第4章 设备自动化技术4.1 数控技术及数控机床4.1.1 概述世界机床技术的的发展分三大大阶段：（11）17699~19300年的小量零零星生产用普普通机床；（22）19300~19522年大量大批批生产用高效效自动化机床床、自动线；；（3）19952~迄今今多品种、中中小批量、柔柔性生产用数数控机床作作为人类发展展工业必不可可少的复杂生生产工具，机机床技术的发发展是人类知知识、经验和和科技成果的的结晶数控机床和数控控技术是微电电子技术与传传统机械技术术相结合的产产物它根据据机械加工的的工艺要求，使使用计算机技技术对整个加加工过程进行行信息处理与与控制，实现现生产过程的的自动化、柔柔性化较好好地解决了复复杂、精密、多多品种、小批批量机械零件件加工问题，为为典型多品种种、单件小批批量生产零件件的精密加工工提供了优良良的技术条件件，是一种灵灵活、通用、高高效的自动化化机床从第第一台数控机机床的诞生，数数控技术便在在工业界引发发了一场不小小的革命近近年来，数控控机床更是日日趋完善，具具体有以下特特点：（1）不断改善善和扩展以高高精、高速、高高效为代表的的功能 通过过采用64 位RISCC控制功能和和交流伺服系系统、提高元元件的分辩率率、主轴速度度和进给速度度、改善插补补功能达到此此目标。
2）开放结构构系统的发展展 所谓开放放是指系统内内部数据可与与外部的控制制设备互相控控制3）采用新元元件、新工艺艺 如新的集集成半导体电电路、超薄型型液晶显示器器、光纤等4）改善和发发展伺服技术术 在完善交交流伺服主轴轴电机的同时时，主要发展展高速主轴电电机、直线进进给电机5）采用通讯讯技术 CNNC技术使FFMS、CIIMS成为可可能，FMSS、CIMSS的发展反过过来要求CNNC系统应具具有通讯、连连网功能，以以便实现CIIMS环境下下的信息集成成和系统管理理，现代CNNC系统一般般都具有通讯讯的串行口和和DNC接口口4.1.2 NC与CNNC的定义数字控制（Nuumericcal Coontroll）：用数字字化信号对机机床的运动及及其加工过程程进行控制的的一种方法，简简称为数控（NNC）数控机床（NCC Machhine）：：采用了数控控技术的机床床，或者是装装备了数控系系统的机床国国际信息处理理联盟（Innternaationaal Fedderatiion off Infoormatiion Prrocesssing，简简称IFIPP）第五技术术委员会对数数控机床作了了如下定义：：数控机床是是一种装有程程序控制系统统的机床，该该系统能逻辑辑地处理具有有特定代码或或其他符号编编码指令规定定的程序。
数控系统（NCC Systtem）：就就是上述定义义中所指的程程序控制系统统，能自动阅阅读输入载体体上事先给定定的程序，并并将其译码，从从而控制机床床运动和加工工零件过程计算机数控系统统（Compputeriized NNumeriical CControol Sysstem）是是一种数控系系统，由装有有数控系统程程序的专用计计算机、输入入输出设备、可可编程序控制制器（PLCC）、存储器器、主轴驱动动及进给驱动动装置等部分分组成习惯惯上称为CNNC系统4.1.3 数控机床系系统基本构成成加工程序输入装置数控系统伺服系统辅助控制装置机床检测装置图4-1 数控机床的基本构成数控机床基本结结构如图4-1所示，包包括加工程序序、输入装置置、数控系统统、伺服系统统、辅助控制制装置、检测测装置及机床床本体等几部部分数控机床完成的的基本动作主主要有：（1）主轴运动动： 和普通通机床一样，主主运动主要完完成切削任务务，其动力约约占整个机床床动力的700%-80%%基本控制制是主轴的正正、反转和停停止，可自动动换挡及无级级调速对加加工中心和有有些数控车床床还必须具有有定向控制和和C轴控制2）进给运动动： 数控机机床区别与普普通机床最根根本的地方，即即用电气驱动动替代了机械械驱动，数控控机床的进给给运动是有进进给伺服系统统完成。
伺服服系统包括伺伺服驱动装置置、伺服电动动机、进给传传动练及位置置检测装置3）输入/输输出（I/OO） 数控系系统对加工程程序处理后输输出的控制信信号除了对进进给运动轨迹迹进行连续控控制外，还要要对机床的各各种状态进行行控制这些些状态控制包包括主轴的变变速控制，主主轴的正、反反转及停止，冷冷却和润滑装装置的起动和和停止，刀具具自动交换，工工件夹紧和放放松及分度工工作台转位等等国际标准《ISSO43366-19811(E)机床床数字控制--数控装置和和数控机床电电气设备之间间的接口规范范》规定，将将数控接口分分为下列四类类：I类： 与驱动动命令有关的的连接电路，主主要指与坐标标轴进给驱动动和主轴驱动动的连接电路路II类： 数控控装置与测量量系统和测量量传感器之间间的连接电路路III类： 电电源及保护电电路IV类： 开//关信号和代代码信号连接接电路4.1.4 数控机床的的分类数控机床的种类类很多，按不不同的分类方方法可以分成成不同类别，归归纳起来主要要有以下几种种分类方式1）运动轨迹迹分类可分分为点位控制制系统、直线线控制系统、轮轮廓控制系统统点位控制制系统控制刀刀具相对于工工件定位点的的坐标位置，对对定位移动的的轨迹无要求求，在定位移移动过程中不不进行切削加加工，如数控控钻床、数控控坐标镗床等等。
