机电一体化3AWord格式文档下载.docx

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能加工复杂形状零件如火箭和飞机的零、部件。

2。

由于在NC机床中所用的程序载体是软介质，如易于修改的穿孔纸带或磁带，所以不再有机床的通用性和自动性之间的矛盾，这导致可实现小批量甚至一样一件生产的自动化，从而极大地促进了新产品的设计和制造，使我们的生活丰富多彩。

3。

提高了产品质量的可靠性这是由于防止了工人的误操作和提高了一批零件的重复尺寸精度，即降低了成批生产中的尺寸分散度。

4。

用计算机控制机床使操作员释负于紧张而专注的加工。

当然，NC机床比传统的万能机床要昂贵得多，并对操作和维修人员有更高的要求。

8.3NC/CNC系统的组成

图8.1和8.2分别表示NC和CNC机床的结构。

它们的区别是，NC机床的数控单元是一个复杂的包含大量电子元件的电路，这些元件有二极管，三极管和MSI（中规模集成电路）。

它是用于控制一种特定的NC机床而没有通用性

图8.1NC机床的系统组成

图8.2CNC机床的系统组成

在CNC系统中，采用微型计算机存储不同的控制软件并通过专门的接口电路去控制不同类型的NC机床。

8.4NC机床编程系统

8.4.1零件的NC编程的程序载体

NC程序的内容NC机床按输入的零件加工程序工作，程序中包括了相对于零件的刀具的轨迹；

加工工艺参数如进给速度、主轴转速和辅助开关动动作等。

程序以专门的格式代码记录在各种介质内，包括穿孔纸带、盒式磁带或磁盘等。

零件加工程序用输入设备如纸带阅读机、盒式磁带阅读机或磁盘驱动器输入NC控制单元。

它也能用MDI（手工数据输入）方式输入CNC单元。

2。

一个程序段的编码和格式NC程序用英文字母和数字的不同组合而写成，程序经过编码并载入8通道穿孔纸带如图8.3所示。

在中间通道的小孔是用于引导纸带的运动。

左边通道的孔是用于补足每排孔使之能成为偶数，用以检验穿孔的正确性。

图8.3NC穿孔纸带

NC程序的内容一个零件的加工程序含有很多程序段，每段包含各种信息或称其为每个操作所必需的指令。

这些指令分为三类：

1）表示刀具运动的信息，包括位置、方向和位移指令等。

在程序中的连续的几个轴的位移数字需要用分隔符号X、Y和Z等来分开，这些分隔符号也叫做其后跟数字的“称呼”（英文是address,在此不应翻译成“地址”）。

进给方向指令包括直线或园弧的插补方向，即直线段在哪个象限内，以及园弧段是顺时针或是逆时针方向。

同时还包括偏置指令，即刀具的路径是偏向加工轮廓的左边或右边。

2）切削参数包括进给速度和转速等，它们用F和S指令表示。

3）辅助功能指令包括刀具选择；

起、停电动机或冷却液指令，以及计划停车和停车等。

8.4.2手工和自动编程系统

NC编程包括手工编程和计算机辅助编程或称自动编程。

手工编程用人工产生全部加工信息，其缺点有易于出错，要做大量工作，要消耗大量时间用于编程，甚至超过加工所需时间的几十甚至上百倍，从而严重阻碍了NC机床效率的发挥。

自动编程采用一种APT类的NC语言编写零件原程序，然后经过自动编软件系统的主处理器程序处理成为刀具位置（CL）数据，再经后置处理程序处理以产生能被专用的控制系统接受的加工指令。

在自动编程系统，编程人员只需熟悉APT类语言的语法以及如何定义描述零件的几何元素和加工路径，从而编写零件的源程序，大量的计算工作则留给计算机去完成以产生NC加工指令。

计算机辅助编程不仅能大大地提高效率和取消手工计算，还能避免发生人工误差。

8.4.3NC自动编程的类型和发展趋势

在20世纪50年代初期，美国MIT（麻省理工学院）于1955年公布了APT（自动编程工具），此后相继开发了加工曲线的APT-2系统，加工3～5坐标立体曲面的APT-3系统和加工自由曲面的APT-4系统，其中的数值计算程序是用FORTRAN算法语言编写的。

