1、第七部分 数字控制技术及机械制造自动化,7.0 基本要求 熟悉机械零件加工的数控编程方法及PLC可编程逻辑控制器编程。 熟悉机械制造自动化技术有关知识、柔性自动化加工设备和各类数控机床。 熟悉基本的机械零、部件计算机辅助设计（CAD）。,了解计算机基本知识。 了解数字控制盒计算机数控的基本知识。 了解PLC可编程逻辑控制器的基本知识。 了解物流自动化、信息自动化、管理自动化和机器人的基本概念。 了解典型机械制造自动化系统的基本组成和工作过程。,了解CAPP、CAM、CAE、CIMS的基本知识及应用。 了解计算机网络技术在机械工程中的应用。 了解计算机仿真技术和计算机虚拟制造技术在机械工程中的应
2、用。,7.1数字控制技术和数控机床,数字控制（Numerical Control）是用数字化信号对机床的运动及其加工过程进行控制的一种技术方法。 数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术 7.1.1 计算机简介 计算机系统概念 计算机软硬件组成 计算机主要技术指标,7.1.2数控机床 1.数控机床结构、特点和分类 1）组成及工作过程（P373图7.1-1） 2）运动控制方式,8,开环伺服系统方框图,闭环伺服系统方框图,9,半闭环伺服系统方框图,3）结构特点P374 4）性能特点P374 5）分类机床数控系统的种类很多，为了便于了解和研究，可从不同的角度对其进行分类。 按运动控制的
3、特点分类； 按伺服系统的控制方式分类 ： 按数控系统功能水平分类 ； 按工艺用途分类 ；,11,(a)点位控制,（b）直线控制,（c）轮廓控制,点位控制系统,直线控制系统,轮廓控制系统,按运动方式的特点分,按数控系统功能水平分类,13,按工艺用途分类 金属切削类数控机床：包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。 金属成型类数控机床 ：包括数控折弯机、数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。这类机床起步晚，但目前发展很快。 数控特种加工机床 ：数控线（电极）切割机床、数控电火花加工、火焰切割机、数控激光切割机床等。 其它类型数控机床：如数控三坐标测量机等。,7.1
4、.3 NC系统和CNC系统的构成、工作原理和功能,1.NC系统 2.CNC系统 1）CNC的组成图7.1-6 2）主要功能P376-377 3）工作流程图7.1-8,CNC数控装置的工作原理是它通过各种输入方式，接受机床加工零件的各种数据信息，经过CNC装置译码，再进行计算机的处理、运算，然后将各个坐标轴的分量送到各控制轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动。并进行实时位置反馈控制，使各个坐标轴能精确地走到所要求的位置。CNC装置的简要工作过程如下：,工作流程包括： 数据加工程序的编制； 输入； 译码； 刀具补偿； 插补； 位置控制和机床加工,7.1.4CNC数控程序编制
5、7.1.4.1 CNC加工程序编制的内容及步骤 数控加工程序编制：从零件图纸到制成控制介质的全过程。将零件的加工信息：加工顺序、零件轮廓轨迹尺寸、工艺参数(F、S、T)及辅助动作（变速、换刀、冷却液启停、工件夹紧松开等）等，用规定的文字、数字、符号组成的代码按一定的格式编写加工程序单，并将程序单的信息变成控制介质的整个过程。,手工编程的内容和步骤,图纸工艺分析这一步与普通机床加工零件时的工艺分析相同，即在对图纸进行工艺分析的基础上，选定机床、刀具与夹具；确定零件加工的工艺路线、工步顺序及切削用量等工艺参数等。,计算运动轨迹根据零件图纸上尺寸及工艺线路的要求，在选定的坐标系内计算零件轮廓和刀具运
