数控技术的基本知识精品文稿.ppt

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1、数控技术的基本知识第1页，本讲稿共86页第第一部分一部分数控技术的基本概念数控技术的基本概念 1.1 1.1 数控与数控机床数控与数控机床 1.1.概念概念 数控数控:数字控制（数字控制（NCNumericalControl）,以数字化信以数字化信 息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。息对机床运动及加工过程进行控制的一种方法。NC已成为已成为 数控加工的专用术语。数控加工的专用术语。数控技术：数控技术：用用数控机床（数控设备）进行数控机床（数控设备）进行自动化加工的一自动化加工的一 种技术，它综合应用了多种学科的知识种技术，它综合应用了多种学科的知识。数控机床数控机床：是实现柔性自动化的

2、关键设备，是柔性自动生是实现柔性自动化的关键设备，是柔性自动生产系统的基本单元。产系统的基本单元。数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及数控技术是现代先进制造技术的基础，其技术水平和普及 程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。程度是衡量国家综合国和工业现代化程度的重要标志。CNC与与CAD/CAM/CAPP/关系关系:通讯通讯 CAD:计算机辅助设计计算机辅助设计(ComputerAidedDesign)CAM:计算机辅助制造计算机辅助制造(ComputerAidedMaunfacturng)CAE:计算机辅助工程计算机辅助工程(ComputerAidedEngineer

3、ing)第2页，本讲稿共86页CAD CAM CAE 范畴划分CNC与现代先进制造系统关系与现代先进制造系统关系:CNC用在制造系统中用在制造系统中CNC：DNC FMC FMS CIMS FA 并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、并行工程、敏捷制造、数字化制造、智能制造、网络制造、绿色制造、纳米制造、高速加工等等。绿色制造、纳米制造、高速加工等等。初步设计分析模拟详细设计制图生产准备工艺设计NC编程机器人编程制 造NC加工装配检验产品CAECADCAMCAD/CAMCAD/CAM/CAE广义CAD广义CAM广义CAD/CAMCAPP第3页，本讲稿共86页2.数控技术产生的原因

4、数控技术产生的原因高精度、高效率；高精度、高效率；刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；刚性自动化不能满足的要求（手工、小规模、大规模生产）；柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐柔性自动化（多品种、变批量）、复杂零件的加工（多坐标加工）；标加工）；计算机技术的发展。计算机技术的发展。3.数控技术的发展历史数控技术的发展历史1952年，第一代电子管数控系统；年，第一代电子管数控系统；1959年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、年，第二代晶体管数控系统。随之出现刀库，机械手、加工中心；加工中心；1960年，第三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为年，第

5、三代集成电路数控系统，硬逻辑数控系统（称为 NC；1970年，第四代小型计算机数控（年，第四代小型计算机数控（CNC）；1974年，第五代微型计算机数控（年，第五代微型计算机数控（MNC，统称，统称CNC）；1980年后，年后，FMS、FMC、CIMS、开放式数控（、开放式数控（openNC）系）系 统、智能制造系统（统、智能制造系统（IMS）大发展。）大发展。1990年后年后,高速加工，纳米制造。高速加工，纳米制造。第4页，本讲稿共86页1.2数控机床的工作原理数控机床的工作原理1 1.机床数字控制的原理机床数字控制的原理 将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息用规定的代将被加工零件图纸上的

6、几何信息和工艺信息用规定的代 码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程码和格式编写成加工程序，然后将程序输入数控装置，按照程 序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单序的要求，经过信息处理，分配，使各坐标以最小位移量为单 位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件位移动，其合成运动实现了刀具与工件的相对运动，完成零件 的加工。的加工。最小位移量的合成运动是最小位移量的合成运动是机床数字控制的基本原理机床数字控制的基本原理，即轨即轨迹控制原理（插补原理）。迹控制原理（插补原理）。点位控制：点位控制：严格控制点到点的距离，不严格要求路径，运严格控制点到点的距

7、离，不严格要求路径，运 动中不加工。动中不加工。XYOPQ123 图1.1点位控制 第5页，本讲稿共86页 轮廓控制：轮廓控制：加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。加工平面曲线、空间曲线、空间曲面时，需要多坐标联动。以平面（两维）的任意曲线以平面（两维）的任意曲线L为例为例，要求刀具，要求刀具沿（逼近）曲线沿（逼近）曲线 轨迹运动，进行切削加工。轨迹运动，进行切削加工。如图如图1.2所示。将曲线所示。将曲线L分割成：分割成：l0、l1、l2、li等线段。等线段。用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差用直线（或圆弧）代替（逼近）这些线段，当逼近误差相当相当 小时，这些折