有几个国家根据其本身的要求开发了几种各具特点的APT类的自动编程系统，包括德国的用于点位NC系统的EXAPT-1、用于车削NC系统的EXAPT-2和用于铣削的EXAPT-3系统；

法国的用于点位NC系统的IFAPT和用于轮廓加工的IFAPT-C系统；

日本的FAPT和HAPT系统；

在中国，1970年代开发了用于铣削和车削的SKC自动编程系统，现时开发了装置在微机内的HZAPT、EAPT和SAPT等NC自动编程系统。

随着NC技术的连续开发，NC机床已被广泛地用于中型甚至小型企业，这就要求开发更简单和使用方便的自动编程系统，以适应设计和制造各种新产品的需要。

因此自动编程系统的发展趋势是：

交互询问式自动编程系统这是一种在NC语言编程系统基础上开发出来的NC自动程系统，其中NC编程人员与计算机对话，并用键盘输入数据或指令回答计算机的提问。

程编人员还可对用NC语言编制的零件源程序进行编辑和修改，包括删除、修改、插入和增加。

软件程序可灵活地执行源程序，即从它的开始或其中任意语句执行均可。

图形编程系统除了上面的优点外，图形编程系统采用了CAD技术中的利用显示在CRT上的加工图形，连同交互方式以产生CL（刀具位置）数据和完成编程。

这种可视的图形编程方法的最大优点是提高编程人员的工作效率，并使他们不再做枯燥乏味的NC语言式的自动编程。

3。

数字化编程数字化编程适用于一个没有图纸的实体零件，这种编程也称为实物编程。

它用一个测量装置测量实物或模型的尺寸，测量到的数据则送入计算机处理以产生NC指令和穿孔纸带。

8.4.4零件轮廓的基点和节点的确定

零件轮廓上的基点是指两个相邻几何元素的交点或切点，如直线和直线，直线和园弧，园弧和园弧的交、切点，以及一段曲线的离散点。

节点则是指两个基点之间的加密点，每两个节点构成一个基本切削段。

用直线插补器加工一段直线时，不论该直线长短，它的两个终点是基点也是节点。

用园弧插补器加工园弧时，它的两个端点是基点也是节点。

可以用直线段或双园弧段去逼近一个可用已知数学方程描述的平面曲线以产生节点的坐标，做这种逼近时必须使（曲线和直线或园弧间的）弓高小于加工裕量，如图8.4a所示。

还可用单园弧段代替直线段去逼近曲线，这样会提高逼近精度。

此外，可在局部坐标系内建立这些（逼近的）园弧段以简化计算。

a）b）

图8.4用单、双园弧逼近曲线

a.单园弧逼近b.双园弧逼近

在采用双园弧逼近平面曲线时，这些双园弧段必须相切以保证被拟合曲线的一阶导数（在节点处）连续，不过相邻两个园弧的半径则可不相等（见图8.4b）.在拟合离散点时需要作两次拟合：

