《機(jī)械CADCAM》課件第5章

第5章數(shù)字化制造基礎(chǔ)5.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床5.2數(shù)控加工與編程5.3DNC與FMS技術(shù)5.4快速成型制造習(xí)題與思考題

5.1數(shù)控技術(shù)與數(shù)控機(jī)床5.1.1數(shù)控技術(shù)的基本概念數(shù)字控制(NumericalControl，NC)技術(shù)簡(jiǎn)稱數(shù)控技術(shù)，是用數(shù)字化信息對(duì)控制對(duì)象加以控制的一種自動(dòng)控制技術(shù)。采用數(shù)控技術(shù)的控制系統(tǒng)可以對(duì)數(shù)字化控制信息進(jìn)行諸如邏輯運(yùn)算、數(shù)學(xué)運(yùn)算等復(fù)雜的信息處理工作，特別是可用軟件來改變信息處理的方式或過程。因此，數(shù)控技術(shù)被廣泛應(yīng)用于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的軌跡控制和開關(guān)量控制中，如機(jī)床、機(jī)器人的控制等。數(shù)字控制的對(duì)象是多種多樣的，數(shù)控機(jī)床是最早的數(shù)控對(duì)象，也是最典型的數(shù)控設(shè)備。數(shù)控機(jī)床是采用了數(shù)控技術(shù)的機(jī)床，或者說是裝備了數(shù)控系統(tǒng)的機(jī)床。世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床于1952年由美國(guó)帕森茲公司(ParsonsCo．)與麻省理工學(xué)院(MIT)合作研制成功，開創(chuàng)了世界數(shù)控機(jī)床發(fā)展的先河。隨后，數(shù)控機(jī)床便在世界各國(guó)迅速發(fā)展起來。經(jīng)過50多年的發(fā)展，數(shù)控技術(shù)在各個(gè)方面都有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，數(shù)控機(jī)床的效率、精度、柔性和可靠性進(jìn)一步提高，品種規(guī)格系列化，門類擴(kuò)展齊全，F(xiàn)MC、FMS也已進(jìn)入實(shí)用階段。數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床已成為國(guó)家工業(yè)現(xiàn)代化和國(guó)民經(jīng)濟(jì)建設(shè)中的基礎(chǔ)與關(guān)鍵裝備。5.1.2數(shù)控機(jī)床的組成及分類

1．?dāng)?shù)控機(jī)床的組成數(shù)控機(jī)床的種類繁多，但其一般組成如圖5.1所示。

1)信息載體信息載體又稱控制介質(zhì)，用于記錄數(shù)控機(jī)床上加工一個(gè)零件所必需的各種信息，以便控制機(jī)床運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)零件的加工。常用的信息載體有磁盤、光盤、磁帶等?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床也可用數(shù)控系統(tǒng)操作面板上的人機(jī)界面直接輸入零件加工程序。圖5.1數(shù)控機(jī)床的組成

2)數(shù)控系統(tǒng)數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)，由硬件和控制軟件組成。硬件包括計(jì)算機(jī)、CRT顯示器、鍵盤、面板、機(jī)床接口等。數(shù)控系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)數(shù)字化的零件程序輸入與存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及各種控制功能。

3)伺服系統(tǒng)伺服系統(tǒng)是數(shù)控系統(tǒng)的執(zhí)行部分，也是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件和動(dòng)力來源，由速度控制單元、位置控制單元、伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)等組成。數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)要求有好的快速響應(yīng)性能，能靈敏而準(zhǔn)確地跟蹤由數(shù)控系統(tǒng)發(fā)送來的數(shù)字指令信號(hào)。

4)主機(jī)主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械構(gòu)造實(shí)體，包括床身、立柱、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)等機(jī)械部件，它與普通機(jī)床的差別，主要在于機(jī)械結(jié)構(gòu)與功能部件的不同，由此形成數(shù)控機(jī)床構(gòu)造上的特色。

5)輔助裝置數(shù)控機(jī)床的輔助裝置是指數(shù)控機(jī)床的一些必要的配套部件，包括液壓和氣動(dòng)裝置、排屑裝置、交換工作臺(tái)、數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)和數(shù)控分度頭，還包括刀具及監(jiān)控檢測(cè)等裝置。

2．?dāng)?shù)控機(jī)床的分類數(shù)控機(jī)床的種類很多，為了便于了解和研究，可從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分類。

1)按機(jī)床的運(yùn)動(dòng)軌跡和控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類

(1)點(diǎn)位控制機(jī)床。點(diǎn)位控制只控制機(jī)床移動(dòng)部件的終點(diǎn)位置，而不管移動(dòng)時(shí)所走的軌跡如何，同時(shí)在移動(dòng)過程中不進(jìn)行加工。這種控制方式適合于一些進(jìn)行孔加工的數(shù)控機(jī)床。點(diǎn)位控制的功能是獲得精確的孔系坐標(biāo)定位，如圖5.2所示。數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標(biāo)鏜床均采用點(diǎn)位控制。圖5.2點(diǎn)位控制

(2)輪廓控制的數(shù)控機(jī)床。輪廓控制能夠?qū)蓚€(gè)或兩個(gè)以上運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)的位移及速度進(jìn)行連續(xù)控制，因而可以進(jìn)行曲線或曲面零件的切削加工。常見的這類機(jī)床有兩坐標(biāo)及兩坐標(biāo)以上的數(shù)控車床、數(shù)控銑床、加工中心等。輪廓控制按照同時(shí)控制(可聯(lián)動(dòng))的軸數(shù)，可以分為兩軸控制、2.5軸控制、三軸控制、四軸控制和五軸控制等。兩軸控制是指機(jī)床可以同時(shí)控制兩個(gè)坐標(biāo)軸，如圖5.3所示為同時(shí)控制X、Y坐標(biāo)的兩軸控制曲線輪廓加工。三軸控制是指同時(shí)控制X、Y、Z三個(gè)坐標(biāo)軸，這樣刀具在空間的任意方向都可移動(dòng)，能夠進(jìn)行三維的立體加工，如圖5.4所示。圖5.3兩軸控制

圖5.4三軸聯(lián)動(dòng)控制四軸控制是指同時(shí)控制四個(gè)坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)，即在三個(gè)移動(dòng)坐標(biāo)之外，再加一個(gè)旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)。同時(shí)控制四個(gè)坐標(biāo)X、Y、Z、A進(jìn)行加工的零件如圖5.5所示。圖5.5四軸聯(lián)動(dòng)控制

五軸控制是一種很重要的加工形式。五軸是指除了直線坐標(biāo)X、Y、Z以外，再加上圍繞這些直線坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)的A、B、C中的任意兩個(gè)坐標(biāo)，形成同時(shí)控制的5個(gè)坐標(biāo)，這時(shí)刀具可以指向空間中的任意方向，如圖5.6所示。五軸聯(lián)動(dòng)加工特別適合于加工透平葉片、機(jī)翼等具有復(fù)雜曲面的零件。圖5.6五軸聯(lián)動(dòng)控制

2)按控制伺服系統(tǒng)類型分類數(shù)控機(jī)床按控制伺服系統(tǒng)可分為開環(huán)控制、閉環(huán)控制和半閉環(huán)控制。

3)按加工方式分類

(1)金屬切削類數(shù)控機(jī)床：如數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。

(2)金屬成型類數(shù)控機(jī)床：如數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。

(3)數(shù)控特種加工機(jī)床：如數(shù)控線切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光加工機(jī)床等。

(4)其他類型的數(shù)控機(jī)床和設(shè)備：如火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。圖5.7所示為數(shù)控車床(圖(a))和數(shù)控立式加工中心(圖(b))。圖5.7數(shù)控車床和立式加工中心5.1.3數(shù)控機(jī)床的特點(diǎn)數(shù)控機(jī)床以其精度高、效率高、能適應(yīng)小批量復(fù)雜零件的加工等特點(diǎn)，在機(jī)械制造中得到了廣泛的應(yīng)用。概括起來，數(shù)控機(jī)床有以下幾方面的特點(diǎn)：

(1)可以加工具有復(fù)雜型面的工件。數(shù)控機(jī)床能完成很多普通機(jī)床難以完成或不能加工的復(fù)雜型面的零件加工。在航空航天等領(lǐng)域以及復(fù)雜型面的模具加工、蝸輪葉片等加工方面得到了廣泛的應(yīng)用。

(2)加工精度高，質(zhì)量穩(wěn)定。數(shù)控機(jī)床本身的精度比普通機(jī)床高，在數(shù)控機(jī)床加工過程中是按照程序自動(dòng)加工的，消除了操作者的人為誤差，工件的加工精度由數(shù)控機(jī)床保證。

(3)生產(chǎn)率高。數(shù)控加工可以有效地減少零件的加工時(shí)間和輔助時(shí)間。通過合理選擇切削用量，充分發(fā)揮刀具的切削性能，可以減少零件的加工時(shí)間；加工零件改變時(shí)，只需更換加工程序，節(jié)省了準(zhǔn)備和調(diào)整時(shí)間，有效地提高了生產(chǎn)效率。如使用具有自動(dòng)換刀功能的加工中心，可一次裝夾工件而完成多道工序的連續(xù)加工，生產(chǎn)效率的提高更為顯著。

(4)改善勞動(dòng)條件。數(shù)控機(jī)床在加工程序啟動(dòng)后，就能自動(dòng)連續(xù)加工，直至工件加工完畢，自動(dòng)停車，這簡(jiǎn)化了工人的操作，使工人操作時(shí)的緊張程度大為減輕。此外，數(shù)控機(jī)床一般是封閉式加工，既清潔又安全，勞動(dòng)條件得到了改善。

(5)有利于生產(chǎn)管理。使用數(shù)控機(jī)床加工，能準(zhǔn)確地計(jì)劃零件的加工工時(shí)，簡(jiǎn)化了檢驗(yàn)工作，減輕了工夾具、半成品的管理工作，減少因誤操作而造成廢品和損壞刀具的可能性。這些都有利于生產(chǎn)管理水平的提高。