直线控制制系统是指能能控制刀具或或工作台以给给定的速度，沿沿平行于某一一坐标轴方向向进行直线切切削加工的控控制系统，如如数控车床、数数控镗铣床和和加工中心等等轮廓控制制系统也称为为连续控制系系统，它能对对两个或两个个以上的坐标标轴同时进行行连续控制，在在加工过程中中，需要不断断进行插补运运算，然后进进行相应的速速度和位移控控制这类数数控机床的功功能比较完善善2）按用途分分类可分为为金属切削类类、金属成型型类数控机床床和数控特种种加工机床金金属切削类主主要有数控车车、铣、钻、镗镗、磨等机床床金属成型型类主要有数数控折弯机、弯弯管机和压力力机等特种种加工数控主主要有数控线线切割机床、电电火花加工机机床和激光加加工机床等3）按进给伺伺服控制系统统分类它可可以分为开环环伺服系统、闭闭环伺服系统统和半闭环伺伺服系统开开环伺服系统统对执行机构构不进行位置置检测，多采采用步进电机机或电液脉冲冲马达作为伺伺服驱动元件件，其控制精精度较低闭闭环伺服系统统通过检测工工作台的实际际移动位移，并并将其反馈回回伺服控制系系统，控制系系统通过与理理想值相比较较，从而调整整工作台的位位移偏差这这种方式控制制精度高、速速度快，但系系统复杂、成成本高。
半闭闭环伺服系统统与闭环伺服服系统的区别别在于检测装装置是检测伺伺服电机的转转角而不是工工作台的实际际位置它的的构造成本比比闭环伺服系系统要低、调调试容易些，精精度比开环伺伺服系统高4）按数控装装置分类分分为硬线数控控系统和软线线数控系统硬硬线数控系统统由专用的固固定组合逻辑辑电路实现，其其灵活性差、制制造成本高，现现在基本不采采用软线数数控使用小型型或微型计算算机和一些通通用或专用的的集成电路构构成，其主要要功能由软件件实现，系统统的适应性强强、利用率高高、构造成本本相对较低4.1.5 数控机床的的基本技术1.数控编程技技术 1） 数控编程程概念数控编程是指从从确定零件加加工工艺路线线到制成控制制介质的整个个过程，而生生成一定格式式的加工程序序单数控程程序作为数控控机床加工零零件的指令集集，起直接影影响零件加工工的质量、生生产效率和生生产成本数控编程过程中中首先需考虑虑的问题是要要满足零件加加工的要求，能能加工出符合合图样的合格格零件，同时时也应该考虑虑生产效率和和制造成本尽尽量的优化，充充分发挥数控控机床的功能能一般来说说，数控编程程过程主要包包括：零件图图样分析、工工艺处理、数数学处理、程程序编制、控控制介质制作作和程序校核核试切等过程程，如图4-2所示。
工艺处理数学处理图样分析编写程序程序校核试切零件图纸不合格合格数控系统图4-2 数控编程过程·其具体步骤如下下：（1）分析零件件图样分析析零件的材料料、形状、尺尺寸、精度、批批量要求以及及毛坯形状和和热处理要求求等，在此基基础上明确加加工内容要求求，确定加工工方案2）工艺处理理主要包括括选择合适的的数控机床、设设计夹具、选选择刀具、确确定合理的走走刀路线及选选择合理的切切削用量等工工艺处理实际际上设计的问问题很多，例例如夹具要尽尽量安装使用用方便，装夹夹的次数尽可可能少；编程程原点和坐标标系的选择应应使编程简化化，引起的加加工误差小；；选择合理的的走刀路线和和切削量，尽尽量减少空切切，保证加工工过程的安全全等等3）数学处理理根据零件件图纸和确定定的加工路线线，计算出数数控机床所需需要的输入数数据，数学处处理的复杂程程度取决于零零件的复杂程程度和数控装装置的选择当当零件形状比比较复杂，数数控装置的插插补功能不强强时，可借助助计算机完成成相应的任务务4）程序编制制和输入介质质准备根据据数学处理计计算出数据和和确定的加工工用量，编制制相应的数控控代码，并根根据数控装置置对输入信息息的要求，制制作相应的输输入介质。
穿穿孔纸带是过过去常用的输输入介质，但但随着计算机机技术在数控控系统中普遍遍使用，数控控代码可以直直接存放在计计算机的储存存设备上，大大大方便了程程序编制和修修改5）程序校核核试切生成成的数控代码码进行试切验验证，如果加加工的零件合合格，则可以以进行数控加加工，如果试试加工的零件件达不到图纸纸规定的要求求，应该分析析原因，返回回前面适当的的步骤进行修修改，直到满满足要求为止止2） 编程方法法数控编程方法主主要有手工编编程、自动编编程、面向车车间的编程（WWorkshhop Orrienteed Proogrammming, WOP）和和CAD/CCAM集成系系统的数控编编程1）手工编程程是指编制制零件数控加加工程序的各各个步骤，即即零件图样分分析、工艺处处理、数学处处理、程序编编制和输入介介质准备直至至程序的检验验等过程，均均有由人工完完成的对于于几何形状不不太复杂的零零件，计算比比较简单，程程序段不多，采采用手工编程程容易实现但但对于具有复复杂空间曲面面轮廓的零件件，计算繁琐琐、程序量大大、难校对，甚甚至无法手工工编制出控制制程序2）自动编程程使用计算算机编制数控控加工程序，自自动地输出零零件加工程序序及自动制作作控制介质过过程称自动编编程。
在国外外，自动编程程语言最先由由美国麻省理理工学院在11995年研研制成功的AAPT（Auutomatticallly Proogrammmed Toool，APPT）系统，AAPT语言是是对工件、刀刀具的几何形形状以及刀具具相对于工件件的运动等进进行定义时所所用的符号语语言使用AAPT语言书书写零件加工工程序，经过过APT语言言编译系统编编译可生成刀刀位文件，进进行数控后置置处理，能自自动产生数控控系统能接受受的零件加工工程序在此此基础上发展展起来还有日日本的FAPPT、德国的的EXAPTT等国内开开发的自动编编程工具主要要有SKC--1，ZCXX-1等3）面向车间间的数控编程程（WOP）它它介于手工编编程和自动编编程之间的一一种编程方法法它可借助助计算机完成成一些复杂的的数学处理工工作，并提供供人机交互界界面，让编程程人员可以方方便的融入自自己实际的加加工经验它它在很大程度度上减轻了编编程人员的强强度，提供了了编程效率4）CAD//CAM集成成系统数控编编程它以待待加工零件的的CAD模型型为基础的一一种集加工工工艺规划及数数控编程为一一体的自动编编程方法而而适用于数控控编程的CAAD模型主要要有表面模型型（Surfface MModel）和和实体模型（SSolid Modell），其中表表面模型应用用得最为广泛泛。
