數(shù)控加工過程原理及應(yīng)用.ppt

數(shù)控加工過程原理及應(yīng)用,梅雪松 西安交通大學(xué) 數(shù)字控制與裝備技術(shù)研究所 2007、1,2,第一部分 現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展概況,制造 狹義制造概念：產(chǎn)品的制作過程 廣義制造概念：產(chǎn)品整個(gè)生命周期過程,制造系統(tǒng) 系統(tǒng)：由相互作用和相互依賴的若干組成部分結(jié)合 成的具有特定功能的有機(jī)整體 制造系統(tǒng)：制造過程所涉及的硬件（人員、設(shè)備、 材料、能源和各種輔助裝置），以及有關(guān)軟件（制 造理論、制造技術(shù)、制造方法）等組成的具有特定 功能的有機(jī)整體,一、基本概念的更新,舉例 機(jī)械加工系統(tǒng),“三流”運(yùn)動(dòng),類型： 加工裝備 ： 主要是機(jī)床 金屬切削機(jī)床：通用機(jī)床 車、鉆、鏜、銑、磨、刨 專用機(jī)床 如精密絲杠車床等 特種加工機(jī)床：電火花加工、超聲波加工、激光加工 電子束加工機(jī)床等 工藝裝備：刀具、夾具、模具、量具 輸送及倉儲(chǔ)裝備：物料輸送、上下料、立體倉庫等 輔助裝備：清洗、排屑等,傳統(tǒng)制造裝備 定義：能夠完成制造系統(tǒng)“制造”功能的設(shè)備或裝置,先進(jìn)制造裝備,特點(diǎn)： 綜合性 不僅涉及機(jī)械、電子等學(xué)科，還與控制、信息、計(jì)算機(jī)等多種學(xué)科有密切關(guān)系，是多學(xué)科的綜合。 先進(jìn)性 機(jī)械電子的有機(jī)結(jié)合，可使傳統(tǒng)機(jī)電裝備的性能得到改善和提高，與傳統(tǒng)產(chǎn)品相比具有明顯的優(yōu)越性和先進(jìn)性。 復(fù)雜性 技術(shù)涉及多種學(xué)科和技術(shù)，復(fù)雜性顯而易見。對(duì)設(shè)計(jì)研制者和使用維修人員要求高。,定義：大量采用最新科研成果的機(jī)電一體化設(shè)備。 不再是過去的純機(jī)械設(shè)備，而是機(jī)械學(xué)、微電子學(xué)、自動(dòng)化技 術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息科學(xué)等有機(jī)結(jié)合。,種類： 先進(jìn)制造裝備種類繁多，規(guī)格不一，功能各異，主要有：工業(yè)機(jī)器人、NC機(jī)床、CNC機(jī)床、加工中心、分布式數(shù)控（DNC）、柔性制造系統(tǒng)(FMS)等,6,機(jī)器人,MC,數(shù)控測量機(jī),FMS,電火花加工,激光焊接,7,二、現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展歷程,現(xiàn)代制造業(yè)是從傳統(tǒng)制造業(yè)發(fā)展起來的。 20世紀(jì)50年代 產(chǎn)品品種單一，為提高生產(chǎn)率，廣泛采用自動(dòng)機(jī) 床、組合機(jī)床和專用生產(chǎn)線，適用于大批大量生產(chǎn)。 20世紀(jì)70年代 需求多樣化，市場競爭激烈。1952年美國麻省理工學(xué)院研制成功第一臺(tái)NC機(jī)床。20年來，完成了從電子管、晶體管、小規(guī)模集成到大規(guī)模集成4次變革。 20世紀(jì)80年代 出現(xiàn)了柔性制造系統(tǒng)（FMS），它是采用一組NC機(jī)床和其他自動(dòng)化裝備組成一個(gè)有機(jī)整體。進(jìn)一步出現(xiàn)了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（CIMS）。 20世紀(jì)90年代 全球經(jīng)濟(jì)一體化加快，快速響應(yīng)市場是一個(gè)重要方向，出現(xiàn)精良制造、敏捷制造、虛擬公司等新的生產(chǎn)模式。