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UPSILON宇普西龙
Unit 2 生产设备的数字控制（1）数控是程序控制的自动化，在数字控制系统中，设备通过数字，字母和符号来编码，以一种合适的格式为每一个特定的零件或工件定义一个程序指令集。当工件变化时，程序也变化，改变程序的能力也就是适合中小批量生产。写一个新程序比改变大量生产设备要容易的多。（2）基本结构：数控系统由下面三部分组成：1.控制程序；2.机器控制单元；3.加工设备。三部分的基本关系，由图2.1 所示。程序输入到控制单元由送入的程序来引导加工设备控制。（3）指导程序是一步步详细的指导加工设备的指令。通常指令把主轴上刀具相对于安装工具的工作台定位。更多先进的说明包括主轴的转速，加工工具的选择及其功能。程序刻在合适的介质中，提交到机器控制单元中，在过去几十年中，最常用的介质是一英寸宽的打孔纸带。由于打孔纸带的广泛使用，NC 有时也叫纸带控制，然而这是现代数控使用的误称。现在进入使用更多的是磁带和软盘。（4）机器控制单元（MUC）由电子和控制硬件组成，机器控制单元可以读出和执行指令程序，可以自动改变加工工具和其他加工设备。（5）执行单元是数控系统的第三基础部分，执行原件是有效执行工作的原件，最常见的数控例子其中的一个加工操作，加工设备由工作台和主轴组成，就像用电动机来驱动一样。加工设备由控制单元来驱动控制系统的类型。控制系统的类型（6）数控有2 种基本类型，点对点式和轮廓式控制，点对点式控制也称定位控制，每个轴都是通过丝杠单独驱动，根据加工类型不同，加工速度也不一样。机器开始以最大速度运行来减少非加工时间，但当他达到数据定义的位置时，机器开始减速。因此在一个操作中，如钻或冲孔操作先定位在加工。在钻或冲孔之后，迅速收起工具移动到另一个位置重复此操作。从一个位置移到另一个位置是非常重要的，要遵循一个原则，从效率上考虑只要时间最短即可。点对点系统主要用于钻，冲孔，直铣操作中。（7）轮廓式也就是连续路径式系统，定位和切削同时按不同速度来控制，由于刀具在指定路线运动同时切削，因此速度和运动的同步控制是非常重要的。轮廓式系统常用于车床铣床磨床焊接设备和加工中心。（8）沿着路径的运动或以增量差补是几个基本方式的一个，在所有的差补中，要控制刀具的回转中心定位，补偿可以以不同直径及刀具磨损，在数控程序中进行改写。（9）有一些已形成差补方案来处理数控系统中连续路径和加工系统产生的问题包括：1.线性差补；2.圆弧差补；3.螺旋线差补；4.抛物线差补；5.立体差补（10）每一种差补程序都允许程序源产生加工指令，适用于相对少的输入参数的直线或曲线路径。储存在数控单元中的模块预算指引工具沿计算出的路径运动。（11）线性差补是最基本的差补方法，用于连续路径的数控系统中。两轴和三轴线性差补路线在实际中有时会分辨出的，但在概念上他们是一样的，程序源要明确指定直线的起点和缺点及沿直线的进给率。差补需计算两轴或三轴的进给速率以达到设定的进给速度。（12）线性差补用来差补圆是不合适的因为程序源需要明确指定线段部分（线段数量）和各自的终点来大约模拟圆弧。圆弧差补法已形成他允许程序编程的路径，使用圆弧只要给定以下参数，圆弧终点坐标，圆心坐标，半径和刀具沿圆弧路径的走刀方向。圆弧差补也是由许多小的直线段来实现的，但这些小线段的参数由差补模块来计算出来的，而不是程序员设定的。切削是沿着每一小线段一个一个的进行以产生光滑曲线路径。