8、线段之和就接近了曲线。小时，这些折线段之和就接近了曲线。轮廓控制也称连续轨迹控制轮廓控制也称连续轨迹控制，它的特点是不仅对坐标的，它的特点是不仅对坐标的移动量移动量进行控制，进行控制，而且对各坐标的而且对各坐标的速度速度及它们之间的及它们之间的比率比率都要进行严格控制，以便加工出给定的都要进行严格控制，以便加工出给定的轨迹轨迹 1112131516xy14X1Y1O1T1L图1.2轮廓控制第6页，本讲稿共86页:这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段这种在允许的误差范围内，用沿曲线逼近函数的最小单位移动量合成的分段运动运动（小线段、小圆弧）（小线段、小圆弧）代替任意

9、曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，代替任意曲线运动，以得出所需要的运动轨迹，是是数控的基本构思之一。数控的基本构思之一。插补插补（InterpolationInterpolation）是是用用被被加加工工轨轨迹迹的的有有限限信信息息（如如起起点点和和终终点点之之间间），计计算算插插进进刀刀具具运运动动的的许许多多中中间间点点，进进行行数数据据点点的的密密化化工工作作，然然后后用用已已知知线线型型（如直线、圆弧等）逼近。（如直线、圆弧等）逼近。插补有二层意义插补有二层意义：基本线型的形成及如何分段逼近基本线型的形成及如何分段逼近。基基 本本 线线 型型：由由 插插 补补 指指 令令 完完 成成。

10、如如 直直 线线 插插 补补、圆圆 弧弧 插插 补补、抛抛 物物 线线插插补补、螺螺旋旋线线插插补补、极极坐坐标标插插补补、圆圆柱柱插插补补、样样条条插插补补、曲曲面面直直接接插插补补、纳纳米米插插补补、光光顺顺插插补补等等，插插补补指指令令越越多多，越越能能实实现现复复杂杂型型面的加工。面的加工。分段逼近分段逼近：按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。按允许的误差。弦线逼近、割线逼近、切线逼近。插补分类：插补分类：基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。基准脉冲插补、数据采样插补（主要方法）。基点和节点基点和节点 基点基点：在数控加工图纸中，基本线型的交点称为；：在数控加工图纸中，基本

11、线型的交点称为；节点节点：轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）轮廓轨迹上的插入点（逼近线型与轮廓轨迹的交点）。第7页，本讲稿共86页为什么补用数学函数直接插补？为什么补用数学函数直接插补？计算费时间计算费时间，不能满足实时控制的要求；，不能满足实时控制的要求；有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；有的被加工轮廓用列表点表示的，没用数学公式；数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。数控加工时运动不能突变，要满足加速度的要求。第8页，本讲稿共86页 2.2.数控机床的控制数控机床的控制 轨迹控制轨迹控制 开关量控制开关量控制1.3 1.3 数控机床的组成及分类数控机床的组成及分

12、类 1 1.数控机床数控机床的组成的组成 数控系统：数控系统：I/0I/0接口、接口、CNCCNC装置、伺服系统、装置、伺服系统、PLCPLC 机械主机：机械主机：主运动机构、进给运动机构、辅助机主运动机构、进给运动机构、辅助机 构、床身等构、床身等 输入 数控装置 驱动装置 机床MG 测量反馈图3 数控机床的组成 第9页，本讲稿共86页 2.2.数控机床的应用数控机床的应用1）多品种变批量、单件小批量的自动化多品种变批量、单件小批量的自动化 2 2）柔性加工和柔性自动化柔性加工和柔性自动化 小批量而又轮番生产的零件；小批量而又轮番生产的零件；几何形状复杂的零件；几何形状复杂的零件；在加工过程

13、中必须进行多种工序加工的零件；在加工过程中必须进行多种工序加工的零件；切削余量大的零件；切削余量大的零件；必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；必须严格控制公差（公差带范围很小）的零件；工艺设计会经常变化的零件；工艺设计会经常变化的零件；贵重零件；贵重零件；需全部检测的零件，等等需全部检测的零件，等等。3.3.数控机床的分类数控机床的分类1）按控制运动的轨迹特点分类按控制运动的轨迹特点分类点位控制数控机床点位控制数控机床直线控制数控机床直线控制数控机床(单轴数控单轴数控)轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，轮廓控制的数控机床：分为两坐标联动，2.5坐标联动，三坐坐标联动，三坐 标联动，四坐