(6)數(shù)控加工是CAD/CAM技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)的基礎(chǔ)。數(shù)控加工作為數(shù)字化制造的手段與CAD/CAM技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，已成為現(xiàn)代集成制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)。5.2數(shù)控加工與編程5.2.1數(shù)控加工的基本概念數(shù)控加工過程是指按給定的零件加工要求進(jìn)行數(shù)控加工的全過程。該過程主要包括：根據(jù)零件圖及工藝要求用曲線和曲面表達(dá)工件加工輪廓；選擇合適的加工方式和工藝參數(shù)；生成刀具運(yùn)動(dòng)軌跡；產(chǎn)生數(shù)控代碼；輸入數(shù)控系統(tǒng)，完成零件的加工。

1．?dāng)?shù)控加工的基本過程數(shù)控加工的基本過程如圖5.8所示。圖5.8數(shù)控加工的過程

(1)分析零件圖及其結(jié)構(gòu)工藝，明確加工內(nèi)容及技術(shù)要求，確定數(shù)控加工方案、工藝參數(shù)和工藝裝備等。

(2)用規(guī)定的程序代碼和格式編寫零件加工程序，或用CAD/CAM軟件直接生成零件的加工程序文件。

(3)輸入加工程序，對(duì)加工程序進(jìn)行校驗(yàn)和修改。

(4)通過對(duì)機(jī)床的正確操作來運(yùn)行程序，完成零件的加工。

2．?dāng)?shù)控加工的主要對(duì)象由數(shù)控加工的特點(diǎn)可以看出，適于數(shù)控加工的零件包括：

(1)多品種、單件小批量生產(chǎn)的零件或新產(chǎn)品試制中的零件。

(2)幾何形狀復(fù)雜、精度及表面粗糙度要求高的零件。

(3)加工過程中需要進(jìn)行多工序加工的零件。

(4)用普通機(jī)床加工時(shí)需要昂貴工裝設(shè)備(工具、夾具和模具)的零件。5.2.2數(shù)控編程的概念數(shù)控機(jī)床是按照事先編制好的零件數(shù)控加工程序自動(dòng)進(jìn)行加工的。編制和生成數(shù)控機(jī)床所用的零件數(shù)控加工程序的過程，稱為數(shù)控編程(NCProgramming)或零件編程(PartProgramming)。一般來說，數(shù)控加工編程的主要過程是在分析零件的幾何特征、技術(shù)要求等的基礎(chǔ)上，確定合理的加工方法和加工路線，再通過計(jì)算得到刀具走刀數(shù)據(jù)文件，最終形成加工程序代碼的。

1．?dāng)?shù)控加工程序的基本格式數(shù)控加工程序的程序樣本如下所示：

N10G92X0Y0Z1.2

N30G90G00X-5.5Y-6S300M03

N40Z-1.2M08

N120G01X5.5Y5

N140X0Y0

N150M02

理想的加工程序不僅應(yīng)保證加工出符合圖樣要求的合格工件，同時(shí)應(yīng)能使數(shù)控機(jī)床的功能得到合理的應(yīng)用與充分的發(fā)揮，以使數(shù)控機(jī)床能安全可靠及高效地工作。

2．?dāng)?shù)控加工編程中的坐標(biāo)系統(tǒng)

1)機(jī)床坐標(biāo)系在數(shù)控加工中，為了精確控制機(jī)床移動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)，需要建立坐標(biāo)系。在此坐標(biāo)系中，刀具沿相應(yīng)的坐標(biāo)軸移動(dòng)即可完成加工零件所需的運(yùn)動(dòng)。國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)數(shù)控機(jī)床的坐標(biāo)軸名稱及其運(yùn)動(dòng)的正、負(fù)方向作了統(tǒng)一規(guī)定，公布了ISO841標(biāo)準(zhǔn)。我國(guó)也于1982年頒布了相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)JB3051—82《數(shù)控機(jī)床坐標(biāo)和運(yùn)動(dòng)方向的命名》。數(shù)控機(jī)床上采用的坐標(biāo)系是右手直角笛卡爾坐標(biāo)系。如圖5.9所示，X、Y、Z直線進(jìn)給坐標(biāo)系按右手定則規(guī)定，而圍繞X、Y、Z軸旋轉(zhuǎn)的圓周進(jìn)給坐標(biāo)軸A、B、C則按右手螺旋定則判定。圖5.9直角笛卡爾坐標(biāo)系

(1)機(jī)床坐標(biāo)系的規(guī)定。在確定機(jī)床坐標(biāo)軸時(shí)，一般先確定Z軸，然后確定X軸和Y軸，最后確定其它軸。機(jī)床各坐標(biāo)軸及其正方向的確定原則是：①Z軸。以平行于機(jī)床主軸的刀具運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)為Z軸，若有多根主軸，則可選垂直于工件裝夾面的主軸為主要主軸，Z坐標(biāo)則平行于該主軸軸線。若沒有主軸，則規(guī)定垂直于工件裝夾表面的坐標(biāo)軸為Z軸。Z軸正方向是使刀具遠(yuǎn)離工件的方向。②X軸。X軸為水平方向、垂直于Z軸且平行于工件的裝夾面。在工件旋轉(zhuǎn)的機(jī)床(如車床、磨床)上，X軸的運(yùn)動(dòng)方向是徑向的，與橫向?qū)к壠叫?。刀具離開工件旋轉(zhuǎn)中心的方向是正方向。對(duì)于刀具旋轉(zhuǎn)的機(jī)床，若Z軸為水平方向(如臥式銑床、鏜床)，則沿刀具主軸后端向工件方向看，右手平伸出的方向?yàn)閄軸正向；若Z軸為垂直方向(如立式銑床、鏜床)，則從刀具主軸向床身立柱方向看，右手平伸出的方向?yàn)閄軸正向。③Y軸。在確定了X、Z軸的正方向后，即可按右手定則定出Y軸正方向。圖5.10是機(jī)床坐標(biāo)系示例。圖5.10機(jī)床坐標(biāo)系示例

(2)機(jī)床相對(duì)運(yùn)動(dòng)的規(guī)定。為了方便和統(tǒng)一，無論機(jī)床在實(shí)際加工中是工件運(yùn)動(dòng)還是刀具運(yùn)動(dòng)，在進(jìn)行編程計(jì)算時(shí)，一律都是假定工件不動(dòng)，按刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)來編程。

2)工件坐標(biāo)系工件坐標(biāo)系又稱編程坐標(biāo)系，是編程時(shí)用來定義工件形狀和刀具相對(duì)工件運(yùn)動(dòng)的坐標(biāo)系。為保證編程與機(jī)床加工的一致性，工件坐標(biāo)系也采用右手笛卡爾坐標(biāo)系。工件裝夾到機(jī)床上時(shí)，必須使工件坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系的坐標(biāo)軸方向保持一致。工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)稱為工件原點(diǎn)或編程原點(diǎn)，其位置由編程者確定。

3．?dāng)?shù)控編程的特征點(diǎn)

1)機(jī)床原點(diǎn)與參考點(diǎn)機(jī)床原點(diǎn)就是機(jī)床坐標(biāo)系的原點(diǎn)，它是機(jī)床上一個(gè)固定的點(diǎn)，由制造廠家確定。數(shù)控車床的機(jī)床原點(diǎn)大多確定在主軸前端面的中心，數(shù)控銑床的機(jī)床原點(diǎn)多定在進(jìn)給行程范圍的正極限點(diǎn)處，但也有的設(shè)置在機(jī)床工作臺(tái)中心，使用前可查閱機(jī)床用戶手冊(cè)。參考點(diǎn)是確立機(jī)床坐標(biāo)系的參照點(diǎn)。用于對(duì)機(jī)床工作臺(tái)(或滑板)與刀具相對(duì)運(yùn)動(dòng)的測(cè)量系統(tǒng)中進(jìn)行定標(biāo)與控制的點(diǎn)，一般都設(shè)定在各軸正向行程極限點(diǎn)的位置上。該位置是在每個(gè)軸上用擋塊和限位開關(guān)精確地預(yù)先調(diào)整好的，它相對(duì)于機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)是一個(gè)已知的固定值。每次開機(jī)啟動(dòng)后，或當(dāng)機(jī)床因意外斷電、緊急制動(dòng)等原因停機(jī)而重新啟動(dòng)時(shí)，都應(yīng)該先讓各軸返回參考點(diǎn)，進(jìn)行一次位置校準(zhǔn)，以消除上次運(yùn)動(dòng)所帶來的位置誤差。

2)工件原點(diǎn)工件坐標(biāo)系的坐標(biāo)原點(diǎn)即為工件原點(diǎn)。車床的工件原點(diǎn)一般設(shè)在主軸中心線上，大多確定在工件的左端面或右端面。銑床的工件原點(diǎn)一般設(shè)在工件外輪廓的某一個(gè)角上或工件對(duì)稱中心處，進(jìn)刀深度方向上的零點(diǎn)大多取在工件表面。對(duì)于形狀較復(fù)雜的工件，有時(shí)為編程方便可根據(jù)需要通過相應(yīng)的程序指令隨時(shí)改變新的工件原點(diǎn)；對(duì)于在一個(gè)工作臺(tái)上裝夾并加工多個(gè)工件的情況，在機(jī)床功能允許的條件下，可分別設(shè)定工件原點(diǎn)并獨(dú)立地編程，再通過工件原點(diǎn)預(yù)置的方法在機(jī)床上分別設(shè)定各自的工件坐標(biāo)系。機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)、工件原點(diǎn)的示例如圖5.11所示。圖5.11機(jī)床原點(diǎn)、參考點(diǎn)、工作原點(diǎn)的示例