其编程的的过程一般包包括刀具定义义和选择、刀刀具相对于零零件表面运动动方式的定义义、切削参数数的选择、走走刀轨迹的生生成、加工过过程动态仿真真、程序效验验和后置处理理等目前流流行的CADD软件，如SSolidwwork、UUGII、PPre/E、II-deass等，都具有有的数控编程程模块，而更更专业的数控控编程CADD软件有MaasterCCAM、SuurfCAMM等，它们的的设计绘图功功能相对来说说要弱一些，而而更侧重于数数控编程2.数控机床插插补原理在数控加工过程程中，加工对对象的轮廓种种类很多对对于一些复杂杂的高次空间间轮廓曲面，其其刀具轨迹的的计算非常复复杂，计算量量很大，难以以满足数控加加工的适时性性要求因此此在实际应用用中，采用小小段直线或圆圆弧（有些场场合，使用抛抛物线、螺旋旋线甚至三次次样条等高次次曲线）对加加工对象的轮轮廓曲面进行行插补（也可可理解为曲面面拟合）一一般来说，对对两坐标联动动，有直线、圆圆弧和抛物线线插补；对三三坐标联动，有有空间直线插插补，空间直直线、圆弧与与抛物线之间间的两两组合合的综合插补补；对四坐标标联动，有圆圆弧、抛物线线与双直线（或或单直线）综综合的五维（或或四维）的插插补。
插补的任务就是是根据进给速速度的要求，完完成这些拟合合曲线起点和和终点之间的的中间点的坐坐标值计算目目前普遍应用用的插补算法法主要分为两两大类：（1） 脉冲增增量插补脉脉冲增量插补补法适用于以以步进电动机机为驱动装置置的开环数控控系统，这类类插补算法的的特点是每次次插补的结果果仅产生一个个行程增量，以以一个个脉冲冲的方式输出出给步进电动动机脉冲增增量插补的实实现方法较简简单，通常仅仅用加法和移移位就可完成成插补，容易易用硬件来实实现，而且，用用硬件实现这这类运算的速速度很快但但是，CNCC系统一般均均用软件来完完成这类算法法用软件实实现的脉冲增增量插补算法法一般要执行行20多条指指令，如果CCPU的时钟钟为5MHzz，那么计算算一个脉冲当当量所需的时时间大约为440μs当当脉冲当量为为0.0011mm时，可可以达到的坐坐标轴极限速速度为1.55m/minn如果要控控制两个或两两个以上坐标标，且承担其其他必要的数数控功能时，所所能形成的轮轮廓插补进给给速度将进一一步降低如如果要求保证证一定的进给给速度，只好好增大脉冲当当量，使精度度降低例如如脉冲当量为为0.01MMM时，单坐坐标控制速度度为15m//min。
因因此脉冲增量量插补输出的的速率主要受受插补程序所所用时间的限限制，它仅仅仅适用于中等等精度和中等等速度、以步步进电动机为为执行机构的的机床系统随随着计算机技技术的发展，目目前的肘钟频频率可达到11以上，这方方面的问题可可以得到很大大的改善2） 数据采采样插补适适用于闭环和和半闭环以直直流或交流伺伺服电动机为为执行机构的的CNC系统统这种方法法是将加工一一段直线或圆圆弧的时间划划分为若干相相等的插补周周期，每经过过一个插补周周期就进行一一次插补计算算，算出在该该插补周期内内个坐标轴的的进给量，边边计算，边加加工，若干次次插补周期后后完成一个曲曲线段的加工工，即从曲线线段的起点走走到终点L△L工件图4-3 刀具长度补偿3.数控机床的的刀具补偿 为了简简化数控编程程，使数控程程序尽量与刀刀具的尺寸和和安装位置无无关，数控系系统一般都提提供刀具补偿偿功能，主要要是刀具长度度补偿和刀具具半径补偿1）刀具长度度补偿 由于夹具高度、刀刀具长度、加加工深度等变变化需要对切切削深度进行行刀具长度补补偿，如图44-3所示，一一般是使刀具具垂直于走刀刀面偏移一个个刀具长度修修正值刀具具长度补偿主主要针对二坐坐标或三坐标标联动数控机机床的，对三三坐标以上联联动的数控机机床是无效的的。
刀具长度度补偿大多由由操作者通过过手动数据输输入方式实现现，也可通过过编程实现2）刀具半径径补偿在轮廓加工过程程中，由于刀刀具总有一定定的半径（如如铣刀半径），刀刀具中心的运运动轨迹与工工件轮廓是不不一致的，如如图4-4所示如如果不考虑刀刀具半径，直直接按照工件件轮廓编程，则则加工出来的的零件会比图图纸要求的轮轮廓小一圈或或大一圈，因因此实际加工工时，应该使使刀具偏移一一个刀具半径径r，这种偏偏移称为刀具具半径补偿由由于同一轮廓廓的零件采用用不同尺寸的的刀具，或同同一尺寸刀具具因重新调整整或因磨损引引起尺寸变化化，所以程序序编制时很难难考虑刀具的的补偿，一般般是由数控装装置提供刀补补功能进行刀刀补r零件实际外轮廓刀具中心轨迹图4-4 刀具半径补偿4.数控机床的的伺服控制系系统数控伺服是数控控系统和机床床机械传动部部件间的联接接环节，是数数控机床的重重要组成部分分伺服系统统主要包含机机械传动、电电器驱动、检检测、自动控控制等内容，它它根据数控系系统插补运算算生成的位置置指令，精确确地变换为机机床移动部件件的位移，它它直接反映机机床坐标轴跟跟踪运动指令令和实际定位位的性能位置控制器速度控制单元及电机+-——位置指令位移检测器工作台图4-5 闭环进给伺服系统结构图数控伺服通常指指进给伺服系系统，图4-5所示是一一个典型的闭闭环进给伺服服系统结构图图。