14、标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动标联动，四坐标联动，五坐标联动等数控机床。五坐标联动 是关键技术。是关键技术。第10页，本讲稿共86页 2 2）按伺服系统的控制类型分类）按伺服系统的控制类型分类 开环控制的数控机床开环控制的数控机床 全闭环控制的数控机床全闭环控制的数控机床 半闭环控制的数控机床半闭环控制的数控机床 3 3）按工艺方法分类）按工艺方法分类 金属切削类数控机床：金属切削类数控机床：数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加数控车床，数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控镗床以及加 工中心等。工中心等。金属成型类及特种加工类数控机床金属成型类及特种加工类数控机床 4

15、）按功能水平分类：按功能水平分类：高、中、低档（亦称经济型）高、中、低档（亦称经济型）5 5）按）按驱动方式驱动方式分类分类 步进式步进式 直流伺服直流伺服 交流伺服（交流模拟、交流数字）交流伺服（交流模拟、交流数字）6 6）按组成和功能）按组成和功能 开放式数控开放式数控 智能数控智能数控第11页，本讲稿共86页 第二部分第二部分 数控机床控制系统（数控机床控制系统（CNCCNC）2.1 CNC2.1 CNC系统的组成系统的组成CNC系系统统由由“数控装置数控装置”、“伺服系统伺服系统”和系统程序和系统程序组成。组成。数控装置（专用计算机）：硬件和软件组成。数控装置（专用计算机）：硬件和软件

16、组成。伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。伺服系统：检测装置、驱动装置和伺服电机组成。2.1.1 2.1.1 数控装置的硬件组成及功能数控装置的硬件组成及功能 1 1.数控装置的硬件包括数控装置的硬件包括：微机基本系统：微机基本系统：CPUCPU、总线、存储器、总线、存储器、I/OI/O设备等设备等 数控接口组件：数控接口组件：进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件进给轴位置控制接口组件、主轴控制接口组件 手摇脉冲发生器接口组件等。手摇脉冲发生器接口组件等。接口：接口：人机界面接口、通讯接口、机电接口人机界面接口、通讯接口、机电接口 辅助功能（辅助功能（M M）控制接口等）控制接口等

17、 2 2.硬件功能：硬件功能：与软件一起与软件一起接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速接收输入信息（程序）、经过译码、轨迹计算（速 度计算）、补偿计算、加度计算）、补偿计算、加/减处理和插补运算，给各个坐标的减处理和插补运算，给各个坐标的 伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。伺服驱动器分配速度、位移指令，完成数控加工任务。第12页，本讲稿共86页 3.硬件具体组成硬件具体组成 微机基本系统微机基本系统 人机界面接口人机界面接口:键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器键盘、显示器、操作面板、手摇脉冲发生器 通讯接口、通讯接口、RS232RS232、RS485RS485串行接口

18、、网络接口串行接口、网络接口 进给轴位置控制接口进给轴位置控制接口 主轴控制接口主轴控制接口 辅助功能（辅助功能（M M 指令指令）控制接口）控制接口 CPU R O M R A M IN 接口0UT接口其它 接 口 通讯控 制接 口 位置控 制接 口 主轴控 制接口MDI/CRT接口手摇脉冲发生器接口图4 单CPU数控装置第13页，本讲稿共86页 2.1.2 2.1.2 数控装置软件的基本组成和功能数控装置软件的基本组成和功能 软件由控制功能程序、管理功能程序组成软件由控制功能程序、管理功能程序组成 1 1.控制功能程序控制功能程序-实时性强实时性强,用于进给坐标的位置控制，中断完成用于进给

19、坐标的位置控制，中断完成;译码译码;预处理（刀补和速度处理）预处理（刀补和速度处理）；插补插补；位控位控；2 2.管理功能程序管理功能程序-实时性稍差，但要保证实时性稍差，但要保证控制软件数据的供给传控制软件数据的供给传 递，具体见图。递，具体见图。CNC软件 管 理 控 制显显示示STMI/O处处理理通通讯讯诊诊断断译译码码刀刀具具补补偿偿速度处处理理插插补补位位置置控控制制输输入入存存储储 图5 数控装置软件组成 第14页，本讲稿共86页2.2 CNC2.2 CNC系统的技术性能指标系统的技术性能指标 1CPU的性能：的性能：8 8、1616、3232、6464位，主频十多位，主频十多GH

