数控技术及其应用(第2版)课件第8章数控技术的应用
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数控技术及应用课件
项目2 数控机床的典型结构
任务二 数控机床的总体布局 数控车床常用布局形式
平床身
斜床身
平床身斜滑板
立床身
项目2 数控机床的典型结构
项目2 数控机床的典型结构
项目2 数控机床的典型结构
项目2 数控机床的典型结构
数控镗铣床及加工中心常用布局形式
✓ 卧式数控镗铣床（加工中心）常用布局形式
项目2 数控机床的典型结构
项目2 数控机床的典型结构
刀具的选择
1. 顺序选择
将刀具按加工工序的顺序，依次放入刀库的每一个刀座内。每次换刀时， 刀库按顺序转动一个刀座的位置，并取出所需要的刀具。
优点：①刀库的控制与驱动简单；②无需刀具识别装置；③维护简单。 缺点： ①当加工零件改变后，刀库中的刀具顺序需按照新零件的工艺顺序重新排列 ，降低了系统的柔性； ②当工艺过程中有些工步所用的刀具相同时，也不允许重复使用同一把刀， 必须按加工顺序排列几把相同的刀具，增加了刀具数量和刀库储存量； ③操作人员必须在加工前仔细检查刀具的排列顺序，否则会造成严重事故。
方式：刀具编码选择、刀座编码选择。
项目2 数控机床的典型结构
➢ 刀具编码方式
采用一种特殊的刀柄结构，对每把刀具进行编码。 此方式对每把经组装刀具都进行二进制编码，并设法把此编 码信息 的载体以某种方式固定在刀具上，由于各种刀具几何形 状和尺寸不同，而刀具的夹头则相同，为便于识别，一般都把 代码信息载体固定在组装刀具的夹头上。此方式的刀具可随机 存放在任一刀座内，但刀具夹头必须专门设计和制造。
项目2 数控机床的典型结构
数控机床机械结构组成
主传动系统：实现主运动； 进给系统：实现进给运动； 机床基础部件：床身、底座、立柱等，支撑机床本体； 辅助装置：液压、气动、润滑、冷却、防护、排屑等装置，
机床数控技术及应用PPT课件
CC ＋+ XX
(a)
(c)卧式镗铣床；
(b)
(d)六轴加工中心
第15页/共27页
2.1.2 数控机床的坐标轴和运动方向
• 6.附加坐标 • X，Y，Z称为主坐标系(或第一坐标系)，除第一坐标系以外平行于主坐标轴的 其他坐标系则称附加坐标系，可命名为U，V，W铀。称为第二坐标系(参见图 2.1.3)再增加的第三坐标系可用P，Q，R表示。同样A，B，C以外的旋转轴可 命名为D或E等。
第4页/共27页
2.1.1穿孔纸带及代码
• 当穿孔带上出现程序段的结束代码(通常是NL 或IF)时，制动电磁铁5吸合，启动电磁铁6 复位，将穿孔带压向制动柱3，实现穿孔带的 快速制动。该传动方式避免了电机启动和停 止的惯性影内，使穿孔带既能快速启动又能 准确停止。由于穿孔带每一行的孔表示一个 代码，要求在同一瞬间将一行代码同时读入。 为了避免误读．采用了一个直径比代码孔径 略小的同步孔发出“读入”信号，因而即使 穿孔带以很高的速度通过光敏元件．也不致 造成误读。
第1页/共27页
2.1.1穿孔纸带及代码
• 数控机床数控装置的类型不同．所使用的信息载体或控制介质也不一样，功能较强 的数控装置还具有与计算机通讯、联网的功能。目前，一些大、中型数控机床仍采 用穿孔纸带输入，它的好处是不受电磁干扰的影响，没有漏磁问题，所以可长期重 复使用。
• 标准纸带有5单位(5列孔，宽17．5mm)和8单位(8列孔，宽25．4mm)两种。5单 位所能记录的信息较少，用于线切割、简易数控以及点位控制等功能较少的数控机 床。8单位孔带广泛用于车、铣、加工中心等多功能数控机床。
2.1.1穿孔纸带及代码
• 光电阅读机(图1—3)曾经在程序输人中发挥过重要 作用，它用红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代 码，将孔的排列图案转换为电信号送入数控装置。 它具有较高的阅读速度和抗干扰性。
(a)
(c)卧式镗铣床；
(b)
(d)六轴加工中心
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2.1.2 数控机床的坐标轴和运动方向
• 6.附加坐标 • X，Y，Z称为主坐标系(或第一坐标系)，除第一坐标系以外平行于主坐标轴的 其他坐标系则称附加坐标系，可命名为U，V，W铀。称为第二坐标系(参见图 2.1.3)再增加的第三坐标系可用P，Q，R表示。同样A，B，C以外的旋转轴可 命名为D或E等。