,舉例 CIMS生產(chǎn)模式,三、我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀,現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備的品種少、檔次低，導(dǎo)致大量進(jìn)口的局面。不少工廠還是“一個(gè)工人，一把刀，一臺(tái)機(jī)床”，生產(chǎn)率低下，產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定。 裝備的落后，嚴(yán)重的影響了機(jī)械制造業(yè)的振興。 近年來制造業(yè)發(fā)展較快，但制造的產(chǎn)品技術(shù)含量低，附加值低，現(xiàn)在也只能是一個(gè)制造大國，不是制造強(qiáng)國。,存在的突出問題 裝備制造業(yè)簿弱 產(chǎn)品以粗簡、低端為主，附加值不高 能源消耗大，污染嚴(yán)重,四、現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展趨勢,現(xiàn)代制造業(yè)的高技術(shù)化趨勢 提高高新技術(shù)含量，提高產(chǎn)品 附加值，廣泛采用數(shù)控技術(shù)，提高制造能力和水平 現(xiàn)代制造業(yè)的服務(wù)化趨勢 由“以產(chǎn)品為中心” 正在轉(zhuǎn)變?yōu)?“以 顧客為中心”，全方位地為顧客服務(wù)、為社會(huì)服務(wù) 現(xiàn)代制造業(yè)的信息化趨勢 由先進(jìn)的信息和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)按照服務(wù) 業(yè)的運(yùn)行模式裝備和改造傳統(tǒng)制造業(yè)，使信息處理速度和精度 不斷提高。,現(xiàn)代先進(jìn)制造裝備的發(fā)展方向 功能趨向多樣化、自動(dòng)化 硬件結(jié)構(gòu)趨向模塊化、集成化、通用化和標(biāo)準(zhǔn)化 驅(qū)動(dòng)裝置向數(shù)字化、交流化方向發(fā)展 控制技術(shù)逐步走向智能化 程序編制逐步實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化 多功能、高效率、高智能、高可靠性、結(jié)構(gòu)簡化、節(jié) 能環(huán)保等都是現(xiàn)代制造業(yè)始終追求的目標(biāo)和發(fā)展方向。,11,第二部分CAD/CAE/CAM與制造業(yè)信息化,CAD（Computer Aided Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)) 以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的各項(xiàng)工作，如幾何設(shè)計(jì)、實(shí)體建模、繪圖等。 CAE（Computer Aided Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程) 以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中的工程分析工作，如有限元法、優(yōu)化方法、仿真技術(shù)、動(dòng)力學(xué)計(jì)算等。 CAM （Computer Aided Manufacturing，計(jì)算機(jī)輔助制造) 以計(jì)算機(jī)為輔助工具來完成從生產(chǎn)準(zhǔn)備到產(chǎn)品制造出來的過程中的各項(xiàng)活動(dòng)，包括工藝設(shè)計(jì)（CAPP)、工裝設(shè)計(jì)、自動(dòng)NC編程、機(jī)器人編程等。 常用軟件：Pro/E ， UG，CATIA； Solid Edge； Solid Works；Inventor 等。