20、z,GHz,精减指令精减指令 集芯片（集芯片（RISCRISC）,提供高的速度和丰富的软硬件资源；提供高的速度和丰富的软硬件资源；2系统具有高分辨率：系统具有高分辨率：保证保证高精度、超精密加工。进给系统高精度、超精密加工。进给系统 100 100万脉冲万脉冲/每转、每转、16001600万脉冲万脉冲/每转（每转（FANUC FANUC 0i）,分辨率分辨率 为为0.001mm，速度最高可达到，速度最高可达到100m240m/min。超精密。超精密 加工时分辨率加工时分辨率0.1m（甚至（甚至0.01m）,速度为速度为2 24m/min,或或更高更高。3系统的控制功能：系统的控制功能：1)多轴

21、联动、多坐标控制多轴联动、多坐标控制 2)多种函数的插补多种函数的插补 3)多种程序输入功能多种程序输入功能4)信息转换功能信息转换功能5)补偿功能补偿功能6)多种加工方式选择多种加工方式选择7)具有故障自诊断功能具有故障自诊断功能8)显示功能显示功能4伺服驱动系统的性能伺服驱动系统的性能第15页，本讲稿共86页5数控系统内数控系统内PLCPLC功能功能6系统的通讯和联网功系统的通讯和联网功7系统的开放性系统的开放性8可靠性可靠性 2.3 2.3 怎样选择怎样选择CNCCNC系统系统 2.3.1选择原则选择原则 1.名牌厂家：名牌厂家：FANUC、SIEMENS、AB、CINCINNATI、N

22、UM、HP、FAG、GE-FANUC、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天、三菱、华中数控、广州数控、航天数控、蓝天数控、北京数控、北京FANUC、上海开通数控、南京方达数控、威海华东、上海开通数控、南京方达数控、威海华东数控、南京清华数控数控、南京清华数控 2.系统的系列系统的系列 FANUC:FANUC-0TD/0MD/0C/0i/15/15i/16/16i/18/18i/21/21i/160/180/210/160i/180i/210i/F30i；SIEMENS:SIEMENS-802S/802D/810D/840D；第16页，本讲稿共86页3.基本功能、选择功能基本功能、选择功能4

23、.分辨率（设定单位）、速度、联动轴数；分辨率（设定单位）、速度、联动轴数；5.高速高精度系统的特殊指令功能高速高精度系统的特殊指令功能 6.6.价格、维修。价格、维修。2.3.2高速高精密数控机床的高速高精密数控机床的CNC系统系统1.数控装置的特殊功能数控装置的特殊功能纳米精加工插补；（纳米精加工插补；（Nanointerpolation）光顺插补；光顺插补；高精度（纳米）轮廓控制；高精度（纳米）轮廓控制；5轴加工功能；轴加工功能；NURBS插补；插补；前视功能；前视功能；预测及反复控制；预测及反复控制；法线方向及缓曲线法线方向控制；法线方向及缓曲线法线方向控制；精细加精细加/减速功能；减速

24、功能；切削进给插补前切削进给插补前/后的直线加后的直线加/减速功能；减速功能；切削进给插补前切削进给插补前/后的铃型（或叫鼓型）加后的铃型（或叫鼓型）加/减速减速第17页，本讲稿共86页插补型螺距误差补偿；插补型螺距误差补偿；双向螺距误差补偿双向螺距误差补偿；直线度补偿；直线度补偿；插补型直线度补偿；插补型直线度补偿；丰富的宏指令，循环指令；丰富的宏指令，循环指令；完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存、完善的自诊断、参数设置、动态图形显示、高速缓存、I/O外外部设备控制和联网功能等部设备控制和联网功能等接外部补偿的功能。接外部补偿的功能。2.对驱动控制及伺服电机的特殊要求对驱动控制及

