研究生课程CADCAM讲稿Ch计算机辅助制造与制造执行系统

CAD/CAM研 究 室 本 章 学 习 要 点 3 1 计 算 机 辅 助 制 造 概 述 1.1 基本概念1.2 制造硬件对CAM技术的影响1.3 信息应用方式对CAM技术的影响1.4 CAM系统的网络化 4 1.1 基 本 概 念 计 算 机 辅 助 制 造 （ Computer Aided Manufacturing, CAM）是 指 采 用 计 算 机 及 其 交 互 设 备 辅 助 人 类 实 现 数 控 编 程 ， 并控 制 、 监 测 、 处 理 、 变 换 、 管 理 加 工 过 程 的 一 种 技 术广 义 CAM是 指 利 用 计 算 机 辅 助 完 成 从 生 产 准 备 到 产 品 制 造 整个 过 程 的 活 动 ： 工 艺 过 程 设 计 ， 工 装 设 计 ， NC自 动 编 程 ，生 产 作 业 计 划 ， 生 产 控 制 ， 质 量 控 制 等狭 义 CAM是 指 NC程 序 编 制 ， 包 括 刀 具 路 径 规 划 ， 刀 位 文 件 生成 ， 刀 具 轨 迹 仿 真 及 NC代 码 生 成 等 5 1 计 算 机 辅 助 制 造 概 述 1.1 基本概念1.2 制造硬件对CAM技术的影响1.3 信息应用方式对CAM技术的影响1.4 CAM系统的网络化 6 1.2 制 造 硬 件 对 CAM技 术 的 影 响制 造 装 备 数 字 化 控 制 的 实 现 经 历 了 专 用 数 控 系 统 、 计 算 机数 控 系 统 、 开 放 式 数 控 系 统 等 多 个 发 展 阶 段数 控 指 令 的 输 入 从 “ 卡 片 与 纸 带 读 码 机 ” 、 “ 磁 带 与 磁盘 计 算 机 ” 发 展 到 “ 数 据 文 件 直 接 的 局 域 网 和 广 域 网传 输 ”新 型 的 CNC机 床 包 含 了 网 络 化 接 口 、 Web服 务 接 口 等 功 能 ，实 现 网 络 化 的 CAM技 术 有 了 制 造 装 备 方 面 的 硬 件 保 证 7 1.2 制 造 硬 件 对 CAM技 术 的 影 响 串 行 (RS232C) I/F(D-SUB25)并 行 （ 打 印 机 ) I/F(D-SUB25) PCMCIA 型 / 1槽I C 存 储 卡 专 用(高 速 ATA)PS/2PS/23.5英 寸 FDD(DOS格 式 )PCMCIA /2槽ETHEA-NET卡SCSI-2 卡调 制 解 调 器 卡日 本 Yamazaki Mazak公 司 的 开 放 式 CNC数 控 系 统 MAZATROL FUSION 640的 人 机 界 面 和 各 种 接 口 8 1.2 制 造 硬 件 对 CAM技 术 的 影 响实 现 制 造 属 性 数 据 、 制 造 过 程 数 据 、 故 障 数 据 等 能 实 现 双 向 流动 ， 特 别 是 设 备 向 高 层 管 理 计 算 机 的 流 动 远 程 监 控 画 面 ， 并 实 时 显 示 正 在 加 工 中 刀 具 的 切 削 条 件（ 主 轴 转 速 、 进 给 负 载 、 主 轴 负 载 等 ）由 于 将 现 场 的 机 械 运 转 状 况 能 实 时 向 上 反 馈 、 报 告 ， 因 此 可 实 时 地 掌 握 现 场 情 况 。 加工向导 编 程编 程加 工 向 导 预 测加 工 向 导 预 测向 导向 导实 例 介 绍实 例 介 绍加 工加 工监 控监 控加 工 向 导 结 果加 工 向 导 结 果主 轴 负 荷 记 录主 轴 负 荷 记 录加工向导 编 程编 程加 工 向 导 预 测加 工 向 导 预 测向 导向 导实 例 介 绍实 例 介 绍加 工加 工监 控监 控加 工 向 导 结 果加 工 向 导 结 果主 轴 负 荷 记 录主 轴 负 荷 记 录 9 1 计 算 机 辅 助 制 造 概 述 1.1 基本概念1.2 制造硬件对CAM技术的影响1.3 信息应用方式对CAM技术的影响1.4 CAM系统的网络化 10 1.3 信 息 应 用 方 式 对 CAM技 术 的 影 响产 品 模 型 是 CAM系 统 的 输 入 ， 不 同 的 产 品 模 型 表 达 方 式 影 响 着 CAM软 件系 统 的 开 发 方 法以 快 速 成 型 机 为 例 ： 用 于 加 工 零 件 输 入 的 模 型 采 用 三 角 面 片 表 示 ， 形成 了 一 种 称 之 为 STL文 件 格 式 的 工 业 事 实 标 准 ， 基 于 快 速 成 型 加 工 的CAM系 统 将 围 绕 该 种 零 件 模 型 进 行 加 工 辅 助 处 理 美 国 3D Systems的 快 速 成 型 机 11 1.3 信 息 应 用 方 式 对 CAM技 术 的 影 响 .facet normal x y z outer loop vertex x1 y1 z1 vertex x2 y2 z2 vertex x3 y3 z3 endloopendfacet . PlatformCollecter FeederPart Box Material MirrorOptic Head Laser Laminating Roller 定义：一种 用三角形组表达零件三维几何模型表面 的数据结构 零件STL文件格式： 三维几何建模 各类RP制造设备 定义：当前用于在三维CAD系统与各类RP设备间进行数据交换的事实工业标准（RPM的输入） 12 1.3 信 息 应 用 方 式 对 CAM技 术 的 影 响CAM系 统 在 支 持 制 造 的 数 控 编 程 、 加 工 调 度 、 监 测 与 质 量 控制 过 程 中 ， 采 用 不 同 的 制 造 信 息 处 理 模 式 会 产 生 不 同 的 CAM系 统 开 发 逻 辑 与 应 用 流 程在 采 用 CAM系 统 辅 助 加 工 调 度 、 监 测 与 质 量 控 制 活 动 时 ，以 制 造 设 备 为 基 点 ， 制 造 信 息 处 理 模 式 有 三 种 单 机 模 式 以 制 造 设 备 作 为 客 户 端 节 点 以 制 造 设 备 作 为 服 务 器 端 节 点 13 1 计 算 机 辅 助 制 造 概 述 1.1 基本概念1.2 制造硬件对CAM技术的影响1.3 信息应用方式对CAM技术的影响1.4 CAM系统的网络化 14 1.4 CAM系 统 的 网 络 化 CAM制 造 硬 件 的 网 络 化 与CAM软 件 的 网 络 化制造设备的网络化接口问题（1）制 造 装 备 的 网 络 化 接 口 是 使 制 造 设 备 网 络 化 的 基 本 要 素 。