,一、CAD/CAE/CAM的基本概念,12,CAD/CAM的發(fā)展,CAD與CAM幾乎同步 50年代形成階段 發(fā)展階段：60年代計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展 成熟階段80年代市場化，90年代3維， 大批的軟件IDEAS，ProE 集成階段：90年代,13,設(shè)計(jì)制造與CAD/CAM,概念設(shè)計(jì) 初步設(shè)計(jì) 詳細(xì)設(shè)計(jì) 文檔設(shè)計(jì)： 工藝設(shè)計(jì)： 加工制造,14,先進(jìn)制造與CAD/CAM,先進(jìn)產(chǎn)品制造中的CAD/CAM技術(shù) 市場競爭中的CAD/CAM技術(shù)： CAD/CAM制造的全新化 CAD/CAM的經(jīng)濟(jì)效益: 快速開發(fā) 產(chǎn)品質(zhì)量 柔性制造 減少浪費(fèi),15,二、CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的組成,外圍設(shè)備,硬件系統(tǒng),軟件系統(tǒng),CAD/CAE/CAM系統(tǒng),生產(chǎn)設(shè)備,計(jì)算機(jī),支撐軟件,應(yīng)用軟件,系統(tǒng)軟件,16,充分利用計(jì)算機(jī)高速、準(zhǔn)確、高效的計(jì)算功能,圖形處理功能,以及對(duì)大量的各類數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、傳遞、加工功能,在運(yùn)行過程中，結(jié)合人的經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)及創(chuàng)造性，形成一個(gè)人機(jī)交互、各盡所長、緊密配合的系統(tǒng),以提高設(shè)計(jì)制造的質(zhì)量和效率。,三、CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的工作過程,CAM,17,CAD/CAM軟件系統(tǒng),1、系統(tǒng)軟件 操作系統(tǒng)：DOS/Windows/Linux 語言編譯系統(tǒng)：人機(jī)交互語言的翻譯軟件 2、支撐軟件 CAD/CAE/CAPP/CAM 3、應(yīng)用軟件:二次開發(fā),18,四、CAD/CAE/CAM在專業(yè)學(xué)科知識(shí)結(jié)構(gòu)中的地位,數(shù)學(xué)基礎(chǔ),力學(xué)基礎(chǔ),機(jī)械基礎(chǔ),機(jī)械設(shè)計(jì)理論,機(jī)械制造理論,CAD/CAE/CAM,產(chǎn)品制造,19,產(chǎn)品加工過程數(shù)據(jù)流,零件的描述與設(shè)計(jì)CAD 零件的特性分析與修正CAE/CAD 零件成型方法的設(shè)計(jì)與分析CAPP 零件成型刀具軌跡的規(guī)劃CAM 零件的數(shù)控加工CNC 零件成型質(zhì)量的評(píng)估與批量管理ERP,20,加工資源（機(jī)床、刀具）,產(chǎn)品設(shè)計(jì),工藝規(guī)劃數(shù)控編程,控制加工,傳統(tǒng)數(shù)控加工流程及制造信息的轉(zhuǎn)化,數(shù)據(jù)接口格式,數(shù)據(jù)接口格式,.基于專用接口的系統(tǒng)集成方式,制造過程的信息流 CAD/CAE/CAPP/ERP/ CAM/CNC,五、 CAD/CAE/CAM系統(tǒng)的集成方式,.基于標(biāo)準(zhǔn)接口的系統(tǒng)集成方式,22,3、基于STEP的系統(tǒng)集成方式 (總線方式),75%,35%,50%,23,STEP-NC（ISO14649）,STEP（ISO 10303）,STEP-NC與STEP的關(guān)系,24,EXPRESS信息描述語言,EXPRESS描述產(chǎn)品特征的數(shù)據(jù)模型，對(duì)產(chǎn)品幾何、拓?fù)?