25、伺服电机的特殊要求光纤通讯的三环（电流、速度、位置）全闭环控制交流数字光纤通讯的三环（电流、速度、位置）全闭环控制交流数字伺服系统；伺服系统；高响应的矢量控制功能高响应的矢量控制功能:FANUC系统称为系统称为:HRV-HighResponseVector高响应向量控制）；高响应向量控制）；双位置反馈控制；双位置反馈控制；特殊制造的高响应高精度电机特殊制造的高响应高精度电机,且具有平稳运行的低速性能；且具有平稳运行的低速性能；第18页，本讲稿共86页 第三部分 数控机床的结构及设计 3.1 机床本体 机床本体也称主机，它包括:主运动部件:主轴箱及主轴；进给运动部件：进给传动件、工作台、刀架、导

26、轨等；基础部件：支撑部件，如：底座、床身、立柱等；特殊部件：刀库、自动换刀装置和托盘交换装置等）；现在包括CNC装置，各个部件都看做功能部件，专门生产。3.2 数控机床主机的特点 主运动，及进给坐标轴都由单独的伺服电机驱动；传动链短、结构比较简单；运动关系由计算机来协调控制。采用高效传动件：精密滚珠丝杠、直线滚动导轨副、精密 齿条、蜗母条、静压、磁浮导轨等。机械结构应具有较高的静态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性以及抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。第19页，本讲稿共86页配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可靠的润滑、配套设施齐全，如：冷却、自动排屑、防护、可

27、靠的润滑、对刀仪等对刀仪等。3.3主机的设计主机的设计3.3.1总体总体设计设计1.总体方案：布局外观、精度、性能、静动态特性（刚度特总体方案：布局外观、精度、性能、静动态特性（刚度特 性摩擦特性、热特性）性摩擦特性、热特性）.2.参数：功率、扭矩、转速、行程、速度参数：功率、扭矩、转速、行程、速度.3.机电匹配：机电分工、电机和控制系统的选择机电匹配：机电分工、电机和控制系统的选择.3.3.2主传动系统设计主传动系统设计1.传动系统传动系统.2.电主轴电主轴.3.自动卡盘自动卡盘.4.动力刀架动力刀架.3.3.3进给传动系统设计进给传动系统设计1.开环、半闭环、全闭环开环、半闭环、全闭环.2

28、.传动方案传动方案.第20页，本讲稿共86页 3.高效传动件的设计、选择、计算、机电匹配.4.直线电机系统.3.3.4其它系统的设计 1.数控回转工作台.2.换刀机械手。3.刀库、刀具系统.4.冷却、排屑系统.第四部分 数控技术的发展方向 4.1 数控技术总的发展趋势 当代，数控技术的典型应用是FMC/FMS/CIMS，其发展方 向是高速化、高精度化、高效加工、多功能化、小型化、复 合化、开放化和智能化以及数控标准的发展。目前的动向是:开放式数控系统、高速加工系统。4.2 新的数控标准 STEP-NC 第21页，本讲稿共86页4.2.1STEP-NC标准的产生及概念标准的产生及概念1.1.产生

29、：产生：数控发展已数控发展已50多年了，编程还在采用多年了，编程还在采用G、M代码、地址字的代码、地址字的程序格式（程序格式（ISO6983），它），它是面向运动和开关控制的是面向运动和开关控制的语言。语言。限制了限制了CNC系统的开放性和智能化发展的需要，使系统的开放性和智能化发展的需要，使CNC与与CAM技术之间形成了瓶颈。技术之间形成了瓶颈。体现不出体现不出IT技术与技术与MT技术的结合：技术的结合：CAD/CAM/CAE/PDM限制了制造业的发展。限制了制造业的发展。为此国际标准化组织为此国际标准化组织ISO制定了制定了“产品产品模型模型数据交换标准数据交换标准”STEP（Standa

30、rdfortheExchangeofProductModelData）（ISO10303）产品模型数据转换标准产品模型数据转换标准STEP，是面向对象的数据模型，将，是面向对象的数据模型，将 此扩展到数控领域，形成了此扩展到数控领域，形成了STEP-NC新新标准标准（ISO-14649）2.STEP-NC数据模型数据模型STEP-NC为为“新型的新型的CNC控制器数据模型控制器数据模型”标准，它是从标准，它是从CAM到到CNC的数据模型的数据模型。STEP、STEP-NC是中性的是中性的,采用面向对象的语言采用面向对象的语言:EXPRESS,第22页，本讲稿共86页 以面向对象的形式将产品的设

