先进制造第五章

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1、5.1 制造自动化简述 5.2 数控机床及技术 5.3 加工中心 5.4 虚拟轴机床 5.5 工业机器人 5.6 装配线 5.7 自动导向车 5.8 质量检测及装备 5.9 柔性制造系统（FMS）,主要内容,第5章 先进制造装备及技术,5.1 制造自动化简述,（1）发展 单机自动化 自动线 数控机床 加工中心 柔性制造系统 计算机集成制造系统 （2）发展方向 柔性化 集成化 智能化,5.1.1 制造自动化技术的发展,5.1 制造自动化简述,（1）制造自动化 是指用机电设备工具取代或放大人的体力，甚至取 代和延伸人的智力，以自动完成特定的作业，实现 人机系统的协调和优化。 包括:物料的存储、运输

2、、加工、装配和检验等各个 生产环节的自动化 任务：研究制造过程的规划、管理、组织、控制与 操作等的自动化,5.1.2 制造自动化技术的内容,5.1 制造自动化简述,（2）制造自动化按对象可以分为 单机自动化 制造过程自动化 制造系统管理自动化 （3）制造自动化技术内容 数控技术 工业机器人 柔性制造系统（FMS） 自动检测及信号识别技术 过程设备工况监测与控制,5.2 数控机床及技术,（1）发展 第一代数控系统：1952年 MIT研制出一台二坐标联 动数控铣床 第二代数控系统：1959年3月，KenneyTrecker Corp发明了带有自动换刀装置的数控机床MC 第三代数控系统：1965年，

3、出现体积小，功耗低的 小规模集成电路 第四代数控系统：1970年前后，大规模集成电路及 小型计算机 第五代数控系统：1974年，以微处理器为核心的数 控系统 第六代数控系统：1990年，基于PC(微机) 数控系统,5.2.1 数控机床的发展,5.2 数控机床及技术,5.2.2 数控机床的组成,（1）CNC装置 计算机数控装置，即CNC装置，是CNC系统的核心，由 微处理器（CPU）、存储器、各种I/O接口及外围逻辑 电路等构成，主要功能有： 多坐标控制； 实现 多种函数的插补； 信息转换功能； 补偿功能； 多种加工方式选择； 具有故障自诊断功能； 通信和联网功能等。,（2）可编程逻辑控制器PL

4、C（辅助控制） 可编程逻辑控制器PLC，也是一种以微处理器为基础 的通用型自动控制装置，又称为PC（Programmable Controller）或PMC（Programmable Machine Controller），用于完成数控机床的各种逻辑运算和 顺序控制。 （3）机床操作面板（Operator Panel） 主要用于手动方式下对机床的操作以及自动方式下 对机床的操作或干预。 （4）数控面板 主要由显示器、手动数据输入（Manual Data Input，简称MDI）键盘组成，又称为MDI面板。,5.2 数控机床及技术,（5）进给伺服系统 由进给伺服单元和伺服电机组成，还应包括位置检

5、测 反馈装置。 脉冲当量或最小设定单位，CNC装置每发出一个控制 脉冲，机床刀架或工作台的移动距离,5.2 数控机床及技术,（6）主轴伺服系统 主轴驱动与进给驱动区别很大，电机功率输出应为 2.2250KW； 进给电机一般是恒转矩调速，而主电机除了有较大范 围的恒转矩调速外，还要有较大范围的恒功率调速。,5.2 数控机床及技术,（7）机床本体 主传动系统及主轴部件（电主轴）；,5.2 数控机床及技术,（7）机床本体 进给系统（滚珠丝杠、滚动导轨）,5.2 数控机床及技术,（7）机床本体 数控回转工作台,5.2 数控机床及技术,（7）机床本体 刀具及自动换刀系统,5.2 数控机床及技术,（1）分