传 统 的 数 控 设 备 一 般 均 具 有 RS232标 准 串 口 ， 这 种 标 准 串 口用 来 实 现 传 统 设 备 的 互 联 ， 以 便 完 成 数 控 指 令 网 上 传 输 、加 工 工 况 数 据 反 馈 等 功 能当 前 新 型 数 控 制 造 装 备 均 带 有 以 太 网 接 口 ， 有 些 还 带 有 不同 类 型 的 现 场 工 业 总 线 接 口 ， 为 数 控 装 备 的 互 联 提 供 支 撑 15 1.4 CAM系 统 的 网 络 化制造设备的网络化接口问题（2）流 程流 程 1 驱 动 程 序 访 问 模 式驱 动 程 序 访 问 模 式通 过 串 口 运 行 的 任 何 软 件通 过 串 口 运 行 的 任 何 软 件Open(“COMn”)Read Application 本 地本 地 COM驱 动 程 序驱 动 程 序COMnTCP/IP 流 程流 程 2Socket访 问 模 式访 问 模 式使 用使 用 Socket从 串 口 连 接 器 访 问 数 据从 串 口 连 接 器 访 问 数 据Connect to192.168.127.245:portRead Application SocketTCP/IP 流 程流 程驱 动 程 序 访 问 模 式驱 动 程 序 访 问 模 式通 过 串 口 运 行 的 任 何 软 件通 过 串 口 运 行 的 任 何 软 件 本 地本 地 驱 动 程 序驱 动 程 序 流 程流 程访 问 模 式访 问 模 式使 用使 用 从 串 口 连 接 器 访 问 数 据从 串 口 连 接 器 访 问 数 据 192.168.127.245 Windows/Linux 基 于基 于 TCP/IP的 以 太 网的 以 太 网192.168.127.10 COM RS232/485 16 1.4 CAM系 统 的 网 络 化数 控 制 造 装 备 在 互 联 的 过 程 中 ， 需 要 网 络 互 联 协 议 的 支 持对 应 于 远 程 实 时 操 作 及 抗 干 扰 能 力 的 网 络 包 括 早 期 用 于 制造 系 统 互 联 的 MAP网 ， 以 及 现 今 广 泛 应 用 的 工 业 现 场 总 线 、实 时 工 业 以 太 网 等目 前 已 得 到 应 用 且 列 为 IEC61158国 际 标 准 的 现 场 总 线 有 ：（ FF的 H1、 FF-HSE、 Profibus、 INTERBUS、 P-NET、WorldIFP、 ControlNet、 SwiftNet） ； 工 业 实 时 以 太 网有 EthernetIP、 FF-HSE、 ProfiNet、 IDA等制造设备的网络互联协议 17 1.4 CAM系 统 的 网 络 化基于网络数据库的CAM集成 有 效 利 用 已 有 单 机 版 CAM软 件 、 且 通 过 共 享 数 据 库 实 现 制 造 数 据 分享 的 一 种 形 式由 于 涉 及 到 制 造 数 据 的 共 享 问 题 ， 因 此 必 须 给 CAM软 件 附 加 若 干 辅 助 模块 ， 如 数 据 及 库 文 件 远 程 读 写 模 块 、 数 据 库 操 作 权 限 管 理 模 块 、 数 据一 致 性 维 护 模 块 等 18 1.4 CAM系 统 的 网 络 化基于C/S结构的CAM软件 其 出 发 点 是 将 CAM软 件 划 分 为 服 务 器 端 软 件 和 客 户 机 端 软 件 两 部 分 。服 务 器 端 软 件 实 现 CAM的 功 能 ， 而 客 户 机 端 CAM软 件 则 实 现 基 于 用 户 图形 界 面 的 输 入 输 出 功 能 ， 常 安 装 在 制 造 装 备 的 前 端 计 算 机 中基 于 C/S结 构 的 CAM软 件 需 要 在 客 户 端 安 装 相 关 的 软 件 ， 故 使 用 该 类 软件 受 客 户 端 地 理 位 置 的 限 定 19 1.4 CAM系 统 的 网 络 化基于B/S结构的CAM软件其 逻 辑 是 将 CAM软 件 安 装 在 服 务 器 端 ， 在 客 户 机 端 则 不 作 任 何 安 装 。 其运 行 可 在 任 意 地 点 的 客 户 端 通 过 Web浏 览 器 完 成 ， 且 相 应 的 交 互 界 面 以Web页 面 、 Java Applet或 ActiveX控 件 等 形 式 表 现CAM软 件 可 安 装 在 管 理 层 的 计 算 机 中 ， 亦 可 安 装 在 底 层 的 制 造 装 备 的 前端 计 算 机 中 。 