对于机床床主轴控制一一般只需要满满足主轴调速速及正、反转转功能，对于于一些特殊加加工，例如螺螺纹加工等，需需要对主轴位位置提出相应应的控制要求求时，也应该该具有伺服驱驱动功能，此此时称主轴伺伺服系统数数控机床对伺伺服系统的一一般要求为：：(1) 调速范围宽一一般速比应大大于1:100000，低低速平稳，高高速能满足进进给速度要求求2) 高精度控制精精度能满足定定位精度和加加工精度要求求，位置伺服服系统的定位位精度一般要要求能达到11µm甚至00.1µm3) 快速响应好一一般使电动机机转速从零升升到加工转速速或从加工速速度降至零，要要在0.2ss以内，甚至至少于几十毫毫秒4) 低速大转矩低低速进给驱动动要有大的转转矩输出，以以满足对切削削力的要求5) 系统工作可靠性性较高，抗干干扰能力强，工工作稳定6) 伺服驱动系统常常用的驱动元元件有步进电电动机、直流流伺服电动机机和交流伺服服电动机等伺伺服驱动系统统对驱动元件件的要求主要要有：调速范范围宽、稳定定性好、负载载特性硬、反反映速度快、能能适应频繁起起停和换向等等5.数控系统的的位置检测装装置在闭环和半闭环环系统中，必必须有位置检检测装置，它它的作用是检检测位移并发发出反馈信号号，经过模//数转换，返返回控制装置置，与控制信信号相比较以以修正机床的的运动偏差。
位位置检测装置置根据安装形形式和测量方方式可分为下下面几种检测测方式增量式和绝对式式增量式只只检测位移增增量，它可以以以任何一个个对中点作为为测量的起点点，其优点是是检测装置简简单，但一旦旦发生计数错错误，就引起起以后的测量量结果全错绝绝对式测量的的特点是，被被测点的任一一点的位置都都从一个固定定的零点算起起，每一被测测点都有一个个相应的测量量值，从而克克服了增量式式测量中缺点点数字式和模拟式式数字式检检测是以量化化后的数字形形式表示测量量值，得到的的测量信号是是脉冲形式，以以计数后得到到的脉冲个数数表示位移量量数字式测测量的信号抗抗干扰能力强强，便于显示示和处理模模拟式检测将将被测量用连连续的变量表表示，如电压压变化、相位位变化模拟拟测量的信号号处理电路较较复杂，易受受干扰，其主主要用于小量量程的高精度度测量直接测量和间接接测量若位位置检测装置置检测的对象象就是被测对对象本身，即即称为直接测测量，否则称称为间接测量量对于工作作台的直线位位移，直接检检测可以直观观反映其位移移量，但检测测装置要与行行程等长，在在大型数控机机床上应用有有一定的限制制间接检测测通过和工作作台运动相关关联的回转运运动来间接地地检测工作台台的直线位移移，它使用可可靠，无长度度限制，但检检测信号加入入了直线转变变为旋转运动动的转动链误误差，从而影影响检测精度度。
4.1.6 数控机床中中新技术的应应用1.工业计算机机（IPC）在在数控机床中中的应用1） IPC的的基本结构工业计算机（也也称为工控机机）的工作原原理与商用计计算机基本相相同，但其结结构和配件的的配置要求与与普通的商用用计算机有一一定的区别由由于对工业环环境的适应性性的特殊要求求，其稳定性性、抗干扰性性等方面大大大优于普通的的商用计算机机，它与普通通商用计算机机主要区别在在于：（1）箱体工工业计算机的的机箱要求防防尘、防震、防防潮2）供电系统统由于工业业计算机不仅仅要为自身工工作供电，而而且还要为许许多扩展卡、现现场仪器仪表表供电因此此其供电系统统的功率设计计要根据系统统的实际要求求确定在要要求连续作业业的场合，还还必须提供后后备电源3）底板由由于工业计算算机应用过程程中，除了常常用计算机显显卡、声卡、网网卡、Moddem卡等常常用扩展卡外外，还需要添添加A/D卡卡、D/A卡卡、I/O卡卡等扩展卡，因因此常用计算算机主板上的的扩展槽不够够用，所以一一般工业计算算机带有一块块底板，其作作用就是提供供更多的扩展展槽，并且通通常是采用IISA总线结结构4）主板工工业计算机主主板上不带扩扩展槽，并同同其他的扩展展板卡一样插插在底板上。
有有的主板集成成有显卡，甚甚至集成有电电子盘接口板板它比常用用的计算机备备有更多的串串行输入输出出口，以满足足通讯的需要要5）扩展板除除了常用计算算机的扩展板板卡（如显卡卡、声卡、MModem卡卡等）以外，工工业计算机一一般还有I//O板、A//D板、D//A板等扩展展卡，以适应应现场信号检检测、动作控控制的需要，具具体配置可根根据系统具体体要求选用 目前国国内市场上的的工控产品主主要来自台湾湾厂家，如研研华、研详、康康拓、威达等等，国内也有有浪潮等厂家家开发有一些些工控产品2） PC-NNC的实现途途径IPC-NC 的主要实现现形式可归纳纳为三种：IIPC 内藏藏型NC、NNC内藏型IIPC、软件件NCIPC内藏型NNC是在NCC内部加装IIPC板，IIPC板与CCNC之间通通过专用总线线相连接，如如图4-6所示这这一形式主要要为一些大型型CNC控制制器制造商所所采用，其优优点是原型NNC几乎可以以不加改动地地使用，且数数据传送快、系系统响应快缺缺点是不能直直接使用通用用IPC，开开放程度受到到限制PCNC总线图4-6 IPC内藏型NCNCPC图4-7 NC内藏型PCNC内藏型PCC就是将运动动控制板或整整个NC单元元插入到PC的扩展槽中中。