、材料、管理信息進(jìn)行描述，按照沃思語法定義的一種形式描述（Wirth syntax notation）便于人的理解和計(jì)算機(jī)處理 引入實(shí)體（ENTITY）和模式（SCHEMA）的概念，把研究對(duì)象或者概念抽象為具有屬性的實(shí)體，實(shí)體的集合為模式,25,用戶層,應(yīng)用系統(tǒng)層,PDM系統(tǒng)集成層,異構(gòu)環(huán)境處理層,4、 基于PDM (產(chǎn)品數(shù)據(jù)管理)的系統(tǒng)集成方式,26,CAD/CAM軟件的選擇原則,硬件基礎(chǔ) 軟件： 軟硬件匹配 性能/價(jià)格 使用便利 開放性/接口 二次開發(fā) 服務(wù),27,第三部分、數(shù)控系統(tǒng),28,1、數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu),29,數(shù)控系統(tǒng)的功能組成,一般數(shù)控系統(tǒng)由3部分組成： 1，MMC：人機(jī)接口 2，CNC：運(yùn)動(dòng)控制部分， 包括伺服部分，但一般 主軸在PLC部分。 3，PLC：機(jī)床的順控部分,人機(jī)接口,NC控制器,伺服驅(qū)動(dòng)器,數(shù)控機(jī)床,傳感器,機(jī)床強(qiáng)電,MMC,CNC,PLC,30,2、CNC系統(tǒng)硬件的層次結(jié)構(gòu),由計(jì)算機(jī)基本系統(tǒng)、設(shè)備支持層、設(shè)備層三部分組成。,31,32,CAD/CAE,/,CAM,系統(tǒng),MIS,系統(tǒng),專家系統(tǒng),外部接口模塊,總,控,制,模,塊,代碼處理模塊,插補(bǔ)運(yùn)算模塊,過程,、,邏輯控制模塊,軸控模塊,人機(jī)界面,設(shè)備管理軟件,檢測監(jiān)控模塊,人機(jī)界面,設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序,CNC,系統(tǒng)應(yīng)用軟件,操作系統(tǒng)平臺(tái),控制器硬件平臺(tái),機(jī)床系統(tǒng)硬件平臺(tái),3、數(shù)控系統(tǒng)參考模型,33,4、數(shù)控系統(tǒng)的形式：,1)專用數(shù)控系統(tǒng)： 生產(chǎn)廠商基于專門的控制硬件，在此基礎(chǔ)上開發(fā)所有數(shù)控系統(tǒng)控制軟件，與外設(shè)有標(biāo)準(zhǔn)的接口；FANUC,SIMENZI;,34,840數(shù)控系統(tǒng)的硬件組成,35,西門子810 D 硬件及其連接圖,36,數(shù)控系統(tǒng)軟件功能模塊,數(shù)控裝置,控制模塊,管理模塊,電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,位置運(yùn)動(dòng)控制,插補(bǔ)計(jì)算,刀補(bǔ)計(jì)算,速度處理,G功能處理,監(jiān)控處理,中斷處理,PLC處理,誤差補(bǔ)償,37,數(shù)控軟件功能模塊,電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制,插補(bǔ)計(jì)算,刀補(bǔ)計(jì)算,監(jiān)控處理,中斷處理,勻速控制,加/減速控制,直線、圓弧插補(bǔ),螺旋線 、空間插補(bǔ),刀具半徑補(bǔ)償,刀具長度補(bǔ)償,鍵盤處理,顯示處理,報(bào)警處理,急停處理,部分控制模塊功能,38,管理模塊,系統(tǒng)的初始化,鍵盤及顯示系統(tǒng)的初始化,數(shù)控程序的讀入CAD/ CAM,程序的編輯與修改,故障診斷程序,39,系統(tǒng)初始化,CPU和CTC的初始化,標(biāo)志位的初始化,鍵盤和緩沖區(qū)的初始化,顯示緩沖區(qū)的初始化,故障診斷程序,定時(shí)器的故障診斷,中斷功能的故障診斷,鍵盤的診斷,狀態(tài)的診斷,40,操作面板,NC,工作站,硬盤,UMS,顯示,/,文本,/,菜單,基本系統(tǒng),NCK-UMS,顯,示,操,作,MMC,存,儲(chǔ),應(yīng),用,界,機(jī),器,參,數(shù),硬,盤,面,部,分,程,序,存,儲(chǔ),診,斷,程,序,模,擬,通,信,服,務(wù),MMC-UMS,處,理,器,（,CP,）,塊,準(zhǔn),備,存,儲(chǔ),盒,PLC,PLC