6、动轨迹的坐标值，并且按NC机床的规定编程单位（脉冲当量）换算为相应的数字量，以这些坐标值作为编程尺寸。,错误,程序编制及初步校验根据制定的加工路线、切削用量、刀号、刀具补偿、辅助动作及刀具运动轨迹，按照数控系统规定指令代码及程序格式，编写零件加工程序，并进行校核、检查上述两个步骤是否正确。,计算运动轨迹,图纸工艺分析,程序编制,制备控制介质,校验和试切,零件图纸,错误,修改,制备控制介质将程序单上的内容，经转换记录在控制介质上，作为数控系统的输入信息，若程序较简单，也可直接通过键盘输入。,计算运动轨迹,图纸工艺分析,程序编制,制备控制介质,校验和试切,零件图纸,错误,修改,程序的校验和试切所制
7、备的控制介质，必须经过进一步的校验和试切削，证明是正确无误的，才能用于正式加工。如有错误，应分析错误产生的原因，并进行相应的修改。,计算运动轨迹,图纸工艺分析,程序编制,制备控制介质,校验和试切,零件图纸,错误,修改,7.1.4.2程序格式与典型程序代码,（1）程序的构成零件加工程序由主程序和子程序构成，一个主程序可以有多个子程序，并可重复调用。 （2）典型数控加工程序的程序段格式： （P373） 对刀点选则左下角点，刀具半径（D01）=5mm 程序名：O2000,程 序 段,N01 G91 G17 G00 G42 D01 X85 Y-25* N02 Z-15 S400 M03 M08 * N
8、03 G01 X85 F300 * N04 G03 Y50 I25 * N05 G01 X-75 * N06 Y-60 * N07 G00 Z15 M05 M09 * N08 G40 X75 Y35 M02 *,上面是一个完整的零件加工程序，它主要由程序名和若干程序段组成。 程序名加工程序的标识； 程序段它是一个完整的加工工步单元，它以字母N（程序段号）指令开头，有的以“；”指令结尾；有些可以什么都不要。 M02(M30)作为整个程序结束的指令，有些数控系统可能还规定了一个特定的程序开头和结束的符号，如% 、EM等。 指令字是由文字（地址符）或与其后所带的数字组成。,. 程序段的格式程序段的格
9、式，是指一个程序段中指令字的排列顺序和书写规则，不同的数控系统往往有不同的程序段格式，格式不符合规定，数控系统就不能接受。目前广泛采用的是，地址符可变程序段格式（或者称字地址程序段格式），这种格式的特点是： 1.程序段中的每个指令字均以字母（地址符）开始，其后再跟数字或无符号的数字。2.指令字在程序段中的顺序没有严格的规定，即可以任意顺序的书写 。3.不需要的指令字或者与上段相同的续效代码可以省略不写。这种格式程序简单、可读性强，易于检查等优点。,一般的程序段格式：,常用数控指令代码,顺序号字N顺序号称程序段序号。顺序号位于程序段之首，由顺序号字N和后续数字组成。顺序号字N是地址符，后续数字一
10、般为14位的正整数。一般使用方法：编程时将第一程序段冠以N10,以后以间隔10递增的方法设置顺序号，这样，在调试程序时，如果需要在N10和N20之间插入程序段时，就可以使用N11、N12等。,准备功能字G 准备功能字G代码，用来规定刀具和工件的相对运动轨迹（即指令插补功能）、机床坐标系、坐标平面、刀具补偿、坐标偏置、固定循环等多种加工操作。我国机械工业部根据ISO标准制定了JB3208-83标准，规定G代码由字母G及其后面的二位数字组成，从G00到G99共有100种代码。G04 暂停延时 G08 加速 G09 减速 G54零点偏置 G92 坐标系设定辅助功能字M 辅助功能字是用于指定主轴的旋转
11、方向、启动、停止、冷却液的开关，工件或刀具的夹紧和松开，刀具的更换等功能。辅助功能 字由地址符M和其后的两位数字组成。M13 主轴顺时针，冷却液开 M14 主轴逆时针，冷却液开,主轴功能字S该功能字用来指定主轴速度，单位为r/min，它以地址符“S”为首，后跟一串数字。 刀具功能字T当系统具有换刀功能时，刀具功能字用以选择替换的刀具。它以地址符“T”为首，其后一般跟二位数字，代表刀具的编号。 进给功能字F功能字用来指定刀具相对工件运动的速度。其单位一般为mm/min。当进给速度与主轴转速有关时，如车螺纹、攻丝等，使用的单位为mm/r。进给功能字以地址符“F”为首，其后跟一串数字代码。,坐标功能