圆弧差补的局限性是圆弧路径所在平面是由数控系统中两轴所决定的平面。（13）螺旋线差补结合了环形差补两轴在第三轴上做线性运动这样来定义空间三维螺旋路径。（14）抛物线差补和立方差补法通过高次高程来实现自由曲线。这通常需要有强的计算能力，正因如此，他不如直线差补和环形差补常见。他们主要用于汽车工业中具有自由风格的车身面，而这是线性差补和圆弧差补不能精确容易得到的。（15）数控技术运用于数控机床，这是数控的主要应用。现在主要用于商业。我们仍讨论数控系统特别是金属数控车床。数控车床技术（16）种加工过程都可以在设计的专门车床上来实现加工。在车床上车削，在钻床上钻，在铣床上加工。有几种类型的磨削方法也要有相应种类的磨床。被设计的数控磨床可以进行下列加工包括：1.钻加工；2.铣床立式和卧式主轴；3.车床卧式主轴和立式主轴；4.卧式和立式镗床；5.仿形铣床；6.平面磨和圆柱磨（17）除了上述几种机械加工方法，数控机床可用于其他金属加工过程包括：用于薄片板的金属板上冲孔的冲压机，用于薄片金属弯曲的折弯机。（18）数控技术的介入到机加工对机床的设计和运用有着显著的影响。数控影响之一在程序控制下切削金属的时间与传统手动机床__大得多。所以对于一些零件如主轴驱动主轴丝杠磨损更快，这些零件要设计成持续时间长的。第二，增加电子控制单元后设备成本也随之增加，因此需要更高的利用率。取代传统手工操作的一班制，数控机床通常采用两班或三班制来获得更多的回报。数控机床的设计中减少了非操作过程的时间如装卸工件和换刀时间。第三，增加的劳动成本由人工成本变为设备成本。考虑到人工操作的角色，角色由技术熟练的工人控制，工件生产的每一个过程变为只控制装卸换刀和清除碎屑和类似的操作，这样一个工人可以同时操作两台或三台车床，机床的角色和功能也改变了。数控需要设计成高度自动化具有需要在不同车床加工几种操作联合在一起一定加工的能力，这些变化是通过一种新型车床在数控技术存在之前是不存在的，他丰富了数控加工中心（19）加工中心是在20 世纪50 年代发展起来的具有在程序控制下在一个工件上一次装夹完成几种不同的加工能力的机床。加工中心能完成铣，钻，铰屑，攻丝，镗，车端面及一些类似机加工工作。另外数控加工中心的典型特征包括以下方面：（20）(1)自动换刀能力: 多种机加工工作一位着需要多种刀具。刀具贝安装在刀库或多刀刀库中。当一把刀需要被调换时，多刀刀座自动旋转到相应的位置上。自动化的换刀机构。在程序控制下进行，把主轴上需换下的刀和多刀刀座上的刀调换。（21）(2)工件的自动定位: 大多数加工中心都可以使工件沿着主轴旋转因此允许刀具达到工件的四个表面。（22）(3)托架滑动装置（平板架）: 加工中心另一个特点是有两个或多个独立拖板每个拖板都可以调整在刀具上。在加工过程中，一个拖板在刀具的前部，另一个拖板在远离主轴的安全位置。这样当机床正在加工当前的零件时。操作人员就可以从上一个工作循环中卸下最终加工好的零件，同时加紧毛坯用于下一个工作循环。（23）加工中心可以分为立式和卧式。这是参照机床主轴方向来划分的。立式加工中心具有轴线相对工作台垂直的主轴，卧式车床的主轴轴线是水平方向的。这种区别通常会导致在这些加工中心加工的零件类型不同。立式加工中心用于以上进刀的平面工作。卧式加工中心用于立体形状，刀具在立体侧面可以进刀。一台数控卧式加工中心，例子如图2.2 所示，具有上面提到的一些特征。（24）加工中心的成功应用导致了其他类似金属加工机床的发展。