机电一体化专业英语-中文译文三

第二部分 机电一体化的生产系统（模式）

第8章 设备自动化阶段

8.1 引言

本书由此转入机电一体化的生产系统部分，它包括四个阶段，即设备自动化阶段；柔性自

动化阶段；数据自动化阶段和决策自动化阶段。

从20世纪50至60年代，制造业进入设备自动化阶段，这一阶段以NC 机床，工业机器

人和三坐标测量机为代表。

8.2 数字控制（NC ）机床

什么是NC 机床？NC 机床的特点是机床的运动部件包括电动机、齿轮副、丝杠-螺母副和

溜板-导轨副等由一数控系统控制和一伺服驱动系统驱动。NC 机床有下列优点：

1。能加工复杂形状零件如火箭和飞机的零、部件。

2。由于在NC 机床中所用的程序载体是软介质，如易于修改的穿孔纸带或磁带，所以不再

有机床的通用性和自动性之间的矛盾，这导致可实现小批量甚至一样一件生产的自动化，从

而极大地促进了新产品的设计和制造，使我们的生活丰富多彩。

3。提高了产品质量的可靠性 这是由于防止了工人的误操作和提高了一批零件的重复尺寸

精度，即降低了成批生产中的尺寸分散度。

4。用计算机控制机床使操作员释负于紧张而专注的加工。

当然，NC 机床比传统的万能机床要昂贵得多，并对操作和维修人员有更高的要求。

8.3 NC/CNC系统的组成

图8.1和8.2分别表示NC 和CNC 机床的结构。它们的区别是，NC 机床的数控单元是一

个复杂的包含大量电子元件的电路，这些元件有二极管，三极管和MSI （中规模集成电路）。

它是用于控制一种特定的NC 机床而没有通用性

另件图纸 人工编程 纸带阅

读机纸NC 控制单元a 伺服驱动系统 机床 毛胚 零件

APT 类NC 语言

源程序 主处理刀具 器 位置 后置处理器 NC 纸带

计算机辅助

编程 自动编程软件a

图8.1 NC 机床的系统组成

零件图纸 编程（人工、自动） 微机 为专门机床的

CNC 控制程序 接口

毛胚

机床

零件

图8.2 CNC 机床的系统组成

在CNC 系统中，采用微型计算机存储不同的控制软件并通过专门的接口电路去控制不

同类型的NC 机床。

8.4 NC 机床编程系统

8.4.1 零件的NC 编程的程序载体

1。NC 程序的内容 NC 机床按输入的零件加工程序工作，程序中包括了相对于零件的刀

具的轨迹；加工工艺参数如进给速度、主轴转速和辅助开关动动作等。程序以专门的格式代

码记录在各种介质内，包括穿孔纸带、盒式磁带或磁盘等。零件加工程序用输入设备如纸带

阅读机、盒式磁带阅读机或磁盘驱动器输入NC 控制单元。它也能用MDI （手工数据输入）

方式输入CNC 单元。

2。一个程序段的编码和格式 NC 程序用英文字母和数字的不同组合而写成，程序经过编码并载入8通道穿孔纸带如图8.3所示。在中间通道的小孔是用于引导纸带的运动。左边通

