余姚产品设计与数控编程 半年制
产品设计—CNC数控编程—模具制造
一、专业电脑使用基础
二、机械制图
三、AUTCAD二维制图
四、UGNA或PRO/E
五、逆向工程
六、CIMATRONIT或E
七、工厂编程实操
八、毕业设计
*节 数控机床的产生和发展
一、数控机床的产生
科学技术和社会生产的不断发展，对机械产品的质量和生产率提出了越来越高的要求。机械加工工艺过程的自动化是实现上述要求的最重要措施之一。它不仅能够提高产品的质量，提高生产效率，降低生产成本，还能够大大改善工人的劳动条件。 许多生产企业 ( 例如汽车、拖拉机、家用电器等制造厂 ) 已经采用了自动机床、组合机床和专用自动生产线。采用这种高度自动化和高效率的设备，尽管需要很大的初始投资以及较长的生产准备时间，但在大批大量的生产条件下，由于分摊在每一个工件上的费用很少，经济效益仍然是非常显著的。 但是，在机械制造工业中并不是所有的产品零件都具有很大的批量，单件与小批生产的零件 ( 批量在 10 — 100 件 ) 约占机械加工总量的 80 ％以上。尤其是在造船、航天、航空、机床、重型机械以及国防*，其生产特点是加工批量小，改型频繁，零件的形状复杂而且精度要求高，采用专用化程度很高的自动化机床加工这类零件就显得很不合理，因为生产过程中需要经常改装与调整设备，对于专用生产线来说，这种改装与调整甚至是不可能实现的。近年来，由于市场竞争日趋激烈，为在竞争中求得生存与发展，各生产企业如要提供高质量的产品，就必须频繁地改型，并缩短生产周期，满足市场上不断变化的需要。因此，即使是大批量生产，也改变了产品长期一成不变的做法。频繁地开发新产品，使“刚性”的自动化设备在大批生产中也日益暴露其缺点。已经使用的各类仿形加工机床部分地解决了小批量、复杂零件的加工。但在更换零件时，必须制造靠模和调整机床，不但要耗费大量的手工劳动，延长了生产准备周期，而且由于靠模误差的影响，加工零件的精度很难达到较高的要求。
为了解决上述这些问题，来满足多品种、小批量的自动化生产。迫切需要一种灵活的、通用的、能够适应产品频繁变化的柔性自动化机床。 数字控制 (NumericalControl ，简称 NC 或数控 ) 机床就是在这样的背景下诞生与发展起 来的。它极其有效地解决了上述一系列矛盾，为单件、小批生产的精密复杂零件提供了自动化加工手段。
数控机床就是将加工过程所需的各种操作 ( 如主轴变速、松夹工件、进刀与退刀、开车与停车、选择刀具、供给冷却液等 ) 和步骤，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，通过控制介质 ( 如穿孔纸带或磁带 ) 将数字信息送人专用的或通用的计算机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伺服系统或其它执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。数控机床与其它自动机床的一个显著区别在于当加工对象改变时，除了重新装夹工件和更换刀具之外，只需要更换一条新的穿孔纸带或磁带，不需要 对机床作任何调整。
1952 年美国帕森斯公司 (Parsons) 和麻省理工 (MIT) 合作研制成功世界上*台三坐标数控铣床，用它来加工直升飞机叶片轮廓检查用样板。这是一台采用专用计算机进行运算与控制的直线插补轮廓控制数控铣床，专用计算机采用电子管元件，逻辑运算与控制采 用硬件联接的电路。 1955 年，该类机床进入实用化阶段，在复杂曲面的加工中发挥了重要作用。 [FS:PAGE]
我国从 1958 年开始研制数控机床，在研制与推广使用数控机床方面取得了一定成绩。近年来，由于引进了国外的数控系统与伺服系统的制造技术，使我国数控机床在品种、数量和质量方面得到了迅速发展。 目前，我国已有几十家机床厂能够生产不同类型的数控机床和加工中心。我国经济型数控机床的研究、生产和推广工作也取得了较大的进展，它必将对我国各行业的技术改造起到积极的推动作用。
目前，在数控技术领域中，我国和先进的工业*之间还存在着不小的差距，但这种差 距正在缩小。随着工厂、企业技术改造的深入开展，各行各业对数控机床的需要量将会有大 幅度的增长，这将有力地促进数控机床的发展。
二、计算机数控 (Computer Numerical Control ，简称 CNC) ．
随着电子技术和计算机技术的不断发展，数控系统经历了采用电子管、晶体管、集成电 路，直到将计算机引入数控系统的过程。数控系统中引入了微型计算机 ( 简称微机 ) ，使它在质的方面完成了一次飞跃。计算机数控系统有许多优点:
1. 柔性好