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2.1.1穿孔纸带及代码
• 当穿孔带上出现程序段的结束代码(通常是NL 或IF)时，制动电磁铁5吸合，启动电磁铁6 复位，将穿孔带压向制动柱3，实现穿孔带的 快速制动。该传动方式避免了电机启动和停 止的惯性影内，使穿孔带既能快速启动又能 准确停止。由于穿孔带每一行的孔表示一个 代码，要求在同一瞬间将一行代码同时读入。 为了避免误读．采用了一个直径比代码孔径 略小的同步孔发出“读入”信号，因而即使 穿孔带以很高的速度通过光敏元件．也不致 造成误读。
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2.1.1穿孔纸带及代码
• 数控机床数控装置的类型不同．所使用的信息载体或控制介质也不一样，功能较强 的数控装置还具有与计算机通讯、联网的功能。目前，一些大、中型数控机床仍采 用穿孔纸带输入，它的好处是不受电磁干扰的影响，没有漏磁问题，所以可长期重 复使用。
• 标准纸带有5单位(5列孔，宽17．5mm)和8单位(8列孔，宽25．4mm)两种。5单 位所能记录的信息较少，用于线切割、简易数控以及点位控制等功能较少的数控机 床。8单位孔带广泛用于车、铣、加工中心等多功能数控机床。
2.1.1穿孔纸带及代码
• 光电阅读机(图1—3)曾经在程序输人中发挥过重要 作用，它用红外光敏元件识别穿孔带上每排孔的代 码，将孔的排列图案转换为电信号送入数控装置。 它具有较高的阅读速度和抗干扰性。
数控技术基础与应用课件
16
数
2019/11/22
控
1.2 数控技术发展趋势
加 现代科学技术的发展，对机械加工高精度的提出了新的要求： 工普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加
技工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度
术为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。近10多年来，普通级数控机床的加工精 实 训度 ±已1~由1.5±μ1m0μRma提高到δ±5μm，精密级加工中心的加工精度则V从f ±3~5μVCm，提高到
END < > X
Y
Z
SHI :
7
8
9
0 ALT
FT
CR “ 4
5
6
BACK
SPACE
TAB ？
1
2
3 INS CTR
L
电源
步进 点动
单段
手摇
30 40 50 20 10
10
关
开 自动
回零 0
160
1
160
驱动器
XY 电源
ZA 报警
方式选择
进给修调
主轴修调
机床 NC 超程 主轴
超程解除
Y
10
100
F
G
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
H
I
J
彩色 显示器
PgU K
L
M
N
O
p
PgD
P
Q
R
S
T
n
HO
[
]
U
V
W
ME
END < > X
数
2019/11/22
控
1.2 数控技术发展趋势
加 现代科学技术的发展，对机械加工高精度的提出了新的要求： 工普通的加工精度提高了一倍，达到5微米；精密加工精度提高了两个数量级，超精密加
技工精度进入纳米级（0.001微米），主轴回转精度要求达到0.01~0.05微米，加工圆度
术为0.1微米，加工表面粗糙度Ra=0.003微米等。近10多年来，普通级数控机床的加工精 实 训度 ±已1~由1.5±μ1m0μRma提高到δ±5μm，精密级加工中心的加工精度则V从f ±3~5μVCm，提高到
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电源
步进 点动
单段
手摇
30 40 50 20 10
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关
开 自动
回零 0
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驱动器
XY 电源
ZA 报警
方式选择
进给修调
主轴修调
机床 NC 超程 主轴
超程解除
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ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