31、计信息与制造信息联系起来，STEP-NC数控系统能进行CAD/CAM与CNC一体化的加工。STEP-NC为CNC系统重新规定CAD/CAM与CNC之间的接 口，可以进行数据交换。要求CNC系统直接使用符合STEP 标准的CAD三维产品数据模型（包括工件几何数据、设置、制造特征信息、工艺信息和刀具信息），而直接产生的加工 程序用来控制机床。3.STEP-NC研制情况STEP-NC是当前世界各国正在开展的研究项目。欧洲、美国（Super Model项目）、韩国、日本（Digital Sater项目）都在积极的进行，而且关于STEP-NC的研究已 取得了实质性的进展。法那科、西门子数控系统公司都宣布

32、将执行STEP-NC标准。4.2.2 STEP-NC标准的内容 STEP-NC定义了一个新的应用协议AP-238，作为 CAM与 CNC之间数据交换的具体规范。第23页，本讲稿共86页1.AP-238 AP-238包括从产品概念到成品（零件）全过程所需的全部信 息。其中有：三维几何信息-AP-203/AP214；特征信息-AP-224；工艺信息（如车、铣、放电加工等）-AP-219；检测信息-AP-219等等。2.STEP-NC 标准（草案）内容：有关基本规则与铣削加工的标准（草案）已完成，包括：基本概念和规则（Part 1）；通用数据（Part 10）；数控铣削加工工艺（Part 11）；刀

33、具、铣削刀具（Part 111）等。正在制定的STEP-NC标准有：数控车削加工（Part 12）；放电加工（Part 13）；木材和玻璃加工（Part 14）；第24页，本讲稿共86页检测（Part 15）等。3.标准通用数据 包括二大部分:工件（Workpiece，指成品）和工作计划（Workplan）。工件上需去除的材料的区域由一系列加工特征（Machining-feature）定义。工作计划包括若干工作步骤（Working step）。工作步骤将具体的加工特征（如平面、复杂曲面、孔等）与 具体的操作（Machining-operation）联系起来。操作（operation）本身是IS

34、O-14649定义的一个面向的概念，涉及加工方法、刀具、刀轨、工艺策略等。4.2.3 STEP-NC数控程序结构1.STEP-NC数控程序编制的原则：采用了ISO-10303数据格式和面向特征的编程原则。以工作步骤为加工流程的的基本单位。将特征与技术信息联系到一起。第25页，本讲稿共86页 每个工作步骤只定义一个具体操作（干什么、如何干、只 能用一种刀具和一种策略）2.程序结构：程序结构分为文件头和数据段 文件头以HEADER为标记，主要说明文件名、编程者、日 期以及注释等。数据以DATA开始，包含了加工零件所需的所有信息和操 作任务。根据规定，首先要有一个PROJECT语句。其后的内容可分为

35、三部分：工作与可执行语句（Executable，包括工作步骤、一般NC 功能如信息显示等、流程控制）。技术描述（刀具、机床功能、加工策略等）几何描述（几何数据、加工特征等）ENDSEC为程序结束标志。第26页，本讲稿共86页 3.例子例子（西门子公司开发的（西门子公司开发的,其中的斜体为特意加入的说明其中的斜体为特意加入的说明)：HEADER;文件头部文件头部开开始始语句语句 ENDSEC;文件头部分文件头部分结束结束DATA;数据段开始数据段开始#1=PROJECT(Workplan#10);#1#1规划由规划由工作计划工作计划#10#10完成完成#10=Workplan(#20,#35,)

36、;#10#10包括：包括：#20#20工步、工步、#35#35工步、工步、#20=Machining-Workingstep(,#21(feature),#22 (Machining);#20#20为加工工步，包括：为加工工步，包括：#21#21加工特征、加工特征、#22#22加工操作加工操作#21=Round hole(Hole M6 ,);被加工的是被加工的是M6,M6,圆周孔圆周孔#22=Drilling(#(Tool),#(technology),#(Machine-functions);钻削加工（刀具、工艺、机床功能）钻削加工（刀具、工艺、机床功能）#35=Machining-Wor

37、kingstep();#35#35为加工工步为加工工步 其它其它加工工步加工工步ENDSEC;程序结束（程序结束（数据段数据段）说明：文件程序名、编者、日期、注释第27页，本讲稿共86页 4.STEP-NC特点：特点：废弃了传统的数控程序，废弃了传统的数控程序，无后置处理，无无后置处理，无G、M代码。代码。ISO14649的目标为：的目标为：改进改进CAD/CAM系统与系统与CNC控制器之间的连接，数据传递。控制器之间的连接，数据传递。不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工不采用刀具运动编程，而采用工作步骤面向对象的概念。工作步骤相应于高级特征和过程参数。作步骤相应于高级特征和过