第一次拟合是用样条函数去逼近离散点；

第二次拟合则是用直线或双园弧去逼近样条函数，这被称之为三次样条函数插补器，它只能适用于小挠度（或称小曲率）曲线。

为了不作二次逼近，可用园弧样条函数（直接）去逼近离散点，这被称为园弧样条插补器。

8.5计算机数控（CNC）系统

8.5.1CNC系统的优点CNC系统是NC技术的一个本质性的飞跃，因它有以下的优点：

柔性用柔性控制软件增加或改变功能使得CNC系统更适合制造的发展需求。

多功能性在CNC系统中，计算机技术及其外部设备使得它具有多种功能，例如：

用计算机图形显示技术去检验程编所产生的刀具路径的正确性；

检验机床或夹具与刀具碰撞的可能性，它还能通过计算机网络构建CNC生产线等。

可靠性在CNC系统中所用的盒式磁带或磁盘等程序输入设备如穿孔带更可靠。

此外，在CNC系统中，硬件电路中的焊点和插件大大地减少了，这也提高了可靠性

此外，CNC系统的自诊功能能及时指出在何处发生了何种故障，这对提高维修效率和MTTR（修复前平均时间）是有效的。

8.5.2CNC系统的组成

图8.5所示为一典型的含硬、软件的两轴CNC系统。

硬件的核心是一微机，与其共同工作的有程序输入设备、外部设备的通用接口和用于传感器和机床控制单元的控制指令的（专用）输入/输出接口。

软件是计算机内执行的程序，它执行控制算法程序和组织各种硬件有序地工作。

这里简述CNC系统的三个部分，即微机、程序输入/输出单元和机床控制单元。

图8.5典型的两轴CNC系统的组成

微型计算机是CNC系统的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出接口等。

微处理器执行存储在存储器内的程序去完成计算和产生各种控制信号。

输入/输出接口电路是微处理器和外部的通道，在CNC系统中有两种接口：

一种是通用接口，用以连接常用的输入/输出单元如键盘、操作面板、显示器（代码管或CRT）、文件存储器和穿孔带阅读机等；

另一种是控制机床的输入/输出接口，它连接专用的控制和测量单元如位置测量、转速测量、机床状态测量和控制单元。

在CNC系统中微机的键盘与机床的控制面板是做在一起的，程序的输入和编辑都是在键盘上由人工完成的，这被称为人工数据输入（MDI）方式。

在机床的控制面板上有各种开关、按钮和指示灯，供人工操作机床及机床工作状态的指示和报警之用。

8.5.3CNC系统中微机的功能

接受从纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘或其他计算机经串行接口输入的程序并将其存储于存储器内。

逐条解释零件加工程序并对其进行预处理，例如，由载入零件程序中的零件的轮廓数据和刀具偏置指令计算刀具的偏置数据；

将切削参数代码转换为真实速度，以供插补计算和控制之用。

插补在第6章中曾讨论了常用的脉冲比较法插补器。

为了提高进给速度，一些CNC系统采用软件和硬件联合插补方法，其中软件进行粗插补而硬件完成细插补，即：

软件按照插补周期将零件轮廓分成许多小段并计算相应的进给增量，然后将其送至硬件插补器去完成细插补且产生脉冲输出。

4。

伺服控制由插补器产生的计算机输出——脉冲序列，经功率伺服控制放大器放大以驱动开环控制系统中用的步进电动机。

对于闭环控制系统，计算机将由插补器产生的位置增量转换为在当前插补周期内的伺服电动机的相应转速，然后将其转换为模拟量送至电动机驱动电路。

在此周期内计算机按位置反馈值控制两个电动机使得运动部件按给定的位移值运动。

5。

机床的状态控制机床的操作人员用操作面板上的开关和按钮调整机床状态，例如调整切削参数等。

同时，计算机扫描这些开关和按钮以产生调整机床状态的控制信号输出。

这样就可取消那些早期使用的用于机床状态控制的复杂电子线路。

8.5.4CNC系统中的可编程逻辑控制器（PLC）

PLC在CNC系统中的功能NC机床除了路径控制外，还要做许多辅助性工作，如刀具交换、主轴起停、夹紧松开零件和冷却、润滑液的开关等，以及机床状态监控包括检查进给是否超程、主轴扭矩是否过大和电动机是否过流或过热等。

所有这些动作都是用开关信号来表示的，它们在早期的NC机床中是用继电器逻辑电路来控制的。

现在这些由继电器电路所完成的工作已由柔性的PLC所代替。

PLC和CNC系统的连接PLC和CNC系统有两种连接方式，它们是：

1）独立PLC方式PLC作为一个独立单元工作，CNC系统的指令通过输入端口输入PLC。

因此对CNC系统来说，PLC是一种外部设备。

2）集中PLC方式CNC系统通过系统总线与PLC联系，在这种集成的CNC和PLC系统中，用梯形图来作为PLC的编程工具。

8.5.3CNC系统的CPU（中央处理器）

早期的CNC系统采用内装的