，改装劳动量也较大。６）组合机床易于连成组合机床自动线，以适应大规模的生产需要。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线３组合机床的应用范围从生产规模方面看，由于组合机床是一种高效率自动化机床，并且能从多方面、多工位对一个或多个工件同时进行多刀加工，因而特别适用于成批、大量定型产品的加工。目前，组合机床已经越来越广泛地应用于汽车、拖拉机、内燃机、电机、阀门、自行车、缝纫机、仪器仪表、机床制造及国防工业等。从工艺内容看，组合机床的一个显著特点是加工时零件大多固定不动，由刀具旋转及进给来完成加工循环。因此目前主要用于孔加工和平面加工，如钻孔、扩孔、铰孔、沟槽及成型表面加工、铣端面、锪平面和螺纹加工。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线此外，还可进行短外圆车削、平面磨削、拉孔和槽等加工，也可完成一些非切削加工，如简单的装配工序、检查等。组合机床最适于加工箱体类零件，如气缸体、气缸盖、变速箱体、电机座及仪器、仪表壳体等。对于轮盘类、轴类、叉架类和盖板类零件也可以完成许多加工工序。４组合机床的分类根据所选用的通用部件的规格大小以及结构和配置形式等方面的差异，将组合机床分为大型组合机床和小型组合机床两大类：滑台台面宽度Ｂ≥２５０ｍｍ的为大型组合机床；滑台台面宽度Ｂ＜２５０ｍｍ的为小型组合机床。根据大型组合机床的配置形式，可将其分为具有固定夹具的单工位组合机床、具有移动夹具的多工位组合机床和转塔式组合机床三类。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线（１）具有固定夹具的单工位组合机床单工位组合机床特别适用于加工大、中型箱体类零件。在整个加工循环中，夹具和工件固定不动，通过动力部件使刀具从单面、双面或多面对工件进行加工。这类机床加工精度较高，但生产率较低。按照组成部件的配置形式及动力部件的进给方向，单工位组合机床又分为卧式、立式、倾斜式和复合式四种类型，如图１９－２所示。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线１）卧式组合机床。卧式组合机床的刀具主轴水平布置，动力部件沿水平方向进给，按加工要求的不同，可配置成单面、双面或多面的形式。２）立式组合机床。立式组合机床的刀具主轴垂直布置，动力部件沿垂直方向进给。一般只有单面配置一种形式。３）倾斜式组合机床。倾斜式组合机床的动力部件倾斜布置，沿倾斜方向进给，可配置成单面、双面或多面的形式，以加工工件上的倾斜表面。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线４）复合式组合机床。复合式组合机床是卧式、立式、倾斜式两种或三种形式的组合。（２）具有移动夹具的多工位组合机床多工位组合机床的夹具和工件可按预定的工作循环，做间歇的移动或转动，以便依次在不同工位上对工件进行不同的工位加工。这类机床生产率高，但加工精度不如单工位组合机床，多用于大批量生产中对中、小型零件的加工。按照夹具和工件的输送方式不同，可分为移动工作台式、回转工作台式、中央立柱式和鼓轮式四种类型，如图１９－３所示。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线１）移动工作台组合机床。移动工作台组合机床可以先后在两个工位上从两面对工件进行加工，夹具和工件可随工作台直线移动来实现工件的变换。２）回转工作台组合机床。回转工作台组合机床在每一个工位上可以同时加工一个或几个工件，其上的夹具和工件安装在绕垂直轴线回转的回转工作台上，并随其做周期转动来实现工件的换位。由于这种机床适宜于对中、小型工件进行多面、多工序加工，具有专门的装卸工位，使装卸工件的辅助时间和机动时间重合，所以能获得较高的生产率。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线３）中央立柱式组合机床。中央立柱式组合机床上的夹具和工件安装在绕垂直轴线回转的环形回转工作台上，并随其做周期转动，以实现工位的变换。在环形回转工作台周围以及中央立柱上均可布置动力部件，在各个工位上对工件进行多工序加工。４）鼓轮式组合机床。鼓轮式组合机床上的夹具和工件安装在绕水平轴线回转的鼓轮上，并做周期转动以实现工位的变换。在鼓轮的两端布置动力部件，从两面对工件进行加工。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线（３）转塔式组合机床。转塔式组合机床的特点是几个多轴箱安装在转塔回转工作台上，各个多轴箱依次转到加工位置对工件进行加工，如图１９－４所示。按多轴箱是否做进给运动，可将这类机床分为两类。１）只实现主运动的转塔式多轴箱组合机床。多轴箱安装在转塔回转工作台上，主轴由电动机通过多轴箱内的传动装置带动做旋转主运动；工件安装在滑台的回转工作台上（如果不需工件转位时，可直接安装在滑台上），由滑台带动做进给运动，如图１９－４（ａ）所示。２）既可实现主运动又可随滑台做进给运动的转塔式多轴箱组合机床。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线这类机床的工件固定不动（也可以作周期转位），转塔式多轴箱安装在滑台上并随滑台做进给运动，如图１９－４（ｂ）所示。转塔式组合机床可以组成双面式或三面式，同时对工件的两、三个平面进行加工。这类机床切削时间与辅助时间不重合，转塔主轴各工位的切削时间串联，因此机床的工作效率较低。由于各工位切削时间不重合，故减少了切削振动的互相干扰，加工精度较高。当机床用于中批生产时，机床负荷率较高，机床占地面积较小。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线二、组合机床的几种通用部件通用部件是组成组合机床的基础。通用部件是根据其各自的功能，按标准化、系列化、通用化原则设计而成的独立部件，它在组成各种组合机床时能互相通用。按通用部件在组合机床上的作用，可将其分为以下几类。１动力部件动力部件包括主运动部件（动力箱和各种切削头）和进给运动部件（滑台），动力箱与多轴箱配合使用，用于实现主运动。滑台用于实现进给运动，以滑台为基础的各种动力部件的示意图如图１９－５所示。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线动力部件的工作性能基本上决定了组合机床的工作性能，其他部件都要以动力部件为基础来进行配置使用。（１）动力箱动力箱是主运动的驱动装置，在动力箱上安装多轴箱后，即组成多轴的组合机床。标准的动力箱有两种传动形式，即齿轮传动和联轴器传动。（２）滑台滑台用于实现进给运动，可分为液压滑台和机械滑台两个系列。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线１）液压滑台主要由滑鞍１、液压缸２、滑座３和死挡块４等几部分组成，如图１９－６所示。液压缸固定在滑座上，活塞杆通过支架固定在滑鞍１的下面，推动滑鞍移动。２）机械滑台由滑座１、滑鞍２、工进电动机３、快速电动机４、传动箱５、死挡块６等几部分组成，如图１９－７所示。机械滑台与液压滑台的作用相同，只是实现进给运动的方式不同。机械滑台是通过机械传动来驱动滑台的。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线２支撑部件支撑部件是组合机床的基础部件，包括侧底座、立柱、立柱底座和中间底座等，用于支撑和安装各种部件。