余姚產(chǎn)品設(shè)計(jì)與數(shù)控編程 半年制
產(chǎn)品設(shè)計(jì)—CNC數(shù)控編程—模具制造
一、專業(yè)電腦使用基礎(chǔ)
二、機(jī)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(shí)操
八、畢業(yè)設(shè)計(jì)
*節(jié) 數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生和發(fā)展
一、數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)生
科學(xué)技術(shù)和社會(huì)生產(chǎn)的不斷發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)率提出了越來越高的要求。機(jī)械加工工藝過程的自動(dòng)化是實(shí)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(dòng)條件。 許多生產(chǎn)企業(yè) ( 例如汽車、拖拉機(jī)、家用電器等制造廠 ) 已經(jīng)采用了自動(dòng)機(jī)床、組合機(jī)床和專用自動(dòng)生產(chǎn)線。采用這種高度自動(dòng)化和高效率的設(shè)備，盡管需要很大的初始投資以及較長(zhǎng)的生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間，但在大批大量的生產(chǎn)條件下，由于分?jǐn)傇诿恳粋€(gè)工件上的費(fèi)用很少，經(jīng)濟(jì)效益仍然是非常顯著的。 但是，在機(jī)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(jī)械加工總量的 80 ％以上。尤其是在造船、航天、航空、機(jī)床、重型機(jī)械以及國(guó)防*，其生產(chǎn)特點(diǎn)是加工批量小，改型頻繁，零件的形狀復(fù)雜而且精度要求高，采用專用化程度很高的自動(dòng)化機(jī)床加工這類零件就顯得很不合理，因?yàn)樯a(chǎn)過程中需要經(jīng)常改裝與調(diào)整設(shè)備，對(duì)于專用生產(chǎn)線來說，這種改裝與調(diào)整甚至是不可能實(shí)現(xiàn)的。近年來，由于市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈，為在競(jìng)爭(zhēng)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(chǎng)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(zhǎng)期一成不變的做法。頻繁地開發(fā)新產(chǎn)品，使“剛性”的自動(dòng)化設(shè)備在大批生產(chǎn)中也日益暴露其缺點(diǎn)。已經(jīng)使用的各類仿形加工機(jī)床部分地解決了小批量、復(fù)雜零件的加工。但在更換零件時(shí)，必須制造靠模和調(diào)整機(jī)床，不但要耗費(fèi)大量的手工勞動(dòng)，延長(zhǎng)了生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，而且由于靠模誤差的影響，加工零件的精度很難達(dá)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(dòng)化生產(chǎn)。迫切需要一種靈活的、通用的、能夠適應(yīng)產(chǎn)品頻繁變化的柔性自動(dòng)化機(jī)床。 數(shù)字控制 (NumericalControl ，簡(jiǎn)稱 NC 或數(shù)控 ) 機(jī)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(fù)雜零件提供了自動(dòng)化加工手段。
數(shù)控機(jī)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(jìn)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(duì)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(jì)算機(jī)計(jì)算機(jī)對(duì)輸入的信息進(jìn)行處理與運(yùn)算，發(fā)出各種指令來控制機(jī)床的伺服系統(tǒng)或其它執(zhí)行元件，使機(jī)床自動(dòng)加工出所需要的工件。數(shù)控機(jī)床與其它自動(dòng)機(jī)床的一個(gè)顯著區(qū)別在于當(dāng)加工對(duì)象改變時(shí)，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(duì)機(jī)床作任何調(diào)整。
1952 年美國(guó)帕森斯公司 (Parsons) 和麻省理工 (MIT) 合作研制成功世界上*臺(tái)三坐標(biāo)數(shù)控銑床，用它來加工直升飛機(jī)葉片輪廓檢查用樣板。這是一臺(tái)采用專用計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算與控制的直線插補(bǔ)輪廓控制數(shù)控銑床，專用計(jì)算機(jī)采用電子管元件，邏輯運(yùn)算與控制采 用硬件聯(lián)接的電路。 1955 年，該類機(jī)床進(jìn)入實(shí)用化階段，在復(fù)雜曲面的加工中發(fā)揮了重要作用。 [FS:PAGE]