以往数控系统的许多功能是靠硬件电路来实现的。若想改变系统的功能，必须重新布线， 但计算机数控系统能利用控制软件灵活地增加或改变数控系统的功能，更能适应生产发展的需要。
2 ．功能强
可利用计算机技术及其外围设备，增强数控系统及数控机床的功能。例如，利用计算机 图形显示功能，检查编程的刀具轨迹，纠正编程错误，还可检查刀具与机床、夹具碰撞的可 能性等；利用计算机网络通信的功能，便于数控机床组成生产线。
3 ．可靠性高
计算机数控系统可使用磁带、软盘等许多输入装置，避免了以往数控机床由于频繁地开启光电阅读机而造成的信息出错的缺点。与硬件数控相比，计算机数控尽量减少硬件电路，著地减少焊点、接插件和外部联线，提高了可靠性。此外，计算机数控系统一般都具备自 诊断功能，可及时指出故障原因，便于维修或预防操作失误，减少停机时间。这一切使得现代数控系统的无故障运行时间大为增加。
4 ．易于实现机电一体化
由于计算机电路板上采用大规模集成电路和先进的印制电路排版技术，只要采用数块印制电路板即可构成整个控制系统，而将数控装置连同操作面板装入一个不大的数控箱内，有力地促进了机电一体化。
5 ．经济性好
采用微机数控系统后，系统的性能价格比大为提高，现在不但大型企业，就是中小型企
业也逐渐采用微机数控系统了。
三、数控机床和数控系统的发展
现代数控机床及其数控系统， 目前大致向以下几个方面发展。
( 一 ) 高速、高精度化
要提高机械加工的生产率，其中最主要的方法是提高速度，但是这样做会降低加工精度。现代数控机床在提高加工速度的同时，也在进行高精度化。目前已可在 0 ． 1ltm 的最小设定单位时，进给速度达 24m ／ min 。要做到这一点，应对机械和数控系统提出更高的要求。 [FS:PAGE]
1 ．机械方面
例如机床主轴要高速化，提高主轴和机床机械结构的动、静态刚度。采用能承受高速的机械零件，如采用陶瓷球的滚珠轴承等。
2 ．数控系统方面
主要是提高计算机的运算速度。现代数控系统已从 16 位的 CPU ，普遍采用 32 位的 CPU 。主机频率由 5MHz 提高到 20 — 33MHz 。有的系统还制造了插补器的专用芯片，以提高插补速度；有的采用多 CPU 系统，减轻主 CPU 负担，进一步提高控制速度。
3 ．伺服系统方面
(1) 采用数字伺服系统 使伺服电动机的位置环、速度环的控制都实现数字化。
FANUCl5 系列开发出专用的数字信号处理器，位置指令输入后，它与从脉冲编码器来的位置信息，以及检出的电动机电流信息一起，在专用的微处理器芯片内，进行控制位置、速度和电动机电流的运算，*向功率放大器发出指令，以达到对电动机的高速、高精度控制。
(2) 采用现代控制理论提高跟随精度 当数控系统发出位置指令后，由于机械部分不能很快响应而会产生滞后现象，影响了加工精度。现代控制理论中有各种算法能够实现高速和高精度的伺服控制。但是，由于它们的计算方法太复杂，以往的计算机运算速度不够，很难实现。现在计算机的运算速度和存储容量都加大很多，有时还可采用专用芯片的办法，使复杂的计算能够在线实现，使得滞后量减少很多，提高了跟随精度。
(3) 采用高分辨率的位置编码器 一般交流伺服电动机轴上装有回转编码器 ( 脉冲发生器 ) 用来检测电动机的角位移。显然，编码器的分辨率越高，则电动机转动角位移就越精确。现代高分辨率位置编码器绝对位置的测量可达 脉冲／转。
(4) 实现多种补偿功能 数控系统能实现多种补偿功能，提高数控机床的加工精度和动态特性。数控系统的补偿功能主要用来补偿机械系统带来的误差。例如:
1) 直线度的补偿:随着某一轴的运动，对另一轴加以补偿，提高机床工作台运动的直度。
2) 采用新的丝杠导程误差补偿方法:用几条近似线表示导程误差，仅对其中几个点进补偿。此法可减少补偿数据的设定点数，使补偿方法大为简化。
3) 杠、齿轮间隙补偿。
4) 热变形误差补偿:用来补偿由于机床热变形而产生机床几何位置变化引起的加工误差。
5) 刀具长度、位置、半径等补偿。
6) 存储型补偿:这种补偿方法，可根据机床使用中的实际情况 ( 如机床零件的磨损情况
等 ) 适时地修订补偿值。
( 二 ) 提高数控系统的可靠性
提高数控系统的可靠性，可大大降低数控机床的故障率。新型数控系统大量使用大规模和超大规模集成电路，还采用专用芯片提高集成度以及使用表面封装技术等方法，减少了器件数量和它们之间的联线和焊点数目，从而大幅度降低系统的故障率。 此外，现代数控系统还具有人工智能 (A1) 功能的故障诊断系统，用它来诊断数控系统及机床的故障，把专家们所掌握的对于各种故障原因及其处置方法作为知识库储存到计算机的存储器中，以知识库为依据来开发软件，分析查找故障原因。只要通过回答显示器提出的简单问题，就能和专家一样诊断出机床的故障原因以及提出排除故障的方法。 [FS:PAGE]