组合机床各部件之间的相对位置精度、机床的刚度主要由支撑部件保证。３输送部件输送部件用于多工位组合机床上，完成工位间的工件输送，包括移动工作台、回转工作台、回转鼓轮工作台及环形回转工作台等。输送部件转位或移位后的定位精度，直接影响着多工位组合机床的加工精度。４控制部件控制部件用于控制组合机床按预定的加工程序进行循环工作，包括可编程控制器（ＰＬＣ）、各种液压元件、操纵板、控制挡铁和按钮台等。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线５辅助部件辅助部件包括用于实现自动夹紧工件的液压或气动装置、机械扳手、冷却和润滑装置、排屑装置以及上下料的机械手等。三、组合机床自动线对于比较复杂的零件，如变速箱体、气缸体、电机座等，需要加工的面比较多，加工的工序也比较复杂，即使多工位的组合机床也很难完成全部加工，于是组合机床自动线应运而生。组合机床自动线是将组合机床按工件的加工工艺顺序依次排列，并用传送装备与辅助装备将它们连接成一个整体，按工艺路线完成工件全部加工过程的生产作业线。上一页下一页返回第一节组合机床及其自动线组合机床自动线由组合机床、中央操纵台１、工件输送装置２、转位台３、翻转台４、液压站５、排屑装置６等组成，如图１９－８所示。其定位、夹紧、加工、输送等全部由自动线完成，工人在中央操纵台即可控制整个自动线的生产。组合机床自动线是在组合机床和机械加工流水线的基础上发展而来的，其具有自动化程度高、生产效率高、工人体力劳动少、加工质量高等优点。但是组合机床自动线也有设计安装周期长、维护维修困难、故障较难排除等缺点。目前在我国，应用组合机床自动线比较多的是汽车工业、轴承工业、机床工业和电机工业等。上一页返回第二节数控机床随着科学技术和社会生产的不断进步，机械产品日趋复杂，对机械产品的质量和生产率的要求也越来越高。在航空航天、微电子、信息技术、汽车、造船、建筑、军工和计算机技术等行业中，零件形状复杂、结构改型频繁、批量小、零件精度高、加工困难、生产效率低等，已成为日益突出的现实问题。机械加工工艺过程的自动化和智能化是适应上述发展特点的最重要的手段。为解决上述问题，一种灵活、通用、高精度、高效率的“柔性”自动化生产设备数控机床应运而生，它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批量生产，特别是复杂型面零件提供了自动化加工手段。下一页返回第二节数控机床数控机床就是采用了数控化控制技术的机床。它能将零件加工过程所需的各种操作（如主轴变速、主轴起动和停止、松夹工件、进刀退刀、冷却液开或关等）步骤以及刀具与工件之间的相对位移量都用数字化的代码来表示，由编程人员编制成规定的加工程序，通过输入介质（磁盘等）送入计算机控制系统，由计算机对输入的信息进行处理与运算，发出各种指令来控制机床的运动，使机床自动地加工出所需要的零件。目前，数控技术已逐步普及，数控机床在工业生产中得到了广泛应用，提高了机械制造业的制造水平，解决了机械制造中常规加工技术难以解决甚至无法解决的复杂型面零件的加工，提供了高质量、多品种及高可靠性的机械产品，取得了巨大的经济效益。上一页下一页返回第二节数控机床一、数控机床的组成数控机床是典型的机电一体化产品，主要由输入／输出设备、计算机数控装置、辅助控制装置（ＰＬＣ）、伺服系统、测量反馈装置和机床本体组成，数控机床的组成框图如图１９－９所示。１输入／输出设备输入装置是将各种加工信息传递给计算机的外部设备。输出装置指输出内部工作参数（含机床正常、理想工作状态下的原始参数和故障诊断参数等）的设备。要通过输入／输出设备对数控系统进行操作和控制。键盘和显示器是数控系统不可缺少的输入／输出设备。显示器可显示机床的运行状态、机床参数以及坐标位置等，高档的显示器还具有显示加工轨迹图形的功能。上一页下一页返回第二节数控机床２数控装置数控装置是数控机床的“大脑”和“核心”，现代数控机床一般都采用微型计算机作为数控装置，即计算机数控（ＣＮＣ）装置。数控装置由输入／输出接口线路、控制器、运算器和存储器等组成。数控装置接收数字化信息，经过数控装置的控制软件和逻辑电路进行译码、插补和逻辑处理后，将各种指令信息输出给伺服系统，伺服系统驱动执行部件做进给运动。３辅助控制装置辅助控制装置主要完成与逻辑运算有关的动作，包括完成程序中的Ｍ、Ｓ、Ｔ等辅助功能所规定的动作（如主轴电动机的启停、冷却泵的开关等）和对机床的状态进行监视（如检测是否超行程、电动机是否过热等）以及对操作面板的开关、按键和按钮的状态进行扫描。上一页下一页返回第二节数控机床由于可编程序控制器（ＰＬＣ）具有响应快、性能可靠、易于编程和修改，并可直接驱动机床电器等优点，目前已普遍用作辅助控制装置。４伺服系统伺服单元由驱动器和驱动电动机组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。伺服单元把来自ＣＮＣ装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号，驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动驱动机床，使工作台精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出图纸所要求的零件。伺服单元和驱动装置可合称为伺服系统，它是机床工作的动力装置，伺服系统的控制精度和动态响应特性，对机床的工作性能、加工精度和加工效率有直接的影响。上一页下一页返回第二节数控机床５测量反馈装置测量装置也称反馈元件，包括光栅、旋转编码器、激光测距仪、磁栅等，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给ＣＮＣ装置，供ＣＮＣ装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。６机床本体机床本体是用于完成各种切削加工的执行部件。数控机床的机床本体与传统机床相似，由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面都发生了很大的变化，这种变化的目的是满足数控机床的要求和充分发挥数控机床的特点。上一页下一页返回第二节数控机床二、数控机床的特点及应用数控机床是一种高自动化、高柔性、高精度、高效率的机械加工设备。其具有以下优点：（１）适应性强由于数控机床能实现多个坐标的联动，所以数控机床能加工形状复杂的零件，特别是对于可用数学方程式和坐标表示的零件，加工非常方便。更换加工零件时，数控机床只需更换零件加工的数控程序。（２）工序高度集中既保证了粗加工时有足够的刚度，又保证了精加工时有可靠的精度。工件一次装卡，可完成尽可能多的加工内容（自动换刀装置），避免重复装卡定位造成的误差。上一页下一页返回第二节数控机床（３）生产效率和加工精度高数控机床加工时，可以采用较大的切削用量。硬件上滚珠丝杠和机械传动消隙结构，使机械传动的误差尽可能的小。（４）能完成复杂型面的加工数控系统不仅可以控制机床多个轴的运动，而且能够驱动多个轴的联动，使刀具在三维空间中能实现实际轨迹的运动。（５）具有高度的柔性只需改变零件程序即可适应不同品种的零件加工，且几乎不需要制造专用工装夹具，因而加工柔性好，有利于缩短产品的研制与生产周期，适应多品种、中小批量的现代生产需要。上一页下一页返回第二节数控机床（６）减轻劳动强度，改善劳动条件在输入程序并启动后，数控机床就自动地连续加工，直至完毕。这样就简化了工人的操作，使劳动强度大大降低。（７）有利于生产管理简化了中间检验程序，减少了半成品的管理环节。虽然数控机床有上述优点，但初期投资大，维修费用高，要求管理及操作人员的素质也较高。