MMC-,數(shù),據(jù),操作系統(tǒng),NCK,界,計(jì)算機(jī),標(biāo),準(zhǔn),刀,具,面,調(diào),停,接,口,功能塊,管,理,用于機(jī)床控制的用戶程序,位,置,控,制,PLC,機(jī),床,界,面,輸入,/,輸出,PLC機(jī)器界面,靈敏度,V,.24,機(jī),器,控,制,（驅(qū)動(dòng),/,馬達(dá)）,SINEC H1,MAP 3.0,軟,盤,數(shù),據(jù),RS232C,（,V.24,）,中,心,AT,驅(qū),動(dòng),存,儲(chǔ),輸入,/,輸出,（標(biāo),題）,擴(kuò),展,盒,（,V,.24,）,PG,MMC-PLC,界面,西門子840數(shù)控系統(tǒng),MMC-NCK,PLC,RS232C,41,SINUMERIK 840C控制結(jié)構(gòu),SINUMERIK 840C包括了三個(gè)基本部分： l NCK（數(shù)控中心） l PLC（可編程邏輯控制器） l MMC（人機(jī)交換） NCK執(zhí)行部分典型的數(shù)控任務(wù)。例如：利用塊處理和插補(bǔ)的工件程序的執(zhí)行，軸和主軸通過位置控制的激勵(lì)。 PLC表示機(jī)床的界面控制，并且控制輔助軸、刀具庫及監(jiān)控設(shè)備等機(jī)床特殊功能。 顯示和操作功能，跟MMC操作模式的主控制一樣，在MMC部分里被執(zhí)行。,42,(1) NCK的組成部件,NCK組成部件基本包括： l 零件程序存儲(chǔ)器 l 通信處理器（CP） l 控制參數(shù) l UMS l NCK 結(jié)構(gòu) l 軸和主軸控制 零件程序存儲(chǔ)器 當(dāng)前正在加工的工件程序在NC部分儲(chǔ)存和管理。在NCK部件的零件程序存儲(chǔ)器不具有帶電保持。零件程序能被存儲(chǔ)在硬盤的數(shù)據(jù)管理部分（MMC）。數(shù)據(jù)是面向工件存儲(chǔ)的。 接口部件（CP 模塊）,43,SINUMERIK 840C把從MMC到NCK的通信單元連接起來,l SBC RS232C (V.24) l MMC 界面 l CP 模塊 NCK 控制參數(shù) 數(shù)字控制包括不同類型的控制參數(shù)： l 機(jī)床數(shù)據(jù) 所有由機(jī)床廠家所設(shè)定的用來適應(yīng)特定機(jī)床控制的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)為機(jī)床數(shù)據(jù)。例如，它們包括參考點(diǎn)的位置，軸的數(shù)量和名稱，驅(qū)動(dòng)單元.主軸轉(zhuǎn)速或進(jìn)給速率的加減速特性。機(jī)床數(shù)據(jù)能被一個(gè)可變的密碼保護(hù)。,44,l 設(shè)置數(shù)據(jù) 設(shè)置數(shù)據(jù)能被機(jī)床操作者或使用者改變。例如：它們包括工作區(qū)限制。 l PLC機(jī)器數(shù)據(jù) PLC機(jī)器數(shù)據(jù)可在NC和PLC的連接RAM中發(fā)現(xiàn)，并且能被操作者用來定義機(jī)床控制面板和機(jī)床選項(xiàng)等等。 PLC機(jī)器數(shù)據(jù)在NC的每次冷啟動(dòng)時(shí)被傳輸?shù)絇LC中。所有的PLC機(jī)器數(shù)據(jù)直到PLC的再次冷啟動(dòng)才有效。 l 刀具補(bǔ)償 機(jī)床操作者，在刀具補(bǔ)償中存儲(chǔ)刀具的幾何數(shù)據(jù)及磨損數(shù)據(jù)。