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彩色 显示器
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《数控技术及应用》 (2)
3)运动的方向 国标规定使刀具与工件距离增大的方向为运 动的正方向，即刀具远离工件的方向；反之， 则为负方向。
（2）机床坐标轴的确定
1) 先确定 Z 轴 2) 再确定 X 轴 3) 最后确定 Y 轴
（3） 机床原点、参考点和工件原点
1) 机床原点 machine origin
机床原点就是机床坐标系的原点，是机床的 一个基准位置。它是机床上的一个固定的点， 由制造厂家确定，其作用是使机床与控制系 统同步，建立测量机床运动坐标的起始点。 数控车床的机床原点多定在主轴前端面的中 心，即卡盘端面与主轴中心线的交点处。数 控铣床的机床原点多定在进给行程范围的正 极限点处，但也有的设置在机床工作台中心， 使用前可查阅机床用户手册。
数控车床原点、参考点和工件原点的关系 ， 如下图：
3) 工件原点 program origin
在对零件图形进行编程计算时，为了编程方 便，需要在零件图样上的适当位置建立编程 坐标系，其坐标原点即为程序原点。而要把 程序应用到机床上，程序原点应该对应工件 毛坯的特定位置，其在机床坐标系中的坐标 是多少，必须让机床的数控系统知道，而这 一操作是通过对刀来实现的。编程坐标系在 机床上就表现为工件坐标系，坐标原点就称 之为工件原点。对刀操作的目的是为了建立
④ 对于有对称几何形状的零件，工件原点最好选在对称中 心点上。
车床的工件原点一般设在主轴中心线上，多定在工 件的左端面或右端面。铣床的工件原点，一般设在 工件外轮廓的某一个角上或工件对称中心处，进刀 深度方向上的零点，大多取在工件表面。
对于形状较复杂的工件，有时为编程方便可根据需 要通过相应的程序指令随时改变新的工件坐标原点； 对于在一个工作台上装夹加工多个工件的情况，在 机床功能允许的条件下，可分别设定编程原点独立 地编程，再通过工件原点预置的方法在机床上分别 设定各自的工件坐标系。
机床数控技术及其应用
第4章
1. 插补：在一条曲线的已知起点和终点之间进行“数据点的密化工作”。 2. 并行处理的实现方式：资源分时共享（单 CPU） ；资源重叠流水处理（多 CPU）
第5章
1. 数据采样插补采用时间分割思想 2. 把加工一段直线或圆弧的整段时间细分为许多相等的时间间隔，称为插补周期 T； 插补周期 T 与采样周期 T 反馈可相同或不同，一般：T＝ T 反馈的整数倍。 3. 逐点比较法特点：运算直观，最大插补误差≤1 个脉冲当量，脉冲输出均匀，调节方便 4. 逐点比较法直线插补：令 为偏差判别函数，则有： 1）Fi，j≥0 时，向＋X 方向进给一个脉冲当量，到达点 Pi＋1,j，此时 xi＋1=xi＋1，则点 Pi＋1,j 的 偏差判别函数 Fi+1，j 为
机床数控技术及其应用
第1章
1. 数控技术正在向高速度、高精度、智能化、网络化以及高可靠性等方向迅速发展 2. 机床数控技术由机床本体、数控系统和外围技术组成 3. CNC --- 计算机数控系统（Computer Numerical Control ） 4. 数控系统的核心是 CNC 装置
5. 闭环控制的位置检测装置安装在机床刀架或者工作台等执行部件上 6. 半闭环控制的位置检测装置安装在伺服电机上或丝杠的端部
第6章
1. 数控系统中的检测装置分为位移、速度和电流三种类型 安装的位置及耦合方式—直接测量和间接测量； 测量方法———————增量型和绝对型； 检测信号的类型————模拟式和数字式； 运动型式———————回转型和直线型； 信号转换的原理————光电效应、光栅效应、电磁感应原理、压电效应、压阻效应和磁 阻效应等 2. 旋转变压器是一种输出电压与角位移量成连续函数关系的感应式微电机，数控机床上常 见的角位移测量装置 3. 定尺节距ω2 即为检测周期 2τ是衡量感应同步器精度的主要参数。常取 2τ=2mm相位 。 360 4. 正弦绕组和余弦绕组在空间错开 1/4 定尺节距（相当于电角度错开π/2） 5. 当滑尺移动距离为 2，V 2 变化 2,当移动 x 时，则对应感应电压以余弦函数变化 角 度。可得： 6. 对于栅距 d 相等的指示光栅和标尺光栅，当两光栅尺沿线纹方向保持一个很小的夹角θ ， 刻划面平行且有一个很小间隙（一般 0.05mm，0.1mm） ，在光源照射下，在与两光栅线纹 角θ的平分线相垂直的方向上，形成明暗相间条纹——莫尔条纹（横向莫尔条纹） ， 两条亮 （暗）纹间的距离称莫尔条纹宽度 w 。 7. 莫尔条纹特性： （1）光学放大作用 放大比 k 为 ：
