机电一体化专业英语中文译文三Word文档格式.docx
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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系统采用内装的中、小规模集成电路的小型计算机。
现在的CNC系统无例外地采用微型计算机来实现其功能。
CNC系统的性能在很大程度上决定于MPU的性能，它一般可由MPU的位数来表示。
一般MPU芯片是通用的，包括8位MPU如8085（Intel公司），Z80（Zilog公司）和M6800（Motorala公司）等；
16位MPU如8086、Z8000和M68000等，以及32位MPU如80386、80486、M68020和M68030等。
经济型CNC系统采用8位MPU，中等CNC系统采用16位MPU而32位MPU则用于高性能CNC系统。
一般地说，高分辨率和高进给速度的CNC系统要求MPU有高运算速度和更多的位数。
除了通用MPU外，CNC系统暜遍采用单片微机作为它的CPU，典型的系统包括8位单片计算机如MCS-48和MCS-51以及16位单片机如MCS-96控制的CNC系统。
单片微机除了在经济型CNC系统中用作CPU外，还可作为全功能CNC系统中的伺服驱动系统中的控制计算机。
8.5.6CNC系统的存储器
在CNC系统中的控制程序和零件加工程序要重复地使用，所以需要将它们固定存储在只读存储器中。
这样，在CNC系统中一定是同时使用只读存储器（ROM）和读写存储器（RAM）。
因为CNC系统所需要的存储器的容量不是太大，所以它的RAM适合采用半导体触发器而不是在大型计算机中所用的MOS管。
为了防止当电源断电时在RAM中的数据丢失，应采用UPS（不间断电源）以保证无RAM数据丢失。
CNC系统中的ROM一般是EPROM（可擦除只读存储器），它是一种可擦除数据的ROM且能重复地使用。
其原理是在芯片上开一个小玻璃窗口用以透过擦除所存数据的紫外线。
在需要擦除EPROM的内容时，只要将窗口朝向紫外线光源10至20分钟就可擦除数据，所以此法适用于那些控制程序需要经常修改的CNC系统。
另一种EPROM所用的芯片可以在线用电擦除，而不需要紫外线照射，所以对它再写入数据就更方便。
一般EPROM的（有效）擦除次数可达10，000次。
8.5.7CNC系统的I/O接口
CNC系统的I/O接口包括计算机和外部设备之间的通用接口和计算机与测量单元和机床控制单元之间的专用接口。
8255型芯片是常用的I/O接口芯片，它能将MPU如Z80，8085，8086与单片计算机如MCS-48，MCS-51和MCS-56直接连接以实现多种功能，包括并行或串行输入和输出通信，中断处理和直接访问存储器等。
图8.6表示8255芯片的引腿布置，其中有三组8位并行端口和24根数据线（PAO～PA7，PBO～PB7和PCO～PC7）。
CPU可通过这三个端口访问外部设备。
DO～D7是连接CPU和8255芯片的数据线。
Rd和Wr是接受读/写控制信号的读/写控制引腿。
A0和A1是用以选择三个控制引腿和一个控制寄存器。
CS是8255的片选信号，它是低电平有效。
CS是低电平时8255工作。
RESET是清除信号，它在高电平时有效。
图8.68255芯片的引腿分布
图8.7简单开环CNC系统的I/O接口
在CNC系统中，CPU和机床之间的专用I/O接口要完成光电隔离；
电平转换；
功率匹配；
D/A和A/D转换工作。
图8.7表示简单开环控制CNC机床的I/O接口。
8.5.8CNC系统的模块化设计
CNC系统模块化设计的基本思想是将所设计的CNC系统分解为许多功能模块，它们通过标准的连接接口和连接网络互相联结，从而组成各种具有不同功能和规模的CNC系统。
因此，模块化设计的关键问题之一是按照各种要求适当地设计CNC系统的各种功能模块；
另一个关键问题就是如何联结这些功能模快。
完成这些工作还要求提高设计效率；