例如：在车削中心，把车削加工设计成一个高度自动化万能机床可以完成车削，刨，钻，螺纹加工和类似的操作DNC AND CNC（25）数控的发展在分批生产和小批量生产中有着重要意义，从技术和商业角度来说都有着重要意义。数控有两方面的提高和扩展，包括：1.直接数据控制；2.计算机数字控制（26）直接数据控制直接数据控制定义为一个制造系统，一定数量的机床有一台计算机通过直接硬件连线实时控制。相应的磁带播放机忽略在直接数控中，这样就消除系统中最不可靠的环节。不用磁带播放机而用电脑信息传给车床。原则上说一台计算机可以控制100 台独立机器（DNC 系统在1970 年称为可控制26 台机床）直接数控（DNC）电脑设计成在需要的时候提供指令给每一台机床，当机床需要控制指令时，计算机立即发送指令给机床。（27）图2.3 说明了DNC 的基本配置。这个系统包括4 部分：1.中央计算机；2.大量内存，用于存放数控程序；3.通信线；4.机床刀具（28）计算机从海量内存中取出部分程序指令送入到需要的独立机床中。相应的计算机也接受机床反馈信息。这种双工的信息流在实时控制加工系统中出现意味着每台机床需要指令的请求能立即得到回应。类似的，计算机必须总是要准备要接受信息和进行回应。DNC 系统显著特点是：可以实时控制大量机床。更具机器数量和所需的计算机程度化。有时需要使用卫星计算机如图2.4 所示。卫星计算机是更小的计算机，可以分担中央计算任务，减轻其负担。每台卫星控制几台机床。零件加工指令程序由计算机接受，储存在内存中。当需要时卫星计算机发送指令程序到每个独立机床中。来自机床的反馈数据在电脑中央存储接受之前存储在卫星内存中。（29）计算机数字控制由于DNC 技术的介入，在计算机技术上得到了很大的发展。计算机在尺寸和成本显著减少的同时，计算机的能力却有很大的提高。在数控中，这些发展使得由硬件布置的MCU（）变为数字电脑控制的控制单元。最早，小型机在1970 年使用。随着计算机进一步小型化，小型机被当今的微型机取代。（30）计算机控制也是一种数字控制，它采用微型计算机作为控制单元。由于数字电脑用于CNC 和DNC 中，只近似区分两种类型。有三个区分原则：1）.DNC 电脑接受和发送指令数据都是来自许多机器，CNC 电脑控制只是一个机器或多个机器。2）.DNC 电脑占有一个位置通过控制来实现机器的旋转。CNC 电脑要非常靠近车床。3）.DNC 软件的发展不经可以控制生产设备的每个单独零件，还可以在生产坚固性方面提供主要控制信息。CNC 的提高可以提高特殊车床的能力。（31）电脑数控系统的大体配置如图2.5 所示。如图中所示，最初进入控制器的是磁带播放机。这样，CNC 的外部系统与传统的NC机相似。然而CNC 中的程序使用方法是不同的。Unit 3数控编程数控编程由一系列方向构成，这些方向导致数控车床执行某种操作，加工是最常用的进程。数控车床编程由内部编程部门来完成，在车间里，或者从外部源购买。编程还可以手动或者在计算机辅助下来完成。程序包括指令和命令。几何指令涉及刀具和工件间的相对移动。进程指令涉及主轴速度，进给以及道具等。行动指令涉及插值的类型以及刀具或者工作台的缓慢和快速移动。切换命令涉及到开/关冷却液供给状况，主轴旋转，主轴方向，换刀，工件进给，夹具固定等等。（1）手工编程。手工编程包括根据部分工程图纸首先算出刀具，工件以及工作台的尺寸关系，继而决定执行的操作和工序。那么一个包括执行特定操作所需必要信息的程序表就准备好了，例如刀具切削，主轴转速，进给，切削深度，切削液，以及刀具或者工件间的相对位置或者移动。