若从效益最优化的技术经济角度出发，数控机床一般适用于加工多品种、小批量零件；结构较复杂、精度要求较高的零件；需要频繁改型的零件；价格昂贵，不允许报废的关键零件；需要最小生产周期的急需零件。上一页下一页返回第二节数控机床三、数控加工的一般过程与要求数控机床加工零件与普通机床加工零件的过程有相同之处，也有不同之处。数控加工的过程和要求有其自身的特点。１根据被加工零件的图样要求制定加工工艺在数控机床上加工零件，工序可以比较集中，应尽可能在一次装夹中完成全部工序。（１）确定加工路线加工路线是指数控机床在切削加工过程中，刀具的运动轨迹和运动方向。所选定的加工路线应能保证零件的加工精度与零件表面粗糙度要求；为提高生产率，应尽量缩短加工路线，减少刀具空行程移动时间；为减少编程工作量，还应使数值计算简单，程序段数量少。上一页下一页返回第二节数控机床（２）选择机床设备在选择数控机床时，应注意加工零件的几何形状、加工精度和表面粗糙度。１）所选择的数控机床应能满足零件的加工精度要求。２）在满足精度要求的前提下，应尽量选用一般的数控机床，以降低生产成本。（３）选择装夹方法和对刀点当确定了在某台数控机床上加工某个零件以后，就应根据零件图样确定零件在机床上的装夹定位方法。上一页下一页返回第二节数控机床数控机床所用夹具，应尽量采用已有的通用夹具及组合夹具，必要时设计专用夹具。装夹零件要迅速方便，多采用气动、液压夹具，以减少机床停机时间。对刀点是指在数控机床上用刀具加工零件时，刀具相对工件运动的起始点，程序就是从这一点开始的，所以对刀点也叫作“程序原点”。（４）选择刀具数控机床所选择的刀具应满足装夹调整方便、刚度好、精度高、耐用度高的要求。与普通机床相比，数控加工对刀具的选择要严格得多，它常常是专用的。编程时，需预先规定好刀具的结构尺寸和调整尺寸，尤其是自动换刀数控机床（例如加工中心），在刀具装夹到机床上之前，应根据编程时确定的参数，在机床外的预调整装置中调到所需尺寸。上一页下一页返回第二节数控机床（５）确定切削用量数控加工中切削用量应根据加工技术要求、刀具耐用度和切削条件等加以确定。在缺乏数控加工切削用量表格的情况下，亦可参照普通加工切削用量表格确定，所确定的切削用量应是本机床具有的数值。２根据所确定的工艺编制加工程序用数控机床加工零件，要有一个控制数控机床加工的程序。因而，必须根据零件图样与工艺方案，用数控机床规定的程序格式和指令代码编制零件加工程序单，给出刀具运动的方向和坐标值，以及机床进给速度、主轴启停与正反转、切削液开闭、换刀与夹紧等加工信息，并记录在控制介质上。上一页下一页返回第二节数控机床数控加工程序编制的一般步骤如下：（１）数学处理根据零件图样的几何尺寸、走刀路径以及设定的坐标系计算粗、精加工各运动轨迹的坐标值，如运动轨迹起点、终点、圆弧的圆心等。（２）编写加工程序单根据计算出的运动轨迹坐标值和已确定的运动顺序、切削参数以及辅助动作，按照数控机床规定使用的功能指令代码及程序段格式，逐段编写加工程序单，并附上必要的加工示意图、刀具布置图、机床调整卡、工序卡以及必要的说明。上一页下一页返回第二节数控机床（３）制备控制介质为了控制数控机床按预定程序加工零件，还必须将程序单的内容通过键盘直接输入数控装置的存储器内存储，或制成穿孔纸带、磁带和磁盘等控制介质。（４）程序校验与试运行程序单和所制备的控制介质必须经过校验和试运行才能正式使用。程序校验与试运行主要达到两个目的：检查程序内容及控制介质的制备是否正确，以保证对零件轮廓轨迹的要求；检查刀具调整及编程计算是否正确，以保证零件加工精度达到图样的要求。上一页下一页返回第二节数控机床当前可以使用各种加工模拟软件，在计算机上模拟加工，以发现问题，避免浪费，是一种较好的方法。３正式投产经过试切削及程序的反复调整修改，加工出合格的样件后即可正式投入生产。四、数控机床的分类１按工艺用途分类（１）普通数控机床普通数控机床是指在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床等。普通数控机床刀具的更换及工件的装夹仍需人工完成。上一页下一页返回第二节数控机床（２）加工中心加工中心是指带有刀库和自动换刀装置的数控机床。其特点是工件经一次安装后，能自动完成对工件多个表面、多道工序的加工，使制造加工更进一步地向自动化和高效化方向发展。２按运动方式分类（１）点位控制数控机床点位控制数控机床的特点是数控系统只控制刀具或工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间的运动轨迹无须严格控制。为了减少运动部件的运动和定位时间，一般运动部件先以快速运动至终点坐标附件，然后以低速准确运动到终点位置，以保证稳定的定位精度。上一页下一页返回第二节数控机床由于点位控制数控机床是刀具或工件到达指定位置后才开始加工，因此在运动过程中刀具不进行切削。数控钻床、数控坐标镗床、数控冲床、数控点焊机、数控弯管机和数控测量机等均采用点位控制方式。（２）直线控制数控机床直线控制数控系统是指数控系统不仅可控制刀具或工作台从一点准确地移动到另一点，而且能保证点与点间的运动轨迹是一条直线的控制系统。典型的机床有数控车床、数控铣床和数控镗床。上一页下一页返回第二节数控机床（３）轮廓控制数控机床轮廓控制又称为连续轨迹控制。轮廓控制数控机床的特点是能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行控制，其不仅要控制机床运动部件的起点与终点坐标值，而且要控制整个加工过程每一点的速度和位移量。例如：数控车床、数控铣床、数控磨床、数控齿轮加工机床和各类数控切割机床。３按伺服驱动的控制方式分类按伺服驱动被控制时有无检测反馈装置可分为开环控制和闭环控制。在闭环系统中，根据测量装置安装部位不同又分为全闭环控制和半闭环控制两种。上一页下一页返回第二节数控机床（１）开环控制数控机床开环控制数控机床是指不带位置反馈装置的控制系统。其以步进电动机作为伺服驱动执行元件，一般应用于精度要求不高的经济型数控机床。（２）闭环控制数控机床闭环控制是在机床移动部件上直接安装直线位移检测装置，将直接测量到的位移量反馈到数控装置的比较器中，与输入的指令进行比较，用差值对运动部件进行控制，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。一般用于要求高速、高精度的数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床及大型数控机床等。上一页下一页返回第二节数控机床（３）半闭环控制大多数数控机床采用半闭环控制系统，其位置反馈采用角位移检测装置（如光电脉冲编码器等），安装在电动机或滚珠丝杠的端头，通过检测伺服电动机或丝杠的转角，间接地检测出运动部件的位移，并反馈给数控装置的比较器，与输入指令进行比较，用差值对运动部件进行控制。因为该控制方式只对伺服电动机或滚珠丝杠的角位移进行闭环控制，而没有实现对运动部件直线位移的闭环控制，故称为半闭环控制。一般情况下，半闭环控制作为数控机床的首选控制方式。上一页下一页返回第二节数控机床五、数控机床的主要性能指标１数控机床的精度数控机床的精度主要是指加工精度、定位精度和重复定位精度。定位精度是指实际位置与数控指令位置的一致程度，不一致量表现为误差。定位误差包括了伺服系统、进给系统和检测系统的误差，还包括移动部件导轨的几何误差。重复定位精度是指在同一台数控机床上，应用相同的程序和相同代码加工一批零件，所得到的连续结果的一致程度。重复定位精度受伺服系统特性、进给系统间隙、刚度以及摩擦特性等因素的影响。