道的孔是用于补足每排孔使之能成为偶数，用以检验穿孔的正确性。

代码符号伺服驱动系统

图8.3 NC 穿孔纸带

3。NC 程序的内容 一个零件的加工程序含有很多程序段，每段包含各种信息或称其为每

个操作所必需的指令。这些指令分为三类：

1）表示刀具运动的信息，包括位置、方向和位移指令等。在程序中的连续的几个轴的位移

数字需要用分隔符号X 、Y 和Z 等来分开，这些分隔符号也叫做其后跟数字的“称呼”（英

文是address, 在此不应翻译成“地址”）。进给方向指令包括直线或园弧的插补方向，即直线

段在哪个象限内，以及园弧段是顺时针或是逆时针方向。同时还包括偏置指令，即刀具的路

径是偏向加工轮廓的左边或右边。

2）切削参数包括进给速度和转速等，它们用F 和S 指令表示。

3）辅助功能指令包括刀具选择；起、停电动机或冷却液指令，以及计划停车和停车等。

8.4.2 手工和自动编程系统

NC 编程包括手工编程和计算机辅助编程或称自动编程。手工编程用人工产生全部加工信

息，其缺点有易于出错，要做大量工作，要消耗大量时间用于编程，甚至超过加工所需时间

的几十甚至上百倍，从而严重阻碍了NC 机床效率的发挥。自动编程采用一种APT 类的NC

语言编写零件原程序，然后经过自动编软件系统的主处理器程序处理成为刀具位置（CL ）

数据，再经后置处理程序处理以产生能被专用的控制系统接受的加工指令。

在自动编程系统，编程人员只需熟悉APT 类语言的语法以及如何定义描述零件的几何元

素和加工路径，从而编写零件的源程序，大量的计算工作则留给计算机去完成以产生NC 加

工指令。计算机辅助编程不仅能大大地提高效率和取消手工计算，还能避免发生人工误差。

8.4.3 NC 自动编程的类型和发展趋势

在20世纪50年代初期，美国MIT （麻省理工学院）于1955年公布了APT （自动编程工

具），此后相继开发了加工曲线的APT-2系统，加工3～5坐标立体曲面的APT-3系统和加

工自由曲面的APT-4系统，其中的数值计算程序是用FORTRAN 算法语言编写的。

有几个国家根据其本身的要求开发了几种各具特点的APT 类的自动编程系统，包括德国的

用于点位NC 系统的EXAPT-1、用于车削NC 系统的EXAPT-2和用于铣削的EXAPT-3系统；法

国的用于点位NC 系统的IFAPT 和用于轮廓加工的IFAPT-C 系统；日本的FAPT 和HAPT 系统；

在中国，1970年代开发了用于铣削和车削的SKC 自动编程系统，现时开发了装置在微机内

的HZAPT 、EAPT 和SAPT 等NC 自动编程系统。

随着NC 技术的连续开发，NC 机床已被广泛地用于中型甚至小型企业，这就要求开发更

简单和使用方便的自动编程系统，以适应设计和制造各种新产品的需要。因此自动编程系统

的发展趋势是：

1。交互询问式自动编程系统 这是一种在NC 语言编程系统基础上开发出来的NC 自动

程系统，其中NC 编程人员与计算机对话，并用键盘输入数据或指令回答计算机的提问。程

编人员还可对用NC 语言编制的零件源程序进行编辑和修改，包括删除、修改、插入和增加。

软件程序可灵活地执行源程序，即从它的开始或其中任意语句执行均可。

2。图形编程系统 除了上面的优点外，图形编程系统采用了CAD 技术中的利用显示在CRT

上的加工图形，连同交互方式以产生CL （刀具位置）数据和完成编程。这种可视的图形编

程方法的最大优点是提高编程人员的工作效率，并使他们不再做枯燥乏味的NC 语言式的自

动编程。

3。数字化编程 数字化编程适用于一个没有图纸的实体零件，这种编程也称为实物编程。

它用一个测量装置测量实物或模型的尺寸，测量到的数据则送入计算机处理以产生NC 指令

和穿孔纸带。

8.4.4 零件轮廓的基点和节点的确定

零件轮廓上的基点是指两个相邻几何元素的交点或切点，如直线和直线，直线和园弧，

园弧和园弧的交、切点，以及一段曲线的离散点。节点则是指两个基点之间的加密点，每两

个节点构成一个基本切削段。

用直线插补器加工一段直线时，不论该直线长短，它的两个终点是基点也是节点。用园弧

插补器加工园弧时，它的两个端点是基点也是节点。可以用直线段或双园弧段去逼近一个可

用已知数学方程描述的平面曲线以产生节点的坐标，做这种逼近时必须使（曲线和直线或园

弧间的）弓高小于加工裕量，如图8.4a 所示。还可用单园弧段代替直线段去逼近曲线，这

样会提高逼近精度。此外，可在局部坐标系内建立这些（逼近的）园弧段以简化计算。

a) b)