,45,UMS（用戶存儲(chǔ)器子模塊）,為了適應(yīng)特定的機(jī)床控制和用戶的要求，可以配置操作者界面。機(jī)床特定的功能（例如循環(huán)）或操作者界面（顯示，菜單，信息）能在程控工作站“WS 800A”上生成。機(jī)床上的功能，文本和顯示以及機(jī)床生產(chǎn)者的參數(shù)都存儲(chǔ)在UMS中。UMS是在SINUMERIK 840C中MMC-CPU間的硬盤上的一個(gè)數(shù)據(jù)文件。當(dāng)控制啟動(dòng)后和執(zhí)行NCK的操作界面時(shí)，這個(gè)文件被載入NCK。,46,2). MMC部件,MMC部件被分為 l 基本系統(tǒng) l 應(yīng)用 基本系統(tǒng)包括下列： l 標(biāo)準(zhǔn)操作系統(tǒng)（FlexOS） l 驅(qū)動(dòng)器 l 數(shù)據(jù)管理 l 主控制 l MMC操作者通訊系統(tǒng) l 基本工具，例如：ASCII和DIN編輯器 l 顯示管理 通信協(xié)調(diào),47,MMC部件在應(yīng)用領(lǐng)域執(zhí)行,l 機(jī)床 l 參數(shù) l 編程 l 診斷 l 伺服,48,開放式數(shù)控系統(tǒng)的需求,智能化 數(shù)據(jù)共享（CAD/CAE/CAPP/CAM） 可擴(kuò)展(功能擴(kuò)展、平臺(tái)擴(kuò)展、重構(gòu)),2)開放式數(shù)控系統(tǒng),49,開放式數(shù)控系統(tǒng)形式,PC連接型NC 即將現(xiàn)有原型CNC與PC用通用串行線直接相連的一種組成形式:DNC PC嵌入型NC 即在傳統(tǒng)的專用數(shù)控機(jī)床中嵌入PC技術(shù)，PC與CNC之間用專用總線連接。 系統(tǒng)。 運(yùn)動(dòng)控制器+PC型 即在通用PC的擴(kuò)展槽中插入運(yùn)動(dòng)控制卡，完全采用以PC為硬件平臺(tái)的數(shù)控系統(tǒng)。PMAC運(yùn)動(dòng)控制器 全軟件型NC 即完全采用PC的全軟件形式的數(shù)控系統(tǒng)。NC的全部功能處理全由PC進(jìn)行，并通過裝在PC擴(kuò)展槽中的接口卡等進(jìn)行控制。STEP-NC,50,CNC系統(tǒng)應(yīng)用軟件：CNC軟件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)也是模塊化的。它負(fù)責(zé)：人機(jī)界面，代碼處理模塊對(duì)NC程序進(jìn)行解釋和預(yù)處理，產(chǎn)生相應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)交給插補(bǔ)運(yùn)算模塊或過程、邏輯控制模塊執(zhí)行，結(jié)果通過設(shè)備驅(qū)動(dòng)程操作相應(yīng)的硬件； 過程邏輯控制主要處理：過程控制、各種開關(guān)量、機(jī)床狀態(tài)等； 設(shè)備管理：進(jìn)行檢測、監(jiān)控。外部接口模塊：提供CAD/CAM接口、MIS系統(tǒng)接口、專家系統(tǒng)接口、數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)接口等。 外部程序運(yùn)行于操作系統(tǒng)之上，可利用CNC系統(tǒng)提供的庫函數(shù)開發(fā)相關(guān)應(yīng)用，并集成到一起。,51,在最低層，是數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)的硬件平臺(tái)，它包括機(jī)床本身的各軸驅(qū)動(dòng)器、繼電器、伺服電機(jī)等。 數(shù)控制器的硬件平臺(tái)，它是一個(gè)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，一般采用通用的PC機(jī)硬件結(jié)構(gòu)，還應(yīng)提供與機(jī)床底層的接口，如數(shù)字I