一般情况下，重复定位误差是成正态分布的偶然误差，它影响了一批零件加工的一致性，是一项非常重要的性能指标。上一页下一页返回第二节数控机床分度精度是指分度工作台在分度时，指令要求回转角度值和实际回转角度值的差值。分度精度会影响零件加工部位在空间的角度位置，也会影响孔系加工的同轴度。分辨率是指两个相邻的分散细节之间可以分辨的最小间隙。对测量系统而言，分辨率是可以测量的最小增量；对控制系统而言，分辨率是可以控制的最小位移增量或角位移增量，即数控机床每发出一个脉冲信号，反映到数控机床各运动部件的位移量或角位移量，一般又称为脉冲当量。上一页下一页返回第二节数控机床脉冲当量是设计数控机床的原始数据之一，其数值的大小决定着数控机床的加工精度和表面质量。目前经济型数控机床的脉冲当量一般采用０.０１ｍｍ；普通型数控机床的脉冲当量一般采用０.００１ｍｍ；精密型数控机床的脉冲当量一般小于０.０００１ｍｍ；最精密型数控机床数控系统的分辨率已达到０.００１μｍ。一般情况下，脉冲当量越小，数控机床的加工精度和加工表面质量越高。２数控机床可控轴数与联动轴数主轴的旋转是工件表面成型运动中的主运动，其他运动都是成型运动的进给运动，其都有各自的伺服驱动控制单元，数控装置发出的控制信息通过伺服控制单元转换成坐标轴的运动。上一页下一页返回第二节数控机床可见数控机床的可控轴数（或称坐标数）是指机床数控装置能够控制的坐标数目。数控机床完成的运动越多，控制轴数就越多，对应的功能就越强，同时机床结构的复杂程度与技术含量也就越高。点位直线控制机床和轮廓控制数控机床需要对两个或两个以上的运动同时、协调地进行控制，才能满足零件的加工要求。一般将机床数控装置控制各坐标轴协调动作的坐标轴数目称为联动轴数。目前有两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。数控机床联动轴数越多，控制系统就越复杂，加工能力就越强。上一页下一页返回第二节数控机床３数控机床的运动性能指标数控机床的运动性能指标主要包括主轴转速、进给速度、坐标行程、回转轴的转角范围、刀库容量及换刀时间等。（１）主轴转速加工中心的转速一般在１００００ｒ／ｍｉｎ。高速加工的数控机床，通常采用电动机转子和主轴一体的电主轴，可使主轴转速达到每分钟数万转。（２）进给速度和加速度数控机床的进给速度和切削速度一样，是影响零件加工质量、加工效率和刀具寿命的主要因素。上一页下一页返回第二节数控机床进给速度的提高受数控装置的运算速度、机床的动特性及工艺系统刚度等因素的限制。统计资料表明，数控机床的进给速度已从８～１２ｍ／ｍｉｎ提高到２０～３０ｍ／ｍｉｎ，有的甚至达到了６０ｍ／ｍｉｎ。（３）行程行程是指移动坐标轴可控制的运动区间。数控机床Ｘ、Ｙ、Ｚ行程的大小，决定了数控机床允许的空间加工范围，因此说各坐标轴的行程是体现机床加工能力的性能参数指标。在选择机床时，应注意工件的加工尺寸要在机床坐标轴形成允许的范围内。上一页下一页返回第二节数控机床（４）回转轴的转角范围转角范围是指回转坐标轴可控制的摆角区间。转角的大小将直接影响加工零件空间部位的能力。（５）刀库容量和换刀时间刀库容量和换刀时间会影响数控机床的加工效率。一般小型加工中心刀库存放１６～６０把刀，大型加工中心刀库容量达到１００把以上。换刀时间指刀具交换机构将主轴上的刀具与刀库中下一个工步需用的刀具进行交换所用的时间。目前加工中心的换刀时间由原来的１０～２０ｓ缩短为１～５ｓ。上一页返回第三节现代制造技术由于现代机电产品更新换代日趋加快，用户的需求也日趋个性化，小批量、多品种的零件生产越来越多，这对制造业的高精度、高效率和柔性化提出了更高的要求，以适应未来车间面向多任务与定单式的生产组织和管理模式。传统的制造业已发生了根本性的变革，以数控技术为主的现代制造技术占据了重要地位，各工业发达国家均采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业。现代制造技术是以数控技术为基础不断发展起来的，包括成组技术、计算机辅助设计与制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）、柔性制造系统（ＦＭＳ）、计算机集成制造系统（ＣＩＭＳ）等先进制造技术。下一页返回第三节现代制造技术一、成组技术市场竞争日趋激烈，产品更新换代越来越快，产品品种增多，而每种产品的生产数量却并不是很多。世界上７５％～８０％的机械产品是以中小批生产方式制造的。与大量生产企业相比，中小批生产企业的设备工装多，劳动生产率低，生产周期长，产品成本高，生产管理复杂，市场竞争能力差。与大批大量生产相比，小批量生产方式无论是在技术水平还是经济效益方面都不能适应生产发展和低成本的需要。能否把大批量生产的先进工艺和高效设备以及生产方式用于组织中小批量产品的生产，一直是国际生产工程界广为关注的重大研究课题。成组技术（ＧｒｏｕｐＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ－ＧＴ）便是为了解决这一矛盾应运而生的一门新的生产技术。上一页下一页返回第三节现代制造技术成组技术是适应产品多样化时代要求的一门生产技术科学。它研究如何识别和发掘生产活动中有关事物的相似性，并把相似的问题归类成组，寻求解决这一组问题的最优方案，从而节约时间和精力以取得所期望的经济效益，并成为现代数控技术、柔性制造系统和高度自动化的集成制造系统的技术基础。１成组技术的基本原理所谓成组技术就是用科学的方法将企业生产的多种产品、部（组）件和零件，按照特定的相似性准则（分类系统）分类归组，并按零件族的工艺要求配备相应的工装设备，采用适当的布置形式组织成组加工，从而实现产品设计、工艺制造与生产管理的合理化和科学化，以达到扩大批量的目的。上一页下一页返回第三节现代制造技术其基本原理是根据多种产品各种零件的结构形状特征和加工工艺特征，按规定的法则标识其相似性，按一定的相似程度将零件分类编组，再对成组的零件制定统一的加工方案，实现生产过程的合理化，如图１９－１０

所示。成组技术基本原理是利用事物相似性的原理，进行相似性处理，具体做法是通过找出一个代表性零件（代表零件也可以是假拟的），即主样件。通过主样件解决全组零件的加工工艺问题，设计全组零件共同能采用的工艺装备，并对现有设备进行必要的改装等。成组技术首先是从成组加工发展起来的。划分为同一组的零件可以按相同的工艺路线在同一设备、生产单元或生产线上完成全部机械加工。一般加工工件的改变即只需进行少量的调整工作。上一页下一页返回第三节现代制造技术实践证明，在中小批量生产中采用成组技术，可以取得最佳的综合经济效益。归纳起来，实施成组技术可以带来以下好处：将中小批量的生产纲领变为大批量或近似于大批量的生产，提高生产率，稳定产品质量和一致性；减少加工设备和专用工装夹具的数目，降低固定投入，降低生产成本；促进产品设计标准化和规格化，减少零件的规格品种，减轻产品设计和工艺规程编制工作量；利用成组技术还可以使企业以最有效的工作方式得到统一的数据和信息，获得最大的经济效益，并为企业建立集成信息系统打下基础，为提高多品种、中小批生产的经济效益开辟广阔的道路。上一页下一页返回第三节现代制造技术２常见分类编码系统机械零件的传统表示方法是零件图纸。用图纸表达零件固然详尽、准确，但在有些情况下不够简明，特别是检索零件的某些特征时，需要翻阅很多图纸，十分不便，给成组技术中的零件分类带来了很大的困难。所谓编码，就是用一串数字、拉丁字母甚至汉字来描述零件的结构形状特征和工艺特征。最常见、最方便的是用数字码，即将零件的特征数字化，以便于计算机处理。此外，阿拉伯数字在全世界都通用。上一页下一页返回第三节现代制造技术为了对编码的含义有统一的认识，就需要对其所代表的含义做出规定和说明，这种规定和说明称为编码法则，也称为编码系统。