3)對(duì)刀點(diǎn)對(duì)刀點(diǎn)就是在數(shù)控加工時(shí)，刀具相對(duì)于工件運(yùn)動(dòng)的起點(diǎn)，程序就是從這一點(diǎn)開始執(zhí)行的。對(duì)刀點(diǎn)也可以稱為“程序起點(diǎn)”或“起刀點(diǎn)”。編制程序時(shí)，應(yīng)首先考慮對(duì)刀點(diǎn)的位置選擇。對(duì)刀點(diǎn)選定的原則如下：

(1)選定的對(duì)刀點(diǎn)位置應(yīng)使程序編制簡(jiǎn)單。

(2)對(duì)刀點(diǎn)在機(jī)床上找正容易。

(3)加工過程中檢查方便。

(4)引起的加工誤差小。對(duì)刀點(diǎn)可以設(shè)在被加工零件上，也可以設(shè)在夾具上，但是必須與零件的定位基準(zhǔn)有一定的坐標(biāo)尺寸聯(lián)系，這樣才能確定機(jī)床坐標(biāo)系與工件坐標(biāo)系的相互關(guān)系。對(duì)刀點(diǎn)不僅是程序的起點(diǎn)，而且往往又是程序的終點(diǎn)，因此，在批量生產(chǎn)中要考慮對(duì)刀的重復(fù)精度。通常，對(duì)刀的重復(fù)精度在絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上可由對(duì)刀點(diǎn)距機(jī)床原點(diǎn)的坐標(biāo)值來校核，在相對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床上則經(jīng)常需人工檢查對(duì)刀精度。

4)原點(diǎn)偏置數(shù)控機(jī)床一般都要求機(jī)床在回零操作后(即令機(jī)床回到機(jī)床原點(diǎn)或機(jī)床參考點(diǎn)之后)才能啟動(dòng)。機(jī)床參考點(diǎn)和機(jī)床原點(diǎn)之間的偏移值存放在機(jī)床控制器中?；亓悴僮骱螅瑱C(jī)床控制系統(tǒng)進(jìn)行初始化，即設(shè)置機(jī)床運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)X、Y、Z、A、B、C等的顯示(計(jì)數(shù)器)為零。當(dāng)工件在機(jī)床上固定后，工件原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量必須通過測(cè)量來確定?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都配有工件測(cè)量頭，在手動(dòng)操作下能準(zhǔn)確地測(cè)量該偏移量，并存入G54～G59原點(diǎn)偏置寄存器中，供數(shù)控系統(tǒng)計(jì)算原點(diǎn)偏移。在沒有工件測(cè)量頭的情況下，工件原點(diǎn)位置的測(cè)量要靠對(duì)刀的方式進(jìn)行。對(duì)于多個(gè)工件原點(diǎn)的偏移，采用G54～G59原點(diǎn)偏置寄存器存儲(chǔ)所有工件原點(diǎn)與機(jī)床參考點(diǎn)的偏移量，然后可在程序中方便地直接調(diào)用G54～G59進(jìn)行原點(diǎn)偏移。對(duì)于編程人員而言，一般只需知道工件坐標(biāo)系的原點(diǎn)即可進(jìn)行程序編制，而不必過多地考慮機(jī)床原點(diǎn)、機(jī)床參考點(diǎn)以及所選用的數(shù)控機(jī)床型號(hào)等。但對(duì)于機(jī)床操作者來說，必須十分清楚所選用數(shù)控機(jī)床的上述各原點(diǎn)及其之間的偏移關(guān)系(必須參考機(jī)床用戶手冊(cè)和編程手冊(cè))。

4．絕對(duì)坐標(biāo)與增量(相對(duì))坐標(biāo)如果刀具(或機(jī)床)運(yùn)動(dòng)位置的坐標(biāo)值是相對(duì)于固定的坐標(biāo)原點(diǎn)給出的，則稱為絕對(duì)坐標(biāo)。該坐標(biāo)系統(tǒng)稱為絕對(duì)坐標(biāo)系統(tǒng)。如圖5.12所示，A、B點(diǎn)的坐標(biāo)均是以固定的坐標(biāo)原點(diǎn)計(jì)算的，其坐標(biāo)值為：XA=20，YA?=?25，XB=70，YB=?60。圖5.12絕對(duì)坐標(biāo)與增量坐標(biāo)如果刀具(或機(jī)床)運(yùn)動(dòng)位置的坐標(biāo)值是相對(duì)于前一位置而不是相對(duì)于固定的坐標(biāo)原點(diǎn)給出的，則稱為增量坐標(biāo)。該坐標(biāo)系統(tǒng)稱為增量坐標(biāo)系統(tǒng)，常使用代碼表中的第二坐標(biāo)U、V、W表示。U、V、W分別與X、Y、Z平行且同向。在圖5.12中，若B的坐標(biāo)是相對(duì)于前面的A點(diǎn)給出的，則其增量坐標(biāo)為：UB=50，VB=?35

5．刀具運(yùn)動(dòng)軌跡刀具運(yùn)動(dòng)軌跡是系統(tǒng)按給定工藝要求對(duì)被加工圖形進(jìn)行切削時(shí)刀具相對(duì)于工件表面的行進(jìn)路線。刀具軌跡依加工表面的種類而變化，如在平面銑削加工中，有以下幾種典型的刀具軌跡(如圖5.13所示)：

(1)雙向來回運(yùn)動(dòng)軌跡(Zig-Zag)。

(2)單向運(yùn)動(dòng)軌跡(Zig)。

(3)跟隨零件邊界運(yùn)動(dòng)軌跡(FollowPeriphery)。

(4)輪廓運(yùn)動(dòng)軌跡(FollowProfile)。圖5.13典型的刀具軌跡5.2.3數(shù)控編程的步驟與方法

1．?dāng)?shù)控編程步驟數(shù)控加工編程的主要過程包括：分析零件的幾何特征和技術(shù)要求，確定合理的加工方法和加工路線，計(jì)算刀具走刀數(shù)據(jù)，最終形成數(shù)控加工程序代碼。其具體步驟如圖5.14所示。圖5.14數(shù)控機(jī)床程序編制的步驟

(1)確定加工工藝過程。主要內(nèi)容：確定加工方案，選擇適合的數(shù)控機(jī)床、工件裝夾方法及夾具，選擇刀具，確定合理的走刀路線，選擇合理的切削用量等。

(2)刀具運(yùn)動(dòng)軌跡坐標(biāo)計(jì)算。根據(jù)零件的幾何尺寸和加工路線，計(jì)算刀具中心運(yùn)動(dòng)軌跡，獲得刀位數(shù)據(jù)。一般的數(shù)控系統(tǒng)均具有直線插補(bǔ)與圓弧插補(bǔ)的功能。對(duì)于加工由圓弧與直線組成的較簡(jiǎn)單的平面零件，只需計(jì)算出零件輪廓的相鄰幾何元素的交點(diǎn)或切點(diǎn)(即基點(diǎn))的坐標(biāo)值，即可得出各幾何元素的起點(diǎn)、終點(diǎn)、圓弧的圓心等坐標(biāo)值。對(duì)于較復(fù)雜的零件或當(dāng)零件的幾何形狀與控制系統(tǒng)的插補(bǔ)功能不一致時(shí)，需要進(jìn)行較復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算完成用直線段或圓弧段的逼近運(yùn)算。對(duì)于自由曲線、自由曲面加工程序的編制，一般需使用計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算，否則難以完成。

(3)編寫零件加工程序單。根據(jù)上述工藝處理及數(shù)值計(jì)算的結(jié)果，編寫零件加工程序單。程序編制人員需使用數(shù)控系統(tǒng)規(guī)定格式的程序指令，逐段編寫零件加工程序單。

(4)程序的校驗(yàn)與試切。加工程序通常需要經(jīng)過校驗(yàn)和試切檢查后，才能用于正式加工。通過程序校驗(yàn)來檢查機(jī)床動(dòng)作和運(yùn)動(dòng)軌跡的正確性。在具有圖形顯示功能的數(shù)控機(jī)床上，可通過顯示走刀軌跡進(jìn)行程序檢查。對(duì)于重要的復(fù)雜零件，可采用鋁件或石臘等易切材料進(jìn)行試切，確認(rèn)程序的正確性和加工精度是否符合要求，當(dāng)發(fā)現(xiàn)工件不符合要求時(shí)，可修改程序或采取尺寸補(bǔ)償?shù)却胧?/p>

2．?dāng)?shù)控編程方法數(shù)控加工程序的編制方法主要有兩種：手工編制程序(ManualProgramming)和計(jì)算機(jī)輔助數(shù)控編程(ComputerAidedProgramming)，后者也稱為數(shù)控自動(dòng)編程，正如前面所介紹的，也就是狹義的CAM。

1)手工編程手工編程是指主要由人工來完成數(shù)控編程中各個(gè)階段的工作。手工編程耗費(fèi)時(shí)間較長(zhǎng)，容易出現(xiàn)錯(cuò)誤，無法勝任復(fù)雜形狀零件的編程。據(jù)國(guó)外資料統(tǒng)計(jì)，當(dāng)采用手工編程時(shí)，一段程序的編寫時(shí)間與其在機(jī)床上運(yùn)行加工的實(shí)際時(shí)間之比，平均約為30?:?1，而數(shù)控機(jī)床不能開動(dòng)的原因中有20%~30%是由于加工程序編制困難，編程時(shí)間過長(zhǎng)所致。

2)計(jì)算機(jī)數(shù)控自動(dòng)編程計(jì)算機(jī)數(shù)控自動(dòng)編程是指在編程過程中，除了分析零件圖樣和制定工藝方案由人工進(jìn)行外，其余工作均由計(jì)算機(jī)輔助完成。現(xiàn)代主流的數(shù)控自動(dòng)編程軟件是CAD/CAM集成數(shù)控編程。利用該系統(tǒng)編程相對(duì)于人工程序編制的繁瑣過程，可提高編程效率幾十倍乃至上百倍，解決了手工編程無法解決的許多復(fù)雜零件的編程難題。5.2.4數(shù)控加工工藝

