余姚產(chǎn)品設計與數(shù)控編程 半年制
產(chǎn)品設計—CNC數(shù)控編程—模具制造
一、專業(yè)電腦使用基礎
二、機械制圖
三、AUTCAD二維制圖
四、UGNA或PRO/E
五、逆向工程
六、CIMATRONIT或E
七、工廠編程實操
八、畢業(yè)設計
*節(jié) 數(shù)控機床的產(chǎn)生和發(fā)展
一、數(shù)控機床的產(chǎn)生
科學技術和社會生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對機械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機械加工工藝過程的自動化是實現(xiàn)上述要求的最重要措施之一。它不僅能夠提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本，還能夠大大改善工人的勞動條件。 許多生產(chǎn)企業(yè) ( 例如汽車、拖拉機、家用電器等制造廠 ) 已經(jīng)采用了自動機床、組合機床和專用自動生產(chǎn)線。采用這種高度自動化和高效率的設備，盡管需要很大的初始投資以及較長的生產(chǎn)準備時間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分攤在每一個工件上的費用很少，經(jīng)濟效益仍然是非常顯著的。 但是，在機械制造工業(yè)中并不是所有的產(chǎn)品零件都具有很大的批量，單件與小批生產(chǎn)的零件 ( 批量在 10 — 100 件 ) 約占機械加工總量的 80 ％以上。尤其是在造船、航天、航空、機床、重型機械以及國防*，其生產(chǎn)特點是加工批量小，改型頻繁，零件的形狀復雜而且精度要求高，采用專用化程度很高的自動化機床加工這類零件就顯得很不合理，因為生產(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設備，對于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調(diào)整甚至是不可能實現(xiàn)的。近年來，由于市場競爭日趨激烈，為在競爭中求得生存與發(fā)展，各生產(chǎn)企業(yè)如要提供高質(zhì)量的產(chǎn)品，就必須頻繁地改型，并縮短生產(chǎn)周期，滿足市場上不斷變化的需要。因此，即使是大批量生產(chǎn)，也改變了產(chǎn)品長期一成不變的做法。頻繁地開發(fā)新產(chǎn)品，使“剛性”的自動化設備在大批生產(chǎn)中也日益暴露其缺點。已經(jīng)使用的各類仿形加工機床部分地解決了小批量、復雜零件的加工。但在更換零件時，必須制造靠模和調(diào)整機床，不但要耗費大量的手工勞動，延長了生產(chǎn)準備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達到較高的要求。
為了解決上述這些問題，來滿足多品種、小批量的自動化生產(chǎn)。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動化機床。 數(shù)字控制 (NumericalControl ，簡稱 NC 或數(shù)控 ) 機床就是在這樣的背景下誕生與發(fā)展起 來的。它極其有效地解決了上述一系列矛盾，為單件、小批生產(chǎn)的精密復雜零件提供了自動化加工手段。
數(shù)控機床就是將加工過程所需的各種操作 ( 如主軸變速、松夾工件、進刀與退刀、開車與停車、選擇刀具、供給冷卻液等 ) 和步驟，以及刀具與工件之間的相對位移量都用數(shù)字化的代碼來表示，通過控制介質(zhì) ( 如穿孔紙帶或磁帶 ) 將數(shù)字信息送人專用的或通用的計算機計算機對輸入的信息進行處理與運算，發(fā)出各種指令來控制機床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機床自動加工出所需要的工件。數(shù)控機床與其它自動機床的一個顯著區(qū)別在于當加工對象改變時，除了重新裝夾工件和更換刀具之外，只需要更換一條新的穿孔紙帶或磁帶，不需要 對機床作任何調(diào)整。
1952 年美國帕森斯公司 (Parsons) 和麻省理工 (MIT) 合作研制成功世界上*臺三坐標數(shù)控銑床，用它來加工直升飛機葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺采用專用計算機進行運算與控制的直線插補輪廓控制數(shù)控銑床，專用計算機采用電子管元件，邏輯運算與控制采 用硬件聯(lián)接的電路。 1955 年，該類機床進入實用化階段，在復雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。 [FS:PAGE]