12、字坐标功能字（又称尺寸字）用来设定机床各坐标的位移量。它一般使用X、Y、Z、U、V、W、P、Q、R、A、B、C、D、E等地址符为首，在地址符后紧跟“”（正）或“”（负）及一串数字，该数字一般以系统脉冲当量（指数控系统能实现的最小位移量，即数控装置每发出一个脉冲信号，机床工作台的移动量，一般为0.00010.01mm）为单位，不使用小数点。,与坐标系有关的指令 G90/G91、G92、G53G59、G17 G19 G90/G91指令： G90指令表示程序中的编程尺寸是在某个坐标系下按其绝对坐标给定的。 G91指令表示程序中编程尺寸是相对于本段的起点，即编程尺寸是本程序段各轴的移动增量，故G91又
13、称增量坐标指令。 注意： 这两个指令是同组续效指令，也就是说在同一程序段中只允许用其中之一，而不能同时使用。在缺省的情况下（即无G90又无G91）默认为G90状态。,G92指令 坐标系设定的预置寄存指令，它只有在采用绝对坐标编程时才有意义。 编程格式： G92 X a_ Y_b Z_c_ a、b、c为当前刀位点在所设定工件坐标系中的坐标值,G53,G54G59：坐标系选择指令 G53选择机床坐标系； G54 G59选择工件坐标系1 工件坐标系6。 在使用该指令后，其后的编程尺寸都是相对于相应坐标系的。 这类指令是续效指令，缺省值是G53 。 注意：这类指令只在绝对坐标下有意义（G90），在G9
14、1下无效。,G17,G18,G19指令 坐标平面指定指令。G17，G18，G19分别表示规定的操作在XY、ZX、YZ坐标平面内。 程序段中的尺寸指令必须按平 面指令的规定书写。若数控 系统只有一个平面的加工能力，可不必书写。 这类指令为续效指令，缺省值为G17。,与控制方式有关的指令 G00指令快速点定位指令 编程格式：G00 X_ Y_ Z_ * 功能：指令刀具从当前点，以数控系统预先调定的快进速度，快速移动到程序段所指令的下一个定位点。 注意：G00的运动轨迹不一定是直线，若不注意则容易干涉。,G01指令直线插补指令 编程格式：G01 X_a_ Y_b_ Z_c_ F_f_ 功能：指令多坐
15、标（2、3坐标）以联动的方式，按程序段中规定的合成进给速度f，使刀具相对于工件按直线方式，由当前位置移动到程序段中规定的位置（a、b、c）。当前位置是直线的起点，为已知点，而程序段中指定的坐标值即为终点坐标。,G02,G03指令圆弧插补指令 G02：顺时针圆弧插补。 G03：逆时针圆弧插补。顺、逆方向判别规则：沿垂直于圆弧所在平面的坐标轴的负方向观察（迎着第三轴看）， 来判别圆弧的顺、逆时针方向。,编程格式： XY平面：G17 X_a_ Y_b_ ( ) F_f_ XZ平面：G18 X_a_ Z_c_ ( ) F_f_ YZ平面：G19 Y_b_ Z_c_ ( ) F_f_,圆弧的终点坐标，由
16、a、b、c后的数值指定。 圆心的位置通常有以下几种方法： 由圆心指向起点的向量在X,Y,Z轴上的分量（圆心相对于起点的增量）用I,J,K表示 。,由起点指向圆心的向量在 X、Y、Z轴上的分量用I、J、K表示,R表示法：用半径R带有符号的数值来表示：AB180 ：R 0 R100；BA180 ：R 0 R-100,说明：1. 具体采用哪种方法，视具体的数控系统而定。2. G00,G01,G02,G03是同组续效指令，缺省值G01。3. 本段终点若与上一段终点位置相同，即起点与终点最终没有相对位移，则可省略不写。,与刀具补偿有关的指令 G40 G41 G42指令刀具半补偿指令 编程格式：,其中：G