1．?dāng)?shù)控加工工藝處理的內(nèi)容

1)工藝分析和確定加工方案對(duì)被加工零件圖紙進(jìn)行工藝分析，明確加工內(nèi)容和技術(shù)要求，在此基礎(chǔ)上確定零件的加工方案，劃分和安排加工工序。零件圖上尺寸標(biāo)注的方法應(yīng)適應(yīng)數(shù)控加工的特點(diǎn)。在數(shù)控加工零件圖上，應(yīng)以同一基準(zhǔn)引注尺寸或直接給出坐標(biāo)尺寸。這種標(biāo)注方法既便于編程，也便于尺寸之間的相互協(xié)調(diào)，這給保持設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工藝基準(zhǔn)、檢測(cè)基準(zhǔn)與編程原點(diǎn)設(shè)置的一致性方面帶來很大方便。由于一般的零件圖的尺寸標(biāo)注常采用局部分散的標(biāo)注方法，給數(shù)控加工安排帶來許多不便，因此，在工藝分析時(shí)，可將分散標(biāo)注法改為同一基準(zhǔn)引注尺寸或直接給出坐標(biāo)尺寸的標(biāo)注法。

2)確定裝夾方法和對(duì)刀點(diǎn)在數(shù)控機(jī)床上加工零件時(shí)，定位安裝的基本原則與普通機(jī)床相同，也要合理選擇定位基準(zhǔn)和夾緊方案。為了提高數(shù)控機(jī)床的效率，在確定定位基準(zhǔn)與夾緊方案時(shí)應(yīng)力求設(shè)計(jì)、工藝與編程計(jì)算的基準(zhǔn)統(tǒng)一，并盡量減少裝夾次數(shù)，盡可能在一次定位裝夾后加工出全部待加工表面。

3)加工方案的確定和加工路線零件上比較精確表面的加工，常常需通過粗加工、半精加工和精加工來逐步達(dá)到要求。因此，對(duì)這些表面的加工，應(yīng)正確確定從毛坯到最終成型的加工方案。確定加工方案時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)主要表面的精度和表面粗糙度的要求，確定其加工路線。加工路線是指加工過程中刀具運(yùn)動(dòng)的軌跡路線，也稱為走刀路線。選擇走刀路線時(shí)應(yīng)考慮以下事項(xiàng)：

(1)保證零件的加工精度及表面粗糙度。

(2)取最佳路線，即盡量縮短走刀路線，減少空行程，提高生產(chǎn)率，并保證安全可靠。

(3)有利于數(shù)值計(jì)算，減少程序段和編程工作量。同時(shí)，應(yīng)避免在輪廓加工中的進(jìn)給停頓，防止刀具進(jìn)給停頓在零件表面而留下刀痕。

4)選擇刀具選擇刀具時(shí)通常要考慮機(jī)床的加工能力、工序內(nèi)容、工件材料等因素。數(shù)控加工要求刀具精度高、剛度好、耐用度高，并且尺寸穩(wěn)定、安裝調(diào)整方便。數(shù)控車床的加工刀具可分為外圓、內(nèi)圓、內(nèi)嵌式刀具，如圖5.15所示。數(shù)控銑床和加工中心常用的刀具有球頭銑刀、環(huán)形銑刀、面銑刀、盤形刀等。圖5.16所示為常用的銑刀。圖5.15數(shù)控車床的加工刀具(a)外圓車刀；(b)內(nèi)圓車刀；(c)內(nèi)嵌式刀具圖5.16常用的銑刀

5)切削用量的確定切削用量包括主軸轉(zhuǎn)速、背吃刀量、進(jìn)給速度等。對(duì)于不同的加工方法，需要選擇不同的切削用量。合理選擇切削用量的原則是：粗加工時(shí)，一般以提高生產(chǎn)率為主，但也應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)性和加工成本；半精加工和精加工時(shí)，應(yīng)在保證加工質(zhì)量的前提下，兼顧切削效率、經(jīng)濟(jì)性和加工成本。具體數(shù)值應(yīng)根據(jù)機(jī)床說明書、切削用量手冊(cè)，并結(jié)合經(jīng)驗(yàn)而定。

(1)吃刀量(單位為mm)：主要根據(jù)機(jī)床、夾具、刀具和工件的剛度來決定。在剛度允許的情況下，應(yīng)以最少的進(jìn)給次數(shù)切除加工余量，最好一次切凈余量，以便提高生產(chǎn)效率。在數(shù)控機(jī)床上，精加工余量可小于普通機(jī)床，一般取0.2～0.5?mm。

(2)主軸轉(zhuǎn)速n(單位為r/min)：主要根據(jù)允許的切削速度vc(單位為m/min)選取。其值為：n?=?1000vcπD式中：vc——切削速度，由刀具的耐用度決定。

D——工件或刀具直徑(單位為mm)。主軸轉(zhuǎn)速n要根據(jù)計(jì)算值在機(jī)床說明書中選取對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，并填入程序單中。

(3)進(jìn)給速度f(wàn)(單位為mm/min或mm/r)：主要根據(jù)零件的加工精度和表面粗糙度要求以及刀具、工件的材料性質(zhì)選取。當(dāng)加工精度和表面粗糙度要求高時(shí)，進(jìn)給量數(shù)值應(yīng)選小些，一般在20～50mm/min范圍內(nèi)選取。最大進(jìn)給量則受機(jī)床剛度和進(jìn)給系統(tǒng)的性能限制，并與脈沖當(dāng)量有關(guān)。

6)確定編程中的工藝指令程序編制中的工藝指令大體上分為兩大類。一類是準(zhǔn)備性工藝指令(G指令)。這類指令是為插補(bǔ)運(yùn)算做準(zhǔn)備的工藝指令。另一類是輔助性工藝指令。這類指令與插補(bǔ)運(yùn)算無關(guān)，如主軸的啟動(dòng)、停止、正/反轉(zhuǎn)、冷卻液開、關(guān)等指令，是根據(jù)機(jī)床的需要予以規(guī)定的。

7)確定程序編制中的誤差程序編制中的誤差ΔP由三部分組成：ΔP=f(Δa，Δb，Δc)式中：Δa——逼近誤差，即采用近似計(jì)算方法逼近零件輪廓時(shí)產(chǎn)生的誤差。

Δb——插補(bǔ)誤差，即采用插補(bǔ)段(直線、圓弧等)逼近零件輪廓曲線時(shí)產(chǎn)生的誤差。

Δc——圓整誤差，即在編程數(shù)據(jù)處理時(shí)，把小數(shù)圓整成脈沖數(shù)而產(chǎn)生的誤差。在零件圖中給出的零件公差，分配給編程的只是一小部分，因?yàn)閿?shù)控機(jī)床的加工誤差還包括控制系統(tǒng)誤差、伺服系統(tǒng)誤差、零件的定位誤差、對(duì)刀誤差以及刀具和機(jī)床彈性變形誤差等，其中伺服系統(tǒng)誤差和零件定位誤差是主要的。故一般取編程誤差ΔP為允許公差的1/5～1/10。5.2.5常用數(shù)控程序指令代碼在數(shù)控加工程序中，主要用到準(zhǔn)備功能G指令、輔助功能M指令、進(jìn)給功能F指令、主軸功能S指令和刀具功能T指令。其中G、M指令用于描述工藝過程的各種操作和運(yùn)動(dòng)特征；G、M指令分別由地址符G、M及二位數(shù)字組成，數(shù)字為00～99，所以共有100種G指令和100種M指令。

1．G指令

G指令用來規(guī)定刀具和工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡(即插補(bǔ)功能)、機(jī)床坐標(biāo)系、坐標(biāo)平面、刀具補(bǔ)償和坐標(biāo)偏置等多種加工操作。目前國(guó)際上廣泛采用ISO—1056—1975E標(biāo)準(zhǔn)的G、M指令，我國(guó)機(jī)械工業(yè)部制定的標(biāo)準(zhǔn)JB/T3208—1999與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)等效。表5.1是我國(guó)JB/T3208—1999標(biāo)準(zhǔn)G指令的功能定義表。表5.1

JB/T3208—1999標(biāo)準(zhǔn)G指令表(常用部分)G代碼功能G代碼功能G00快速運(yùn)動(dòng)點(diǎn)定位G43刀具位置補(bǔ)償(+)G01直線插補(bǔ)G44刀具位置補(bǔ)償(-)G02/G03順/逆時(shí)針方向圓弧插補(bǔ)G40刀具位置補(bǔ)償注銷G17X、Y平面選擇G54～G59工件坐標(biāo)系設(shè)定G18Z、Y平面選擇G81～G89鏜孔、鉆孔、攻絲G19Y、Z平面選擇G90絕對(duì)坐標(biāo)編程G41刀具半徑左補(bǔ)償G91相對(duì)坐標(biāo)編程G42刀具半徑右補(bǔ)償G92坐標(biāo)值預(yù)置

2．F、S、T指令

(1)?F指令表示刀具中心運(yùn)動(dòng)時(shí)的進(jìn)給速度。F指令由F和其后的若干數(shù)字組成，數(shù)字的單位取決于每個(gè)系統(tǒng)所采用的進(jìn)給速度指定方法。具體內(nèi)容見所用機(jī)床編程說明書。

(2)?S指令表示機(jī)床主軸的轉(zhuǎn)速。S指令由S和其后的若干數(shù)字組成，例如S1000，表示主軸轉(zhuǎn)速為1000r/min。

(3)用T指令編程時(shí)，程序由T和數(shù)字組成，有TXX和TXXXX兩種格式，數(shù)字的位數(shù)由所用數(shù)控系統(tǒng)決定，T后面的數(shù)字用來指定刀具號(hào)和刀具補(bǔ)償號(hào)。例如：T04表示選擇4號(hào)刀；T0404表示選擇4號(hào)刀及4號(hào)偏置值。