根据这些信息，部分程序就准备好了。通常一个纸带首先被准备好用于试用和调试程序。根据纸带被使用多久，纸袋通常用更耐用的聚酯薄膜制成。手工编程可以由那些具有特定制造工艺知识和能够理解，阅读以及更改部分程序的人来完成。因为他们熟悉机床刀具和工艺流程，熟练的机械师可以做一些手工编程的编程培训。然而，所涉及的工作是乏味的，费时的，因此不合算。手工编程大多数用于简单的点对点应用上。（2）计算机辅助编程。计算机辅助编程是一种涉及到特殊符号的编程语言，这种语言可以决定角点的坐标，刀口以及工件的表面。编程语言是与计算机通信的方式并且涉及到符号字符。编程员用这种语言描述加工零件，而由计算机将零件程序转换为数控机床的执行指令。许多种商业应用上的语言有多种多样的特点和应用。第一种被使用的是类似于英语语句的语言，它在十九世纪五十年代末被开发出来并被称为APT语言。这种语言，由于它多种多样的扩展形式，一直是最广泛的用于点对点和连续路径编程的语言。 复杂的工件现在使用基本的绘图进行制造，计算机辅助制造程序。刀具的路径是在类似于一个CAD程序的大量的绘图环境下制造出来的。这种机器代码由程序自动生成。 在生产开始之前，程序应该被校验，还有就是通过一个显示器观看工艺流程的模仿或者使用廉价的材料（例如铝，木头，石蜡，或者是塑料）制作工件，而不是使用指定用于已加工零件的真实材料。计算机辅助编程有以下几个优于人工方式的重要优点。 比较容易使用的符号语言 缩短了编程时间。编程是一种容纳了大量关于机械特点和工艺变量数据的一种能力，例如动力，速度，进给，刀具形状，刀具形状改变的补给量，刀具磨损，偏转，以及冷却液的使用。 减少了在人工编程中出现人为错误的可能性。因为编程时所需更少的时间，降低了成本。 编程语言的使用不仅导致更高的工件质量而且考虑到了机械指令的更加快速发展。另外，模拟可以在远程计算机的终端设备上运行，这就确保了程序按照既定来运行。这种方法可以防止昂贵的机器由于调试程序产生不必要的占用。 选择某一种数控机床编程语言主要取决于以下几个因素： 生产设施人员的专业水平级别 工件的复杂程度 设备的外形以及计算机的应用 涉及编程的时间及费用因为数控涉及有关工件材料和加工参数的数据插入，编程必须由有制造业的相关方面知识的操作工和程序员来完成。在生产开始之前，程序应该被校验，还有通过一个CRT屏幕来观察工艺流程的模拟或者用廉价的材料制造工件，例如铝，木头或者塑料，而不是使用指定用于已加工零件的真实材料。数控编程语言自从1956念麻省理工学院的初步研究数控编程系统以来大概有超过100种的数控编程语言已经被开发出来了。大多数语言开发用于特殊的需求和机械并且它们没有经受住时间的考验。然而，相当多的语言在今天一直被使用。在本小节，我们回顾一下那些被普遍认为是重要的语言。APT(自动编程工具)，APT语言是麻省理工学院研发的关于数控机床控制编程系统的成果。它的研发开始于1956年六月，它第一次用于生产是在1959年左右。几天它是在美国应用最广泛的语言。虽然第一次打算作为一种轮廓语言。APT现在的版本可用于定位和持续路径的编程而且可用于多达五个基准轴的持续路径程。 AUTOSPOT(用于定位工具的自动系统)。这个程序有IBM研发，在1962年第一次被引进用于PTP编程。AUTOSPOT现在的版本也可应被用于修证轮廓。COMPACT II。这种语言是来自于制造数据系统的封装。（MDSI公司），在安阿伯，密歇根州的一家公司。数控机床控制编程的许多特点于SPLIT相似。