前 一 种 安 装 方 式 指 底 层 所 产 生 的 制 造 数 据 由 高 层 采 集 、处 理 与 发 布 ； 后 一 种 安 装 形 态 指 制 造 装 备 所 产 生 的 数 据 通 过 Web服 务 直 接 向 外 发 布 20 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.3 数控的轴的概念2.4 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.5 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构 21 2.1 基 本 概 念开 放 式 CNC体 系 结 构 伴 随 着 个 人 计 算 机 PC的 出 现 而 出 现原 有 专 用 数 控 系 统 在 软 硬 件 资 源 方 面 的 局 限 性 ， 无 法 适 应数 字 化 制 造 环 节 对 模 块 化 、 可 重 构 、 可 扩 充 等 方 面 的 要 求 ，无 法 在 数 控 系 统 的 通 用 性 、 柔 性 、 适 应 性 和 进 一 步 的 智 能化 、 网 络 化 方 面 提 供 支 撑开 放 式 CNC系 统 的 概 念 起 源 于 上 世 纪 80年 代 的 美 国 ， 目 前 提出 了 不 同 的 开 放 式 CNC体 系 结 构 ， 典 型 的 有 ： 美 国 的 下 一 代控 制 器 NGC计 划 、 欧 盟 的 自 动 化 系 统 开 放 式 控 制 结 构 OSACA计 划 、 日 本 的 开 放 式 控 制 器 系 统 环 境 OSEC计 划 等 开放式CNC系统的特点： 能 够 在 各 种 操 作 环 境 下 运 行 可 与 其 他 系 统 相 互 交 流 信 息 能 够 给 用 户 提 供 一 种 统 一 风 格 的 交 互 方 式2.1 基 本 概 念 23 2.1 基 本 概 念开放式CNC体系结构可归纳为三种类型：在 专 用 数 控 系 统 中 嵌 入 PC的 开 放 式 CNC体 系 结 构基 于 运 动 控 制 卡 的 开 放 式 CNC体 系 结 构基 于 PC软 数 控 机 理 的 开 放 式 CNC体 系 结 构 24 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.4 数控的轴的概念2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构2.3 开放式数控系统的网络接入技术 25 2.2 开 放 式 CNC系 统 的 体 系 结 构开 放 式 数 控 系 统 （ 第 六 代 数 控 系 统 ） 可 通 过 两 种 方 式 实 现 ：开放软件体系结构与开放硬件体系结构 NC代 码 分 析 器刀 具 路 径 规 划伺 服 算 法 、 刀具 轨 迹 生 成 、内 置 PLC 解 码 器 ， 数 据采 集 控 制 系 统 ，I/O， 以 太 网 卡 、屏 蔽 电 缆 ， 检测 元 器 件设 备 驱 动 软 件 用 户界 面 机 床 设 备数 控 实 时操 作 系 统 MES/MRP/ERPInternet 防 火 墙实 时 API VB、 VC+编 译 环 境 代 码 分 析 器刀 具 路 径 规 划伺 服 算 法 、 刀具 轨 迹 生 成 、内 置 解 码 器 ， 数 据采 集 控 制 系 统 ， 以 太 网 卡 、屏 蔽 电 缆 ， 检测 元 器 件设 备 驱 动 软 件 用 户界 面 机 床 设 备数 控 实 时操 作 系 统 防 火 墙实 时 、编 译 环 境 26 2.2 开 放 式 CNC系 统 的 体 系 结 构 设 计 层 制 造 层 管 理 层PLC、 DSP运动 控 制 卡运 动 控 制 器 产 品 供 应 商 ： 美 国 的 Delta Tau、 Galil公 司 ， 德国 的 Dspace、 Movtec公 司 等 27 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.4 数控的轴的概念2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构2.3 开放式数控系统的网络接入技术 28 2.3 开 放 式 数 控 系 统 的 网 络 接 入 技 术计 算 机 与 数 控 加 工 设 备 的 通 信 方 式 取 决 于 数 控 系 统 的 通 信接 口 与 协 议 。 数 控 系 统 提 供 的 通 信 接 口 有 ： 异 步 串 行 通 信接 口 ， 接 口 ， 现 场 总 线 接 口 ， 接 口 等异步串行通信接口RS232、 RS422、 RS485等 ， 优 点 ： 方 便 ， 实 现 较 容 易 ； 缺 点 ：通 信 距 离 较 近DNC接口可 实 现 较 远 距 离 通 信 ， 具 有 出 错 反 馈 与 在 线 实 时 修 改 功 能 ，便 于 远 程 管 理 ， 但 结 构 复 杂 ， 通 用 性 差 ， 软 件 开 发 难 度 大MAP网或现场总线接口通 信 速 率 快 ， 可 靠 性 高 ， 可 实 现 一 些 实 时 性 很 强 的 控 制 要 求 29 2.3 开 放 式 数 控 系 统 的 网 络 接 入 技 术 设 计 部 门 工 艺 部 门 其 他 部 门 图 1 工 业 以 太 网 网 络 交 换 器网 络 数 控 1 网 络 数 控 2 网 络 数 控 3普 通 机 床 工 作 站管 理 员 工 作 站车 间 数据 库 网 络 服 务 器车 间 服 务 器 Internet/Intranet 用 户 车 间 网 络设 计 部 门 工 艺 部 门 其 他 部 门 图 工 业 以 太 网 网 络 交 换 器网 络 数 控 网 络 数 控 网 络 数 控 普 通 机 床 工 作 站管 理 员 工 作 站车 间 数据 库 网 络 服 务 器车 间 服 务 器 用 户 车 间 网 络 30 2.3 开 放 式 数 控 系 统 的 网 络 接 入 技 术WWW数 据 查 询 服 务 器WWW数 据 查 询 服 务 器 一 级 调 度 （ 企 业 级 调 度 ） ， 网 上 信 息 发 布 网络 资 源 共 享一 级 调 度 （ 企 业 级 调 度 ） ， 网 上 信 息 发 布 网络 资 源 共 享二 级 调 度 （ 包 括 车 间 服 务 器 任 务 的 接 受 ， 同级 机 床 任 务 之 间 的 协 调 ， 监 控 信 息 向 服 务 器的 发 送 ）二 级 调 度 （ 包 括 车 间 服 务 器 任 务 的 接 受 ， 同级 机 床 任 