我國從 1958 年開始研制數(shù)控機床，在研制與推廣使用數(shù)控機床方面取得了一定成績。近年來，由于引進了國外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術，使我國數(shù)控機床在品種、數(shù)量和質(zhì)量方面得到了迅速發(fā)展。 目前，我國已有幾十家機床廠能夠生產(chǎn)不同類型的數(shù)控機床和加工中心。我國經(jīng)濟型數(shù)控機床的研究、生產(chǎn)和推廣工作也取得了較大的進展，它必將對我國各行業(yè)的技術改造起到積極的推動作用。
目前，在數(shù)控技術領域中，我國和先進的工業(yè)*之間還存在著不小的差距，但這種差 距正在縮小。隨著工廠、企業(yè)技術改造的深入開展，各行各業(yè)對數(shù)控機床的需要量將會有大 幅度的增長，這將有力地促進數(shù)控機床的發(fā)展。
二、計算機數(shù)控 (Computer Numerical Control ，簡稱 CNC) ．
隨著電子技術和計算機技術的不斷發(fā)展，數(shù)控系統(tǒng)經(jīng)歷了采用電子管、晶體管、集成電 路，直到將計算機引入數(shù)控系統(tǒng)的過程。數(shù)控系統(tǒng)中引入了微型計算機 ( 簡稱微機 ) ，使它在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。計算機數(shù)控系統(tǒng)有許多優(yōu)點:
1. 柔性好
以往數(shù)控系統(tǒng)的許多功能是靠硬件電路來實現(xiàn)的。若想改變系統(tǒng)的功能，必須重新布線， 但計算機數(shù)控系統(tǒng)能利用控制軟件靈活地增加或改變數(shù)控系統(tǒng)的功能，更能適應生產(chǎn)發(fā)展的需要。
2 ．功能強
可利用計算機技術及其外圍設備，增強數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機床的功能。例如，利用計算機 圖形顯示功能，檢查編程的刀具軌跡，糾正編程錯誤，還可檢查刀具與機床、夾具碰撞的可 能性等；利用計算機網(wǎng)絡通信的功能，便于數(shù)控機床組成生產(chǎn)線。
3 ．可靠性高
計算機數(shù)控系統(tǒng)可使用磁帶、軟盤等許多輸入裝置，避免了以往數(shù)控機床由于頻繁地開啟光電閱讀機而造成的信息出錯的缺點。與硬件數(shù)控相比，計算機數(shù)控盡量減少硬件電路，著地減少焊點、接插件和外部聯(lián)線，提高了可靠性。此外，計算機數(shù)控系統(tǒng)一般都具備自 診斷功能，可及時指出故障原因，便于維修或預防操作失誤，減少停機時間。這一切使得現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的無故障運行時間大為增加。
4 ．易于實現(xiàn)機電一體化
由于計算機電路板上采用大規(guī)模集成電路和先進的印制電路排版技術，只要采用數(shù)塊印制電路板即可構成整個控制系統(tǒng)，而將數(shù)控裝置連同操作面板裝入一個不大的數(shù)控箱內(nèi)，有力地促進了機電一體化。
5 ．經(jīng)濟性好
采用微機數(shù)控系統(tǒng)后，系統(tǒng)的性能價格比大為提高，現(xiàn)在不但大型企業(yè)，就是中小型企
業(yè)也逐漸采用微機數(shù)控系統(tǒng)了。
三、數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展
現(xiàn)代數(shù)控機床及其數(shù)控系統(tǒng)， 目前大致向以下幾個方面發(fā)展。
( 一 ) 高速、高精度化
要提高機械加工的生產(chǎn)率，其中最主要的方法是提高速度，但是這樣做會降低加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控機床在提高加工速度的同時，也在進行高精度化。目前已可在 0 ． 1ltm 的最小設定單位時，進給速度達 24m ／ min 。要做到這一點，應對機械和數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。 [FS:PAGE]
1 ．機械方面
例如機床主軸要高速化，提高主軸和機床機械結構的動、靜態(tài)剛度。采用能承受高速的機械零件，如采用陶瓷球的滾珠軸承等。
2 ．數(shù)控系統(tǒng)方面