6、类 按工艺用途分 金属切削类数控机床 金属成形类数控机床 数控特种加工机床 按伺服控制系统分 开环控制数控机床 闭环控制数控机床 半闭环控制数控机床,5.2.3 数控机床的分类与特点,5.2 数控机床及技术,（1）分类 按数控系统的功能水平分 高档数控机床 中档数控机床 低档数控机床 （2）特点 高精度 高效率 高柔性 高自动化 高效益,5.2 数控机床及技术,（1）运动控制 点位控制 刀具点到另点精确定位运动 对轨迹不作控制要求 运动过程中不进行任何加工 适用范围：数控钻床、数控镗床、数控冲床和数控测量机 直线控制 控制点到点的精确定位 要求以给定的进给速度 进行直线移动和切削加工,5.2.

7、4 数控加工原理,5.2 数控机床及技术,（1）运动控制 轮廓控制：对多个坐标轴同时进行控制，使之协调 运动(坐标联动)，使刀具相对工件按程序规定的轨 迹和速度运动，在运动过程中进行连续切削加工。,5.2 数控机床及技术,X,T,Li,L,Yi,ti,Xi,L2,L1,L0,Y,（2）坐标系 数控机床坐标轴系及运动方向,5.2 数控机床及技术,（2）坐标系 数控机床坐标轴系及运动方向,5.2 数控机床及技术,立式升降台数控铣床,（3）插补原理（Interpolation） 概念：机床数控系统依据一定方法确定刀具运动轨 迹、进而产生基本廓型的过程。 种类 直线插补 圆弧插补 方法 基准脉冲插补：

8、步进电机驱动的开环系统 逐点比较法 数字积分法 数据采样插补：闭环或半闭环系统 直线函数法 扩展数字积分法,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 插补原理 逐点比较法直线插补 偏差函数构造 直线插补时，通常将坐标原点设在直线起点上。对于第一象限直线OA，如右图所示，其方程可表示为： 若刀具加工点为Pi（Xi，Yi），则该点的 偏差函数Fi可表示为:,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 逐点比较法直线插补 偏差函数字的递推计算 若Fi =0，规定+X方向走一步，若坐标单位用脉冲当量表示，则有： 若Fi 0，规定+Y方向走一步，则有： 终点判别 判断插补或进给的总步数 ；分别判断各坐标轴

9、的进给步数； 仅判断进给步数较多的坐标轴的进给步数。,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 逐点比较法直线插补 直线插补举例 对于第一象限直线OA，终点坐标 ，,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 逐点比较法圆弧插补 偏差函数构造 若加工半径为R的圆弧AB，将坐标原点定在圆心上。对于任意加工点 ，其偏差函数 可表示为：,5.2 数控机床及技术,B（Xb,Yb）,Pi”,Pi(Xi, Yi),a,A(Xa, Ya),Pi,（4）逐点比较法 逐点比较法圆弧插补 偏差函数的递推计算 逆圆插补 若F0，规定-X方向走一步，则有： 若Fi 0，规定+Y方向走一步，则有： 顺圆插补 若Fi 0，

10、规定-Y方向走一步，则有：,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 逐点比较法圆弧插补 终点判别 判断插补或进给的总步数 分别判断各坐标轴的进给步数， 举例 对于第一象限圆弧AB，起点A（4，0），终点B（0，4），必须采用逆圆插补方法，其运算过程如下表所示：,5.2 数控机床及技术,（4）逐点比较法 逐点比较法的象限处理 分别处理法 坐标变换法,5.2 数控机床及技术,（5）数字积分法 插补原理 若加工图中的圆弧AB，刀具 在X、Y轴方向的速度必须满足： 用积分法可以求得刀具在X、Y 方向的位移 其数字积分表达式为,5.2 数控机床及技术,（5）数字积分法 DDA法直线插补 DDA法直线插