数控技术及应用清华版绪论课件
3
1.1.2 数控技术旳特点
数控机床是采用数控技术旳机械设备中最具有代表性旳一种。 从数控机床具有旳许多优点中，能够看出数控技术旳特点，例 如： 提升了加工精度和同一批工件尺寸旳反复精度，确保了加工质量旳稳
定性。
具有较高旳生产效率。与一般机床相比，生产效率大致可提升2~3倍。 增长了设备旳柔性，能够适应不同品种、规格和尺寸以及不同批量旳
2
1.1.1 数控技术旳产生
1952年，MIT研制成功了三坐标数控系统，并在Cincinnate铣 床上装备了这种控制系统。它采用预制穿孔带作为信息载体， 能够控制多种机床。
我国从1958年开始研制数控机床。到20世纪70年代末共生产了 4108台数控机床，其中86%是数控线切割机床；到20世纪80年 代，伴随我国实施改革开放政策，引进了日本、美国等先进旳 数控技术，开始批量生产数控系统和伺服系统，使我国数控机 床在质量和数量上有了很大旳提升。
19
1.5.2 先进制造技术简介
1. 计算机直接数控系统(DNC) 计算机直接数控系统(DNC)就是使用一台通用计算机直接
控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配旳系统，也 称计算机群控系统。
2. 柔性制造系统(FMS) 柔性制造技术旳发展，已经形成了在自动化程度和规模上
不同旳多种层次和级别旳柔性制造系统。带有自动换刀装 置(Automatic Tool Changer，ATC)旳数控加工中心，是柔 性制造旳硬件基础，是制造系统旳基本级别。
工件加工。
操作人员旳劳动强度大为减轻。 具有较高旳经济效益。这是因为数控机床能一机多用，替代多台一般
机床，降低了工序间工件旳运送时间，节省厂房面积，降低工夹具数 量和投资。
能加工一般机床所不能加工旳复杂型面。 可向更高级旳制造系统发展。
1.1.2 数控技术旳特点
数控机床是采用数控技术旳机械设备中最具有代表性旳一种。 从数控机床具有旳许多优点中，能够看出数控技术旳特点，例 如： 提升了加工精度和同一批工件尺寸旳反复精度，确保了加工质量旳稳
定性。
具有较高旳生产效率。与一般机床相比，生产效率大致可提升2~3倍。 增长了设备旳柔性，能够适应不同品种、规格和尺寸以及不同批量旳
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1.1.1 数控技术旳产生
1952年，MIT研制成功了三坐标数控系统，并在Cincinnate铣 床上装备了这种控制系统。它采用预制穿孔带作为信息载体， 能够控制多种机床。
我国从1958年开始研制数控机床。到20世纪70年代末共生产了 4108台数控机床，其中86%是数控线切割机床；到20世纪80年 代，伴随我国实施改革开放政策，引进了日本、美国等先进旳 数控技术，开始批量生产数控系统和伺服系统，使我国数控机 床在质量和数量上有了很大旳提升。
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1.5.2 先进制造技术简介
1. 计算机直接数控系统(DNC) 计算机直接数控系统(DNC)就是使用一台通用计算机直接
控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配旳系统，也 称计算机群控系统。
2. 柔性制造系统(FMS) 柔性制造技术旳发展，已经形成了在自动化程度和规模上
不同旳多种层次和级别旳柔性制造系统。带有自动换刀装 置(Automatic Tool Changer，ATC)旳数控加工中心，是柔 性制造旳硬件基础，是制造系统旳基本级别。
工件加工。
操作人员旳劳动强度大为减轻。 具有较高旳经济效益。这是因为数控机床能一机多用，替代多台一般
机床，降低了工序间工件旳运送时间，节省厂房面积，降低工夹具数 量和投资。
能加工一般机床所不能加工旳复杂型面。 可向更高级旳制造系统发展。
数控技术及其应用(第2版)PPT全套课件
（2）中档数控机床