对零件进行编码，将零件的各有关特征用编码来表示，实际上也就是对零件进行分类，所以零件编码也称为分类编码，编码系统也称为分类编码系统。分类编码方法的制定应该同时从设计和工艺两个方面来考虑。从设计角度考虑应使分类编码方法有利于零件的标准化，减少图纸数量，也就是减少零件品种，统一零件结构设计要素。从工艺角度考虑则应使具有相同工艺过程和方法的零件归并成组，以扩大零件批量。但是考虑到零件的工艺过程在很大程度上取决于零件的结构形状，而工艺方法又是在不断改进中提高的，因此可以把编码数字分为以设计特征为基础的主码和以工艺特性为基础的辅码。上一页下一页返回第三节现代制造技术目前国外采用的常用分类方法有２０多种，编码位数一般为４～９位。也有多达２６位数字和字母的，其把零件特征分得很细，但实际使用比较复杂，主要分类方法有德国的Ｏｐｉｔｚ和ＺＡＦＯ、英国的Ｂｒｉｓｃｈ、日本的ＫＫ－３和丰田分类法以及我国的ＪＬＢＭ－１机械零件编码法则等。ＪＬＢＭ－１机械零件分类编码系统基本组成如表１９－１所示。ＪＬＢＭ－１机械零件分类编码系统是由我国机械工业部组织制定并批准实施的分类编码系统，由１５个码位组成。１～９码位是主码，其中１、２码位表示零件的名称类别；３～９码位是形状及加工码；１０～１５码位是辅助码，表示零件的材料、毛坯、热处理、主要尺寸和精度的特征等。上一页下一页返回第三节现代制造技术随着计算机技术的发展，已有自动编码系统研制成功，不仅提高了编码速度，而且消除了人工差错，提高了对零件信息描述的确切程度和一致性。３成组加工的工艺准备工作成组技术工艺准备工作包括以下五个方面的内容。（１）零件分类编码、划分零件组首先必须按照零件的相似特征将零件分类编组，然后以零件组为对象进行工艺设计和组织生产。零件分类成组的方法有三种：编码分类法、人工视检法和生产流程分析法。上一页下一页返回第三节现代制造技术（２）拟定成组工艺路线选择或设计主样件，按主样件编制工艺路线，适合于该零件组内所有零件的加工；但对结构复杂的零件，要将组内全部形状结构要素综合而形成一个主样件，通常是困难的。此时可采用流程分析法，即分析组内各零件的工艺路线，综合成为一个工序完整、安排合理、适合全组零件的工艺路线，编制出成组工艺卡片。（３）选择设备并确定生产组织形式成组加工的设备可以有两种选择，一是采用原有通用机床或适当改装，配备成组夹具和刀具；二是设计专用机床或高效自动化机床及工装。这两种选择相应的加工工艺方案差别很大，所以拟定零件工艺过程时应考虑到设备选择方案。上一页下一页返回第三节现代制造技术（４）设计成组夹具、刀具的结构和调整方案这是实现成组加工的重要条件，将直接影响到成组加工的经济效果。因为改变加工对象时，要求对工艺系统只做少量的调整。如果调整费事，相当于生产过程中断，准备终结时间延长，就体现不出“成组批量”了。因此对成组夹具、刀具的设计要求是改换工件时调整简便、迅速，定位夹紧可靠，能达到生产的连续性，调整工作对工人技术水平要求不高。（５）进行技术经济分析成组加工应做到在稳定地保证产品质量的基础上，达到较高的生产率和较高的设备负荷率（６０％～７０％）。因此根据以上制定的各类零件的加工过程，计算单件时间定额及各台设备或工装的负荷率，若负荷率不足或过高，则可调整零件组或设备选择方案。上一页下一页返回第三节现代制造技术４成组生产组织形式随着成组加工的推广和发展，其生产组织形式已由初级形式的成组单机加工发展到成组生产单元、成组生产线和自动线，以至于现代最先进的柔性制造系统和全盘无人化工厂。（１）成组单机在转塔车床、自动车床或其他数控机床上成组加工小型零件，这些零件的全部或大部分加工工序都在这一台设备上完成，这种形式称为单机成组加工。单机成组加工时机床的布置虽然与机群式生产工段类似，但在生产方式上却有着本质上的差异，它是按成组工艺来组织和安排生产的。上一页下一页返回第三节现代制造技术（２）成组生产单元在一组机床上完成一个或几个工艺相似零件组的全部工艺过程，该组机床即构成车间的一个封闭生产单元系统。这种生产单元与传统的小批量生产下所常用的“机群式”排列的生产工段是不一样的。一个机群式生产工段只能完成零件的某一个别工序，而成组生产单元却能完成一定零件组的全部工艺过程。成组生产单元的布置要考虑每台机床的合理负荷。如条件许可，应采用数控机床、加工中心代替普通机床。成组生产单元的机床按照成组工艺过程排列，零件在单元内按各自的工艺路线流动，缩短了工序间的运输距离，减少了在制品的积压，缩短了零件的生产周期；上一页下一页返回第三节现代制造技术同时零件的加工和输送不需要保持一定的节拍，使得生产的计划管理具有一定的灵活性；单元内的工人工作趋向专业化，加工质量稳定，效率比较高，所以成组生产单元是一种较好的生产组织形式。（３）成组生产线成组生产线是严格地按零件组的工艺过程组织起来的。在线上各工序节拍是相互一致的，所以其工作过程是连续而有节奏地进行的。这就可缩短零件的生产时间和减少在制品数量。一般在成组生产线上配备了许多高效的机床设备，使工艺过程的生产效率大为提高。上一页下一页返回第三节现代制造技术成组生产线有两种型式：成组流水线和成组自动线。前者工件在工序间的运输是采用滚道和小车进行的，它能加工工件的种类较多，在流水线上每次投产批量的变化也可以较大。成组自动线则是采用各种自动输送机构来运送工件，所以效率就更高。但它所能加工的工件种类较少，工件投产批量也不能有很大的变化，工艺适应性较差。５成组工艺过程制定零件分类成组后，便形成了加工组，下一步就是针对不同的加工组制定适合于组内各件的成组工艺过程。编制成组工艺的方法有复合零件法和复合路线法两种。复合零件又称为主样件，它包含一组零件的全部形状要素，有一定的尺寸范围，可以是一个实际零件，也可以是假想零件。上一页下一页返回第三节现代制造技术复合路线法是从分析加工组中各零件的工艺路线入手，从中选出一个工序最多、加工过程安排合理并有代表性的工艺路线。然后以它为基础，逐个地与同组其他零件的工艺路线比较，并把其他特有的工序，按合理的顺序叠加到有代表性的工艺路线上，使之成为一个工序齐全、安排合理、适合于同组内所有零件的复合工艺路线。二、计算机辅助设计与制造（ＣＡＤ／ＣＡＭ）１ＣＡＤ／ＣＡＭ的基本概念ＣＡＤ／ＣＡＭ是计算机辅助设计／计算机辅助制造的简称，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术是制造工程技术与计算机技术紧密结合、相互渗透而发展起来的一项综合性应用技术，具有知识密集、学科交叉、综合性强、应用范围广等特点。上一页下一页返回第三节现代制造技术ＣＡＤ／ＣＡＭ技术是先进制造技术的重要组成部分，它的发展和应用使传统的产品设计、制造内容和工作方式等都发生了根本性的变化。ＣＡＤ／ＣＡＭ技术已成为衡量一个国家科技现代化和工业现代化水平的重要标志之一，是当今世界发展最快的技术之一。它不仅促使了生产模式的转变，同时也促进了市场的发展。（１）ＣＡＤ技术计算机辅助设计是以计算机为主要手段来辅助设计者完成某项设计工作的建立、修改、分析和优化、输出信息等全部任务的综合性高新技术，作为现代先进设计与制造技术的基础，ＣＡＤ是多学科相交叉、知识密集型的高新技术，是现代企业不可缺少的设计手段。上一页下一页返回第三节现代制造技术（２）ＣＡＭ技术计算机辅助制造是指计算机在制造领域有关应用的统称，有广义ＣＡＭ和狭义ＣＡＭ之分。所谓广义ＣＡＭ，是指利用计算机辅助完成从生产准备工作到产品制造过程中的直接和间接的各种活动，包括工艺准备、生产作业计划、物流过程的运行控制、生产控制、质量控制等主要方面。其中工艺准备包括计算机辅助工艺过程设计、计算机辅助工装设计与制造、ＮＣ编程、计算机辅助工时定额和材料定额的编制等内容；物流过程的运行控制包括物料的加工、装配、检验、输送、储存等生产活动。