11、补的积分表达式 将其代入积分表达式： 令 ， ，则 积分值=溢出脉冲数+余数,5.2 数控机床及技术,（5）数字积分法 DDA法直线插补 终点判别 若累加次数 ，则： 举例 插补第一象限直线OE，起点为O（0，0），终点为E（5，3）。取 被积函数寄存器分别为 、 ，余数寄存器分别为 、 ，终 点计数器为 ，均为三位二进制寄存器。,5.2 数控机床及技术,（5）数字积分法 DDA法圆弧插补 DDA法圆弧插补的积分表达式 图为第一象限圆弧，圆心O位于坐标原点，两端点为A（XA，YA）、B（XB，YB），刀具位置为P（Xi，Yi），若采用逆时针加工，有：,5.2 数控机床及技术,令,（5）数字积分

12、法 DDA法圆弧插补 DDA法圆弧插补的积分表达式 显然用DDA法进行圆弧插补时，是对切削点的即时坐标Xi与Yi的数值分别进行累加，若累加器（Yi）与Jvy（Xi）产生溢出，则在相应坐标方向进给一步，进给方向则决定于圆弧所在象限、以及顺圆或逆圆插补的情况。 终点判别 不能通过插补运算的次数来判别，而必须根据进给次数来判别。,5.2 数控机床及技术,（5）数字积分法 DDA法圆弧插补 举例 对于象限圆弧，两端点为A（5，0）和B（0，5），采用逆圆插补，插补脉冲计算过程如下表：,5.2 数控机床及技术,（1）程序结构 一个完整的数控加工程序由程序号和程序段构成 程序段是由按一定顺序和规定排列的“

13、功能字” 组成 一个大型的程序还可由主程序和子程序构成 （2）程序段格式 N- Gxx X- Y- Z- F- S- T- Mxx LF(或CR) 程序段号N- 程序段的标号，主要用于程序段的检索 若N前面加“/”表示跳读,5.2.5 数控加工编程技术,5.2 数控机床及技术,（2）程序段格式 准备功能字(Gxx) 功能 对加工环境进行设置加工平面，进给速度与主轴转速的单 位，坐标系的建立与选择等； 规定基本运动直线运动、圆弧运动、螺旋线运动； 固定循环运动； 刀具补偿长度补偿，半径补偿，位置补偿。 基本G代码与功能 G00,G01直线运动 G33G35：螺纹加工 G02,G03圆弧运动 G1

14、7,G18,G19指定加工平面 G40G44：刀具补偿 G73,G74固定循环指令 G90,G91坐标类型 G54-G59工件坐标系选择 G27,G28,G29回参考点,5.2 数控机床及技术,（2）程序段格式 准备功能字(Gxx) 定位与加工G指令 快速定位指令G00 Nxx G90（或G91）G00 X- Y- Z- LF 直线插补指令G01 Nxx G90（或G91）G01 X- Y- Z- F- LF 圆弧插补指令G02和G03 G33/G34/G35/G36螺纹加工 G33（34） X（U）- Z（W）- F（E）- Q- K- * X螺纹长度的X坐标 Z螺纹长度的Z坐标 F轴向螺距

15、（导程） Q螺纹切削偏移角度（对于多头螺纹）,5.2 数控机床及技术,（2）程序段格式 进给功能字FXXX 刀具或坐标轴的移动速度，单位可以为mm/min， inch/min，mm/rev作为单位，其中常用单位为 mm/min 主轴功能字SXXX 规定了主轴转速；单位一般为r/min 刀具功能字TXX（TXXXX） TXXXX：前两位为刀具的序号，后两位为刀具补偿 号，多用于车床 TXX：指出刀具的序号，多用于钻、铣床。,5.2 数控机床及技术,（2）程序段格式 辅助功能字M功能字 功能：规定机床完成加工辅助动作，如换刀，开、关 冷却液，主轴转向及停止等 M指令： MOO：程序暂停。 MO2：程序结束 M03/M04/M05：主轴正转/反转/停止 M06：自动换刀 M08/09：冷却液打开/关闭 回车，用LF或 * 表示。,5.2 数控机床及技术,（3）刀具补偿 刀具补偿原理与功能 补偿原理 刀架参考点：安装刀具的刀架和主轴头上必须设置个