17、41 ：左刀补，即沿加工方向看刀具在左边G42 ：右刀补，即沿加工方向看刀具在右边G40 ：取消刀补D ： 偏置值寄存器选用指令。xx： 刀具补偿偏置值寄存器号 说明：1）刀补建立：2）刀补取消：3)拐角过渡：当拐角是锐角时，为减少刀具的空行程，往往要插入一段。,其它指令G04暂停指令 功能：可使刀具作短时的无进给运动 编程格式：G04 X_ 或 G04 P_ 其中：X（ 或P）其后的数值表示暂停的时间，单位为s （或ms）;也有的表示的是刀具、工件转数。 用途： 用车削环槽、锪平面、钻孔等光整加工； 用作时间匹配，对于那些动作较长的外部，或者 为了使某一操作有足够的时间可靠的完成，可在程序中
18、插入该指令。,G80、G81G89固定循环指令 在用NC机床上加工零件，一些典型加工工序，如钻孔、攻丝、深孔钻削、切螺纹等，所完成的动作循环十分典型，将这些动作预先编好程序并存储在存储器中，并用相应的G代码来指令。固定循环中的G代码所指令的动作程序，要比一般G代码所指令的动作要多得多，因此使用固定循环功能，可以大大简化程序编制。,辅助功能指令M指令,M代码主要用于CNC机床开、关量的控制。如主轴的正、反转，冷却液的开、停，工件的夹紧、松开，程序结束等。M指令常因生产厂家及机床结构和规格不同而不同，现将常用辅助功能指令介绍如下： M00程序暂停。用以停止主轴旋转、进给和冷却液。以便执行某一手动操
19、作，如手动变速、换刀、测量工件。此后，须重新启动才能继续执行后面的程序。,M01计划停止。如果操作者在执行某个程序段之后准备停机。便可预先接通计划停止开关。当机床执行到M01时，就进入程序停止状态。此后，须重新起动，才能执行以下程序。但如果不接通计划停止开关，则M01指令不起作用。 M02程序结束。该指令编在最后一条程序句中。用以表示程序结束，数控系统处于复位状态。 M03、M04、M05分别命令主轴正转、反转和停止。,M06换刀指令。常用于加工中心机床刀库换刀前的准备动作。 M07冷却液开。 M09冷却液停。 M10、M11夹紧和松开指令。分别用于机床的滑座、工件、夹具的夹紧和松开。 M19
20、主轴定向停止。使主轴停止在预定的位置上。 M30程序结束并返回到程序的第一条语句，准备下一个零件的加工。,基本坐标系：直线进给运动的坐标系（X、Y、Z）。坐标轴相互关系：由右手定则决定。 回转座标：绕X、Y、Z轴转动的圆进给坐标轴分别用A、B、C表示，坐标轴正向可由右手螺旋法则而定。,机床坐标的确定方法 1Z坐标的确定 凡与主轴平行的轴定为Z轴，多主轴的机床选一个垂直于工件装夹面的主轴作为主要主轴，从而确定Z轴。刨床没有主轴，则Z轴垂直于工件装夹面。 2X坐标的确定工件旋转的机床如车床、磨床，径向是X轴移动的方向，离开工件的方向为正。刀具旋转的机床如铣床、镗床，X轴一般平行于装夹平面。3Y坐标
21、的确定 当Z与X轴确定后，Y轴及其方向可用右手直角笛卡尔坐标系来确定。,7.1. 5 可编程逻辑控制器PLC 1.PLC基本概念和特点 可编程逻辑控制器(Programmable Logic Controller,PLC)，它主要用来代替继电器实现逻辑控制。随着技术的发展，这种采用微型计算机技术的工业控制装置的功能已经大大超过了逻辑控制的范围，因此，今天这种装置称作可编程控制器，简称PC。但是为了避免与个人计算机(Personal Computer)的简称混淆，所以将可编程序控制器简称PLC。 特点：可靠性高、编程简单、结构紧凑、负载能力强。,2.PLC的组成（后图） 1）整体式PLC组成图7
22、.1-19P392 2）模块式PLC组成图7.1-20P393 3.PLC类型P393 4.PLC各部分的作用P394 （1）CPU （2）存储器 （3）IO单元 （4）IO扩展口 （5）通信接口 （6）智能单元 （7）电源 （8）编辑工具 （9）其它设备,PLC的结构,整体式PLC硬件系统结构示意图,5.PLC基本工作过程与工作原理 一、可编程控制器的工作方式可编程控制器采用的是周期性循环扫描的工作方式。可编程控制器实际上是一种存储程序控制器。用户首先要根据某一具体的要求编制好程序；然后输入到可编程控制器的用户程序存储器中。用户程序由若干条指令组成，指令在存储器中按步序号顺序排列。可编程控制