务 之 间 的 协 调 ， 监 控 信 息 向 服 务 器的 发 送 ） NC程 序 编 制 接 受NC程 序 编 制 接 受编 译 和 解 释 NC代 码编 译 和 解 释 NC代 码加 工 控 制 ， 故 障 诊 断加 工 控 制 ， 故 障 诊 断司 服 系 统 ， PLC， 传 感 器司 服 系 统 ， PLC， 传感 器 加 工 信 息 统 计 ， 网络 资 源 共 享加 工 信 息 统 计 ， 网络 资 源 共 享ISO-OSI协 议ISO-OSI协 议网 卡 驱 动 程 序 网 卡 驱 动 程 序机 床机 床 网 卡网 卡 以 太 网以 太 网 现 场 总 线 图 二 数 据 查 询 服 务 器数 据 查 询 服 务 器一 级 调 度 （ 企 业 级 调 度 ） ， 网 上 信 息 发 布 网络 资 源 共 享一 级 调 度 （ 企 业 级 调 度 ） ， 网 上 信 息 发 布 网络 资 源 共 享二 级 调 度 （ 包 括 车 间 服 务 器 任 务 的 接 受 ， 同级 机 床 任 务 之 间 的 协 调 ， 监 控 信 息 向 服 务 器 的 发 送 ）二 级 调 度 （ 包 括 车 间 服 务 器 任 务 的 接 受 ， 同级 机 床 任 务 之 间 的 协 调 ， 监 控 信 息 向 服 务 器的 发 送 ）程 序 编 制 接 受程 序 编 制 接 受编 译 和 解 释 代 码编 译 和 解 释 代 码加 工 控 制 ， 故 障 诊 断 加 工 控 制 ， 故 障 诊 断司 服 系 统 ， ， 传感 器司 服 系 统 ， ， 传感 器 加 工 信 息 统 计 ， 网络 资 源 共 享加 工 信 息 统 计 ， 网络 资 源 共 享协 议协 议网 卡 驱 动 程 序网 卡 驱 动 程 序机 床机 床 网 卡网 卡 以 太 网以 太 网 现 场 总 线 图 二 31 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.4 数控的轴的概念2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构2.3 开放式数控系统的网络接入技术 32 2.4 数 控 的 轴 的 概 念从 三 维 几 何 空 间 看 ， 一 个 物 体 在 一 个 空 间 内 沿 X、 Y、 Z轴 的平 动 和 绕 这 三 个 轴 的 转 动 构 成 了 该 空 间 的 六 个 基 本 轴 运 动对 于 数 控 机 床 ， 其 数 控 的 目 标 是 在 由 主 轴 部 件 和 进 给 部 件 组成 的 切 削 几 何 空 间 内 控 制 轴 运 动 及 其 轴 运 动 间 的 联 动+Y+ Z +X- Y- X - Z 标 准 坐 标 系 ： 右 手 笛 卡尔 坐 标 系各 轴 的 回 转 运 动 及 其方 向 用 右 手 螺 旋 法 则 判 定 33 2.4 数 控 的 轴 的 概 念目 前 ， 最 好 的 的 数 控 设 备 之 一 为 五 轴 五 联 动加 工 中 心数 控 机 床 的 切 削 加 工 动 作 是 通 过 轴 运 动 或 多 轴 联 动 产 生 的运 动 来 完 成 。 其 中 ， 多 轴 联 动 用 于 产 生 预 定 的 运 动 轨 迹以 CNC车 削 为 例 ， 需 要 控 制 的 轴 运 动 包 括 车 床 主 轴 的 旋 转 运动 、 进 刀 方 向 和 走 刀 方 向 两 个 直 线 运 动在 车 削 螺 纹 时 ， 需 要 在 主 轴 旋 转 运 动 和 沿 进 刀 方 向 的 直 线运 动 间 实 现 联 动 ； 车 削 锥 面 则 需 要 在 两 个 直 线 运 动 间 实 现联 动控 制 轴 运 动 是 数 控 加 工 的 核 心 。 在 某 种 程 度 上 ， 数 控 体 系结 构 的 开 放 性 可 由 控 制 轴 运 动 的 实 现 方 法 的 开 放 性 决 定 34 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.4 数控的轴的概念2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构2.3 开放式数控系统的网络接入技术 35 2.5 基 于 运 动 控 制 卡 的 开 放 式 CNC体 系 结 构在 基 于 运 动 控 制 卡 的 开 放 式 数 控 机 床 中 ， 轴 运 动 是 通 过 伺服 电 机 驱 动 相 关 的 执 行 机 构 完 成 的 。 运 动 控 制 卡 则 用 于 产生 控 制 信 号 以 便 控 制 伺 服 电 机 实 现 相 关 的 运 动 轨 迹运 动 控 制 卡 含 CPU， 实 时 控 制 计 算 由 其 完 成 ， 而 涉 及 到 数 控的 非 实 时 计 算 部 分 则 可 由 PC机 实 现通 过 驱 动 器 、 I/O接 口 与 各 种 伺 服 电 机 相 联 ， 伺 服 电 机 再 驱动 执 行 机 构 如 运 动 平 台 按 预 定 轨 迹 运 动 。 运 动 的 位 置 等 误差 则 通 过 光 栅 元 件 进 行 检 测 并 反 馈 以 修 正 误 差 。 