PC做非非实时处理，实实时控制由CCNC单元或或运动控制板板来承担，如如图4-7所示这这种类型的优优点是能充分分保证系统性性能，软件的的通用性强，而而且编程处理理灵活缺点点是很难利用用原型CNCC 资源，系系统可靠性有有待进一步提提高图4-8 软件NC软件NC是指NNC系统的各各项功能，如如编译、解释释、插补和PPLC等，均均由软件模块块来实现，并并通过装在PPC扩展槽中中的接口卡对对伺服驱动进进行控制，如如图4-8所示这这类系统优点点是可借助现现有的操作系系统平台（ 如WINDDOWS，LLINUX等等）和大量应应用软件（ 如VC，VB等），通通过对NC 软件的的适当组织、划划分、规范和和开发，能方方便的实现NNC功能的扩扩充缺点是是在通用PCC上进行实时时处理较困难难，难以利用用原型CNCC 资源，可可靠性也还有有待进一步提提高2.计算机网络络技术在数控控机床中的应应用(1) 计算算机网络技术术在企业中应应用状况计算机网络是把把分布在不同同地点具有独独立功能的多多个计算机通通过通信线路路及其设备连连接起来，配配上相应网络络操作系统，按按照网络协议议互相通信其其目的是共享享各个计算机机处理单元的的软硬件资源源和数据资源源。
企业内部网络的的应用可以分分为两层,如如图4-9所示，即即处理企业管管理与决策信信息的信息网网络和处理企企业现场实时时测控信息的的控制网络信信息网络一般般处于企业上上层，处理大大量的、变化化的、多样的的信息，具有有高速、综合合的特征控控制网处于企企业的下层，处处理大量的车车间现成设备备信息，这些些现场设备包包括各种数控控机床而控控制网要求具具有协议简单单、容错性强强、安全可靠靠、成本低廉廉等特征企业网信息网控制网管理系统控制系统图4-9 企业内部网应用结构(2) Neet-NC实实现方式目前Net-NNC的典型应应用是DNCC（Direect Nuumericcal Coontroll）系统和FFMS系统DDNC是把车车间加工设备备与上层控制制计算机集成成起来，实现现若干台数控控机床的集中中管理而FFMS的主要要特征之一是是增加了物料料流控制系统统Net-NC连连接方式主要要有三种：通通过符合MAAP（Mannufactturingg Autoomatioon Prootocoll）标准的网网络接口联接接,它是美国国GM公司研研究和开发的的一种通信标标准，采用了了标准7层OOSI/OSS网络模型，其其优点是传输输速度快，可可以实现多种种网络拓扑结结构，但实现现复杂，开发发费用高，在在国内应用很很少。
通过RRS232//RS4855等串口通讯讯方式直接相相联，它在主主机中安装一一块串口通信信卡，数控机机床通过RSS232或RRS485以以星形结构与与主机联接，它它的实现成本本低，方法简简单，但其通通信速度慢，网网络实现方式式不灵活；通通过以太网（EEthernnet）相联联以太网络络采用网络技技术现在最流流行的、应用用最广泛的TTCP/IPP协议，其实实现简单，开开放性好，网网络实现方式式灵活，是最最具发展前景景的一种互联联方式Net-NC从从网络体系结结构上可分为为主从结构和和分布式结构构主从网络络结构系统中中，所有的数数控机床必须须依赖中央主主机，中央计计算机负责存存储分配各个个数控机床数数控程序其其连接方式简简单，成本低低，实现方便便，但一旦主主机出现故障障，整个系统统就瘫痪了分分布式网络结结构正好克服服了主从结构构的缺陷，这这种体系结构构中，每台数数控机床通过过PC与中央央服务器联接接，中央服务务器只是提供供信息交换和和任务调度功功能当中央央服务器出现现故障时，每每个数控单元元也可单独作作业，而不会会造成整个系系统瘫痪，从从而提高了系系统的安全性性，但其成本本较高3.现场总线技技术在数控系系统中的应用用现场总线(Fiieldbuus)是一种种互联现场自自动化设备及及其控制系统统的双向数字字通信协议。
它它是国际上990年代蓬勃勃发展起来的的新技术，科科技界广泛认认为，这一新新技术将对下下个世纪工业业控制、工业业自动化的各各个领域产生生深远的影响响，并会在工工业和其它领领域中得到广广泛应用目目前，现场总总线已有许多多种类，其中中应用较多的的有CAN((Contrrolleddr Areea Nettwork))、LON((Locall Operratingg Netwwork)、PProfibbus等现现场总线具有有以下特点：：高通讯速率：可可达1MBP/S；远距离传输：可可达10kmm ；接口简单、安装装方便；通讯控制简单；；扩展能力强；互操作性强，系统成本低，以太网（Ethernet）现场总线服务器工作站工业PC网关图4-10 基于现场总线的网络数控系统在数控系统中采采用现场总线线技术主要为为了更好适应应Net-NNC系统中低低层网络通信信和控制的需需要与MAAP协议网络络以及基于TTCP/IPP协议的以太太网相比，采采用现场总线线技术的控制制网络在容错错能力、可靠靠性、安全性性以及工作效效率上均有一一定的优势但但其也存在一一些明显的不不足，最突出出的问题是目目前还没有统统一的技术标标准，而是一一个多种现场场总线并存的的局面。
典型型基于现场总总线的网络数数控系统如图图4-10所示4.2 加工中中心构成及基基本工作原理理4.2.1 加加工中心基本本概念加工中心是在数数控机床出现现后，为了进进一步提高加加工效率，减减少辅助时间间，将更换刀刀具的动作与与功能和数控控机床集成而而形成的自动动化程度和生生产率更高的的新型数控机机床加工中中心是备有刀刀库并能自动动更换刀具对对工件进行多多工序集中加加工的数控机机床工件经经一次装夹后后，数控系统统能控制机床床按不同工序序(或工步))自动选择和和更换刀具，自自动改变机床床主轴转速、进进给量和刀具具相对工件的的运动轨迹及及实现其他辅辅助功能，依依次完成工件件多种工序的的加工通常常，加工中心心仅指主要完完成镗铣加工工的加工中心心这种自动动完成多工序序集中加工的的方法，扩展展到各种类型型的数控机床床，例如车削削中心、滚齿齿中心、磨削削中心等由由于加工工艺艺复合化和工工序集中化，为为适应多品种种小批量生产产的需要，还还出现了能实实现切削、磨磨削以及特种种加工的复合合加工中心加加工中心具有有刀具库及自自动换刀机构构、回转工作作台、交换工工作台等，有有的加工中心心还具有可交交换式主轴头头或卧一立式式主轴。