其技术指标常为：脉冲当量0.005～0.001 mm，快进速度15～24 m/min，伺 服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可以显示字符 和图形，人机对话，自诊断等，主CPU一般为16位或32位。
（3）高档数控机床
其技术指标常为：脉冲当量0.001～0.0001 mm，快进速度15～100 m/min， 伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还 具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。
1.4 数控机床和数控系统的发展
1．高速、高精度化 2．开放式 3．智能化
（1）在数控系统中引进自适应控制技术 （2）设置故障自诊断功能 （3）具有人机对话自动编程功能 （4）应用图像识别和声控技术
4．复合化 5．高可靠性 6．多种插补功能
7．友好的人机界面 （1）现代数控机床具有丰富的显示功能。 （2）丰富的编程功能。 （3）方便的操作。 （4）多种方便编程的固定循环。 （5）系统具有多种管理功能 （6）PLC程序编制方法的增加。 （7）帮助功能。
目前，选用数控设备主要考虑3种因素：即单件、中小批量 的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁， 生产周期要求短的加工。
A 图纸
C
D
E
B
F
控制
伺服
数控
计算机
机构
设备
数控设备的一般形式
1.1.2 数控机床及其加工原理
数字控制机床（Numerical Control Machine Tools） 简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控 制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的 数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数 控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求 的形状和尺寸自动地将零件加工出来。
其技术指标常为：脉冲当量0.005～0.001 mm，快进速度15～24 m/min，伺 服系统为半闭环直流或交流伺服系统，有较齐全的CRT显示，可以显示字符 和图形，人机对话，自诊断等，主CPU一般为16位或32位。
（3）高档数控机床
其技术指标常为：脉冲当量0.001～0.0001 mm，快进速度15～100 m/min， 伺服系统为闭环的直流或交流伺服系统，CRT显示除具备中档的功能外，还 具有三维图形显示等，主CPU一般为32位或64位。
1.4 数控机床和数控系统的发展
1．高速、高精度化 2．开放式 3．智能化
（1）在数控系统中引进自适应控制技术 （2）设置故障自诊断功能 （3）具有人机对话自动编程功能 （4）应用图像识别和声控技术
4．复合化 5．高可靠性 6．多种插补功能
7．友好的人机界面 （1）现代数控机床具有丰富的显示功能。 （2）丰富的编程功能。 （3）方便的操作。 （4）多种方便编程的固定循环。 （5）系统具有多种管理功能 （6）PLC程序编制方法的增加。 （7）帮助功能。
目前，选用数控设备主要考虑3种因素：即单件、中小批量 的生产；形状比较复杂，精度要求高的加工；产品更新频繁， 生产周期要求短的加工。
A 图纸
C
D
E
B
F
控制
伺服
数控
计算机
机构
设备
数控设备的一般形式
1.1.2 数控机床及其加工原理
数字控制机床（Numerical Control Machine Tools） 简称数控机床，这是一种将数字计算技术应用于机床的控 制技术。它把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的 数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数 控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图样要求 的形状和尺寸自动地将零件加工出来。
数控技术的应用
8.2.2 柔性制造系统的类型与构成
1．柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的 制造系统。