MDSI公司将COMPACT II系统租赁给以分时为依据的用户。这种程序通过使用远程终端把程序传送给MDSI公司的计算机，有计算机转向产生数控的纸带。ADAPT（APT的改编版本）。多种编程语言直接依据于APT程序。这些语言之一便是ADAPT，它是在空军合同下由IBM公司研发的。这种语言意图提供许多APT的特点但是用于小型计算机。ADAPT不如APT一样强大，但是能够被用于定位和修改轮廓工作的程序。EXAPT(APT的扩展子集)。这种语言是由德国研发的。，开始于1964年之间，以APT语言为依据。有三个版本：EXAPT I ——被设计应用于定位（钻削和直切铣）。EXAPT II——被设计用于车削，还有EXAPT III—被设计用于限制轮廓的操作。EXAPT最重要的一个特点是尝试自动地计算最佳进给量和进给速度。APT不仅仅是一种数控语言；它也是一种以APT声明为依据执行计算来。生成切割位置的计算机程序。在APT语言中声明有四种类型：几何声明。这些定义好的几何元素包括了工作组。它们有时也叫做定义声明。后处理程序声明。这些声明用于特殊的机械工具和控制系统。它们用于指定进给量和进给速度而且精确了机械的其他特点。辅助声明。这些不同种类的声明常用作定义工件，刀具，以及公差等等。铣床和车床的CNC编程于其他机械编程工艺是相似的；它需要对编程语言有一个透彻的理解。这种用作铣床和车床NC的语言通常被称为G代码。这些工序通常用于铣床机械和机加工中心，提供了一些G代码使用的经典例子，因为它包括大约了NC操作中的75%。下面编程和工艺的五类用于铣床NC编程。（下转P114）自动化编程的人工指南NC机械编程采用两种形式：人工编程以及在CAM软件支持下的代码生成。例3-1是一个人工编程的例子。它以铣削零件图为开始，编程者设计一些能够驱动切削刀具沿着预期路径运行的G代码工序。CAM生成的NC代码为了使目标机械工具能够直接转换为零件图送给G代码程序运行在已选择的机械上，从而使用一个后处理程序。CAM软件和后处理程序分成两类。类型之一，专业CAM和简洁CAM，它是独立的，并且吸收了所有主要CAM供应商的绘图文件。第二种类型，是被CAD供应商研发的，它集成了CAD程序和运行，作为集成CAD / CAM设计软件的一部分Unit 4 机加工与切削加工中心（1）这篇文章介绍了计算机控制的机械刀具设计的能力和较大的发展，就想我们知道的机加工和切削加工中心，这些机器有其他机器工具没有的柔性和多功能性，应此他们作为加工工具第一选择。机加工与切削加工中心（2）需要注意的是每台机器他的自动化程度有多高，都要设计一种基本的加工样式就像所展示的那样，在制造过程中不同的表面是用不同的加工方法加工的，（3）例如，如图4.3 所示，铣、端面车削、镗、钻、铰孔、切丝来获得额定的公差要求及最终表面精度。（4）习惯性的加工过程的执行，始于工件的移动从一把加工刀具到另一把加工刀具直至所有的加工完成，这是一种切实可行的制造方法，并具有高度的自动化。这就是生产流水线的原理。最常见的是应用于高容量或大批量的生产，生产流水线是由几种加工刀具按一定的次序排列组成的，诸如自动发动机模块这样的工件从一个加工地点到另一个加工地点，并且在每一个加工中心都运用特有的加工方式进行加工，工件会被输送到下一个机器进行下一个加工。（5）有这样一些产品或加工方法，他们的生产路线是不可行或不经济的，特别是当这些种类的产品在加工时需要迅速转换加工方法。一个重要的概念，在20 世纪50 年代末期得到发展，那就是机加工中心。