36 2.5 基 于 运 动 控 制 卡 的 开 放 式 CNC体 系 结 构 光 栅 尺 伺 服 电 机 与 运 动 平 台驱 动 器 与 I/O接 口 运 动 控 制 卡控 制 软 件 37 2 开 放 式 的 CNC体 系 结 构 2.1 基本概念2.4 数控的轴的概念2.5 基于运动控制卡的开放式CNC体系结构2.6 基于PC软数控机理的开放式CNC体系结构2.2 开放式CNC系统的体系结构2.3 开放式数控系统的网络接入技术 38 2.6 基 于 PC的 开 放 式 CNC体 系 结 构用 于 插 接 运 动 控 制 卡 的 PC机 所 使 用 的 为 通 用 非 实 时 操 作 系统 （ 如 Windows/Linux等 ）将 PC机 的 操 作 系 统 改 为 实 时 操 作 系 统 （ 如 Windows的 RTX、RT-Linux等 ） ， 且 将 运 动 控 制 卡 的 功 能 由 基 于 实 时 操 作 系统 的 运 动 控 制 软 件 来 实 现 ， 则 构 成 了 基 于 PC软 数 控 机 理 的开 放 式 CNC体 系 结 构实 时 任 务 进 程 、 实 时 任 务 管 理 、 硬 件 中 断 控 制 等 技 术 是 替代 运 动 控 制 卡 功 能 、 完 成 系 统 实 现 的 核 心 内 容 39 2.6 基 于 PC的 开 放 式 CNC体 系 结 构该 种 开 放 式 CNC体 系 结 构 依 赖 于 计 算 机 操 作 系 统 的 结 构 。 根据 选 择 的 不 同 操 作 系 统 ， 其 可 分 为 以 下 几 种 类 型 ： 单 PC机 配 置 实 时 操 作 系 统数 控 软 件 的 实 现 构 架 可 规 划 为 五 个 层 次 ： 应 用 API层 、 应 用程 序 层 、 实 时 操 作 系 统 层 、 I/O接 口 层 、 数 控 设 备 层 双 PC分 别 配 置 实 时 操 作 系 统 和 通 用 操 作 系 统 单 PC分 别 配 置 实 时 操 作 系 统 和 通 用 操 作 系 统 40 2.6 基 于 PC的 开 放 式 CNC体 系 结 构 控 制 面 板 及 操 作 控 制 模 块 ；NC代 码 解 释 模 块 ；刀 补 预 处 理 模 块 ；插 补 模 块 ；伺 服 控 制 模 块 ；I/O处 理 模 块 ；设 备 驱 动 模 块 ； 其 它 扩 充 模 块 。 应 用 程 序 层 PLC的 API；传 感 器 等 的 API；插 补 器 API；离 散 点 I/O的 API；位 置 补 偿 API；位 置 控 制 API；系 统 参 数 调 节 API； CNC设 备 驱 动 API。 应 用 API层 Windows RTX；RT-Linux实 时 操 作 系 统 层 接 口 卡 ；RS232串 口 ；I/O接 口 层伺 服 驱 动 器 ；伺 服 电 机 ；执 行 机 构 ；数 控 设 备 层 41 3 数 控 编 程 与 计 算 机 辅 助 技 术3.1 数控机床编程基础知识3.2 数控机床手工编程步骤3.3 数控机床编程实例3.4 计算机辅助数控编程 42 3.1 数 控 机 床 编 程 的 基 础 知 识Z: 以 主 轴 轴 线 方 向 为 坐 标 轴 Z方 向 ，刀 具 远 离 工 件 方 向 为 Z轴 正 向X: 水 平 面 内 垂 直 于 工 件 方 向 为 坐 标 轴 X方 向 刀 具 远 离 工 件 方 向 为 正 方 向原 点 ： 车 床 的 原 点 一 般 定 义 在 主 轴 旋 转中 心 与 车 头 端 面 的 交 点 或 参 考 点 上以数控车床为例：参 考 点 ： 参 考 点 为 机 床 上 的 一 个 固 定 点 。其 位 置 由 X和 Z向 的 机 械 挡 块 决 定一 般 机 床 的 原 点 与 参 考 点 重 合 ， 以 上 述 原 点 与 X轴 Z轴 建 立 直 角 坐 标 系 ， 即 为机床坐标系 43 3.1 数 控 机 床 编 程 的 基 础 知 识工 件 原 点 ： 工 件 原 点 是 人 为 设 定 的 点 （ 设 定 依 据 ： 既 符 合 图 样 的 尺 寸 标 注 习 惯 ， 又 便 于 编 程 ）以 坐 标 原 点 为 原 点 ， 建 立 一 个 Z轴 与 X轴 的 坐 标 系 ， 即 为工件坐标系车 床 工 件 原 点 ： 一 般 选 择 在 工 件 的 右 端 面 、 左 端 面 、 卡盘 的 前 面 44 OXXXx主 程 序M98 P* LXXXX 子 程 序 OXXXXM02主 程 序 M993.1 数 控 机 床 编 程 的 基 础 知 识 45 F指 令 ： F功 能 表 示 进 给 速 度 ， 进 给 速 度 使 用 F和 其 后 面 的 若 干数 字 来 表 示 的 。 在 G98条 件 下 ， F后 数 字 表 示 mm/min（ 外 圆 加工 ） ,在 G99条 件 下 ， F后 数 字 表 示 mm/r,（ 螺 纹 加 工 ） ， 在 未指 定 情 况 下 ， 默 认 为 G98条 件T指 令 ： T指 令 表 示 换 刀 功 能 ， 它 是 由 字 母 T和 其 后 的 四 位 数 字表 示 的 ， 其 中 前 两 位 数 据 表 示 刀 具 号 ， 后 两 位 数 据 表 示 刀 具补 偿 号 。 每 一 刀 具 加 工 完 成 ， 必 需 取 消 刀 补S指 令 ： S指 令 表 示 主 轴 转 速 ， 它 是 由 S和 其 后 的 数 字 组 成 的 ，例 如 ： S300表 示 主 轴 转 速 300转 （ 此 指 令 只 能 在 具 有 主 轴 伺 服机 构 的 机 床 中 使 用 ）3.1 数 控 机 床 编 程 的 基 础 知 识 46 3 数 控 编 程 与 计 算 机 辅 助 技 术3.1 数控机床编程基础知识3.2 数控机床手工编程步骤3.3 数控机床编程实例3.4 计算机辅助数控编程 47 尺 寸 是 否 完 整 产 品 精 度 、 粗 糙 度 等 要 求 产 品 材 质 、 硬 度 等 3.2 数 控 机 床 手 工 编 程 步 骤手 工 编 程 计 算 机 辅 助 48 3.2 数 控 机 床 手 工 编 程 步 骤 加 工 方 式 及 设 备 确 定 毛 坯 尺 寸 及 材 料 确 定 装 夹 定 位 确 定 加 工 路 径 及 起 刀 点 、 换 刀 点 的 确 定 刀 具 数 量 、 材 料 、 几 何 参 数 的 确 定 、 切 削 参 数 的 确 定切深 影 响 吃 刀 量 的 因 素 有 粗 、 精 车 工 艺 。 