而狭义ＣＡＭ通常指数控程序的编制，包括刀具路线的规划、刀位文件的生成、刀具轨迹仿真以及后置处理和ＮＣ代码生成等。上一页下一页返回第三节现代制造技术ＣＡＭ中核心的技术是数控加工技术。数控加工主要分程序编制和加工过程两个步骤。程序编制是根据图纸或ＣＡＤ信息，按照数控机床控制系统的要求，确定加工指令，完成零件数控程序编制；加工过程是将数控程序传输给数控机床，控制机床各坐标的伺服系统，驱动机床，使刀具和工件严格按执行程序的规定相对运动，加工出符合要求的零件。作为应用性、实践性极强的专业技术，ＣＡＭ直接面向数控生产实际。生产实际的需求是所有技术发展与创新的原动力，ＣＡＭ在实际应用中已经取得了明显的经济效益，并且在提高企业市场竞争能力方面发挥着重要作用。上一页下一页返回第三节现代制造技术（３）ＣＡＤ／ＣＡＭ集成技术ＣＡＤ／ＣＡＭ技术是由计算机技术、机械设计和制造技术相互结合形成的一种多学科、综合性的应用技术。其狭义是指利用ＣＡＤ／ＣＡＭ系统进行产品的造型设计、模型计算分析和数控程序的编制等。其广义是指利用计算机技术进行产品设计与制造的整个过程及相关活动，包括产品设计、工艺准备、生产作业计划、物料作业计划的运行控制、生产控制、质量控制及工程数据管理等。ＣＡＤ／ＣＡＭ集成技术是各计算机辅助单元技术发展的必然结果。随着信息技术、网络技术的不断发展和市场全球化进程的加快，出现了以信息集成为基础的更大范围的集成技术，譬如将企业内经营管理信息、工程设计信息、加工制造信息、产品质量信息等融为一体的计算机集成制造系统。上一页下一页返回第三节现代制造技术而ＣＡＤ／ＣＡＭ集成技术是计算机集成制造系统、并行工程、敏捷制造等先进制造系统中的一项核心技术。２ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的基本功能ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的工作流程如图１９－１１所示。一个完善的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统应具有以下功能：交互图形输入和输出功能、几何造型功能、有限元分析功能、优化设计功能、处理数控加工信息功能、统一的数据管理功能和二维绘图功能等。（１）交互图形输入和输出功能在ＣＡＤ／ＣＡＭ作业过程中，一般都要用交互方法来生成和编辑图形。为了实现上述功能，系统必须具有合适的硬件和软件。上一页下一页返回第三节现代制造技术（２）几何造型功能几何造型功能是ＣＡＤ／ＣＡＭ系统图形处理的核心。因为ＣＡＤ／ＣＡＭ作业的后续处理是在几何造型的基础上进行的，所以几何造型功能的强弱，在较大程度上反映了ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的功能。通常几何造型又分为曲线、曲面造型与实体造型等。１）曲线和曲面造型。这里讲的曲线和曲面是指根据一些给定的离散点和相应的要求构造的曲线和曲面。如Ｂｅｚｉｅｒ曲线曲面、Ｂ样条曲线曲面等。用这些方法可以设计出非常复杂的曲线和曲面，同时也可以用它描述解析曲线和曲面。这些曲线和曲面在航空、造船和汽车制造工业应用很广，在有限元网格划分中也非常有用。上一页下一页返回第三节现代制造技术２）实体造型。一个实体造型系统，必须具有基本形体的定义输入功能、由基本体经过布尔运算生成复杂体的功能、形体输出功能以及一些局部修改操作功能。为了各种操作的需要，在一个实体造型系统中必须具备几种功能较强的表示方法，如构造实体几何表示法（ＣＳＧ）、边界表示法（Ｂ—Ｒｅｐ）等，并且各种表示法之间应能相互进行转换。集合运算是实体造型的核心，它的运算能力和可靠性及效率对系统的性能影响较大。在实体造型系统中必须具有高效、可靠的集合运算功能。另外，为实时地观察、检查设计对象是否正确，并真实地表示出设计对象的形态，造型系统必须具有真实感显示功能，如消除隐藏线（面）及色彩明暗处理的能力。还有，为了防止有关零部件发生相互干涉，系统还必须具有空间布局和干涉检查功能。上一页下一页返回第三节现代制造技术为了ＣＡＤ／ＣＡＭ集成系统的需要，有时还要求造型系统具有更强的造型功能，而且随着集成技术的发展，造型功能将显得更为重要。在产品总体和结构设计时，为了便于观察和修改，一般都采用三维图形显示表示。而设计结束后，为了加工制造和图纸管理，往往要求输出二维工程图纸，这就要求系统具有从三维图形转变为二维图纸的功能。另外，当事先已有二维图形时，要求具有通过二维图形生成三维图形的功能。还有，在设计过程中，往往要反复进行修改，为了保持修改的统一性，避免发生混乱，当对三维图形进行修改时，要求系统能自动修改二维图形对应部分；相反，当修改了二维图形后，系统能自动修改三维图形的对应部分，这就是所谓的二、三维联动。二、三维联动和转换在产品设计过程中是十分有用的，所以，一个好的几何造型系统应具备这方面的功能。上一页下一页返回第三节现代制造技术过去，曲线曲面造型和实体造型是分开进行研究和设计的，现在可用非均匀有理Ｂ样条统一表示曲面和平面组成的实体，如果具有这种功能，系统的造型能力将会更强，使用也将更加方便。３）物体几何特性计算功能。在产品设计和制造过程中，材料供应部门为了能及时准备各种材料，要求设计者提供产品所需材料的数据，在分析计算时，往往需要知道物体的体积质量、重心以及对某轴的转动惯量等数据，所以ＣＡＤ／ＣＡＭ系统应具有提供这些数据的功能。上一页下一页返回第三节现代制造技术（３）有限元分析功能在产品和工程设计过程中对整个产品（工程）及其中的重要受力零部件必须进行静、动力（应力、应变和系统固有频率）的分析计算；对高温下工作的产品除了进行上述分析计算外，还要进行热变形（热应力、应变）分析计算；在电子工程设计中，有时还要进行电磁场的分析计算；在飞行器和水利工程设计中，还要对流场及其流动特性进行分析计算，现在一般都采用有限元法对上述的各种要求进行分析计算，特别是对一些复杂构件用此方法进行分析计算不仅简单，而且精度较高。一个较好的、完善的有限元分析系统应包括前处理、分析计算和后处理三个部分。前处理，就是对被分析的对象进行有限元网格自动划分；上一页下一页返回第三节现代制造技术分析计算就是计算应力、应变、固有频率等数值；后处理就是对计算的结果用图形（等应力线、等温度线……）或用深浅不同的颜色来表示应力、应变、温度值等。这些功能在设计过程中是十分重要的。（４）优化设计功能优化设计是现代设计方法学的一个组成部分。一个产品或工程的设计实际上就是寻优的过程，就是在某些条件的限制下使产品和工程的设计指标达到最佳。在ＣＡＤ／ＣＡＭ系统中应具有优化求解功能。（５）处理数控加工信息功能系统应具有处理二至五坐标数控机床加工零件的能力，其中包括自动编程和动态模拟加工过程等功能。上一页下一页返回第三节现代制造技术（６）统一的数据管理功能一个ＣＡＤ／ＣＡＭ系统在设计过程中要处理的数据不仅数量大，而且类型也较多，其中包括数值型和非数值型数据，有些数据还是动态的，即随着设计过程不断变化。为了统一管理这批数据，在ＣＡＤ／ＣＡＭ系统中必须具有一个工程数据库管理系统（ＥＤＢＭＳ）以及在其管理之下的工程数据库。否则，如果用数据文件来存储，就可能产生一些不必要的麻烦。（７）二维绘图功能当前，在产品生产过程中，二维工程图纸还是传递产品信息的一种方式。因此，一个ＣＡＤ／ＣＡＭ系统应具有适合我国工程图纸绘制要求的二维绘图能力。上一页下一页返回第三节现代制造技术３ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的组成与基本类型一般来讲，一个ＣＡＤ／ＣＡＭ系统是由一系列必要的硬件和软件组成的，如图１９－１２所示。