加工中心和普通通数控机床的的主要区别有有以下四点：：（1）有自动换换刀装置（包包括刀库和换换刀机械手），能能实现工序间间的自动换刀，这是加工工中心最突出出的标志性结结构；（2） 三坐标以上的全全数字控制，经经济型数控系系统一般不能能满足需要；；（3）多工序的的功能在一一次装夹中，尽尽可能完成多多工序加工，要要实现多面加加工，一般应有回回转工作台；；（4）还可配置置自动更换的的双工作台，实实现机床上、下下料的自动化化世界上工业发达达国家如美、德德、日重视机机床技术和机机床工业的发发展，机床制制造技术先进进，因此其工工业发展较快快第一台加加工中心是11958年由由美国卡尼--特雷克公司司首先研制成成功的，它在在数控卧式镗镗铣床的基础础上增加了自自动换刀装置置，从而实现现了工件一次次装夹后即可可进行铣削、钻钻削、镗削、铰铰削和攻丝等等多种工序的的集中加工目前，加工中心心作为数控机机床各类产品品中发展最快快、所占比重重最大的一类类产品，成为为制造业应用用最广的一类类设备一些些主要经济发发达国家都把把发展加工中中心作为发展展数控机床的的首要任务，它它的发展直接接关系到国家家经济建设和和国防安全4.2.2 加加工中心特点点、精度及适用用范围1.加工中心特特点加工中心的技术术特点主要表表现在以下三三个方面：（1）带有自动动换刀装置（AATC），可可实现铣、钻钻、镗、铰、攻攻丝等多工序序加工；（2）加上托板板自动交换装装置（APCC），可实现现工件自动储储存和上下料料，组成柔性性加工单元（FFMC）。
加加工中心还可可方便地组成成FTL（柔柔性自动线）或或FMS（柔柔性制造系统统），由“单单机”构成“制制造系统”，便便于进一步发发展实现FAA（工厂自动动化）、CIIM（计算机机集成制造）、CCIMS（计计算机集成制制造系统），可可实现无人化化运转，有的的24小时，有有的可达722小时等等；；（3）“柔性”大，换品种种调整方便，能能实现中小批批量、多品种种、柔性生产产自动化，克克服了高效自自动化机床、自自动线的“刚刚性”缺点随随着技术的发发展，加工中中心不断向高高速化、复合合化、柔性化化等方面发展展，在加工效效率上不断提提高，已逐步步能替代组合合机床、自动动线2.加工中心一一般加工精度度加工中心的加工工精度一般介介于卧式铣镗镗床与坐标镗镗床之间，精精密加工中心心也可以达到到生产型坐标标镗床的精度度加工中心心的加工精度度主要与其位位置精度有关关，加工孔的的位置精度（列列如孔距误差差）大约是相相关运动坐标标定位精度的的1.5倍铣铣圆精度是综综合评价加工工中心相关数数控轴的伺服服跟随运动特特性和数控系系统插补功能能的指标，其其允差普通级级为0.033-0.044mm，精密密级为0.002mm。
加加工中心可粗粗、精加工兼兼容，为适应应这一要求，其其精度往往有有较多的储备备量并有良好好的精度保持持性加工中中心实现自动动化加工还可可避免如非数数控机床加工工时因人工操操作出现的失失误，保证加加工质量稳定定可靠，这对对于复杂、昂昂贵的工件，意意义尤为重要要加工中心心自动完成多多工序集中加加工，可减少少工件安装次次数，也有利利于保证加工工质量3.加工中心的的类型与适用用范围加工中心适用范范围广，主要适用于于多品种、中中小批量生产产中对较复杂杂、精密零件件的多工序集集中加工，或或为完成在通通用机床上难难以加工的特特殊零件(如如带有复杂多多维曲面的零零件)的加工工工件一次次装夹后即可可完成钻孔、扩扩孔、铰孔、攻攻螺纹、铣削削、镗削等加加工3)生产率高高 加工中中心因有自动动换刀功能实实现多工序集集中加工，停停机时间短；；同时，因可可减少工序周周转时间，工工件的生产周周期显著缩短短加工中心心在正常生产产条件下其开开动率可达990%以上，而切切削时间与开开动时间的比比率可达700%～85%(普通机床床仅为15%%～30%)，有利于实实现多机床看看管，提高劳劳动生产率 加工中心的的类型及适用用范围见表44-1。
表4-1 加加工中心类型型及适用范围围类型布局型式特点适用范围立式加工中心固定立柱型、移移动立柱型 主轴支承跨跨距较小占占地面积较小小，刚性低于于卧式加工中中心，刀库容容量多为166-40 中型零件，高高度尺寸较小小的零件加工工，尤其是盖盖板类零件加加工卧式加工中心 固定立柱型型、移动立柱柱型主轴及整机刚性性强，镗铣加加工能力较强强，加工精度度较高，刀库库容量多为440-80 中、大型零零件及工序复复杂且精度较较高的零件加加工，通常用用于箱体类零零件加工五面加工中心交换主轴头、回回转主轴头、转转换圆工作台台 主轴或工作作台可立、卧卧式兼容，交交多方向加工工而无需多次次装夹工件，但但编程较复杂杂，主轴或工工作台刚性受受到一定影响响具有多面、多方方向或多坐标标复杂型面的的零件加工龙门加工中心工作台移动型、龙龙门架移动型型 由数控龙门门铣镗床配备备自动换刀装装置、附件头头库等组成立立柱、横梁构构成龙门结构构，纵向行程程大多数具具有五面加工工性能，成为为龙门式五面面加工中心 大型、长型型、复杂零件件加工4.2.3 加加工中心的典典型自动化机机构 加工中心除了了具有一般数数控机床的特特点外，它还还具有其自身身的特点。
