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1、CAD/CAM基础理论与应用,机械工程及其自动化一级学科 硕士生学位课,第6章 计算机辅助制造,CAD/CAM研究室,本章学习要点,掌握计算机辅助制造的基本概念和内涵,了解开放式CNC体系结构的特点和类型,了解数控编程及其相应的计算机辅助技术,了解制造执行系统的定义、特点以及网络化 制造执行系统的配置和运行机制,3,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,4,1.1 基本概念,计算机辅助制造（Computer Aided Manufacturing, CAM）是指采用计算机及其交互设备辅助
2、人类实现数控编程，并控制、监测、处理、变换、管理加工过程的一种技术,广义CAM是指利用计算机辅助完成从生产准备到产品制造整个过程的活动：工艺过程设计，工装设计，NC自动编程，生产作业计划，生产控制，质量控制等,狭义CAM是指NC程序编制，包括刀具路径规划，刀位文件生成，刀具轨迹仿真及NC代码生成等,6,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,制造装备数字化控制的实现经历了专用数控系统、计算机数控系统、开放式数控系统等多个发展阶段,数控指令的输入从“卡片与纸带读码机”、“磁带与磁盘计算机”发展到“数据文件直接的局域网和广域网传输”,制造装备对CAM技术的影响,新型的CNC机床包含了网络化接口、Web
3、服务接口等功能，实现网络化的CAM技术有了制造装备方面的硬件保证,7,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,制造装备对CAM技术的影响（续）,日本Yamazaki Mazak公司的开放式CNC数控系统MAZATROL FUSION 640的人机界面和各种接口,8,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,检测、控制装置对CAM技术的影响,实现制造属性数据、制造过程数据、故障数据等能实现双向流动，特别是设备向高层管理计算机的流动,9,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,10,1.3 信息应用方式
4、对CAM技术的影响,不同的产品模型对CAM技术的影响,产品模型是CAM系统的输入，不同的产品模型表达方式影响着CAM软件系统的开发方法,以快速成型机为例：用于加工零件输入的模型采用三角面片表示，形成了一种称之为STL文件格式的工业事实标准，基于快速成型加工的CAM系统将围绕该种零件模型进行加工辅助处理,CAM技术的实质是对制造信息的应用和处理,美国3D Systems的快速成型机,11,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,不同的产品模型对CAM技术的影响,12,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,制造信息处理模式对CAM技术的影响,CAM系统在支持制造的数控编程、加工调度、监测与质量控
5、制过程中，采用不同的制造信息处理模式会产生不同的CAM系统开发逻辑与应用流程,在采用CAM系统辅助加工调度、监测与质量控制活动时，以制造设备为基点，制造信息处理模式有三种：, 单机模式, 以制造设备作为客户端节点, 以制造设备作为服务器端节点,13,1 计算机辅助制造概述,1.1 基本概念,1.2 制造硬件对CAM技术的影响,1.3 信息应用方式对CAM技术的影响,1.4 CAM系统的网络化,14,1.4 CAM系统的网络化,CAM系统网络化包含两层含义： CAM制造硬件的网络化与CAM软件的网络化,CAM制造硬件的网络化,制造设备的网络化接口问题（1）,制造装备的网络化接口是使制造设备网络化
6、的基本要素。,传统的数控设备一般均具有RS232标准串口，这种标准串口用来实现传统设备的互联，以便完成数控指令网上传输、加工工况数据反馈等功能,当前新型数控制造装备均带有以太网接口，有些还带有不同类型的现场工业总线接口，为数控装备的互联提供支撑,15,1.4 CAM系统的网络化,制造设备的网络化接口问题（2）,16,1.4 CAM系统的网络化,数控制造装备在互联的过程中，需要网络互联协议的支持,对应于远程实时操作及抗干扰能力的网络包括早期用于制造系统互联的MAP网，以及现今广泛应用的工业现场总线、实时工业以太网等,目前已得到应用且列为IEC61158国际标准的现场总线有：（FF的H1、FF-H
7、SE、Profibus、INTERBUS、P-NET、WorldIFP、ControlNet、SwiftNet）；工业实时以太网有EthernetIP、FF-HSE、ProfiNet、IDA等,制造设备的网络互联协议,CAM制造硬件的网络化,17,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件的网络化（三种实现形式）,基于网络数据库的CAM集成,有效利用已有单机版CAM软件、且通过共享数据库实现制造数据分享的一种形式,由于涉及到制造数据的共享问题，因此必须给CAM软件附加若干辅助模块，如数据及库文件远程读写模块、数据库操作权限管理模块、数据一致性维护模块等,18,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件
8、的网络化（三种实现形式）,基于C/S结构的CAM软件,其出发点是将CAM软件划分为服务器端软件和客户机端软件两部分。服务器端软件实现CAM的功能，而客户机端CAM软件则实现基于用户图形界面的输入输出功能，常安装在制造装备的前端计算机中,基于C/S结构的CAM软件需要在客户端安装相关的软件，故使用该类软件受客户端地理位置的限定,19,1.4 CAM系统的网络化,CAM软件的网络化（三种实现形式）,基于B/S结构的CAM软件,其逻辑是将CAM软件安装在服务器端，在客户机端则不作任何安装。其运行可在任意地点的客户端通过Web浏览器完成，且相应的交互界面以Web页面、Java Applet或Activ