( 三 )CNC 系统的智能化
由于 CNC 系统使用的计算机容量越来越大，运算速度越来越快，使得 CNC 系统不仅完成机床的数字控制功能，而且还可以充分利用软件技术，使系统智能化，给使用者以更大的帮助。例如，可将迄今为止必须由编程员决定的零件的加工部位、加工工序、加工顺序等，也可由 CNC 系统自动地决定。操作者只要将加工形状和必要的毛坯形状输进 CNC 系统，就能自动生成加工程序，这样， NC 加工的编程时间大为缩短，即使经验不足的操作者也能进行操作。 CNC 系统如何与人工智能技术相结合，尚待发展。除了上述在故障诊断和编程方面的应用外，还有更大的领域留待我们去探索。
( 四 ) 具有更高的通信功能
越来越多的工厂希望将多台数控机床组成各种类型的生产线或者 DNC(Direct Numeri —
cai Control 直接数字控制 ) 系统。这就要求 CNC 系统提高联网能力。一般 CNC 系统都具有
RS232 和 RS422 远距离串行接口，可以按照用户的格式要求，与同一级计算机进行多种数据
交换。为了满足不同厂家、不同类型数控机床联网功能要求，现代数控系统大都具有 MAP( 制造自动化协议 ) 接口，现在已实现了 MAP3 ． 0 版本，并采用光缆通信，以提高数据传送速度和可靠性。
四、机械制造系统的发展
在现代生产中，为了满足多品种、小批量、产品更新换代周期快的要求，原来以单功能
组成机床为主体的生产线，已不能适应机械制造业日益提高的要求，因而具有多功能和一定
柔性的设备和生产系统相继出现，促使数控技术向更高层次发展。现代生产系统主要有柔性
制造单元 FMC 、柔性制造系统 FMS 和计算机集成制造系统 CIMS 简要介绍这三种生产系统。
( 一 ) 柔性制造单元 (FMC)
柔性制造单元 FMC 是在制造单元的基础上发展起来的，又具有一定的柔性。所谓柔性是
指能够较容易地适应多品种、小批量的生产功能。 FMC 可由一台或少数几台设备组成。 FMC
具有独立自动加工的功能，又部分具有自动传送和监控管理功能，可实现某些种类的多品种
小批量的加工。有些 FMC 还可实现 24h 无人运转。由于它的投资较柔性制造系统 FMS 少得
多，技术上又容易实现，因而深受用户欢迎。
FMC 可以作为 FMS 中的基本单元，若干个 FMC 可以发展组成 FMS ，因而 FMC 可看作企 发展过程中的一个阶段。 FMC 有两大类，一类是数控机床配上机器人，另一类是加工中心配上托盘交换系统。
1 ．配有机器人的 FMC
加工中心上的工件，由机器人来装卸，加工完毕的工件码放在工件架上。监控器协调加
工中心和机器人的动作。
2 ．配有托盘交换系统构成的 FMC
由加工中心和托盘交换系统构成的 FMC 。托盘上装夹有工件。当工件加工完毕后，托盘转位，加工另一新工件，托盘支承在圆柱环形导轨上，由内侧的环链拖动而回转，链轮由电动机驱动。托盘的选定和停位，由可编程序控制器 (PLC) 来实现。—般的 FMC ，托盘数在 5 个以上。 如果在托盘的另一端设置一托盘工作站，则这种托盘系统可通过工作站与其它 FMC 发 生联系。若干个 FMC 可组成一个 FMS 。 [FS:PAGE]
( 二 ) 柔性制造系统 (FMS) ．
柔性制造系统是一个由中央计算机控制的自动化制造系统。它是由一个传输系统联系起来的一些设备 ( 通常是具有换刀装置的数控机床或加工中心 ) 。传输装置把工件放在托盘或其它联接装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动。所谓柔性就是通过编程或稍
加调整就可同时加工几种不同的工件。 采用柔性制造系统后，可显著提高劳动生产率，大大缩短制造周期和提高机床利用率，减 少操作人员数量，压缩在制品数量和库存量，因而使成本大为降低，缩小了生产场地和提高了技术经济效益。 柔性制造系统 (FMS) 由加工系统、物料输送系统和信息系统组成。现分别介绍之。
1 ．加工系统
加工系统中的自动化加工设备通常由 5 ～ 10 台数控机床和加工中心组成。它们都带有能
存储 20 把刀具以上的刀具库，并具有自动换刀装置。为了达到工件的自动更换，数控机床还带有自动的托盘更换装置，这样既能使工件装卸达到自动化，又能实现夜间无人化操作。
2 ．物料输送系统
物料输送系统主要是工件和刀具的输送。分三个方面来说明:
(1) 输送方式 工件输送方式常用的有环型和直线型两种。刀具输送方式也广泛采用直
线型和环型，因为这两种输送方式容易实现柔性，便于控制和成本较低。