加加工中心必须须具有刀具库库及刀具自动动交换机构，其其结构形式和和布局是多种种多样的刀刀具库通常位位于机床的侧侧面或顶部刀刀具库远离工工作主轴的优优点是少受切切削液的污染染，使操作者者在加工时调调换库中刀具具免受伤害FFMC和FMMS中的加工工中心通常需需要大量刀具具，除了满足足不同零件的的加工外，还还需要后备刀刀具，以实现现在加工过程程中实时更换换破损刀具和和磨损刀具，因因而要求刀库库的容量较大大换刀机械械手有单臂机机械手和双臂臂机械手，1180°布置置的双臂机械械手应用最普普遍1）自动换刀刀与刀库加工中心刀刀具的存取方方式有顺序方方式和随机方方式，刀具随随机存取是最最主要方式随随机存取就是是在任何时候候可以取用刀刀库中任一把把刀，选刀次次序是任意的的，可以多次次选取同一把把刀，从主轴轴卸下的刀允允许放在不同同于先前所在在刀座上，CCNC可以记记忆刀具所在在的位置采采用顺序存取取方式时，刀刀具严格按数数控程序调用用程序开始始时，刀具按按照排列次序序一个接着一一个取用，用用过的刀具仍仍放回原刀座座上，以保持持确定的顺序序不变 （2）触发式测测头测量系统统用于循环中中(1n ccycle))测量，工序序前对工件及及夹具通过检检测控制其正正确位置，以以保证精确的的工件坐标原原点和均匀的的加工余量；；工序后主要要测量加工工工件的尺寸，根根据其误差做做出相应的坐坐标位置调整整，以便进行行必要的补充充加工，避免免出现废品。
触触发式测头测测量系统原理理见图2—225触发式式测头具有三三维测量功能能测量时，机机械手将触发发式测头从刀刀库中取出装装于主轴锥孔孔中工作台台以一定速度度趋近测头当当测杆端球11触及工件被被测表面时，发发出编码红外外线信号3，通通过装在主轴轴箱上方的接接收器4传人人数控装置，使使测量运动中中断，并采集集和存储在接接触瞬间的XX、Y、Z坐坐标值，与原原存储的公称称坐标值进行行比较，即得得出误差值当当检测某一孔孔的中心坐标标时，可将该该孔圆周上测测得的3-44点坐标值，调调用相应程序序运算处理，即即可得所测孔孔的中心坐标标该测量系系统一般只用用于相对比较较测量，重复复精度0.55μm在经经测量值修正正后，测量值值误差可在55μm以内，可可做全方位精精密测量触触发式测头测测量系统信号号的传输和接接收除上述红红外辐射式外外，常用的还还有电磁耦合合式3）刀具长度度测量系统用以检查刀刀具长度正确确性以及刀具具折断、破损损现象检测准准确度为±11mm当发发现不合格刀刀具时，测量量系统会发出出停车信号在在机床正面两两侧的地面上上，装有光源源1和接收器器2，如需检检测主轴上的的刀长，可令令立轴3向前前移动，接收收器2向数控控系统发出信信号，在数据据处理后即可可得出刀具长长度实测值。
经经与规定的刀刀具设定长度度比较，如果果超出允差时时，可发出令令机床停车的的信号此外外，也可以用用触发式测头头检测刀具长长度的变化4）回转工作作台回转工作台台是卧式加工工中心实现BB轴运动的部部件，B轴的的运动可作为为分度运动或或进给运动回回转工作台有有两种结构形形式，仅用于于分度的回转转工作台用鼠鼠齿盘定位，分分度前工作台台抬起，使上上下鼠齿盘分分离，分度后后落下定位，上上下鼠齿盘啮啮合，实现机机械刚性联接接用于进给给运动的回转转工作台用伺伺服电动机驱驱动，用回转转式感应同步步器检测及定定位，并控制制回转速度，也也称数控工作作台 数控控工作台和XX、Y、z轴轴及其他附加加运动构成44～5轴轮廓廓控制，可加加工复杂轮廓廓表面此外外，加工中心心的交换工作作台和托盘交交换装置配合合使用，实现现了工件的自自动更换，从从而缩短了消消耗在更换工工件上的辅助助时间4.2.4 卧卧式加工中心心常见几种布布局结构形式式卧式加工中心的的主要运动包包括三个移动动轴（X、YY、Z）和一一个回转轴（BB轴），在四四个运动轴的的分配上，四四个相对运动动既可以分配配给刀具，也也可以分配给给工件，或者者由工件和刀刀具共同来完完成。
从目前前机床结构看看，一个回转转轴一般都由由工作台的回回转来完成（BB轴），所以以机床的布局局主要在三个个移动轴的分分配上按三三轴运动实现现方式和三个个运动的分配配，卧式加工工中心结构形形式主要有：：（1）三个移动动轴全部集中中在刀具一侧侧来完成图4-11 哈挺公司卧式加工中心HMC700HPD具代表性的产品品以哈挺公司司（HARDDINGE）的的卧式加工中中心HMC 700HPPD为例（见见图 4-111 ），机机床工作台固固定，不做轴轴向移动，立立柱沿十字滑滑鞍作X轴和和Z轴的移动动，主轴箱在在立柱上的完完成Y轴移动动这种结构构的机床，优优点是适合于于加工具有复复杂形面的大大型、重型箱箱体件，如大大型汽车发动动机箱体等缺缺点是运动部部件质量大，惯惯性力大，不不适宜于用过过高的进给速速度和加速度度加工不过过运动部件的的质量虽大，但但较恒定，因因为刀具重量量相对较小，改改变刀具时，对对运动部件重重量变化影响响不大，故机机床的运动特特性还是比较较稳定的2）三个移动动轴分别由刀刀具和工件来来完成这种结构型式的的机床产品很很多，应用也也最广，最普普遍可按三三个移动坐标标轴的配置方方式进一步分分为三种结构构型式的机床床。
第一种工作台ZZ坐标移动，立立柱X坐标移移动的T型床床身布局该该结构的特点点是刀具切削削处位置位移移变化相对较较小，工件和和工作台的质质量比立柱和和主轴箱的质质量轻，保证证移动部件质质量最轻的原原则，而且工工作台的Z轴轴移动还可以以保证Z坐标标的最大行程程该结构在在精密卧式加加工中心和高高速加工中心心中普遍采用用，如迪西公公司DIXII的精密卧式式加工中心DDHP80（如如图4-12）、德国国DMG公司司DMC系列列卧式加工中中心以及美国国辛辛那提CCINCINNATI公司司的MAXIIM系列卧式式加工中心等等都采用该结结构布局形式式图4-12 迪西公司精密卧式加工中心DHP80第二种工作台XX坐标移动，立立柱Z坐标移移动的T型床床身布局该该结构应用也也很普遍，如如日本马扎克克MAZAKK公司的卧式式加工中心HH-500、北北京机床所精精密机电有限限公司的μ22000系列列精密卧式加加工中心（见见图4-13）以及美美国汉斯HAAAS的HSS系列卧式加加工中心等该该结构运动部部件的质量虽虽大，但较恒恒定，因为刀刀具重量相对对较小，改变变刀具时，对对运动部件重重量变化影响响不大，故机机床的运动特特性还是比较较稳定的。