我國(guó)從 1958 年開始研制數(shù)控機(jī)床，在研制與推廣使用數(shù)控機(jī)床方面取得了一定成績(jī)。近年來，由于引進(jìn)了國(guó)外的數(shù)控系統(tǒng)與伺服系統(tǒng)的制造技術(shù)，使我國(guó)數(shù)控機(jī)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(guó)已有幾十家機(jī)床廠能夠生產(chǎn)不同類型的數(shù)控機(jī)床和加工中心。我國(guó)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控機(jī)床的研究、生產(chǎn)和推廣工作也取得了較大的進(jìn)展，它必將對(duì)我國(guó)各行業(yè)的技術(shù)改造起到積極的推動(dòng)作用。
目前，在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域中，我國(guó)和先進(jìn)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(shù)改造的深入開展，各行各業(yè)對(duì)數(shù)控機(jī)床的需要量將會(huì)有大 幅度的增長(zhǎng)，這將有力地促進(jìn)數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。
二、計(jì)算機(jī)數(shù)控 (Computer Numerical Control ，簡(jiǎn)稱 CNC) ．
隨著電子技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)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(jì)算機(jī)引入數(shù)控系統(tǒng)的過程。數(shù)控系統(tǒng)中引入了微型計(jì)算機(jī) ( 簡(jiǎn)稱微機(jī) ) ，使它在質(zhì)的方面完成了一次飛躍。計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)有許多優(yōu)點(diǎn):
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(shí)現(xiàn)的。若想改變系統(tǒng)的功能，必須重新布線， 但計(jì)算機(jī)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(yīng)生產(chǎn)發(fā)展的需要。
2 ．功能強(qiáng)
可利用計(jì)算機(jī)技術(shù)及其外圍設(shè)備，增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)及數(shù)控機(jī)床的功能。例如，利用計(jì)算機(jī) 圖形顯示功能，檢查編程的刀具軌跡，糾正編程錯(cuò)誤，還可檢查刀具與機(jī)床、夾具碰撞的可 能性等；利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)通信的功能，便于數(shù)控機(jī)床組成生產(chǎn)線。
3 ．可靠性高
計(jì)算機(jī)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(jī)床由于頻繁地開啟光電閱讀機(jī)而造成的信息出錯(cuò)的缺點(diǎn)。與硬件數(shù)控相比，計(jì)算機(jī)數(shù)控盡量減少硬件電路，著地減少焊點(diǎn)、接插件和外部聯(lián)線，提高了可靠性。此外，計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)一般都具備自 診斷功能，可及時(shí)指出故障原因，便于維修或預(yù)防操作失誤，減少停機(jī)時(shí)間。這一切使得現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的無(wú)故障運(yùn)行時(shí)間大為增加。
4 ．易于實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化
由于計(jì)算機(jī)電路板上采用大規(guī)模集成電路和先進(jìn)的印制電路排版技術(shù)，只要采用數(shù)塊印制電路板即可構(gòu)成整個(gè)控制系統(tǒng)，而將數(shù)控裝置連同操作面板裝入一個(gè)不大的數(shù)控箱內(nèi)，有力地促進(jìn)了機(jī)電一體化。
5 ．經(jīng)濟(jì)性好
采用微機(jī)數(shù)控系統(tǒng)后，系統(tǒng)的性能價(jià)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(jī)數(shù)控系統(tǒng)了。
三、數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床及其數(shù)控系統(tǒng)， 目前大致向以下幾個(gè)方面發(fā)展。
( 一 ) 高速、高精度化
要提高機(jī)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(huì)降低加工精度?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床在提高加工速度的同時(shí)，也在進(jìn)行高精度化。目前已可在 0 ． 1ltm 的最小設(shè)定單位時(shí)，進(jìn)給速度達(dá) 24m ／ min 。要做到這一點(diǎn)，應(yīng)對(duì)機(jī)械和數(shù)控系統(tǒng)提出更高的要求。 [FS:PAGE]
1 ．機(jī)械方面
例如機(jī)床主軸要高速化，提高主軸和機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)的動(dòng)、靜態(tài)剛度。采用能承受高速的機(jī)械零件，如采用陶瓷球的滾珠軸承等。
2 ．?dāng)?shù)控系統(tǒng)方面