刀 具 强 度 、 机 床 性 能 、 工 件材 料 及 表 面 粗 糙 度进给量 粗 、 精 车 工 艺 ： 粗 车 进 给 量 应 较 大 ， 以 缩 短 切 削 时 间 ： 精 车 进 给量 应 较 小 以 降 低 表 面 粗 超 度 。 一 般 情 况 下 ， 精 车 进 给 量 小 于 0 2mm/r为 宜 ， 但 要 考 虑 刀 尖 圆 弧 半 径 的 影 响 ； 粗 车 进 给 量 大 于 0.25mm/r 49 3.2 数 控 机 床 手 工 编 程 步 骤进给量 机 床 性 能 ： 如 功 率 及 刚 性 工 件 的 装 夹 方 式 刀 具 材 料 及 几 何 形 状 工 件 的 材 料切削速度影 响 切 削 速 度 的 因 素 有 ： 刀 具 材 料 、 工 件 材 料 、 刀 具 耐 用 度 、 切 深 与 进 给 量 。 刀 具 形 状 、 切 削 液 及 机 床 性 能 50 3.2 数 控 机 床 手 工 编 程 步 骤 1) 按 规 定 格 式 编 写 程 序 2) 按 “ 程 序 编 辑 步 骤 ” 输 入 程 序 ， 并 检 查 程 序 3) 修 改 程 序 用 G92指 令 建 立 的 坐 标 系 ， 与 起 刀 点 位 置 有 关 ， 故 程 序 中 起点 与 终 点 位 置 最 好 一 致 ， 既 坐 标 X、 Z值 相 同 用 G54指 令 建 立 的 坐 标 系 只 与 机 床 零 点 有 关 ， 与 起 刀 点 位 置无 关 ， 故 每 次 开 机 后 至 少 应 回 一 次 参 考 点 当 在 G91指 令 状 态 下 编 程 时 ， 起 点 与 终 点 位 置 最 好 一 致 ， 既 X 、 Z轴 正 负 增 量 为 零1) 编 程 零 点 及 工 件 坐 标 系 的 确 定2) 各 节 点 数 值 计 算 51 3 数 控 编 程 与 计 算 机 辅 助 技 术3.1 数控机床编程基础知识3.2 数控机床手工编程步骤3.3 数控机床编程实例3.4 计算机辅助数控编程 52 3.3 数 控 机 床 编 程 实 例编 程 实 例 1：如 右 图 ， 技 术 条 件 ： 该 工 件 毛 坯 为 26尼 龙 棒,要 求 六 次 循 环 加 工 完 成 ， 其 中 后 五 次 的 吃 刀量 为 0 8mm(半 径 值 )， 该 例 为 半 径 值 编 程O2001； (主 程 序 程 序 名 )N1 G92 X16 Z1； (建 立 坐 标 系 )N2 G90 G00 Z0 M03； (快 速 移 位 )N3 M98 P0003 L6； (六 次 调 用 子 程 序 )N4 G90 G00 Xl6 Z1； (回 到 起 刀 点 )N5 M05； (主 轴 停 )N6 M02； (主 程 序 结 束 并 复 位 )O0003； (子 程 序 程 序 名 ) N1 G01 G91 X-12 F100；N2 G03 X7.385 Z-4.923 R8；N3 X3.215 Z-39.877 R60；N4 G02 X1.4 Z-28.636 R40；N5 G00 X4；N6 Z73.436；N7 G01 X-4.8 F100；N8 M99； 53 3.3 数 控 机 床 编 程 实 例编 程 实 例 2：该 工 件 毛 坯 为 26尼 龙 棒O2002；N10 G92 X70 Z30；N20 M06 T0101；N30 M03；N40 G90 G00 X40 Z2；N50 G01 X28 F400；N60 G80 X24.6 Z-70 F200；N70 G00 X24.6；N90 G01 X8 Z2 F300；N100 X16 Z-2 F100； N110 X16 Z-28；N120 X24 Z-38；N130 G01 Z-48；N140 G02 X24 Z-60 R10；N150 G01 Z-70；N160 G00 X70 Z30； 54 3 数 控 编 程 与 计 算 机 辅 助 技 术3.1 数控机床编程基础知识3.2 数控机床手工编程步骤3.3 数控机床编程实例3.4 计算机辅助数控编程 55 3.4 计 算 机 辅 助 数 控 编 程工 艺 分 析加 工 参 数 设 置几 何 分 析 刀 位 轨 迹生 成 机 床 专 用 的后 置 处 理 NC代 码 仿 真APT/EXAPT几 何 元 素 定 义 语 句 ；机 床 、 刀 具 语 句 ；允 差 语 句 ；运 动 语 句 ；后 置 处 理 语 句 ；其 它 语 句 56 3.4 计 算 机 辅 助 数 控 编 程工 艺 分 析加 工 参 数 设 置几 何 分 析 刀 位 轨 迹生 成 机 床 专 用 的后 置 处 理 NC代 码 仿 真CAD模 型 标 准 NC代 码 CAM软 件 CAM模 块 ：产 品 信 息 模 型 输 入特 征 识 别刀 位 与 刀 具 偏 置 计 算后 处 理 57 HEADER;ENDSEC;DATA;#1=PROJECT(Example, #2,(#3),$,$,$);#2=WORKPLAN(Mainworkplan,(#10,#11,#12),$,#6,$);#6=SETUP(SETUP1,#60,#52,(#7); #10=MACHINING_WORKINGSTEP(wPlanerface1,#52,#16,#19,$);#11=MACHINING_WORKINGSTEP(wRoughpocket1,#52,#17,#20,$);#12=MACHINING_WORKINGSTEP(wFinishpocket1,#52,#17,#23,$);#17=CLOSED_POCKET(pocket1,#4,(#20,#21),#72,#55,(),$,#25,$,#32,#26);ENDSEC;END-ISO-10303-21;STEP-NC控 制 器 用 户 图 形 界 面 STEP-NC解 析 器底 层 NC内 核 CAD/CAM系 统 用 户 图 形 界 面(AP203、 AP214) (AP224/AP219)CAD/CAM系 统 AP238 指 令 STEP-NC控 制 器 3.4 计 算 机 辅 助 数 控 编 程为 解 决 这 方 面 的 问 题 ， 一 种 新 型 的 、 含 有 高层 语 义 信 息 的 数 控 后 置 处 理 文 件 格 式 STEP-NC正 由 STEP标 准 的 应 用 协 议 AP238所 定 义 。