3．M指令

M指令是控制數(shù)控機(jī)床“開、關(guān)”功能的指令，主要用于完成加工操作時(shí)的輔助動(dòng)作，如指定主軸的旋轉(zhuǎn)方向、啟動(dòng)、停止，冷卻液的開或關(guān)，工件或刀具的夾緊和松開，刀具的更換等功能。M指令由地址符M和其后的兩位數(shù)字組成，包括M00～M99共100種。我國(guó)JB/T3208—1999標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了M指令。其中最常用的部分M指令的功能定義見表5.2。表5.2JB/T3208—1999標(biāo)準(zhǔn)M指令的功能定義(常用部分)M代碼功能M代碼功能M00程序停止M07/M08冷卻液開M01計(jì)劃停止M09冷卻液關(guān)M02程序結(jié)束M10夾緊M03/M04主軸順/逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn)M11松開M05主軸停轉(zhuǎn)M30紙帶結(jié)束M06換刀特別要強(qiáng)調(diào)的是：由于數(shù)控機(jī)床的廠家很多，每個(gè)廠家使用的G功能、M功能與ISO標(biāo)準(zhǔn)也不完全相同，因此，對(duì)于某一臺(tái)數(shù)控機(jī)床，編程時(shí)需參考機(jī)床制造廠的編程說明書，根據(jù)機(jī)床說明書的規(guī)定進(jìn)行編程。5.2.6數(shù)控手工編程舉例由于數(shù)控手工編程只能完成一些簡(jiǎn)單的零件數(shù)控程序編制，因此解決各種復(fù)雜零件編程的根本出路是采用數(shù)控自動(dòng)編程，即CAD/CAM數(shù)控編程。在此，我們通過一個(gè)實(shí)例介紹手工編程，其目的是讓大家對(duì)數(shù)控編程的過程有初步的了解。例：手工編制在數(shù)控銑床上精銑圖5.17所示零件型腔內(nèi)壁的數(shù)控程序。設(shè)工件零點(diǎn)為O點(diǎn)，采用刀具右補(bǔ)償。考慮到A點(diǎn)的工藝性，取切入點(diǎn)A1(65，40)，切出點(diǎn)A2(60，45)。刀具中心軌跡為“P→A1→B→C→D→E→F→G→H→I→J→K→A2→P”。選用?f8的立銑刀，主軸轉(zhuǎn)速為2500?r/min，進(jìn)給速度為150?m/min，刀具偏置地址為D0l，并存入刀具半徑4，程序名為O111。圖5.17加工零件圖數(shù)控參考程序：O111N10G92X0Y0Z100M03S2500;N20G00X80Y60Z2;N30G01Z-3F150;N40G42G01X65Y40D01;N50X30;程序名設(shè)置工件零點(diǎn)，主軸以2500?r/min正轉(zhuǎn)刀具快速移至(80，60，2)刀具工進(jìn)至深3?mm處建立右刀補(bǔ)P→A1直線插補(bǔ)A1→BN60G02X20Y50I0J10:N70G01Y80;N80G02X30X90I10J0;N90G01X90;N100G02X120Y60I0J-30;N110G01Y20;N120G02X110Y10I10J0;圓弧插補(bǔ)B→C直線插補(bǔ)C→D圓弧插補(bǔ)D→E直線插補(bǔ)E→F圓弧插補(bǔ)F→G直線插補(bǔ)G→H圓弧插補(bǔ)H→IN130G01X70;N140G02X60Y20I0J10;N150G01Y45;N160G40G01X80Y60;N170G00Z100M05;N180X0Y0M02;直線插補(bǔ)I→J圓弧插補(bǔ)J→K直線插補(bǔ)K→A2取消刀補(bǔ)A2→P刀具Z向快退，主軸停轉(zhuǎn)刀具回起始點(diǎn)，程序結(jié)束5.3DNC與FMS技術(shù)5.3.1DNC技術(shù)

1．DNC概述

DNC有兩重含義：一是“DirectNumericalControl(直接數(shù)字控制)”，意為“將一群數(shù)控機(jī)床與零件數(shù)控加工程序存儲(chǔ)器連接起來，可以根據(jù)要求直接將程序傳送給對(duì)應(yīng)的機(jī)床”；二是“DistributedNumericalControl(分布式數(shù)字控制)”，意為“將數(shù)控編程和生產(chǎn)管理計(jì)算機(jī)與多個(gè)數(shù)控系統(tǒng)構(gòu)成分布式系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床”。

DNC概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”，其本質(zhì)也發(fā)生了變化，“分布式數(shù)控”表明可用一臺(tái)計(jì)算機(jī)控制多臺(tái)數(shù)控機(jī)床。這樣，機(jī)械加工從單機(jī)自動(dòng)化的模式可擴(kuò)展到柔性生產(chǎn)線及計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)。從通信角度而言，可以在CNC系統(tǒng)增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡(luò)。通過DNC形成網(wǎng)絡(luò)后可以實(shí)現(xiàn)的功能包括：零件程序的上傳或下載；讀、寫CNC的數(shù)據(jù)；PLC數(shù)據(jù)的傳送；存儲(chǔ)器操作控制；系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。更高檔次的DNC還可以對(duì)CAD/CAM以及CNC的程序進(jìn)行傳送和分級(jí)管理。

DNC技術(shù)還可使CNC與通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起以傳遞維修數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信，大大提高了服務(wù)質(zhì)量和效率。

2．DNC技術(shù)的功能現(xiàn)代DNC技術(shù)的典型功能包括：

1)支持?jǐn)?shù)控程序的雙向傳輸

DNC的雙向傳輸功能可以在機(jī)床端操作整個(gè)過程。數(shù)控程序可以從機(jī)床端自動(dòng)上載到計(jì)算機(jī)中，計(jì)算機(jī)能自動(dòng)地為收到的程序文件命名，也可以在機(jī)床上為所要發(fā)送的文件命名；當(dāng)機(jī)床端調(diào)用計(jì)算機(jī)內(nèi)的數(shù)控程序時(shí)，機(jī)床操作者只需從機(jī)床向計(jì)算機(jī)發(fā)送一個(gè)文件請(qǐng)求命令，計(jì)算機(jī)接收到請(qǐng)求后，在本地硬盤中查找相應(yīng)的文件，并自動(dòng)將該數(shù)控程序發(fā)送給機(jī)床，操作者無需在機(jī)床和計(jì)算機(jī)之間奔波，節(jié)省了操作時(shí)間。

2)支持多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的并行在線加工機(jī)床在線加工是指機(jī)床一邊加工，一邊接收計(jì)算機(jī)發(fā)送的數(shù)控程序。在線加工可以有效解決數(shù)控系統(tǒng)存儲(chǔ)量有限的問題，即使是很長(zhǎng)的數(shù)控程序，也可以連續(xù)不斷地送入數(shù)控系統(tǒng)中。傳統(tǒng)的DNC系統(tǒng)可以支持一臺(tái)機(jī)床的在線加工，而現(xiàn)代DNC系統(tǒng)可以同時(shí)與多臺(tái)機(jī)床在線。如美國(guó)XpertDNC系統(tǒng)可以控制多達(dá)128臺(tái)數(shù)控機(jī)床。

3)支持子程序在線調(diào)用現(xiàn)代DNC系統(tǒng)支持計(jì)算機(jī)內(nèi)數(shù)控子程序的在線調(diào)用，使得數(shù)控程序的結(jié)構(gòu)更合理，在線調(diào)用更為方便。操作時(shí)，實(shí)際系統(tǒng)只要調(diào)用數(shù)控加工主程序，系統(tǒng)就可以自動(dòng)在運(yùn)行中調(diào)用相應(yīng)的子程序，并進(jìn)行在線加工。

4)傳輸距離不受限制基于Web的通信技術(shù)，通信服務(wù)器可放置在任一地方，操作者可通過互聯(lián)網(wǎng)完成對(duì)數(shù)控程序的傳輸和管理工作，或查看車間內(nèi)任一臺(tái)機(jī)床的當(dāng)前工作狀態(tài)。

5)斷點(diǎn)續(xù)傳功能斷點(diǎn)續(xù)傳是指數(shù)控程序被中斷而后又重新開始時(shí)不必從程序的開始再次運(yùn)行，也不必將程序已運(yùn)行的部分刪除，而是根據(jù)要求從程序的某行或某一坐標(biāo)點(diǎn)重新開始執(zhí)行。斷點(diǎn)續(xù)傳在數(shù)控加工中非常有用，例如，加工過程中發(fā)現(xiàn)刀具磨損或者刀片脫落，操作者需要將機(jī)床停下進(jìn)行換刀處理；加工過程因停電等原因突然中斷，電源恢復(fù)后需要重新開始加工等。

3．DNC系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成

DNC的結(jié)構(gòu)形式有多種，用戶可根據(jù)工廠所需的自動(dòng)化程度、加工零件的工藝要求、系統(tǒng)目標(biāo)等確定DNC的結(jié)構(gòu)形式。

DNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)如圖5.18所示。DNC系統(tǒng)實(shí)質(zhì)上是一種分級(jí)分布式控制系統(tǒng)，其組成包括硬件和軟件部分。其硬件由以下幾部分組成：圖5.18DNC系統(tǒng)的一般結(jié)構(gòu)

(1)中央計(jì)算機(jī)。中央計(jì)算機(jī)完成數(shù)據(jù)管理、數(shù)控自動(dòng)編程、數(shù)控程序管理、生產(chǎn)計(jì)劃與調(diào)度以及機(jī)床控制等任務(wù)。

(2)數(shù)控機(jī)床。數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)應(yīng)具有RS-232等串行接口，這些接口設(shè)施為計(jì)算機(jī)直接控制數(shù)控機(jī)床提供了必要的硬件環(huán)境。