主要是提高計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度。現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)已從 16 位的 CPU ，普遍采用 32 位的 CPU 。主機(jī)頻率由 5MHz 提高到 20 — 33MHz 。有的系統(tǒng)還制造了插補(bǔ)器的專用芯片，以提高插補(bǔ)速度；有的采用多 CPU 系統(tǒng)，減輕主 CPU 負(fù)擔(dān)，進(jìn)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(dòng)機(jī)的位置環(huán)、速度環(huán)的控制都實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。
FANUCl5 系列開發(fā)出專用的數(shù)字信號(hào)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(dòng)機(jī)電流信息一起，在專用的微處理器芯片內(nèi)，進(jìn)行控制位置、速度和電動(dòng)機(jī)電流的運(yùn)算，*向功率放大器發(fā)出指令，以達(dá)到對(duì)電動(dòng)機(jī)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(dāng)數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出位置指令后，由于機(jī)械部分不能很快響應(yīng)而會(huì)產(chǎn)生滯后現(xiàn)象，影響了加工精度?，F(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(jì)算方法太復(fù)雜，以往的計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度不夠，很難實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度和存儲(chǔ)容量都加大很多，有時(shí)還可采用專用芯片的辦法，使復(fù)雜的計(jì)算能夠在線實(shí)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(dòng)機(jī)軸上裝有回轉(zhuǎn)編碼器 ( 脈沖發(fā)生器 ) 用來檢測(cè)電動(dòng)機(jī)的角位移。顯然，編碼器的分辨率越高，則電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角位移就越精確?，F(xiàn)代高分辨率位置編碼器絕對(duì)位置的測(cè)量可達(dá) 脈沖／轉(zhuǎn)。
(4) 實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能 數(shù)控系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)多種補(bǔ)償功能，提高數(shù)控機(jī)床的加工精度和動(dòng)態(tài)特性。數(shù)控系統(tǒng)的補(bǔ)償功能主要用來補(bǔ)償機(jī)械系統(tǒng)帶來的誤差。例如:
1) 直線度的補(bǔ)償:隨著某一軸的運(yùn)動(dòng)，對(duì)另一軸加以補(bǔ)償，提高機(jī)床工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)的直度。
2) 采用新的絲杠導(dǎo)程誤差補(bǔ)償方法:用幾條近似線表示導(dǎo)程誤差，僅對(duì)其中幾個(gè)點(diǎn)進(jìn)補(bǔ)償。此法可減少補(bǔ)償數(shù)據(jù)的設(shè)定點(diǎn)數(shù)，使補(bǔ)償方法大為簡(jiǎn)化。
3) 杠、齒輪間隙補(bǔ)償。
4) 熱變形誤差補(bǔ)償:用來補(bǔ)償由于機(jī)床熱變形而產(chǎn)生機(jī)床幾何位置變化引起的加工誤差。
5) 刀具長(zhǎng)度、位置、半徑等補(bǔ)償。
6) 存儲(chǔ)型補(bǔ)償:這種補(bǔ)償方法，可根據(jù)機(jī)床使用中的實(shí)際情況 ( 如機(jī)床零件的磨損情況
等 ) 適時(shí)地修訂補(bǔ)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(jī)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(shù)等方法，減少了器件數(shù)量和它們之間的聯(lián)線和焊點(diǎn)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(jī)床的故障，把專家們所掌握的對(duì)于各種故障原因及其處置方法作為知識(shí)庫(kù)儲(chǔ)存到計(jì)算機(jī)的存儲(chǔ)器中，以知識(shí)庫(kù)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(jiǎn)單問題，就能和專家一樣診斷出機(jī)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(jì)算機(jī)容量越來越大，運(yùn)算速度越來越快，使得 CNC 系統(tǒng)不僅完成機(jī)床的數(shù)字控制功能，而且還可以充分利用軟件技術(shù)，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(dòng)地決定。操作者只要將加工形狀和必要的毛坯形狀輸進(jìn) CNC 系統(tǒng)，就能自動(dòng)生成加工程序，這樣， NC 加工的編程時(shí)間大為縮短，即使經(jīng)驗(yàn)不足的操作者也能進(jìn)行操作。 