它 是 CAM与 CNC间 的 接 口 ， 其 文 件 中 的 代 码 在量 级 上 大 致 相 当 于 传 统 数 控 文 件 中 的 G、 M代码 。 AP238文 件 可 由 CAD/CAM系 统 自 动 产 生 ， 当AP238文 件 输 入 到 CNC机 床 后 ， 由 STEP-NC控制 器 根 据 该 文 件 直 接 驱 动 机 床 进 行 加 工 操 作 。 NC代 码 无 特 征 信 息 、 无 工 艺 信 息 STEP-NC控 制 器 ：1） STEP-NC解 析 器2） 底 层 NC内 核 58 3 数 控 编 程 与 计 算 机 辅 助 技 术3.1 数控机床编程基础知识3.2 数控机床手工编程步骤3.3 数控机床编程实例3.4 计算机辅助数控编程3.5 计算机辅助数控编程的关键技术 59 3.5 计 算 机 辅 助 数 控 编 程 的 关 键 技 术 60 3.5 计 算 机 辅 助 数 控 编 程 的 关 键 技 术* 力 场* 温 度 场多 能 域 有 限 元分 析 技 术 薄 壁 件 加 工特 殊 材 料 加 工 61 3.5 计 算 机 辅 助 数 控 编 程 的 关 键 技 术五 轴 联 动 复 杂 型 面 加 工 中 的 刀 具 偏 置 问 题 ；四 轴 联 动 型 面 加 工 中 的 刀 具 偏 置 问 题 ；三 轴 联 动 型 面 加 工 中 的 刀 具 偏 置 问 题 ；运 动 计 算 几 何 学 62 4 制 造 执 行 系 统4.1 制造执行系统的基本概念4.2 制造执行系统的配置4.3 基于制造执行系统的CAM扩展4.4 加工过程质量控制的辅助技术4.5 加工过程制造任务的调度技术 63 4.1 制 造 执 行 系 统 的 基 本 概 念 制 造 执 行 系 统 的 概 念 源 于 20世 纪 90年 代出 发 点 ： 在 企 业 级 生 产 计 划 层 和 车 间 级 生 产 的 设 备 控 制层 之 间 搭 建 一 座 能 无 缝 实 现 企 业 集 成 和 制 造 管 理 的 桥 梁通 过 信 息 传 递 、 处 理 ， 对 从 订 单 下 达 到 产 品 完 成 的 整 个 生产 过 程 进 行 实 时 的 优 化 管 理 。 当 制 造 现 场 发 生 实 时 事 件 时 ，MES能 及 时 作 出 反 应 、 报 告 ， 并 用 当 前 准 确 数 据 对 其 进 行 指导 和 处 理定义：（MES：Manufacturing Execution System） 64 4.1 制 造 执 行 系 统 的 基 本 概 念 其 涉 及 到 单 个 车 间 级 或 制 造 单 元 级 制 造 现 场 的 制 造 资 源 配 置与 它 们 之 间 的 集 成（硬件方面）以 及 在 此 基 础 上 对 相 关 “ 实 时 ” 信 息 的 处 理 、 交 换 和 管 理（软件方面）作用：MES上 联 ERP/MRPII系 统 等 ， 以 获 取 生 产 与 资 源 计 划 信 息并 上 报 执 行 状 况 ； 下 联 制 造 设 备 （ 群 ） 过 程 控 制 ， 以 传 递 制 造指 令 并 获 取 实 时 的 制 造 工 况 数 据 、 实 现 质 量 控 制 功 能 65 4.1 制 造 执 行 系 统 的 基 本 概 念 企 业 资 源 规 划ERP制 造 执 行 系 统MES 控 制 系 统Control System 计 划Planning执 行 Execution控 制Control 整 个 业 务 流 程Overall Business制 造 现 场 操 作 Plant Operation生 产 操 作Production Operation 信 息 技 术Information Technology现 场 信 息 系 统Plant Information System实 时 装 备 过 程 控 制Real-time Instrumentation Process Control 系 统 功 能 重 点 控 制 方 式 第 1层 第 2层第 3层 66 4.1 制 造 执 行 系 统 的 基 本 概 念 MES早 期 的 起 源 来 自 于 工 厂 内 部 的 需 求 ， 作 为 承 接ERP/MRPII的 纽 带 ， 传 统 的 MES即 从 车 间 级 应 用 发 展 而 来 ，即 制 造 现 场 仅 限 定 在 一 个 制 造 车 间 层 面 上随 着 网 络 化 制 造 技 术 的 发 展 ， 制 造 现 场 的 概 念 被 进 一 步拓 展 ， 跨 工 厂 的 制 造 执 行 系 统 亦 已 出 现制 造 现 场 可 理 解 为 在 产 品 驱 动 的 制 造 任 务 分 配 前 提 下 ， 由 若干 个 分 布 的 工 厂 、 一 个 工 厂 （ 若 干 车 间 ） 、 一 个 车 间 （ 若 干制 造 单 元 ） 的 制 造 装 备 所 配 置 出 来 的 基 于 所 制 造 产 品 的 一 个动 态 制 造 系 统其 形 态 伴 随 着 所 制 造 的 产 品 的 不 同 而 不 同 ， 这 给 制 造 执 行 系 统 的 软 件 开 发 带 来 了 新 的 问 题 67 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 制 造 执 行 系 统 的 配 置 取 决 于 制 造 单 元 配 置 技 术 的 发 展在 传 统 的 定 单 驱 动 的 制 造 企 业 组 织 模 式 下 ， 企 业 内 部 以车 间 级 为 单 位 ， 并 以 机 群 式 （ 单 件 小 批 量 ） 、 流 水 线 式（ 大 批 量 ） 等 形 成 车 间 的 制 造 布 局 形 式 。 