柔性制造系统有以下3种类型。 （1）柔性制造单元。 （2）柔性制造系统。 （3）柔性自动生产线。 2．柔性制造系统的构成
就机械制造业的柔性制造系统而言，柔性制造系统 （FMS）由下面3部分组成：多工位的数控加工系统、自 动化物料储运系统和计算机控制的信息系统。
1973年，美国的约瑟夫·哈灵顿博士首先提出了计算机集成制 造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念，他认为， 企业的生产组织和管理应该强调两个观点，即：企业的各种生产经营 活动是不可分割的，需要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息 的采集、传递和加工处理的过程。
1．虚拟数控车削加工系统的总体设计
特征造型
车床造型
刀具造型
夹具造型
数控代码
毛坯造型
实体造型
仿真系统坐标系
数控代码翻译
参数动画控制
仿真运动数学模型 仿真工件切除数学模型
加工过程仿真系统 车床参数设置
仿真干涉碰撞数学模型
加工参数
加工过程仿真动画图象输出
数控车削加工过程几何仿真系统
数控车床仿真加工系统
毛
进行模块化设计要把机床划分成若干模块，这里考虑三轴数控铣 床的运动关系，即主轴的转动、工作台的平动，把数控铣床分成机床 主轴、床身、X向工作台、Y向工作台和Z向工作台，它和实际机床的 组成有所不同，对一些与仿真无关的部件，如液压装置、照明电气系 统等，在仿真模型中不予考虑，从而简化仿真模型。
为了给用户带来美好的视觉效果，本系统提供了变换机床颜 色和材质的功能，用户可以根据自己的喜好来定制自己的 数控机床；同时系统还提供了隐藏和显示机床各模块的功 能，如用户不需要看机床而只想看刀具与工件的仿真加工 过程，则可以隐藏机床床身和工作台。
8 机床数控技术-第8章 数控机床的刀具与工作交换装置-jin-18
8.1 数控机床的自动换刀装置
8.1.1
自动回转刀架
优点：结构简单紧凑 换刀时间短 缺点：容纳刀具较少。 适用于各种数控车床，车削中心。
8.1 数控机床的自动换刀装置
8.1.2
转塔头式换刀装置
转塔头式换刀装置：转塔头上装有几个主轴，每个主轴上均 装一把刀具，加工过程中转塔头可自动转位实现自动换刀。
绪论
计算机数字控制系统 数控机床的主运动部件 进给伺服系统 数控机床的位置检测装置
第3章 数控机床结构设计与总体布局
第 7章
进给系统的机械传动结构
第8章 数控机床的刀具与工作交换装置
第 9章
数控加工编程
本章知识要点
（1）数控机床的自动换刀装置； （2）数控机床的工作交换装置； （3）数控机床的回转工作台。
机床数控技术
5-6 步进电动机转子有80个齿，采用三相六 拍驱动方式，经丝杠螺母传动副驱动工作做 直线运动，丝杠的导程为5mm，工作台移动 最大速度为6mm/s。求 （1）步进电动机的步距角 （2）工作点的脉冲当量 （3）步进电动机的最高工作频率
目
第 1章
第 2章 第 4章 第 5章 第 6章
录
8.1 数控机床的自动换刀装置
8.1.1
自动回转刀架
换刀过程：刀架松开、抬起-->转位-->落下、压紧
1,17-轴；2-蜗轮；3-刀架;4-密封圈；5,6-齿盘；7-压盖；8-刀架；9，20-套筒； 10-轴套；11-垫圈；12-螺母；13-销；14-底盘；15-轴承；16-联轴套；18-蜗 杆；19-微动开关；21-压缩弹簧；22-电动机
可分为编码钥匙、编码卡片、编码杆和编码盘等，用的最多的编码钥匙。
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2．CIMS在中国的应用发展 （1）CIMS在中国的发展历史
哈灵顿博士强调的一是系统观点，二是信息观点。两者都是信息 时代企业组织和企业管理最基本和重要的观点。可以说，CIM是信息 时代组织和管理企业生产的一种哲理，是信息时代新型企业的一种生 产模式。基于这一理论和技术构成的具体实现便是计算机集成制造系 统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）。
8.2.4 柔性制造系统的应用实例
由于箱体、框架类零件及板材等采用柔性制造系统加工，经 济效益特别显著，故现在的柔性制造系统中，加工箱体、 框架类零件及板材的柔性制造系统加工占得比重较大。
1．板材加工的柔性制造系统 板金加工主要是剪切加工和冲压加工，在传统的生产