图8.4 用单、双园弧逼近曲线

a. 单园弧逼近 b. 双园弧逼近

在采用双园弧逼近平面曲线时，这些双园弧段必须相切以保证被拟合曲线的一阶导数（在

节点处）连续，不过相邻两个园弧的半径则可不相等（见图8.4b ）. 在拟合离散点时需要作

两次拟合：第一次拟合是用样条函数去逼近离散点；第二次拟合则是用直线或双园弧去逼近

样条函数，这被称之为三次样条函数插补器，它只能适用于小挠度（或称小曲率）曲线。为

了不作二次逼近，可用园弧样条函数（直接）去逼近离散点，这被称为园弧样条插补器。

8.5 计算机数控（CNC ）系统

8.5.1 CNC 系统的优点 CNC 系统是NC 技术的一个本质性的飞跃，因它有以下的优点：

1。柔性 用柔性控制软件增加或改变功能使得CNC 系统更适合制造的发展需求。

2。多功能性 在CNC 系统中，计算机技术及其外部设备使得它具有多种功能，例如：

用计算机图形显示技术去检验程编所产生的刀具路径的正确性；检验机床或夹具与刀具碰撞

的可能性，它还能通过计算机网络构建CNC 生产线等。

3。可靠性 在CNC 系统中所用的盒式磁带或磁盘等程序输入设备如穿孔带更可靠。此

外，在CNC 系统中，硬件电路中的焊点和插件大大地减少了，这也提高了可靠性

此外，CNC 系统的自诊功能能及时指出在何处发生了何种故障，这对提高维修效率和

MTTR （修复前平均时间）是有效的。

8.5.2 CNC 系统的组成

图8.5所示为一典型的含硬、软件的两轴CNC 系统。硬件的核心是一微机，与其共同工作

的有程序输入设备、外部设备的通用接口和用于传感器和机床控制单元的控制指令的（专用）

输入/输出接口。软件是计算机内执行的程序，它执行控制算法程序和组织各种硬件有序地

工作。这里简述CNC 系统的三个部分，即微机、程序输入/输出单元和机床控制单元。

速度控制l X 电动机

Z 电动机

机床 工作面板 CRT/LED 位置控制

微处理器、读/写存储器、辅助电路 I 控制用输出/入接口 机床通用接口 工件程序 纸带穿孔机 光电阅读机 位置反馈 机床状态检查 存储器 上位编程机 机床状态控制

图8.5 典型的两轴CNC 系统的组成

微型计算机是CNC 系统的核心，它包括微处理器、存储器和输入/输出接口等。微处理器执行存储在存储器内的程序去完成计算和产生各种控制信号。输入/输出接口电路是微处理器和外部的通道，在CNC 系统中有两种接口：一种是通用接口，用以连接常用的输入/输出单元如键盘、操作面板、显示器（代码管或CRT ）、文件存储器和穿孔带阅读机等；另一种是控制机床的输入/输出接口，它连接专用的控制和测量单元如位置测量、转速测量、机床状态测量和控制单元。在CNC 系统中微机的键盘与机床的控制面板是做在一起的，程序的输入和编辑都是在键盘上由人工完成的，这被称为人工数据输入（MDI ）方式。在机床的控制面板上有各种开关、按钮和指示灯，供人工操作机床及机床工作状态的指示和报警之用。

8.5.3 CNC 系统中微机的功能

1。接受从纸带阅读机、磁盘驱动器、键盘或其他计算机经串行接口输入的程序并将其存储于存储器内。

2。逐条解释零件加工程序并对其进行预处理，例如，由载入零件程序中的零件的轮廓数据和刀具偏置指令计算刀具的偏置数据；将切削参数代码转换为真实速度，以供插补计算和控制之用。

3。插补 在第6章中曾讨论了常用的脉冲比较法插补器。为了提高进给速度，一些CNC 系统采用软件和硬件联合插补方法，其中软件进行粗插补而硬件完成细插补，即：软件按照插补周期将零件轮廓分成许多小段并计算相应的进给增量，然后将其送至硬件插补器去完成细插补且产生脉冲输出。

4。伺服控制 由插补器产生的计算机输出——脉冲序列，经功率伺服控制放大器放大以驱动开环控制系统中用的步进电动机。对于闭环控制系统，计算机将由插补器产生的位置增量转换为在当前插补周期内的伺服电动机的相应转速，然后将其转换为模拟量送至电动机驱动电路。在此周期内计算机按位置反馈值控制两个电动机使得运动部件按给定的位移值运动。

5。机床的状态控制 机床的操作人员用操作面板上的开关和按钮调整机床状态，例如调整切削参数等。同时，计算机扫描这些开关和按钮以产生调整机床状态的控制信号输出。这样就可取消那些早期使用的用于机床状态控制的复杂电子线路。

8.5.4 CNC系统中的可编程逻辑控制器（PLC ） m o t o r 键盘 速度控制o l m o t o r