当 车 间 接 收 产品 订 单 ， 通 过 选 择 其 中 的 部 分 工 段 、 相 关 的 制 造 装 备 构成 面 向 订 单 的 MES这 种 MES配 置 方 式 缺 乏 柔 性 ， 不 能 适 应 现 代 生 产 技 术 的 要 求为 此 ， 基 于 DNC的 数 控 设 备 互 联 、 成 组 制 造 单 元 、 自 治 制 造单 元 、 柔 性 制 造 单 元 等 制 造 单 元 技 术 已 被 采 用 以 支 持 MES的配 置 68 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 MES需 从 设 备 控 制 层 获 取 实 时 的 制 造 工 况 信 息 ， 而 采 用 DNC则可 达 到 目 标DNC是 指 采 用 一 或 多 台 计 算 机 对 多 台 数 控 机 床 进 行 集 中 控 制 与管 理 的 一 种 方 式 。 其 目 的 包 括 ： 进 行 自 上 而 下 的 NC代 码 的 传 输 与 管 理 完 成 自 低 而 上 的 设 备 工 况 汇 集 与 处 理从 硬 件 方 面 看 ， DNC联 网 可 通 过 数 控 设 备 的 RS232串 口 、 标 准以 太 网 接 口 ， 并 用 现 场 总 线 或 工 业 以 太 网 及 相 关 的 交 换 机 等进 行 互 联 69 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 从 软 件 方 面 看 ， DNC软 件 涉 及 到 以 下 功 能 ： 远程数控指令传输：包 括 支 持 “ 边 传 输 ， 边 加 工 ” 模 式 ； CNC设 备 存 储 器 的 “ 分 段 Buffer” 模 式 、 数 控 指 令 “ 全 下 载（ DNC服 务 器 到 CNC设 备 存 储 器 ） ” 、 “ 全 上 载 （ CNC设 备存 储 器 到 DNC服 务 器 ） ” 模 式 数 控 指 令 编 辑 、 仿 真 与 管 理 数 控 设 备 加 工 工 况 数 据 收 集 与 处 理 。 包 括 质 量 数 据 分析 、 设 备 运 行 状 态 数 据 分 析 等x 数 控 设 备 的 工 况 跟 踪 日 志 及 管 理 。 包 括 通 讯 、 配 置 、加 工 工 况 历 史 记 录 等 70 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 一 种 根 据 零 件 相 似 性 、 设 备 负 荷 平 衡 等 统 计 信 息 ， 按 待 加工 零 件 族 组 织 制 造 资 源 进 行 生 产 的 一 种 单 元 技 术 ， 成 组 技术 是 其 理 论 基 础成组单元的形成步骤描述如下： 建 立 零 件 编 码 系 统 ， 并 对 历 史 零 件 进 行 编 码 采 用 成 组 技 术 中 的 相 关 零 件 聚 类 算 法 如 “ 分 枝 -聚 类 ”法 、 模 糊 匹 配 法 等 产 生 零 件 族 统 计 零 件 族 中 的 零 件 加 工 特 征 的 几 何 、 精 度 要 求 范 围 ，分 析 工 序 要 求 ， 并 据 此 确 定 加 工 机 床 类 型x 根 据 加 工 历 史 统 计 ， 确 认 零 件 族 的 制 造 负 荷 量 ， 从 而 确定 单 元 机 床 数 目 根 据 零 件 族 中 加 工 特 征 ， 安 排 机 床 的 布 局 形 式 71 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 采 用 成 组 制 造 单 元 进 行 加 工 活 动 时 ， 其 制 造 任 务 接 收 取 决 于待 加 工 零 件 的 零 件 族 归 属例如，某 企 业 选 取 某 一 典 型 生 产 时 间 段 作 为 统 计 区 间 ， 进 行产 品 、 零 件 、 工 序 、 工 时 定 额 、 机 床 负 荷 量 等 的 统 计 ， 经 采用 成 组 技 术 形 成 零 件 族 ， 设 计 出 两 个 成 组 制 造 单 元 ： 轴类加工单元：包 括 普 通 车 床 4台 、 NC车 床 1台 、 外 圆 磨 床 1台 、 立 铣 1台 、 钻 床 1台 ； 轮盘类加工单元：包 括 普 通 车 8台 、 NC车 床 1台 、 外 圆 磨 床 1台 、 内 圆 磨 床 2台 、 平 面 磨 床 1台 、 万 能 铣 床 1台 、 钻 床 1台 72 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 一 种 对 外 界 制 造 任 务 具 有 自 适 应 、 智 能 化 加 工 的 一 种 单 元 。智 能 化 制 造 技 术 是 其 基 础 理 论自 治 制 造 单 元 的 自 适 应 性 和 智 能 性 表 现 在 两 个 方 面 ：一是在与外界交互方面，二是自身内部方面在与外界交互方面，自 治 制 造 单 元 能 “ 感 知 ” 外 部 制 造 任务 ， 并 主 动 出 击 力 争 获 取 制 造 任 务 。 当 所 接 受 的 制 造 任 务正 处 于 处 理 阶 段 时 ， 能 主 动 与 相 关 外 部 环 节 “ 协 调 ” ， 达到 制 造 任 务 的 优 化 完 成在自身内部方面，自 治 制 造 单 元 内 部 具 备 实 时 的 制 造 质 量控 制 调 节 能 力 和 设 备 的 自 诊 断 能 力 等 。 根 据 制 造 任 务 当 前加 工 工 况 的 不 同 ， 可 自 动 调 节 加 工 参 数 、 进 行 刀 具 磨 损 预报 ， 从 而 达 到 对 零 件 加 工 精 度 的 闭 环 补 偿 73 4.2 制 造 执 行 系 统 的 配 置 是 面 向 单 件 、 多 品 种 零 件 的 加 工 而 提 出