车间中，加工对象滞留在工厂里的大部分时间是用在等待 上，极少部分时间用于加工。时间的等待无异于资金的积 压，而板材加工的柔性制造系统能有效地解决这一问题。
数控技术及其应用
第一第一章章 绪数论 控技术的应用
数控技术是一种自动控制技术，即应用数字程序实现对各种机构 的执行部件进行自动控制和操作。数控技术最初应用于切削加工机床， 以形成各类数控机床，如数控车床、数控铣床、数控钻床、加工中心 等。随着计算机技术的发展，计算机数字控制技术日臻完善，虚拟仿 真也得到了应用，这里只提及数控车床和数控铣床的虚拟数控技术应 用。除了数控机床外，数控技术还可应用于对工业机械手的自动控制， 对检测装置的自动控制，对电加工设备、焊接设备的自动控制，对布 料裁剪机、绒线编织机的自动控制等。
车
夹
刀
坐
数
坯
床
具
具
标
控
设
床
设
设
模
代
计
身
计
计
型
码
模
设
模
模
模
解
块
计
块
块
块
释
模
器
块
数控车床仿真加工系统
2．虚拟数控车削加工系统功能模块 （1）建立几何仿真数控车床模型 ① 几何仿真数控车床加工环境。 ② 几何仿真数控车床加工设备。 （2）刀具设计模块 （3）毛坯设计模块 （4）夹具设计模块
8.1.4 虚拟数控铣床
8.3.2 CIMS的应用进展
1．CIMS在国外的应用发展 技术上的可能和市场竞争的需要，终于使哈林顿在1973年提
出的CIMS概念由不被重视迅速地成为一些技术上处于先 导地位的企业和一些国家政府的实践活动。世界上一些著 名的大公司，从20世纪70年代末80年代初开始制订本公司 实现CIMS的规划，建立CIMS的生产工厂（车间），攻克 实现CIMS的技术难关并且不断取得重大进展。一些工业 发达的国家政府和组织如美国、日本、欧盟和经互会成员 国，都把CIMS作为科学技术发展的一个战略目标，通过 制订各种计划、规划，建立国家级研究实验基地等手段积 极推进这一新的生产方式的发展。
板材加工的柔性制造系统的总体布局图
由5大部分组成：自动仓库单元、冲压加工单元、剪切加 工单元、中央控制单元和自动工艺编程单元。
2．加工箱体类零件的柔性制造系统
加工箱体类零件的柔性制造系统
8.3 计算机集成制造系统
8.3.1 计算机集成制造系统简介
使用柔性制造系统虽然有较高的经济效益，但它的高 效和自动化只是局限在制造加工的范围内，随着制造行业 的发展，柔性制造系统越来越体现出“自动化孤岛”的特 点。当今制造业的竞争关键在于：T（Time to Market）— — 加快新产品的开发和产品的上市时间；Q（Quality）— — 改善质量；C（Cost）—— 降低成本；S （Service）—— 完善售前售后服务。而柔性制造系统的 “自动化孤岛”特点阻碍了T、Q、C和S的完善，因而降 低了市场的竞争力。
公用数据库是CIMS的核心，对信息资源进行存储与 管理，并与各个计算机系统进行通信，实现企业数据的共 享和信息集成。
由上述可知，CIMS是建立在多项先进制造技术基础 上的高技术制造系统。为赶上工业先进国家的机械制造水 平，我国863计划将CIMS作为自动化领域中的一个主题项 目进行研究，开展了关键技术的攻关工作，确定了若干试 点工厂，取得了一批重要的研究成果。CIMS的实施过程 中要实现工程设计、制造过程、信息管理、工厂生产等技 术和功能的集成。这种集成不是现有生产系统的计算机化， 而原有的生产系统集成很困难，独立的自动化系统异构同 化非常复杂，因此要考虑在实施CIMS计划的收益和支出。
具体来讲，工作主要集中在以下几个方面。 （1）虚拟数控加工系统控制面板的构造。 （2）数控代码的编辑、修改及翻译。 （3）实时地反映数控加工过程的动态仿真模型的建立。 （4）强大的在线帮助功能。
8.2 柔性制造系统
8.2.1 柔性制造系统的定义 关于柔性制造系统的定义很多，下面列出一些权威性单位的定义。 美国国家标准局（National Bureau of Standard，NBS）把FMS
系统还提供了多方位观察截面方式：XOZ截面、YOZ截面等 截面观察方式。在工件定位或加工仿真过程中，用户可以 选择不同的截面来观察显示，了解不同侧面的加工信息， 更好地掌握数控机床的加工过程。
8.1.5 总结
虚拟数控技术是在分析实际使用的数控机床的操作方式和编程原理的基 础上，采用面向对象的结构化程序设计语言开发的一套用于数控机床 实验教学培训的软件系统。能够较好地满足用户对数控加工仿真系统 的要求，为数控操作人员提供了强有力的辅助工具。解决数控教学设 备不足的问题。
（1）自动加工系统。 （2）物流系统。 （3）信息系统。