9、eX控件等形式表现,CAM软件可安装在管理层的计算机中，亦可安装在底层的制造装备的前端计算机中。前一种安装方式指底层所产生的制造数据由高层采集、处理与发布；后一种安装形态指制造装备所产生的数据通过Web服务直接向外发布,20,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.3 数控的轴的概念,2.4 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.5 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,21,2.1 基本概念,开放式CNC体系结构伴随着个人计算机PC的出现而出现,原有专用数控系统在软硬件资源方面的局限性，无法适应数字化制造环节对模块化、可重构、可扩充等方面
10、的要求，无法在数控系统的通用性、柔性、适应性和进一步的智能化、网络化方面提供支撑,开放式CNC系统的概念起源于上世纪80年代的美国，目前提出了不同的开放式CNC体系结构，典型的有：美国的下一代控制器NGC计划、欧盟的自动化系统开放式控制结构OSACA计划、日本的开放式控制器系统环境OSEC计划等,开放式CNC系统的特点：,能够在各种操作环境下运行,可与其他系统相互交流信息,能够给用户提供一种统一风格的交互方式,2.1 基本概念,23,2.1 基本概念,开放式CNC体系结构可归纳为三种类型：,在专用数控系统中嵌入PC的开放式CNC体系结构,基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,基于PC软数控机理
11、的开放式CNC体系结构,24,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,25,2.2 开放式CNC系统的体系结构,开放式数控系统（第六代数控系统）可通过两种方式实现：开放软件体系结构与开放硬件体系结构,开放软件体系结构,26,2.2 开放式CNC系统的体系结构,开放硬件体系结构,PLC、DSP运动控制卡,运动控制器产品供应商：美国的Delta Tau、Galil公司，德国的Dspace、Movtec
12、公司等,27,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,28,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,计算机与数控机床之间的互联技术,计算机与数控加工设备的通信方式取决于数控系统的通信接口与协议。数控系统提供的通信接口有：异步串行通信接口，接口，现场总线接口，接口等,异步串行通信接口,RS232、RS422、RS485等，优点：方便，实现较容易；缺点：通信距离较近,DNC接口,可实现较远距离通信，具有
13、出错反馈与在线实时修改功能，便于远程管理，但结构复杂，通用性差，软件开发难度大,MAP网或现场总线接口,通信速率快，可靠性高，可实现一些实时性很强的控制要求,29,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,开放式数控系统间、开放式数控系统与管理层间的互联技术,30,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,开放式数控系统间、开放式数控系统与管理层间的互联技术,31,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,
14、32,2.4 数控的轴的概念,从三维几何空间看，一个物体在一个空间内沿X、Y、Z轴的平动和绕这三个轴的转动构成了该空间的六个基本轴运动 对于数控机床，其数控的目标是在由主轴部件和进给部件组成的切削几何空间内控制轴运动及其轴运动间的联动,标准坐标系：右手笛卡尔坐标系 各轴的回转运动及其方向用右手螺旋法则判定,33,2.4 数控的轴的概念,目前，最好的无冗余轴控制的数控设备之一为五轴五联动加工中心,数控机床的切削加工动作是通过轴运动或多轴联动产生的运动来完成。其中，多轴联动用于产生预定的运动轨迹,以CNC车削为例，需要控制的轴运动包括车床主轴的旋转运动、进刀方向和走刀方向两个直线运动,在车削螺纹时
15、，需要在主轴旋转运动和沿进刀方向的直线运动间实现联动；车削锥面则需要在两个直线运动间实现联动,控制轴运动是数控加工的核心。在某种程度上，数控体系结构的开放性可由控制轴运动的实现方法的开放性决定,34,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,35,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,在基于运动控制卡的开放式数控机床中，轴运动是通过伺服电机驱动相关的执行机构完成的。运动控制卡则用于产生控制信
16、号以便控制伺服电机实现相关的运动轨迹,运动控制卡含CPU，实时控制计算由其完成，而涉及到数控的非实时计算部分则可由PC机实现 通过驱动器、I/O接口与各种伺服电机相联，伺服电机再驱动执行机构如运动平台按预定轨迹运动。运动的位置等误差则通过光栅元件进行检测并反馈以修正误差。,36,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,37,2 开放式的CNC体系结构,2.1 基本概念,2.4 数控的轴的概念,2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构,2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,2.2 开放式CNC系统的体系结构,2.3 开放式数控系统的网络接入技术,38,2.6 基于PC的开放式CNC体系结构,用于插接运动控制卡的PC机所使用的为通用非实时操作系统（如Windows/Linux等）,将PC机的操作系统改为实时操作系统（如Windows的RTX、RT-Linux等），且将运动控制卡的功能由基于实时操作系统的运动控制软件来实现，则构成了基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构,实时任务进程、实时任务管理、硬件中断控制等技术是替代运动控制卡功能、完成系统实现