CNC 系統(tǒng)如何與人工智能技術(shù)相結(jié)合，尚待發(fā)展。除了上述在故障診斷和編程方面的應(yīng)用外，還有更大的領(lǐng)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(tái)數(shù)控機(jī)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(yuǎn)距離串行接口，可以按照用戶的格式要求，與同一級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)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(jī)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(dòng)化協(xié)議 ) 接口，現(xiàn)在已實(shí)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(jī)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(jī)床為主體的生產(chǎn)線，已不能適應(yīng)機(jī)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(shè)備和生產(chǎn)系統(tǒng)相繼出現(xiàn)，促使數(shù)控技術(shù)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(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng) CIMS 簡(jiǎn)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(chǔ)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(yīng)多品種、小批量的生產(chǎn)功能。 FMC 可由一臺(tái)或少數(shù)幾臺(tái)設(shè)備組成。 FMC
具有獨(dú)立自動(dòng)加工的功能，又部分具有自動(dòng)傳送和監(jiān)控管理功能，可實(shí)現(xiàn)某些種類的多品種
小批量的加工。有些 FMC 還可實(shí)現(xiàn) 24h 無(wú)人運(yùn)轉(zhuǎn)。由于它的投資較柔性制造系統(tǒng) FMS 少得
多，技術(shù)上又容易實(shí)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(gè) 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(gè)階段。 FMC 有兩大類，一類是數(shù)控機(jī)床配上機(jī)器人，另一類是加工中心配上托盤交換系統(tǒng)。
1 ．配有機(jī)器人的 FMC
加工中心上的工件，由機(jī)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(jī)器人的動(dòng)作。
2 ．配有托盤交換系統(tǒng)構(gòu)成的 FMC
由加工中心和托盤交換系統(tǒng)構(gòu)成的 FMC 。托盤上裝夾有工件。當(dāng)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(dǎo)軌上，由內(nèi)側(cè)的環(huán)鏈拖動(dòng)而回轉(zhuǎn)，鏈輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)。托盤的選定和停位，由可編程序控制器 (PLC) 來實(shí)現(xiàn)?！愕?nbsp;FMC ，托盤數(shù)在 5 個(gè)以上。 如果在托盤的另一端設(shè)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(gè) FMC 可組成一個(gè) FMS 。 [FS:PAGE]
( 二 ) 柔性制造系統(tǒng) (FMS) ．
柔性制造系統(tǒng)是一個(gè)由中央計(jì)算機(jī)控制的自動(dòng)化制造系統(tǒng)。它是由一個(gè)傳輸系統(tǒng)聯(lián)系起來的一些設(shè)備 ( 通常是具有換刀裝置的數(shù)控機(jī)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(shè)備，使工件加工準(zhǔn)確、迅速和自動(dòng)。所謂柔性就是通過編程或稍
加調(diào)整就可同時(shí)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(dòng)生產(chǎn)率，大大縮短制造周期和提高機(jī)床利用率，減 少操作人員數(shù)量，壓縮在制品數(shù)量和庫(kù)存量，因而使成本大為降低，縮小了生產(chǎn)場(chǎng)地和提高了技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(dòng)化加工設(shè)備通常由 5 ～ 10 臺(tái)數(shù)控機(jī)床和加工中心組成。它們都帶有能
存儲(chǔ) 20 把刀具以上的刀具庫(kù)，并具有自動(dòng)換刀裝置。為了達(dá)到工件的自動(dòng)更換，數(shù)控機(jī)床還帶有自動(dòng)的托盤更換裝置，這樣既能使工件裝卸達(dá)到自動(dòng)化，又能實(shí)現(xiàn)夜間無(wú)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(gè)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?yàn)檫@兩種輸送方式容易實(shí)現(xiàn)柔性，便于控制和成本較低。