根据系统的要求，硬、软件的配置可能有所不同。而最低的硬、软件配置，以满足系统的基本功能为目标。系统软件和硬件的组成，基本如图１９－１３和图１９－１４所示，但对某一具体系统可能有些差异。由于使用要求不同，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的基本配置也有所不同。ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的类型可按系统的功能分，也可以按系统的硬件配置分。按系统的功能一般分为通用型ＣＡＤ／ＣＡＭ系统和专用的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统。通用型ＣＡＤ／ＣＡＭ系统功能适用范围很广，其硬件和软件配置也相对比较丰富。上一页下一页返回第三节现代制造技术而专用ＣＡＤ／ＣＡＭ系统是为了实现某些特殊功能的系统，其硬件和软件的配置相对简单，但要符合特殊功能的要求。按照不同的分类方式，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统可以分为不同的种类。根据是否使用计算机网络，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统又可分为单机系统和网络系统。计算机网络是通过通信线路连接起来的计算机集合，包括三个含义：必须有两台或两台以上的具有独立功能的计算机系统相互连接在一起，达到资源共享的目的；连接在一起的计算机必须有一条信息交换的通道；在同一网络中的计算机系统之间进行信息交换，必须遵循共同的约定与规则，即协议。上一页下一页返回第三节现代制造技术（１）单机ＣＡＤ／ＣＡＭ系统具备所有ＣＡＤ／ＣＡＭ的软件与硬件功能，但不能与其他ＣＡＤ／ＣＡＭ进行信息交换，信息不能共享。（２）网络ＣＡＤ／ＣＡＭ系统将具备ＣＡＤ／ＣＡＭ的软件与硬件功能的各个节点用网络设备和通信线路进行连接就形成了一个网络化的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统，可实现资源与信息共享。网络结构有星型、环型、总线型和网络型等形式。由于总线型具有兼容性强、开放性和可扩展性良好等特性，因此已成为主流。按组成ＣＡＤ／ＣＡＭ系统所用的计算机类型的不同，一般可以分为以下四类。上一页下一页返回第三节现代制造技术（１）大型机ＣＡＤ／ＣＡＭ系统该系统一般采用具有大容量的存储器和极强计算功能的大型通用计算机为主机，一台计算机可以连接几十至几百个图形终端和字符终端及其他图形输入和输出设备。主要优点是：系统具有一个大型的数据库，可以对整个系统的数据实行综合管理和维护；计算速度极快。主要缺点是：如果ＣＰＵ失效，则整个用户都不能工作；由于计算机数据库处于中央位置，计算机数据容易被破坏；终端距离不能太远；随着计算机的总负荷增加，系统的响应速度将降低。上一页下一页返回第三节现代制造技术该系统一般都用在大型的飞机制造和船舶制造等公司。系统的成本很高，一般中小型企业不可能承受。有代表性的主机如ＤＥＣ公司的ＶＡＸ８８００和ＶＡＸ９０００系列，ＩＢＭ公司４３ＸＸ、３０ＸＸ和３０９０Ｅ系列的大型机等；系统的应用软件主要有美国洛克希德公司的ＣＡＤＡＭ和麦道公司的ＵＧＩＩ及法国索达公司的ＣＡＴＩＡ等。（２）小型机ＣＡＤ／ＣＡＭ系统生产、制造这类系统的厂商很多，如美国的ＣＶ、Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ、Ｃａｌｍａ、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、Ａｕｔｏ⁃ｔｒｏｌ、Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ等公司。在它们中间生产的产品大致可以分为两种类型。上一页下一页返回第三节现代制造技术ＣＶ公司生产的属于全封闭系统，该公司曾投入了大量的人力与物力进行硬件和软件的开发。ＣＡＤＤＳ４系统就是一个典型代表。当时，这类产品在世界上的销量相当大。另外一些厂商，如Ｉｎｔｅｒｇｒａｐｈ、Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ、Ｕｎｉｇｒａｐｈｉｃｓ、Ｃａｌｍａ等公司，它们采用了与ＣＶ公司完全不同的策略，即选择通用的计算机，如ＶＡＸ和Ｍｉｃｒｏ—ＶＡＸ等计算机作为系统的硬件环境，有时它们也自己研制和生产一些专用的图形处理设备和高性能的图形显示器。这类系统的优点是软件的移植性较好，用户有较大的主动权，而且软件的研制者不必在硬件生产上分散精力。后来ＣＶ公司也逐步改变了自己的策略，逐渐向具有兼容性的硬件环境方向发展。上一页下一页返回第三节现代制造技术通过使用，人们逐渐发现这类小型机系统具有一定的局限性，如系统的计算能力差，且扩充能力也受到限制等。而且，不同系统之间的数据存储格式不相同，从而影响不同系统之间的数据交换。２０世纪８０年代中期，由于分布式工作站的问世和异种机之间联网技术的发展，促进了这种独立系统向开放式系统发展，而系统使用的软件也逐步向工业标准方向靠拢。从目前来看，此类的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统将越来越少。当前，在我国使用ＤＥＣ公司生产的ＶＡＸ系列计算机较多，且国内已能生产某种ＶＡＸ系列的兼容机，并对其操作系统ＭＶＳ等方面做了一些汉化处理。上一页下一页返回第三节现代制造技术（３）工作站组成的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统２０世纪８０年代初期以后，３２位的工作站问世，以工作站为基础的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统与分时系统的小型机ＣＡＤ／ＣＡＭ系统不同，一台工作站只能一人使用，并且具有联网功能。其处理速度很快，已经赶超过去的小型和中型计算机的速度。５ＭＩＰＳ，它比ＩＢＭ４３８１和ＶＡＸ７８０小型机的处理速度高几倍到几十倍。当前某些高档工作站的处理速度更高，已达到甚至超过小巨机的水平。这类工作站一般都采用ＲＩＳＣ技术和开放系统的设计原则，用ＵＮＩＸ作为它们的操作系统。上一页下一页返回第三节现代制造技术（４）ＰＣ微机组成的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统随着微机性能的不断提高及价格的不断下降，以ＰＣ机组成的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统近年来不断增多。由于Ｉｎｔｅｌ公司以８０２８６、８０３８６芯片取代了原来的芯片，故使得微机的运行速度大大提高，而且内存容量也不断扩大，图形显示器分辨率已达到１０２４×７６８，彩色位数也有所增加。以３８６（配上浮点运算器）或４８６微机为基础，配上相应的软件与图形输入输出设备，就可以组成一套微机ＣＡＤ／ＣＡＭ系统。目前以ＰＣ微机为主处理机的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统除了用于进行二维绘图以外，还能做三维几何造型和有限元分析计算工作。上一页下一页返回第三节现代制造技术目前在微机上运行的软件主要有ＡｕｔｏＣＡＤ和ＰＤ（ＰｅｒｓｏｎａｌＤｅｓｉｇｎｅｒ）等，但随着微机性能的进一步提高，将来有可能用它进行复杂的三维造型和计算，甚至取代低档工作站。