缩短制造周期；
提高系统对控制对象的适应性和模块组成的柔性。
计算机总线标准的开发解决了模块之间最佳联结的问题，用总线可将各种不同内部功能的模块按总线规定插装在一块公共板上以构建一个模块化的CNC系统，而各种插槽的联结线就是总线，由此，各种模块能通过总线进行信号交换。
图8.8表示一模快化的CNC系统。
图8.8模块结构的CNC系统
控制面板2。
限位开关3。
接触器4。
电液阀5。
伺服电动机6。
传感器
7．CRT8。
串行通信9。
磁盘
总线是由几十、上百根的信号线所组成，包括数据线，其数量决定了被转换数据的位数；
地址线，其数量决定了直接寻址的范围；
控制线，用以转换控制信号包括时钟、读/写和中断信号；
总线仲裁，解决个模块之间的争用问题；
以及电源线和备用线。
在模块化CNC系统设计中需要制定一个总线标准，而总线接口应按此标准制作，这样才能构建模块化的CNC系统。
有几个常用的标准总线包括S-100总线；
IEE396标准多总线（Intel）;
UME总线（Motorola）和STD总线（Bolog&
Mostek）.STD总线具有最小面积、柔性和可靠性、兼容性和产品序列化等优点，目前国际上有超过1,000种STD总线模块。
在总线结构式CNC系统中的功能模块板是指联结在总线中的模块，它包括CPU模块板；
存储模块板；
I/O模块板和CNC系统的专用模块板。
后者又包括时钟/计数器模块板；
中断控制器；
实时时钟；
掉电处理和伺服控制等模块板等。
伺服控制模块的工作是脉冲分配；
开环控制系统的加速/减速控制；
闭环控制系统的位置测量、调节和产生模拟电压输出。
所以伺服控制板是用专用的MPU并与CPU同步工作的，这样可以减轻CPU的工作负担。
8.5.9CNC系统的控制软件
控制软件是CNC系统的核心，它接受由键盘和操作面板输入的零件加工程序和各种操作指令，以及表示机床工作状态的信号输入。
这些信号由CNC软件处理并转换为指令信号以驱动机床及改变它的工作状态。
图8.9是CNC系统控制软件的组成。
图8.10是控制软件的主控程序，操作者经由人机接口运行控制程序。
图8.9CNC系统的软件组成
图8.10CNC系统的主控程序框图
控制软件的结构也可以做成模块化的，其中具有实时处理能力的程序模块如中断计算；
伺服控制和机床的I/O控制；
非正常工作状态的处理和外部设备的管理等，被作为中断服务程序（前台程序）来处理。
其他的功能如工件程序的输入/出管理；
程序编辑、编译和数据处理；
系统状态显示；
系统管理和调节等均被处理为后台程序，并作为控制程序的主程序与前台程序一起工作。
8.6数控加工中心机床
NC加工中心机床内装置有一个自动换刀系统，因而可以自动连续地完成各种工序如铣、钻、镗、铰和攻丝等。
在制造复杂箱体类零件时，加工中心机床能集中地完成多道工序，从而极大地提高效率，缩短生产周期，保证工件的定位精度和减少生产面积。
图8.11所示为一小型JCS-018立式钻、铣加工中心机床，它可以实现三轴（X、Y、Z）运动。
安装在工作台上的工件沿X轴和Y轴运动，刀具则装在主轴上而主轴箱则沿着立柱的导轨上下运动。
刀库的容量是16把刀具，用机械手在刀库和主轴箱间实现自动换刀。
图8.11JCX-018型加工中心机床
加工中心机床有两种换刀方法：
一种是顺序换刀，它要求刀具按照被加工零件的工序放置在刀库内，显然这样刀具是不能重复使用的。
此外，在加工另一种工件时，就要按它的工序放置另一组刀具到刀库内；
另一种方法是随机换刀，在此法中计算机跟踪、记忆和存储刀具在刀库内的变换位置。
这样，当前工序所需要的刀具能够随机地由刀库取出并（在用后）送回，且这些刀具可以重复使用。
图8.12所示为一五轴铣削加工中心机床，它有两个旋转坐标轴A和B，分别为刀具绕X轴和工件绕Y轴的转动，以及三个直线运动坐标X、Y和Z。
这五个坐标由一个先进的CNC系统联动控制以满足加工复杂工件如曲面模具；
透平叶片和箱体类零件的需要。
图8.12五轴铣削加工中心机床
笔1．刀库2。
刀具3。