一个机加工中心就是运用计算机控制的刀具在工件的不同表面和不同的方向上进行切削操作的能力，通常说工件是不动的，而切削工具进行旋转，比如铣和钻操作。（6）机加工中心的发展暗示着计算机控制的机器刀具之间关系的进步。如数字控制的车床加工中心拥有两个转台带动几把切削刀具进行车削，端面车削，镗孔和切螺纹。（7）工件在加工中心里是被安放在托盘上或模块上，那样可以被移动并且可以进行不同方向的旋转和定位，在进行特殊的切削过程完成后，工件不需要移动到另一台机器进行钻孔，铰孔，攻丝之类的附加加工。换句话说，工件和机器是被置于工件上的。（8）当所有的加工工作完成后，托盘会自动离开已加工工件，并且另一个托盘运用自动托盘变速器将工件进行定位和加工。所有的传动机构都有计算机控制，并且托盘定位器有10-30 秒的循环时间，托盘台能够使得多级托盘更好的服务于加工中心，工具同样能够被装备到不同的自动化部件中，诸如上料与下料机构。（9）加工中心装备了可变程序的自动刀具变换器，依赖于这样的设计多达200 把切削刀具能够被贮存在刀库，刀鼓，刀链（工具库），辅助工具库能够更好的为一些特殊加工中心提供更好的切削道具，这些刀具可以自动的任意选择到达机械主轴的最短路线，刀具交换臂是一个普通的设计机构，他可以旋转来拾取特殊的工具（每一个工具有他自己的刀杆）和他在主轴上的位置。（10）刀具通过直接连接在刀具夹持口上的编码标签、条形码或记忆芯片来标识。一次换刀时间在5-10 秒钟，对于小的刀具可以少于1-2 秒，对于重达110 公斤的刀具可以达到30 秒，刀具变换器的设计趋势趋向于运用简单的原理提高换刀的时间。（11）加工中心同时装备有工具的检验台，他可以给计算机数字控制提供信息对于在换刀和刀具磨损时的误差提供补偿。接触试探针可以自动装入工具夹持口中以确定工件的参考平面，以便对刀具设置进行选择并对加工的工件在线检测。（12）图4.6 所示的一些表面可以被联系起来，他们的相对位置可以被确立并储存在计算机软件的数据库中，这些数据稍后可被用于编写刀具工作路径的程序同时对刀具的长度和直径进行补偿，又可以为预先加工刀具的磨损提供补偿。机加工与切削加工中心的种类（13）尽管这里有不同种类的刀具设计在加工中心中，两种最基本的种类垂直主轴和水平主轴；大部分的机器拥有上述两种轴线的能力，在加工中心中最大的切削刀具的尺寸可以绕工具一周，就像我们知道的工具包络，这个术语第一次应用在与工业机器人的联系上。（14）垂直主轴加工中心或是水平主轴加工中心都是为了适用在工件具有深腔的平面上执行加工工艺，如铸型和模具制造。一个垂直主轴的加工中心类似于一个垂直主轴铣床。刀库在图示的左侧并且所有的加工方法和传动机构通过位于右侧的计算机控制托盘进行定位和修改。（15）因为在加工中心中由于推力的作用方向是向下的，机器具有高的刚度，并在对于加工部分有较好的精确补偿，这些机器通常比水平主轴的机器便宜些。（16）水平主轴的加工中心或水平机加工中心是为了适用于高大工件的表面加工的需求。托盘可以在不同的轴线（如图4.3 所示）上旋转来进行不同种类的有角定位。（17）水平主轴加工的另一个范畴是车削加工，是用特殊机床进行计算机控制的车削加工。一个三转动架的计算机数字控制的车削加工如图4.8 所示，这个机器是由两个水平主轴和三个转动架以及不同的切削刀具设计而成的来执行一些旋转工件的加工。（18）万能加工中心同时装备了垂直主轴和水平主轴的机器，他们具有不同种类的特色，并且具有加工所有表面的能力（垂直的、水平的、斜的）。面