(3)通信線路。通信線路一般用電纜和雙絞線。

DNC系統(tǒng)的軟件主要涉及通信、生產(chǎn)管理、零件數(shù)控程序自動(dòng)編程等多方面。生產(chǎn)管理的目標(biāo)是通過對(duì)制造過程中物流的合理計(jì)劃、調(diào)度與控制，減少工件在系統(tǒng)中的“空閑時(shí)間”，提高數(shù)控機(jī)床的利用率。圖5.19為車間級(jí)DNC的解決方案。圖中虛線框內(nèi)為車間網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，虛線框上方為企業(yè)局域網(wǎng)，也可通過企業(yè)網(wǎng)與遠(yuǎn)程服務(wù)器連接。為實(shí)現(xiàn)車間多臺(tái)數(shù)控機(jī)床的DNC控制，車間中可以設(shè)置一個(gè)或多個(gè)集線器(HUB)。為實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床與集線器的連接，在接線中串接串口轉(zhuǎn)換器。串口轉(zhuǎn)換器的功能是將數(shù)控機(jī)床的通信接口轉(zhuǎn)換為符合網(wǎng)線接頭的RJ-45接口。圖5.19車間級(jí)DNC的解決方案為保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕瑥臄?shù)控機(jī)床到串口轉(zhuǎn)換器之間應(yīng)采用屏蔽電纜。DNC服務(wù)器是安裝了DNC管理軟件(包括DNC參數(shù)設(shè)置、作業(yè)管理等)的計(jì)算機(jī)，它通過集線器與數(shù)控機(jī)床通信，并利用TCP/IP協(xié)議與企業(yè)局域網(wǎng)連接。利用DNC管理軟件，機(jī)床操作者可以通過機(jī)床的控制面板直接調(diào)用所需的數(shù)控程序。數(shù)控程序可以存放在DNC服務(wù)器中，也可以存放在企業(yè)其他的計(jì)算機(jī)或服務(wù)器中。通常，DNC管理采用客戶機(jī)/服務(wù)器模式。除實(shí)現(xiàn)數(shù)控程序傳輸外，DNC服務(wù)器還具有控制同時(shí)通信接口的數(shù)目、客戶機(jī)數(shù)目及核實(shí)登錄人員的身份和權(quán)限等功能。現(xiàn)代DNC技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床與企業(yè)局域網(wǎng)之間的直接通信和產(chǎn)品加工信息的快速傳遞，也為提高數(shù)控加工質(zhì)量、提升車間的管理水平提供了有效的技術(shù)支撐。5.3.2柔性制造系統(tǒng)

1967年，英國(guó)莫林斯公司首次根據(jù)威廉森提出的FMS基本概念研制了“系統(tǒng)24”。其主要設(shè)備是六臺(tái)模塊化結(jié)構(gòu)的多工序數(shù)控機(jī)床，目標(biāo)是在無人看管條件下實(shí)現(xiàn)晝夜24小時(shí)連續(xù)加工。但最終由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)上的困難，“系統(tǒng)24”未全部建成。同年，美國(guó)的懷特·森斯特蘭公司建成OmnilineⅠ系統(tǒng)，它由八臺(tái)加工中心和兩臺(tái)多軸鉆床組成，工件被裝在托盤上的夾具中，按固定順序以一定節(jié)拍在各機(jī)床間傳送和進(jìn)行加工。這種柔性自動(dòng)化設(shè)備適于在少品種、大批量生產(chǎn)中使用，在形式上與傳統(tǒng)的自動(dòng)生產(chǎn)線相似，所以也叫柔性自動(dòng)線。日本、前蘇聯(lián)、德國(guó)等也都在20世紀(jì)60年代末至70年代初，先后開展了FMS的研制工作。

20世紀(jì)70年代末期，F(xiàn)MS在技術(shù)上和數(shù)量上都有較大發(fā)展，80年代初期已進(jìn)入實(shí)用階段，其中以由3～5臺(tái)設(shè)備組成的FMS為最多，但也有規(guī)模更龐大的系統(tǒng)投入使用。

1982年，日本發(fā)那科公司建成自動(dòng)化電機(jī)加工車間，該車間由60個(gè)柔性制造單元(包括50個(gè)工業(yè)機(jī)器人)和一個(gè)立體倉(cāng)庫(kù)組成，另有兩臺(tái)自動(dòng)引導(dǎo)臺(tái)車傳送毛坯和工件，此外還有一個(gè)無人化電機(jī)裝配車間，它們都能連續(xù)24小時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn)。柔性制造系統(tǒng)的公認(rèn)特征是：由一個(gè)物料運(yùn)輸系統(tǒng)將所有設(shè)備連接起來，這些設(shè)備不限于切削加工設(shè)備，也可以是電加工、激光加工、熱處理、沖壓剪切設(shè)備以及裝配、檢驗(yàn)等設(shè)備，可以進(jìn)行沒有固定加工順序和無節(jié)拍的隨機(jī)自動(dòng)制造，如圖5.20所示。圖5.20柔性制造系統(tǒng)

1．柔性制造系統(tǒng)的組成柔性制造系統(tǒng)的主要組成有：①計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)；②數(shù)控加工系統(tǒng)；③自動(dòng)化物流系統(tǒng)。這三部分相互以技術(shù)集成為基礎(chǔ)進(jìn)行有機(jī)組合，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的柔性，所以FMS是一種集成化的制造系統(tǒng)，如圖5.21所示。此外，在FMS中，排屑、去毛刺、清洗等工作設(shè)備都要納入系統(tǒng)的管理與自動(dòng)控制范圍之內(nèi)。圖5.21柔性制造系統(tǒng)

1)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)

FMS的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)具有如下職能：

(1)機(jī)床控制。FMS中的機(jī)床通常采用CNC機(jī)床，以便與計(jì)算機(jī)控制的其它部分相配合。大多數(shù)FMS按DNC方式工作。

(2)生產(chǎn)控制。根據(jù)輸入到計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)決定被加工零件組合和每種零件進(jìn)入系統(tǒng)的速率。所輸入的數(shù)據(jù)包括每種零件的年產(chǎn)量、毛坯數(shù)量以及工件托盤數(shù)量等。計(jì)算機(jī)確定工件托盤運(yùn)輸規(guī)劃，并告知工人裝上所需的毛坯。

(3)運(yùn)輸控制?？刂乒ぜ氤善坊虺善吩谙到y(tǒng)內(nèi)的運(yùn)輸、停留與裝卸。

(4)工件運(yùn)輸監(jiān)控。計(jì)算機(jī)必須監(jiān)控每個(gè)工件托盤的狀態(tài)及每個(gè)待加工工件的狀態(tài)。

(5)刀具監(jiān)控。它包括監(jiān)控每一把刀具的當(dāng)前位置和刀具壽命兩個(gè)方面。

(6)系統(tǒng)工況監(jiān)控報(bào)告。計(jì)算機(jī)可以提供管理所需的各種報(bào)告。

2)數(shù)控加工系統(tǒng)數(shù)控加工系統(tǒng)多數(shù)是由CNC機(jī)床按DNC的控制方式構(gòu)成的。系統(tǒng)中的機(jī)床有互補(bǔ)和互替兩種配置原則。互補(bǔ)是指在系統(tǒng)中配置有完成不同工序的機(jī)床，彼此互相補(bǔ)充而不能代替，一個(gè)工件順次通過這些機(jī)床進(jìn)行加工?；ヌ媸侵冈谙到y(tǒng)中配置有相同的機(jī)床，一臺(tái)機(jī)床有故障則另一臺(tái)機(jī)床可以代替加工，以免整個(gè)系統(tǒng)停工等待。當(dāng)然，一個(gè)系統(tǒng)的機(jī)床設(shè)備也可以按這兩種方式混合配置，這要根據(jù)預(yù)期的生產(chǎn)性質(zhì)來確定。

3)物流系統(tǒng)物流系統(tǒng)包括刀具和工件兩個(gè)物流系統(tǒng)。

(1)刀具系統(tǒng)設(shè)有中央刀庫(kù)，由機(jī)器人在中央和各機(jī)床的刀庫(kù)之間進(jìn)行輸送和交換刀具。而刀具的備制和預(yù)調(diào)一般都不包括在自動(dòng)監(jiān)控的范圍之內(nèi)。刀具的數(shù)目要少，必須標(biāo)準(zhǔn)化和系列化，并有較長(zhǎng)的刀具壽命。系統(tǒng)應(yīng)有監(jiān)控刀具壽命和刀具故障的功能。對(duì)刀具壽命的監(jiān)控目前多采用定時(shí)換刀的方法，即記錄每一把刀具的使用時(shí)間，達(dá)到預(yù)定的使用壽命后即強(qiáng)行更換。還有一種直接檢測(cè)刀具磨損情況更換刀具的方法，由于這一技術(shù)不成熟，還沒有在生產(chǎn)中得到應(yīng)用。

(2)工件系統(tǒng)包括工件、夾具的輸送、裝卸以及倉(cāng)儲(chǔ)等裝置。在FMS中工件和夾具的存儲(chǔ)倉(cāng)庫(kù)多為立體倉(cāng)庫(kù)，由倉(cāng)庫(kù)計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制和管理。其控制功能有：記錄在庫(kù)貨物的名稱、貨位、數(shù)量、重量以及入庫(kù)時(shí)間等內(nèi)容；接受中央計(jì)算機(jī)的出、入庫(kù)指令，控制堆垛機(jī)和輸送車的運(yùn)動(dòng)；監(jiān)督異常情況和故障報(bào)警等。各設(shè)備之間的輸送路線以直線往復(fù)方式居多，輸送設(shè)備中使用最多的是有軌小車和使用靈活的無軌小車。無軌小車又稱自動(dòng)引導(dǎo)小車(AutomatedGuideVehicles，AGV)。小車上有托盤交換臺(tái)，工件放在托盤上，托盤由交換臺(tái)推上機(jī)床的工作臺(tái)，以便對(duì)工件進(jìn)行加工；加工好的工件連同托盤拉回到小車的交換臺(tái)上，送裝卸工位，由人工卸下并裝上新的待加工件。小車的行走路線常用電纜或光電引導(dǎo)。柔性制造系統(tǒng)的加工對(duì)象很廣，其加工對(duì)象的品種為5～300種，生產(chǎn)批量為10～100件，年產(chǎn)量約為2000～30000件。使用柔性制造系統(tǒng)的行業(yè)主要集中在汽車、飛機(jī)、機(jī)床以及某些家用電器行業(yè)。由于減少了零部件的存放、運(yùn)輸以及等待時(shí)間，因而柔性制造系統(tǒng)可以提高生產(chǎn)率至原來的1.5倍以上，并使生產(chǎn)周期縮短一半以上，從而減少了在制品，縮短了資金周轉(zhuǎn)期。由于采用了裝夾、測(cè)量、工況監(jiān)視、質(zhì)量控制等功能，因此機(jī)床的利用率由單機(jī)使用的50%提高到了70%～90%，而且加工質(zhì)量穩(wěn)定。5.3.3柔性制造單元柔性制造單元(FlexibleManufacturingCell，F(xiàn)MC)由中心控制計(jì)算機(jī)、加工中心與自動(dòng)交換工件裝置所組成，是一種能獨(dú)立運(yùn)行并具有機(jī)械加工、物料搬運(yùn)、監(jiān)控功能的以單元為獨(dú)立整體的加工設(shè)備。柔性制造單元是為了使機(jī)械制造企業(yè)能迅速適應(yīng)市場(chǎng)的需求，對(duì)外界不斷變化的條件有高度的適應(yīng)性而發(fā)展起來的。這里，柔性的通用定義是指適應(yīng)生產(chǎn)條件變化的能力。