38、程参数。CNC对工作步骤解析对工作步骤解析为坐标的运动和刀具的动作。为坐标的运动和刀具的动作。数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的数据模块必须包括所有的复杂级别（从加工时，指令的CAD几何数据到离散值的简单轴运动）。几何数据到离散值的简单轴运动）。CNC程序设想可以放在新开发的程序设想可以放在新开发的CNC控制器上控制器上,也可能放在也可能放在分离的支持和改进现有分离的支持和改进现有CNC控制器的高级系统上（包括各种控制器的高级系统上（包括各种网络）。网络）。对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、对于数控程序的新标准将提供机床操作者更多的柔性、功能、统计表的编辑定义

39、、相关控制和几何过程的修正。统计表的编辑定义、相关控制和几何过程的修正。新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。新标准允许操作者因为专用机床和技术，而执行专门的功能。对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更对于最终用户新的标准提供统一的编程格式，使程序准备更快、更廉价。快、更廉价。较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级较少的后置处理，而且更标准化。在数控编程级CAD/CAM系统和系统和NC系统之间的数据交换将更方便。系统之间的数据交换将更方便。第28页，本讲稿共86页4.2.3STEP-NC为计算机数控（为计算机数控（CNCCNC）提供的发展空间）提供的发展空间

40、STEP-NC STEP-NC的发展使得的发展使得STEPSTEP标准扩展到自动化加工的底层设备，标准扩展到自动化加工的底层设备，建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的建立了一条贯穿整个制造过程的高速公路。将影响相关的CAXCAX技技术（术（CADCAD、CAPPCAPP、CAMCAM、CAECAE、PDMPDM、ERPERP等）、刀具、机床、夹具、等）、刀具、机床、夹具、先进生产模式等。主要有以下几方面：先进生产模式等。主要有以下几方面：数控编程界面；数控编程界面；数控系统的开放性；数控系统的开放性；数控系统的智能化；数控系统的智能化；CAM和和CNC之间的功能重新划分（嵌入式之

41、间的功能重新划分（嵌入式CAM）；）；加工质量和效率，加工质量和效率，CNC改变被动执行者的地位；改变被动执行者的地位；数据共享与网络制造数据共享与网络制造。4.3开放式数控（开放式数控（OPENCNC）4.3.1开放数控的产生和发展：开放数控的产生和发展：1.产生的原因产生的原因当今的当今的CNC控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不控制器是个黑匣子，封闭保密，制造厂和用户不能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透能把特殊加工工艺、管理经验和操作技能等放进去，要求透第29页，本讲稿共86页明，因此需要开放结构的数控系统。明，因此需要开放结构的数控系统。现在的现在的CNC技术（

42、其核心为技术（其核心为CNC控制器和驱动技术）及结构控制器和驱动技术）及结构为专用的软硬件，远落后于为专用的软硬件，远落后于PC的主流技术。升级困难，各厂的主流技术。升级困难，各厂家产品不兼容，成本高。家产品不兼容，成本高。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。用户界面不灵活，网络功能弱，系统维护培训昂贵。2.发展情况：发展情况：美国：美国：OMAC1981年，国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依年，国防部为了减少军备制造对日本控制系统的依 赖性，开始了一项名为赖性，开始了一项名为“下一代控制器（下一代控制器（NGC）”的计划，的计划，并成立了并成立了“美国国家科学制造中心美国国家

43、科学制造中心”，该计划于，该计划于1991年终年终 止，完成了止，完成了“开放式系统体系结构标准（开放式系统体系结构标准（SOSAS）”。1995年，在年，在NGC的基础上，由的基础上，由美国国防部资助又开始了由美国国防部资助又开始了由20个公司合作的个公司合作的“OASAY”计划，目的是建立计划，目的是建立8个控制器并个控制器并 在在6个不同的系统平台上测试这个不同的系统平台上测试这8个控制器。个控制器。1994年年美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系美国汽车工业为了解决自身发展过程中碰到的一系 列问题，由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司列问题，由克莱斯勒、福特和通用三家大汽车公司