值得一提的是，由于网络技术的发展，现在微机已能与大型机、小型机和工作站联网，成为整个网络的一个结点，共享大型机和工作站等的资源。这样，大型机系统、工作站系统和ＰＣ机系统就不再相互割裂，而成为一个有机的整体，在网络中发挥各自的优点，使得原来要在小型机和工作站上进行的ＣＡＤ／ＣＡＭ工作可由微机来完成。上一页下一页返回第三节现代制造技术４ＣＡＤ／ＣＡＭ的应用与发展我国在ＣＡＤ／ＣＡＭ技术方面的研究开始于２０世纪７０年代中期，当时主要是研究开发二维绘图软件，并利用绘图机输出二维图形，主要研究单位是高等学校。航空和造船工业是应用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术较早的部门。２０世纪８０年代初，有些大型企业和设计院成套引进ＣＡＤ／ＣＡＭ系统（主要是ＴｕｒｎｋｅｙＳｙｓｔｅｍ），并在此基础上进行开发和应用，取得了一定的成果。随着改革开放和发展商品经济的需要，在２０世纪８０年代中后期，我国的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术有了较大的发展，而且ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的优点被越来越多的人所注意。上一页下一页返回第三节现代制造技术进入２０世纪９０年代后，各工业部门普遍提出了开发ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的计划，主要表现在以下几个方面：部分单位已较好地应用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术，提高设计质量，取得了经济效益；对ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的理论和软件开发进行了大量的研究，并取得了一定的成果（如清华大学、浙江大学、西北工业大学、北京航空航天大学、中科院计算所等）。进入２０世纪９０年代后，国家科委、各工业部门都十分重视ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展，并有计划、有步骤地在全国各地ＣＡＤ／ＣＡＭ培训基地，对有关人员ＣＡＤ／ＣＡＭ进行技术方面的培训，以提高有关人员的ＣＡＤ／ＣＡＭ素质。与此同时，有些工业部门还对所属单位提出应用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的具体要求。上一页下一页返回第三节现代制造技术通过近２０年坚持不懈的努力，我国ＣＡＤ／ＣＡＭ技术在理论与算法研究、硬件设备生产、支撑软件的开发与商品化、专业应用软件的研制与应用，以及在人才培养与技术普及等方面均取得了丰硕的成果。近年来，我国ＣＡＤ／ＣＡＭ技术发展迅速，应用日趋成熟，范围不断拓宽，水平不断提高，应用领域几乎渗透到所有制造工程领域，尤其是机械、电子、建筑、造船、轻工等行业在ＣＡＤ／ＣＡＭ技术开发应用上已经有了一定的规模，并取得了显著的成效。我国已自行开发了大量实用的ＣＡＤ／ＣＡＭ软件，国内计算机生产厂家已能够为ＣＡＤ／ＣＡＭ系统提供性能良好的计算机和工程工作站。少数大型企业已经建立起较完整的ＣＡＤ／ＣＡＭ系统并取得较好的效益，中小企业也开始使用ＣＡＤ／ＣＡＭ技术并初见成效。一些企业已着手建立以实现制造过程信息集成为目标的企业级ＣＩＭＳ系统，以实现系统集成、信息共享。上一页下一页返回第三节现代制造技术综观先进制造技术的发展，可以看到，未来的制造是基于集成化与智能化的敏捷制造和“全球化”“网络化”制造，未来的产品是基于信息和知识的产品。ＣＡＤ／ＣＡＭ技术是当前科技领域的前沿课题，它的发展和应用使传统的产品设计方法与生产模式发生了深刻的变化，从而带动制造业技术的快速发展，已经产生并必将继续产生巨大的社会经济效益。５ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展趋势随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术应用越来越广泛和深入，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的未来发展主要体现在集成化、网络化、智能化和标准化的实现上。上一页下一页返回第三节现代制造技术（１）集成化随着计算机技术的发展，ＣＡＤ／ＣＡＭ系统已从简单、单一、相对独立的功能发展成为复杂、综合、紧密联系的功能集成系统。集成的目的是为用户进行研究、设计、试制等各项工作提供一体化支撑环境，实现在整个产品生命周期中各个分系统间信息流的畅通和综合。集成涉及功能集成、信息集成、过程集成与动态联盟中的企业集成。为提高系统集成的水平，ＣＡＤ技术需要在数字化建模、产品数据管理、产品数据交换及各种ＣＡＸ（ＣＡＤ、ＣＡＥ、ＣＡＭ等技术的总称）工具的开发与集成等方面加以提高。上一页下一页返回第三节现代制造技术（２）智能化设计是含有高度智能的人类创造性活动。智能化ＣＡＤ／ＣＡＭ技术不仅是简单地将现有的人工智能技术与ＣＡＤ／ＣＡＭ技术相结合，更要深入研究人类认识和思维的模型，并用信息技术来表达和模拟这种模型。智能化ＣＡＤ／ＣＡＭ技术涉及新的设计理论与方法（如并行设计理论、大规模定制设计理论、概念设计理论、创新设计理论等）及设计型专家系统的基本理论与技术（如设计知识模型的表示与建模、知识利用中的各种搜索与推理方法、知识获取、工具系统的技术等）等。智能化是ＣＡＤ／ＣＡＭ技术发展的必然趋势，将对信息科学的发展产生深刻的影响。上一页下一页返回第三节现代制造技术（３）网络化网络技术的飞速发展和广泛应用，改变了传统的设计模式，将产品设计及其相关过程集成并行地进行，人们可以突破地域的限制，在广域区间与全球范围内实现协同工作和资源共享。网络技术使ＣＡＤ／ＣＡＭ系统实现异地、异构系统在企业间的集成成为现实。网络化ＣＡＤ／ＣＡＭ技术可以实现资源的取长补短和优化配置，极大地提高企业的快速响应能力和市场竞争力，“虚拟企业”“全球制造”等先进制造模式由此应运而生。目前基于网络化的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术，需要在能够提供基于网络的完善协同设计环境和提供网上多种ＣＡＤ应用服务等方面提高水平。上一页下一页返回第三节现代制造技术（４）标准化随着ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的发展和应用，工业标准化问题日益越来越显得重要。目前已制定了一系列相关标准，如面向图形设备的标准计算机图形接口（ＣＧＩ）、面向图形应用软件的标准ＧＫＳ和ＰＨＩＧＳ、面向不同ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的产品数据交换标准ＩＧＥＳ和ＳＴＥＰ，此外还有窗口标准以及最新颁布的《ＣＡＤ文件管理》《ＣＡＤ电子文件应用光盘存储与档案管理要求》等标准。这些标准规范了ＣＡＤ／ＣＡＭ技术的应用与发展，例如ＳＴＥＰ既是标准，又是方法学，由此构成的ＳＴＥＰ技术深刻影响着产品建模、数据管理及接口技术。随着技术的进步，新标准还会出现。ＣＡＤ／ＣＡＭ系统的集成一般建立在异构的工作平台之上，为了支持异构跨平台的环境，要求ＣＡＤ／ＣＡＭ系统必须是开放的系统，必须采用标准化技术。上一页下一页返回第三节现代制造技术完善的标准化体系是我国ＣＡＤ／ＣＡＭ软件开发及技术应用与世界接轨的必由之路。目前，ＣＡＤ／ＣＡＭ技术正向着集成化、网络化、智能化和标准化的方向发展。未来的ＣＡＤ／ＣＡＭ技术将为新产品开发提供一个综合性的网络环境支持系统，全面支持异地、数字化、