8.2.3 柔性制造系统的优点
柔性制造系统是一种技术复杂、高度自动化的系统，它将微 电子学、计算机和系统工程等技术有机地结合起来，理想 和圆满地解决了机械制造高自动化与高柔性化之间的矛盾， 具体优点如下。
（1）设备利用率高。 （2）再制品减少80%左右。 （3）生产能力相对稳定。 （4）产品质量高。 （5）运行灵活。 （6）产品应变能力大。
在《中华人民共和国国家军用标准》有关“武器装备柔性制造系 统术语”中的定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储 装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造 单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品 种、中小批量生产”。
简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运储装置和计算机控制 系统组成的并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动 化制造系统。
本章将简要介绍数控技术在具体工程学科上的一些应用情况。
8.1.3 虚拟数控车床
一个完整的车削加工仿真系统应具有以下的功能。 （1）画面逼真地反映数控车削加工环境和整个加工过程。在仿真系统中，
人们可以直观地观察全部加工过程，包括工件的装夹定位、机床调整、 切削等。 （2）可以真实描述数控车削加工过程中的物理效应，如车削中的应力， 工件和夹具的变形。 （3）能对数控车削加工过程中出现的碰撞、干涉进行检测，并提供报警 信息。 （4）对加工过程使用的工装、夹具的实用性给予评价，对待加工产品的 可加工性和工艺规程的合理性进行评估。 （5）数控车削加工仿真系统还应当能够对加工精度、加工时间进行精确 估算，为虚拟制造技术提供数据支持。
8.2.2 柔性制造系统的类型与构成
1．柔性制造是指在计算机支持下，能适应加工对象变化的 制造系统。
柔性制造系统有以下3种类型。 （1）柔性制造单元。 （2）柔性制造系统。 （3）柔性自动生产线。 2．柔性制造系统的构成
就机械制造业的柔性制造系统而言，柔性制造系统 （FMS）由下面3部分组成：多工位的数控加工系统、自 动化物料储运系统和计算机控制的信息系统。
国际生产工程研究协会指出：“柔性制造系统是一个自动化的生 产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统 的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制。”
欧盟机床工业委员会认为：“柔性制造系统是一个自动化制造系 统，它能够以最少的人干预，加工任一范围的零件族工件，该系统通 常用于有效加工中小批量零件族，以不同批量加工或混合加工；系统 的柔性一般受到系统设计时考虑的产品族限制，该系统含有调度生产 和产品通过系统路径的功能。系统也具有产生报告和系统操作数据的 手段”。
1973年，美国的约瑟夫·哈灵顿博士首先提出了计算机集成制 造（Computer Integrated Manufacturing，CIM）的概念，他认为， 企业的生产组织和管理应该强调两个观点，即：企业的各种生产经营 活动是不可分割的，需要统一考虑；整个生产制造过程实质上是信息 的采集、传递和加工处理的过程。
1．虚拟数控铣削加工系统的总体设计
虚拟数控铣削加工系统
辅
代
虚
二
三
在
刀
助
码
拟
维
维
线
夹
编
解
面
仿
仿
帮
具
程
释
板
真
真
助
库
系统功能模块框图
系统整体加工环境图
系统实现流程图
2．虚拟数控铣削加工系统各功能模块
机床模型包括机床的几何模型、运动模型和机床的一些技术参数。 本系统主要是解决机床几何模型的建立，然后通过程序来控制实现各 轴的移动及主轴的转动，这里采用模块化设计来建立机床几何模型。 机床的模块化设计包含两个过程，一是如何根据设计要求进行功能抽 象、合理创建模块的过程；二是如何根据设计要求合理选择一组模块、 产生机床拼装方案的过程。
1．虚拟数控车削加工系统的总体设计
特征造型
车床造型
刀具造型
夹具造型
数控代码
毛坯造型
实体造型
仿真系统坐标系
数控代码翻译
参数动画控制
仿真运动数学模型 仿真工件切除数学模型
加工过程仿真系统 车床参数设置