主要是提高計算機的運算速度?，F(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已從 16 位的 CPU ，普遍采用 32 位的 CPU 。主機頻率由 5MHz 提高到 20 — 33MHz 。有的系統(tǒng)還制造了插補器的專用芯片，以提高插補速度；有的采用多 CPU 系統(tǒng)，減輕主 CPU 負擔，進一步提高控制速度。
3 ．伺服系統(tǒng)方面
(1) 采用數(shù)字伺服系統(tǒng) 使伺服電動機的位置環(huán)、速度環(huán)的控制都實現(xiàn)數(shù)字化。
FANUCl5 系列開發(fā)出專用的數(shù)字信號處理器，位置指令輸入后，它與從脈沖編碼器來的位置信息，以及檢出的電動機電流信息一起，在專用的微處理器芯片內(nèi)，進行控制位置、速度和電動機電流的運算，*向功率放大器發(fā)出指令，以達到對電動機的高速、高精度控制。
(2) 采用現(xiàn)代控制理論提高跟隨精度 當數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出位置指令后，由于機械部分不能很快響應而會產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，影響了加工精度。現(xiàn)代控制理論中有各種算法能夠?qū)崿F(xiàn)高速和高精度的伺服控制。但是，由于它們的計算方法太復雜，以往的計算機運算速度不夠，很難實現(xiàn)?，F(xiàn)在計算機的運算速度和存儲容量都加大很多，有時還可采用專用芯片的辦法，使復雜的計算能夠在線實現(xiàn)，使得滯后量減少很多，提高了跟隨精度。
(3) 采用高分辨率的位置編碼器 一般交流伺服電動機軸上裝有回轉(zhuǎn)編碼器 ( 脈沖發(fā)生器 ) 用來檢測電動機的角位移。顯然，編碼器的分辨率越高，則電動機轉(zhuǎn)動角位移就越精確?，F(xiàn)代高分辨率位置編碼器絕對位置的測量可達 脈沖／轉(zhuǎn)。
(4) 實現(xiàn)多種補償功能 數(shù)控系統(tǒng)能實現(xiàn)多種補償功能，提高數(shù)控機床的加工精度和動態(tài)特性。數(shù)控系統(tǒng)的補償功能主要用來補償機械系統(tǒng)帶來的誤差。例如:
1) 直線度的補償:隨著某一軸的運動，對另一軸加以補償，提高機床工作臺運動的直度。
2) 采用新的絲杠導程誤差補償方法:用幾條近似線表示導程誤差，僅對其中幾個點進補償。此法可減少補償數(shù)據(jù)的設定點數(shù)，使補償方法大為簡化。
3) 杠、齒輪間隙補償。
4) 熱變形誤差補償:用來補償由于機床熱變形而產(chǎn)生機床幾何位置變化引起的加工誤差。
5) 刀具長度、位置、半徑等補償。
6) 存儲型補償:這種補償方法，可根據(jù)機床使用中的實際情況 ( 如機床零件的磨損情況
等 ) 適時地修訂補償值。
( 二 ) 提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性
提高數(shù)控系統(tǒng)的可靠性，可大大降低數(shù)控機床的故障率。新型數(shù)控系統(tǒng)大量使用大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路，還采用專用芯片提高集成度以及使用表面封裝技術等方法，減少了器件數(shù)量和它們之間的聯(lián)線和焊點數(shù)目，從而大幅度降低系統(tǒng)的故障率。 此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)還具有人工智能 (A1) 功能的故障診斷系統(tǒng)，用它來診斷數(shù)控系統(tǒng)及機床的故障，把專家們所掌握的對于各種故障原因及其處置方法作為知識庫儲存到計算機的存儲器中，以知識庫為依據(jù)來開發(fā)軟件，分析查找故障原因。只要通過回答顯示器提出的簡單問題，就能和專家一樣診斷出機床的故障原因以及提出排除故障的方法。 [FS:PAGE]
( 三 )CNC 系統(tǒng)的智能化
由于 CNC 系統(tǒng)使用的計算機容量越來越大，運算速度越來越快，使得 CNC 系統(tǒng)不僅完成機床的數(shù)字控制功能，而且還可以充分利用軟件技術，使系統(tǒng)智能化，給使用者以更大的幫助。例如，可將迄今為止必須由編程員決定的零件的加工部位、加工工序、加工順序等，也可由 CNC 系統(tǒng)自動地決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進 CNC 系統(tǒng)，就能自動生成加工程序，這樣， NC 加工的編程時間大為縮短，即使經(jīng)驗不足的操作者也能進行操作。 CNC 系統(tǒng)如何與人工智能技術相結合，尚待發(fā)展。除了上述在故障診斷和編程方面的應用外，還有更大的領域留待我們?nèi)ヌ剿鳌?