1976年，日本發(fā)那科公司展出了由加工中心和工業(yè)機(jī)器人組成的柔性制造單元(簡(jiǎn)稱FMC)。柔性制造單元一般由1～2臺(tái)數(shù)控機(jī)床與物料傳送裝置組成，有獨(dú)立的工件儲(chǔ)存站和單元控制系統(tǒng)，能在機(jī)床上自動(dòng)裝卸工件，甚至自動(dòng)檢測(cè)工件，可實(shí)現(xiàn)有限工序的連續(xù)生產(chǎn)，適于在多品種小批量生產(chǎn)中應(yīng)用。在柔性制造單元中，中心控制計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)作業(yè)調(diào)度、自動(dòng)檢測(cè)與工況自動(dòng)監(jiān)控等功能；工件裝在自動(dòng)交換工件裝置(工作臺(tái))上，在中心控制計(jì)算機(jī)的控制下傳送到加工中心；加工中心接收中心控制計(jì)算機(jī)傳送來的數(shù)控程序而對(duì)工件進(jìn)行加工，并將工況數(shù)據(jù)如工件尺寸自動(dòng)檢測(cè)和補(bǔ)償、刀具損壞和壽命監(jiān)控等送中心控制計(jì)算機(jī)處理。柔性制造單元可以作為組成柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，也可以作為獨(dú)立的自動(dòng)化加工設(shè)備。由于柔性制造單元自成體系，占地面積小，成本低且功能完善，加工適應(yīng)范圍廣，故有廉價(jià)小型柔性制造系統(tǒng)之稱。5.4快速成型制造隨著CAD/CAM的迅速發(fā)展應(yīng)運(yùn)而生的快速成型技術(shù)(RP)被認(rèn)為是近20年來制造領(lǐng)域的一個(gè)重大成果。RP技術(shù)綜合了CAD/CAM、數(shù)控技術(shù)、激光技術(shù)及材料科學(xué)技術(shù)，可以自動(dòng)、直接、快速、精確地將設(shè)計(jì)思想轉(zhuǎn)變?yōu)榫哂幸欢üδ艿脑土慵瑥亩梢詫?duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行快速評(píng)估、修改及功能試驗(yàn)，對(duì)縮短新產(chǎn)品的開發(fā)周期、降低開發(fā)費(fèi)用具有重要的意義。近年來，該技術(shù)迅速在工業(yè)造型、制造、建筑、藝術(shù)、醫(yī)學(xué)、航空航天、考古和影視等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。5.4.1概述

1．快速成型的概念傳統(tǒng)的制造技術(shù)按工件表面形狀的形成過程分為切削加工和變形加工兩類，其基本特征是在表面形狀的成型過程中，工件材料保持不變或不斷被切除減少。而快速成型技術(shù)則按離散/堆積成型的原理提出了一種全新的制造概念，即在制造過程中工件材料既沒有變形，也沒有被切除，而是通過不斷地增加工件材料來獲取所要求的工件形狀?？焖俪尚椭圃旒夹g(shù)因其顯著的特點(diǎn)而有過不同的名稱術(shù)語(yǔ)，用的最多的有：①快速原型(RapidPrototypingManufacturing)。該名稱起源于RPM技術(shù)應(yīng)用的初期，所用的造型材料主要為樹脂。由于樹脂的強(qiáng)度和剛度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不及金屬材料，因而只能制造出滿足幾何形狀要求的原型零件而得此術(shù)語(yǔ)。目前，除了可以制造原型零件外，也可以使用各種功能材料制造出滿足要求的功能零件。②分層制造(LayerManufacturing)。這一概念源于RPM技術(shù)，是指一層層地建造模型。除此之外還有直接CAD制造(DirectCADManufacturing)、材料增長(zhǎng)制造(MaterialIncreaseManufacturing)、自由實(shí)體制造(SolidFreeformFabrication)、即時(shí)制造(InstantManufacturing)、桌面制造系統(tǒng)等術(shù)語(yǔ)，它們都是根據(jù)快速成型制造技術(shù)的特點(diǎn)從不同的角度加以定義的。

2．快速成型制造技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展

RP技術(shù)最早出現(xiàn)在制造技術(shù)并不發(fā)達(dá)的19世紀(jì)。早在1892年，Blanther主張用分層方法制作三維地圖模型。20世紀(jì)70年代末到80年代初期，美國(guó)3M公司的AlanJ.Hebert(1978年)、日本的小玉秀男(1980年)、美國(guó)UVP公司的CharlesW.Hull(l982年)和日本的丸谷洋二(1983年)，在不同的地點(diǎn)各自獨(dú)立地提出了RP的概念，即利用連續(xù)層的選區(qū)固化產(chǎn)生三維實(shí)體的新思想。

CharlesW.Hull在UVP的繼續(xù)支持下，完成了一個(gè)能自動(dòng)建造零件的稱之為Stereo-LithographyApparatus(SLA)的完整系統(tǒng)SLA-l，這是RP發(fā)展的一個(gè)里程碑。此后，其它的成型原理及相應(yīng)的快速成型機(jī)也相繼開發(fā)成功，先后出現(xiàn)了十幾種不同的快速成型技術(shù)，其中SLA、LOM、SLS和FDM等幾種技術(shù)目前仍然是快速成型技術(shù)的主流。自20世紀(jì)90年代起，國(guó)內(nèi)逐漸開展了RP技術(shù)和系統(tǒng)的研究和開發(fā)，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、華中科技大學(xué)等高校在RP技術(shù)和設(shè)備的研究和開發(fā)方面已取得了較好的成果，所開發(fā)的部分快速成型系統(tǒng)已商品化。5.4.2快速成型技術(shù)原理快速成型技術(shù)(RP技術(shù))是一種用材料逐層或逐點(diǎn)堆積出零件的制造方法。其基本原理是在CAD/CAM技術(shù)的支持下，采用粘接、熔接、聚合作用或化學(xué)反應(yīng)等手段，有選擇地固化液體(或粘接固體材料)，快速地制作出所要求的零部件。其特點(diǎn)是不斷地把材料按照需要添加到未完成的工件上，直到零件制造完畢為止，即所謂的“使材料生長(zhǎng)而不是去掉的制造過程”。分層加工法彌補(bǔ)了現(xiàn)存的、傳統(tǒng)的材料切削加工方法的不足，可以節(jié)省大量的時(shí)間，所以稱為快速成型。分層制造原理是RP技術(shù)的共同幾何物理基礎(chǔ)。從幾何上講，可將任意復(fù)雜的三維實(shí)體沿某一確定的方向用一系列平行截面依次截為一定厚度的若干個(gè)層面，而將這些層面疊加起來又可復(fù)原原先的三維實(shí)體。該原理過程如圖5.22所示。依據(jù)這一原理，在實(shí)際操作中可根據(jù)三維CAD模型，對(duì)其進(jìn)行分層切片，從而得到各層截面的輪廓。依照這樣的截面輪廓，用計(jì)算機(jī)控制激光束固化一層層的液態(tài)光敏樹脂(或切割一層層的紙，或燒結(jié)一層層的粉末材料，或利用某種熱源有選擇性地噴射出一層層熱熔材料)，從而形成各層截面并逐步疊加成三維產(chǎn)品。圖5.22分層制造的基本原理

RP原理的實(shí)質(zhì)是將復(fù)雜的三維加工分解成兩維加工的疊加，所以也稱為分層制造(LayerManufacturing)。這一原理解決了制造過程中的幾何干涉問題，使制造不受零件復(fù)雜程度的限制。其主要技術(shù)特點(diǎn)是：

(1)快速性。由于快速成型是建立在高度技術(shù)集成的基礎(chǔ)之上的，因此從CAD設(shè)計(jì)到原型零件的加工完成，一般只需幾個(gè)小時(shí)至幾十個(gè)小時(shí)，比傳統(tǒng)的成型方法速度快得多。這使得快速成型技術(shù)尤其適合于新產(chǎn)品的開發(fā)與管理。

(2)自由成型制造。其含義是制造過程不受復(fù)雜三維形狀所限制，與零件的復(fù)雜程度和制造成本基本無關(guān)。

(3)高度柔性。高度柔性是指在原型制造中僅需改變CAD模型、重新調(diào)整和設(shè)置參數(shù)，即可生產(chǎn)出不同形狀的零件模型。

(4)材料的廣泛性。材料的廣泛性是指制造原型所用的材料不受限制?？焖俪尚图夹g(shù)可以制造樹脂類、塑料類原型，還可以制造出紙類、石蠟類、復(fù)合材料以及金屬材料和陶瓷材料的原型。5.4.3快速成型的方法快速成型的方法有很多種，下面介紹實(shí)際應(yīng)用中較為成熟的幾種方法。