44、开始了一开始了一项名为：项名为：第30页，本讲稿共86页“开放式模块化体系结构控制器（开放式模块化体系结构控制器（OMAC-OpenModularArchitectureControls）”的计划。的计划。欧洲欧洲：OSACA1992年年在欧洲，启动了一项在欧洲，启动了一项“自动化系统中控制器的开放自动化系统中控制器的开放 系统体系结构（系统体系结构（OSACA-OpenSystemArchitectureforControlswithinAutomationSystems）”的的联合计划。联合计划。由由22家家欧州的机床生产商、控制开发商、控制集成商和研究机构参欧州的机床生产商、控制开发商、

45、控制集成商和研究机构参加，后来扩大到加，后来扩大到27名会员。名会员。日本：日本：OSEC 1995年日本六家公司年日本六家公司:东芝机器制造公司、丰田机器厂、东芝机器制造公司、丰田机器厂、MAZAK公司、日本公司、日本IBM、三菱电子公司和、三菱电子公司和SML公司共同实公司共同实 施了施了“控制器开放系统环境控制器开放系统环境计划。计划。OSEC-OpenSystemEnvironmentforControllers”的计划。的计划。OMAC、OSACA、OSEC是在当前开放式控制系统领域内是在当前开放式控制系统领域内有很大影响的三个计划。这有很大影响的三个计划。这几大开放数控几大开放数控

46、系统计划正在执行系统计划正在执行 中，已有了自己的标准和样机产品。中，已有了自己的标准和样机产品。第31页，本讲稿共86页4.3.2开放性：开放性：开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化开放式数控系统，不但要求模块化、网络化、标准化(用户界用户界面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯面、图形显示、动态仿真、数控编程、故障诊断、网络通讯)，而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：而且对实时性和可靠性要求很高。其特点：可可移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就移植性：在保持应用模块功能的情况下，不需任何变化就可以应用到不同的平台上。可以应用到不同的平台上。可可扩展性

47、：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。扩展性：不同的模块能运行于一个平台，而不出现冲突。互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据互操作性：模块在一起工作时，表现为相互协调，可以根据定义相互交换数据。定义相互交换数据。可维护性：用户修方便。可维护性：用户修方便。统一的人机界面。统一的人机界面。4.3.3结构：结构：目前开放的数控系统结构有目前开放的数控系统结构有3种：种：基于基于PC的的CNC系统（软数控系统（软数控：SoftCNC）：）：以以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由

48、伺服系统驱动坐标问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。轴电机。全方位开放。全方位开放。第32页，本讲稿共86页基于基于PC的的CNC系统（软数控系统（软数控：SoftCNC）：）：以以PC机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的机为平台，数控功能由软件模块实现，但要决实时性的问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标问题。运动执行通过伺服卡传递数据，由伺服系统驱动坐标轴电机。轴电机。全方位开放。全方位开放。PC嵌入式嵌入式:把一块多轴运动控制卡插入传统的把一块多轴运动控制卡插入传统的PC中，运动卡中，运动卡运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行

49、）。运行以坐标轴运动为主的实时控制（作为数控功能运行）。PC作为人机接口平台作为人机接口平台。易实现，研究单位和高校。易实现，研究单位和高校。PC+CNC（融合系统）：（融合系统）：专业厂家认为专业厂家认为CNC系统最主要功系统最主要功能是高速、高精加工和可靠性，向能是高速、高精加工和可靠性，向PC在的死机现象是不允许在的死机现象是不允许的。已生产的大量的。已生产的大量CNC系统在体系结构上变化，对维修和可系统在体系结构上变化，对维修和可靠性不利。故采取了：增加一块靠性不利。故采取了：增加一块PC板，提供键盘，使板，提供键盘，使PC与与CNC联系在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能联系

50、在一起的方案。可界面开放，提高人机界面的功能。专业专业CNC系统厂家（如系统厂家（如fanuc，siemens等）现在都这样做。等）现在都这样做。4.4CNC控制器的发展趋势控制器的发展趋势4.4.1多坐标、多通道控制。多坐标、多通道控制。FANUC30i-MODELA：十个通道，十个通道，4040个轴（个轴（3232个进给轴、个进给轴、8 8个主轴）个主轴）第33页，本讲稿共86页联动轴数24/每通道。3个PMC通道。最大I/O点数4096/4096 PMC基本命令速度25ns。最大预读程序段：1000段。(适合作为大型自动机床、复合机床、多头机床的控制器)4.4.2 高速高精、低速高精加工