( 四 ) 具有更高的通信功能
越來越多的工廠希望將多臺數(shù)控機床組成各種類型的生產(chǎn)線或者 DNC(Direct Numeri —
cai Control 直接數(shù)字控制 ) 系統(tǒng)。這就要求 CNC 系統(tǒng)提高聯(lián)網(wǎng)能力。一般 CNC 系統(tǒng)都具有
RS232 和 RS422 遠距離串行接口，可以按照用戶的格式要求，與同一級計算機進行多種數(shù)據(jù)
交換。為了滿足不同廠家、不同類型數(shù)控機床聯(lián)網(wǎng)功能要求，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)大都具有 MAP( 制造自動化協(xié)議 ) 接口，現(xiàn)在已實現(xiàn)了 MAP3 ． 0 版本，并采用光纜通信，以提高數(shù)據(jù)傳送速度和可靠性。
四、機械制造系統(tǒng)的發(fā)展
在現(xiàn)代生產(chǎn)中，為了滿足多品種、小批量、產(chǎn)品更新?lián)Q代周期快的要求，原來以單功能
組成機床為主體的生產(chǎn)線，已不能適應機械制造業(yè)日益提高的要求，因而具有多功能和一定
柔性的設備和生產(chǎn)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，促使數(shù)控技術向更高層次發(fā)展?，F(xiàn)代生產(chǎn)系統(tǒng)主要有柔性
制造單元 FMC 、柔性制造系統(tǒng) FMS 和計算機集成制造系統(tǒng) CIMS 簡要介紹這三種生產(chǎn)系統(tǒng)。
( 一 ) 柔性制造單元 (FMC)
柔性制造單元 FMC 是在制造單元的基礎上發(fā)展起來的，又具有一定的柔性。所謂柔性是
指能夠較容易地適應多品種、小批量的生產(chǎn)功能。 FMC 可由一臺或少數(shù)幾臺設備組成。 FMC
具有獨立自動加工的功能，又部分具有自動傳送和監(jiān)控管理功能，可實現(xiàn)某些種類的多品種
小批量的加工。有些 FMC 還可實現(xiàn) 24h 無人運轉(zhuǎn)。由于它的投資較柔性制造系統(tǒng) FMS 少得
多，技術上又容易實現(xiàn)，因而深受用戶歡迎。
FMC 可以作為 FMS 中的基本單元，若干個 FMC 可以發(fā)展組成 FMS ，因而 FMC 可看作企 發(fā)展過程中的一個階段。 FMC 有兩大類，一類是數(shù)控機床配上機器人，另一類是加工中心配上托盤交換系統(tǒng)。
1 ．配有機器人的 FMC
加工中心上的工件，由機器人來裝卸，加工完畢的工件碼放在工件架上。監(jiān)控器協(xié)調(diào)加
工中心和機器人的動作。
2 ．配有托盤交換系統(tǒng)構成的 FMC
由加工中心和托盤交換系統(tǒng)構成的 FMC 。托盤上裝夾有工件。當工件加工完畢后，托盤轉(zhuǎn)位，加工另一新工件，托盤支承在圓柱環(huán)形導軌上，由內(nèi)側的環(huán)鏈拖動而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電動機驅(qū)動。托盤的選定和停位，由可編程序控制器 (PLC) 來實現(xiàn)?！愕?nbsp;FMC ，托盤數(shù)在 5 個以上。 如果在托盤的另一端設置一托盤工作站，則這種托盤系統(tǒng)可通過工作站與其它 FMC 發(fā) 生聯(lián)系。若干個 FMC 可組成一個 FMS 。 [FS:PAGE]
( 二 ) 柔性制造系統(tǒng) (FMS) ．
柔性制造系統(tǒng)是一個由中央計算機控制的自動化制造系統(tǒng)。它是由一個傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設備 ( 通常是具有換刀裝置的數(shù)控機床或加工中心 ) 。傳輸裝置把工件放在托盤或其它聯(lián)接裝置上送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動。所謂柔性就是通過編程或稍
加調(diào)整就可同時加工幾種不同的工件。 采用柔性制造系統(tǒng)后，可顯著提高勞動生產(chǎn)率，大大縮短制造周期和提高機床利用率，減 少操作人員數(shù)量，壓縮在制品數(shù)量和庫存量，因而使成本大為降低，縮小了生產(chǎn)場地和提高了技術經(jīng)濟效益。 柔性制造系統(tǒng) (FMS) 由加工系統(tǒng)、物料輸送系統(tǒng)和信息系統(tǒng)組成?，F(xiàn)分別介紹之。
1 ．加工系統(tǒng)
加工系統(tǒng)中的自動化加工設備通常由 5 ～ 10 臺數(shù)控機床和加工中心組成。它們都帶有能
存儲 20 把刀具以上的刀具庫，并具有自動換刀裝置。為了達到工件的自動更換，數(shù)控機床還帶有自動的托盤更換裝置，這樣既能使工件裝卸達到自動化，又能實現(xiàn)夜間無人化操作。
2 ．物料輸送系統(tǒng)
物料輸送系統(tǒng)主要是工件和刀具的輸送。分三個方面來說明:
(1) 輸送方式 工件輸送方式常用的有環(huán)型和直線型兩種。刀具輸送方式也廣泛采用直
線型和環(huán)型，因為這兩種輸送方式容易實現(xiàn)柔性，便于控制和成本較低。