图4-13 北北京机床所精精密机电有限限公司的μ22000系列列精密卧式加加工中心（3）第三种运运用直线电机机技术，主轴轴直接在横梁梁上作X向运运动，以德国国爱克塞罗EEX-CELLL-O公司司XHC系列列加工中心（见见图4-14）为例，该该结构的特点点是高速，轴轴快移速度达达到120mm/min，加加速度1.44g，屑-屑屑时间为2..6s，而且且运动精度很很高图4-14 德国爱克塞塞罗EX-CCELL-OO公司XHCC 241卧式加工中心移移动轴主要结结构形式及特特点见表2--1描述：表4-2卧式加加工中心移动动轴主要结构构形式及特点点三个移动轴典型产品应用范围优缺点工作台固定、三三轴移动均由由刀具一侧完完成哈挺公司卧式加加工中心HMMC 7000HPD加工具有复杂形形面的大型、重重型壳体件运动部件质量大大，惯性力大大，不适宜于于用过高的进进给速度和加加速度加工三轴移动由刀具具、工件分别别完成工作台Z向移动动，立柱拖板板X移动迪西公司精密卧卧式加工中心心DHP800适合中、小型卧卧式加工精密密机床采用的的结构型式刀具切削处位置置位移变化相相对较小， 移动部件质质量轻，而且且工作台的ZZ轴移动还可可以保证Z坐坐标的最大行行程。
工作台X向，立立柱Z向北京机床所精密密机电有限公公司的μ20000系列精精密卧式加工工中心适合中、小型卧卧式加工机床床采用的结构构型式运动部件的质量量虽大，但较较恒定，因为为刀具重量相相对较小，改改变刀具时，对对运动部件重重量变化影响响不大立柱固定，主轴轴X向移动德国爱克塞罗EEX-CELLL-O公司司XHC 2241系中、小型较多多的一种结构构型式结构的特点是高高速，轴快移移速度高，且且运动精度高高4.2.5 立立式加工中心心 是指主轴轴轴线与工作台台垂直设置的的加工中心，主主要适用于加加工板类、盘盘类、模具及及小型壳体类类复杂零件立立式加工中心心能完成铣、镗镗削、钻削、攻攻螺纹和用切切削螺纹等工工序立式加加工中心最少少是三轴二联联动，一般可可实现三轴三三联动有的的可进行五轴轴、六轴控制制立式加工工中心立柱高高度是有限的的，对箱体类类工件加工范范围要减少，这这是立式加工工中心的缺点点但立式加加工中心工件件装夹、定位位方便；刃具具运动轨迹易易观察，调试试程序检查测测量方便，可可及时发现问问题，进行停停机处理或修修改；冷却条条件易建立，切切削液能直接接到达刀具和和加工表面；；三个坐标轴轴与笛卡儿坐坐标系吻合，感感觉直观与图图样视角一致致，切屑易排排除和掉落，避避免划伤加工工过的表面。
与与相应的卧式式加工中心相相比，结构简简单，占地面面积较小，价价格较低立立式加工中心心分类一般如如下 依据导轨分分类：依据立立式加工中心心各轴导轨的的形式可分硬硬轨及线轨硬硬轨适合重切切削，线轨运运动更灵敏 依据转速分分类：立式加加工中心主轴轴转速60000-150000rpmm为低速型，118000rrpm以上为为高速型 依据结构分类：：依据立式加加工中心的床床身结构可分分为C型及龙龙门型4.2.6 复复合加工中心心五面加工中心的的功能比多工工作台加工中中心的功能还还要多，控制制系统先进，其其价格是工作作台尺寸相同同的多工位加加工中心的二二倍左右复复合加工中心心也称多工面面加工中心，是是指工件一次次装夹后，能能完成多个面面的加工的设设备现有的的五面加工中中心，它在工工件一次装夹夹后，能完成成除安装底面面外的五个面面的加工这这种加工中心心兼有立式和和卧式加工中中心的功能，在在加工过程中中可保证工件件的位置公差差常见的五五面加工中心心有两种形式式，一种是主主轴做或相应应角度旋转，可可成为立式加加工中心或卧卧式加工中心心另一种是是工作台带着着工件做旋转转，主轴不改改变方向而实实现五面加工工。
无论是哪哪种五面加工工中心都存在在着结构复杂杂，造价昂贵贵的缺点五五面加工中心心的坐标系统统如下图4-15所示图4-15 五五面加工中心心坐标系统示示意图4.3 FMMC和FMSS4.3.1 FMC和FFMS的构成成柔性制造单元（FFlexibble Maanufaccturinng Celll，FMCC）是由一台台或几台设备备组成，具有有独立自动加加工的功能，在在毛坯和工具具储量保证的的情况下，具具有部分自动动传送和监控控管理功能，具具有一定的生生产调度能力力高档的FFMC可进行行24小时无无人运转FMC可分为两两大类，一类类是数控机床床配上机器手手，另一类是是加工中心配配上托盘交换换系统配备备机器手的机机床由机器手手完成工件和和物料的装卸卸配托盘交交换系统的FFMC，将加加工工件装夹夹在托盘上，通通过拖动托盘盘，可以实现现加工工件的的流水线式加加工作业柔性制造系统（FFlexibble Maanufaccture Systeem）将FFMC进行扩扩展，增加必必要的加工中中心数量，配配备完善的物物料和刀具运运送管理系统统，通过一套套中央控制系系统，管理生生产进度，并并对物料搬运运和机床群的的加工过程实实行综合控制制，就可以构构成一个完善善的FMS。
FMS的基本构构成框架如图图4-16所示，它主主要由三部分分组成，即计计算机控制与与管理层、物料运储装置加工设备加工设备加工设备辅助设备清洗设备检测设备…计算机控。