机械手
这台铣削加工中心机床带有可容纳几十把各种刀具的刀库，换刀是用机械手按编程规定进行的。
对于专用的铣削加工中心机床而言，为了节省工件安装的辅助时间，它还采用了可换托架来安装和运载工件，以实现工件的快速更换和运输。
车削加工中心机床用于加工轴类零件，其主轴也可以是伺服控制的，这就是所谓的C轴数控。
有了这个功能，车削加工中心机床除了能车削外，还可以在零件的端面或园柱表面上进行钻、铣和车丝等工序加工。
除此之外，它还可以在零件端面上铣削出曲面或在园柱面上铣削出凸轮槽。
现代先进的加工中心机床已配备了自动化系统测量和监控刀具寿命和加工状态，用于故障诊断和管理以及对加工误差的补偿。
8.7数控电火花加工（EDM）机床
EDM机床包括电火花成型机床（EDM）和线电切割（WEDM）机床。
8.7.1NC电火花成型机床（EDM）
图8.13表示EDM系统，其中安装在主轴上的工具电极由NC伺服控制系统驱动并与工件之间保持放电间隙。
电火花将工件烧损以形成与工具电极形状一致的空穴。
图8.13NCEDM机床
8.7.2NC线电切割机床（WEDM）
图8.14表示WEDM机床的工作原理图。
载有工件的工作台由NC伺服驱动系统驱动以得到所需的路径。
电阻丝沿着导轮运动并绕在一个旋转的绕丝筒上。
脉冲电源产生的高频脉冲电流变成电火花去燃烧工件材料以形成所要求的工件轮廓（电阻丝与工件互为两极并保持放电间隙）。
图8.14NCWEDM机床
8.8工业机器人
另一类典型的机电一体化产品是工业机器人，这是一种基于模仿人的手、腰和臂的用于获取工件或工具的自动化装置。
工业机器人主要用于完成机器制造中的装卸、装配和那些环境恶劣的工作如喷漆、喷沙和焊接甚至人类不能进入的环境如深水、空间或有辐射材料的工作。
图8.15表示一工业机器人系统，它有七个自由度，包括腰的转动；
肩的转动；
臂的摇动；
肘关节的伸缩；
腕的摇动、滚动和颠动。
每一个运动都由相应的伺服系统驱动，其动力机械包括液压马达、液压缸、气动马达或伺服电动机，而动力源则分别为液压系统、压缩空气系统和电力系统。
图8.15七坐标工业机器人
第一类工业机器人是最简单的开环控制搬运机器人（PNP），它的每个关节按照事件的次序工作，并用限位开关或机械挡块控制工作行程和启动下一关节工作。
这种机器人适用于材料处理如装卸或堆码工件，无需对运动坐标作复杂的调节。
第二类工业机器人是多轴伺服控制机器人包括点位控制（PTP）和连续控制（CP）工业机器人。
PTP机器人的工作是点焊、钻孔等。
CP机器人则可完成喷漆、焊缝焊接、去毛刺以及金属切削等。
PTP机器人可用可编程控制器或微机连同一个悬挂式示教板或手持示教盒进行离线编程。
对于CP机器人，在编制连续空间焊缝的程序时，要用一个探头在计算机的控制下进行示教编程。
在编制一个已知（有数学定义的）空间焊缝的程序时，需要作多个关节的复杂的运动学分析，这就构成了第三类工业机器人，一般它有5到6个伺服控制坐标。
8.9三维CNC坐标测量机（CMM）
三维坐标测量机是一种精密测量机器，和NC机床及工业机器人一样，它也是一种典型的机电一体化产品，用于测量复杂形状零件如箱体、模具类零件。
CMM常与NC机床一道工作，设若没有CMM自动地测量零件的加工精度，则制造系统不能达到均衡负荷状态。
图8.16是一CMM系统的方块图，它由机械本体、计算机和测量头所构成。
可以看出CMM非常象一台NC机床。
图8.16CMM系统的组成
8.9.1CMM测量头
图8.17表示一个CMM的触发式测量头，其工作原理就象一个零位信号开关。
安装在测量杆11底部的园柱8与球9接触以构成三个球-园柱体接触副。
当六个球与三个园柱体均匀接触时，测量杆处于零位置。
在测量时，当杆11缓慢地移动并推动探头12接触被测物体时，杆11受力而偏移至某一方向或被提升，从而这三个球-园柱副中必有一个脱离接触。
此时在测量头内部的电路
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