1．光固化立體成型光固化立體成型(Stereo-LithographyApparatus，SLA)也稱立體印刷或光刻成型。SLA的基本原理和步驟是：首先利用CAD軟件對(duì)三維物體造型；然后利用分層軟件根據(jù)精度要求對(duì)三維模型進(jìn)行切片處理，得到一系列二維平面模型數(shù)據(jù)；接著將感光聚合材料(如光敏樹脂)置于容器中，在計(jì)算機(jī)控制下的紫外激光以預(yù)定的零件各分層截面的輪廓為軌跡對(duì)液態(tài)樹脂逐點(diǎn)掃描，使被掃描區(qū)的樹脂薄層產(chǎn)生光聚合反應(yīng)，從而形成一薄層截面的固化層。當(dāng)一層固化完畢，移動(dòng)工作臺(tái)托板下沉，在原先固化好的樹脂表面再敷上一層新的液體樹脂，以便進(jìn)行下一層掃描固化，新固化的一層牢固地粘在前一層上；如此重復(fù)循環(huán)直至整個(gè)零件制造完畢。這種方法的特點(diǎn)是精度高、表面質(zhì)量好，能制造出復(fù)雜的表面精細(xì)的零件，是人們經(jīng)常采用的方法。其原理如圖5.23所示。

2．層片物件制造法層片物件制造(LaminatedObjectManufacturing，LOM)法利用CO2激光束或切刀切割相應(yīng)的橫截面得到連續(xù)的層片材料來構(gòu)造三維物體。其制作過程為：CAD模型產(chǎn)生由三維模型的橫截面數(shù)據(jù)描述的輪廓資料(厚度等于用來制作三維物體材料的厚度)；再由系統(tǒng)將該數(shù)據(jù)資料描述的輪廓(二維投影)印上結(jié)合劑，用CO2激光束或切刀切出這個(gè)二維輪廓；然后由排列系統(tǒng)將它置于熱壓機(jī)下，加上高壓使結(jié)合劑熔化并粘貼成型；如此循環(huán)往復(fù)直到完成整個(gè)模型。最后將不需要的材料剝離，即可得到所需零件原型。同時(shí)，可對(duì)其作表面處理，如打磨、噴油和拋光等。圖5.24是根據(jù)這種方法利用紙張產(chǎn)生原型的制造過程示意圖，除了紙張外，還可用塑料片。圖5.23SLA法原理圖5.24LOM法原理

3．選擇性激光粉末燒結(jié)圖5.25SLS法原理選擇性激光粉末燒結(jié)(SelectiveLaserSintering，SLS)法是利用CO2激光束為能源，通過紅外激光束使樹脂、蠟、塑料、陶瓷或金屬等粉末材料燒結(jié)、熔解、固化而形成實(shí)物零件。成型過程開始時(shí)，將粉末材料均勻地鋪到加工平面上，激光束在計(jì)算機(jī)的控制下通過掃描器以一定的速度和能量密度進(jìn)行掃描，掃描之處材料粉末燒結(jié)成一定厚度的實(shí)體片層，未掃描的地方仍保持松散的粉末狀；根據(jù)物體截面厚度移動(dòng)支撐臺(tái)，鋪粉滾筒再次將粉末鋪平后開始新一層的掃描，如此反復(fù)直到掃描完所有的層面，如圖5.25所示。最后去掉多余粉末，經(jīng)打磨、烘干等處理便得到零件。圖5.25SLS法原理由于該方法可采用各種不同成分的金屬粉末進(jìn)行燒結(jié)、滲銅等后置處理，因而制成的零件具有與金屬零件相似的機(jī)械性能。故SLS法可用于制作EDM電極、金屬零件，并可進(jìn)行小批量零件生產(chǎn)。

4．熔融沉積造型熔融沉積造型(FusedDepositionModeling，F(xiàn)DM)法先利用CAD軟件產(chǎn)生截面分層數(shù)據(jù)，并生成控制FDM噴嘴移動(dòng)軌跡的幾何信息；FDM加熱頭把熱塑材料加熱到臨界半流動(dòng)狀態(tài)，在計(jì)算機(jī)的控制下噴嘴頭沿CAD確定的運(yùn)動(dòng)軌跡將流動(dòng)狀態(tài)的熔絲材料從噴頭中擠壓出來，經(jīng)凝固形成輪廓形狀的薄層；垂直升降系統(tǒng)再下降到新層進(jìn)行固化，這樣層層粘接，自上而下堆砌成整個(gè)實(shí)物，如圖5.26所示。圖5.26FDM法原理快速成型技術(shù)的發(fā)展在很大程度上依賴于CAD技術(shù)的發(fā)展，尤其是CAD系統(tǒng)的造型精度、二維投影的生成、層片模切面掃描路徑的選擇以及文件的格式轉(zhuǎn)換等。上述幾種RP方法的特點(diǎn)和常用材料見表5.4。表5.4典型的RP方法的特點(diǎn)和材料成型方法速度精度制造成本復(fù)雜程度零件大小常用材料市場(chǎng)占有率/%SLA較快較高較高中等中小件熱固光敏樹脂78LOM較慢較高低中等大中件紙、金屬箔、塑料薄膜等6SLS較慢較低較低復(fù)雜中小件塑料、金屬、陶瓷粉末7.3FDM較慢較高較低中等中小件石蠟、塑料、低熔點(diǎn)金屬6.1由表中比較可見，任何一種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)和不足，也有一定的使用場(chǎng)合。原則上，大型實(shí)心形狀原型宜采用LOM法，該法成形速度快，材料利用率高。薄壁材料宜采用FDM法，成型速度快，材料利用率接近百分之百，特別適宜做單件塑料樣品。單件小批量鑄件宜采用SLS法直接生成蠟?zāi)?，由于SLS不需要支撐，因此較適合內(nèi)部復(fù)雜的中小型產(chǎn)品。在生成需觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)的原型時(shí)，宜采用SLA法。5.4.4快速成型中的切片方法與STL數(shù)據(jù)格式

1．三維模型的切片(Slicing)處理由于快速成型制造是按一層層截面輪廓來進(jìn)行加工的，因此加工前必須從三維模型上沿成型的高度方向每隔一定的間隔進(jìn)行切片處理，以獲取截面的輪廓。間隔的大小根據(jù)待成型零件的精度和生產(chǎn)率要求選定，間隔愈小，精度愈高，但成型時(shí)間愈長(zhǎng)。間隔選取的范圍為0.005～0.5?mm，常用0.1?mm左右。在此取值下能得到相當(dāng)光滑的成型曲面。切片間隔選定之后，成型時(shí)每層疊加的材料厚度則與其相適應(yīng)。各種快速成形制造系統(tǒng)都帶有切片處理軟件，能自動(dòng)提取CAD模型的截面輪廓。

2．快速成型的文件格式圖5.27球和圓柱的STL模型快速成型技術(shù)的一個(gè)關(guān)鍵問題是將3D實(shí)體描述的零件通過切片等過程轉(zhuǎn)換為成型機(jī)能接受的數(shù)據(jù)，生成用來制造三維實(shí)體的一組片層。目前快速自動(dòng)成型領(lǐng)域尚無標(biāo)準(zhǔn)的零件文件格式，美國(guó)3Dsystem公司開發(fā)的STL(StereoLithographyinterfacespecification)格式是目前快速成型系統(tǒng)中最常見的一種文件格式。它將三維曲面CAD模型近似成小三角形平面的組合，轉(zhuǎn)換后的STL數(shù)據(jù)模型是一種用許多空間三角形小平面來逼近原CAD實(shí)體的數(shù)據(jù)模型。圖5.27所示為球和圓柱形零件的STL模型，可見，三角形(元素)越多，精度越高，但運(yùn)算時(shí)間會(huì)增加。圖5.27球和圓柱的STL模型

STL被業(yè)界廣泛認(rèn)同，目前，典型的CAD軟件系統(tǒng)都有生成STL文件格式的模塊，只需調(diào)用這個(gè)模塊，就能將CAD系統(tǒng)構(gòu)造的三維模型轉(zhuǎn)化為STL格式文件，并在屏幕上顯示出轉(zhuǎn)換后的STL格式模型(即由一系列小三角形平面組成的三維模型)。

3．STL文件格式的規(guī)則以STL表示的零件，如果用圖形來表示，則其外表面是許多雜亂排列的小三角形，每個(gè)小三角形都用一個(gè)法向量和三個(gè)頂點(diǎn)來描述，法向量和頂點(diǎn)都用三維坐標(biāo)表示。其描述方法如下：

1)共頂點(diǎn)規(guī)則每一個(gè)小三角形必須與每個(gè)相鄰小三角形平面共有兩個(gè)頂點(diǎn)，也就是說，一個(gè)小三角形平面的頂點(diǎn)不能落在相鄰的任何一個(gè)小三角形的邊上，如圖5.28(a)所示。圖5.28(b)中的A邊的一個(gè)頂點(diǎn)落在相鄰小三角形的邊上，違反了共點(diǎn)規(guī)則，應(yīng)刪除A，或者連接頂點(diǎn)1和2，否則，不能順利地進(jìn)行切片處理。圖5.28共頂點(diǎn)規(guī)則的示例(a)正確；(b)錯(cuò)誤

2)取向規(guī)則對(duì)于每一個(gè)小三角形平面，其法向量必須向外，三個(gè)頂點(diǎn)連成的矢量方向按右手法則確定，而且對(duì)于相鄰的小三角形平面，不能出現(xiàn)取向矛盾，如圖5.29(a)、(b)所示。根據(jù)這個(gè)法則判斷，圖5.29(c)表達(dá)錯(cuò)誤(法向量取向矛盾)。圖5.29取向規(guī)則的示例

(a)正確；(b)正確；(c)錯(cuò)誤