23、器运行工作时CPU对用户程序作周期性循环扫描，在无跳转指令的情况下，CPU从第一条指令开始顺序逐条地执行用户程序，直到用户程序结束，然后又返回第一条指令，开始新的一轮扫描。在每次扫描过程中，还要完成对输入信号的采集和对输出状态的刷新等工作。,PLC就是这样周而复始的重复上述的扫描循环，PLC循环扫描过程如图所示。,PLC循环扫描过程示意图,二、可编程序控制器的工作过程 PLC的工作过程分为输入采样、程序执行、输出刷新三个阶段。PLC的工作过程是按这样三个阶段进行周期性循环扫描，如图所示。,图 PLC的工作过程,输入采样阶段PLC在输入采样阶段，首先按顺序采样所有的输入端子，并将输入点的状态或输
24、入数据存入内存中各对应的输入映象寄存器，即输入刷新，随即关闭输入端口。接着进入程序执行阶段。在程序执行阶段，即使输入状态有变化，输入映象寄存器的内容也不会改变。输入信号变化了的状态只能在下一个扫描周期的输入采样阶段被读入。 程序执行阶段 在程序执行阶段PLC对用户程序顺序扫描，在扫描每一条指令时，所需的输入状态（条件）可从输入映象寄存器中读出，从元件映象寄存器读出当前的输出状态然后按程序进行相应的逻辑运算，运算结果再存入元件映象寄存器中。所以对每一个元件（PLC内部的输出软继电器）来说，元件映象寄存器的内容会随着程序的执行过程而变化。,输出刷新阶段 当所有指令执行完毕，元件映象寄存器中所有输出
25、继电器的状态（接通/断开），在输出刷新阶段转存到输出锁存器并通过一定的方式输出，驱动外部负载，这才是PLC的实际输出。经过三个阶段，完成一个扫描周期。对一般小型PLC，I/O点数少，采用的就是这种集中采样、集中输出的扫描工作方式。由于这种方式在每一个扫描周期中，只对输入状态采样一次，对输出刷新一次，在一定程度上降低了系统的响应速度，即存在着输入/输出的滞后现象。但这样从根本上提高了系统的抗干扰能力，系统的可靠性增强。一般PLC的响应延迟只有几毫秒、几十毫秒，这对一般的工业系统来说是无关紧要的。,三、PLC对输入输出的处理规则 根据上述PLC的工作过程的特点，可总结出PLC对输入输出的处理规则。
26、如图所示。,输入输出的处理规则,1）输入映象寄存器的数据，取决于输入端子板上各输入点在上一个刷新期间的状态。 2）输出元件映象寄存器的内容由程序中输出指令的执行结果决定。 3）输出锁存器中的数据，由上一个工作周期输出刷新阶段的输出映象寄存器的数据来确定。 4）输出端子板上各输出端的ON/OFF状态，由输出锁存器的内容来确定。 5）程序执行中所需的输入、输出状态，由输入映象寄存器和输出映象寄存器读出。,6.PLC主要性能指标（P395） （1）存储容量 （2）IO点数 （3）扫描速度 （4）指令功能 （5）内部元件的种类与数量 （6）特殊功能模块 7.PLC的顺序逻辑表示（P395）布尔代数，或
27、、与、非,6.PLC主要性能指标（P395） （1）存储容量 （2）IO点数 （3）扫描速度 （4）指令功能 （5）内部元件的种类与数量 （6）特殊功能模块 7.PLC的顺序逻辑表示（P395）1）布尔代数，或、与、非2）梯形逻辑图,PLC提供的编程语言通常有以下几种：梯形图、指令表、顺序功能流程图和功能块图。梯形图（LAD）编程语言是从继电器控制系统原理图的基础上演变而来的。PLC的梯形图与继电器控制系统的梯形图的基本思想是一致的，只是在使用符号和表达方式上有一定区别。下图 a）是一个典型的梯形图。左右两条垂直的线称作母线。母线之间是触点的逻辑连接和线圈的输出。,图5-12 梯形图 a）梯形
28、图 b）指令表,在梯形图中，触点代表逻辑“输入”条件，如开关、按钮、内部条件等；线圈通常代表逻辑“输出”结果，如灯、电机接触器、中间继电器等。 常用元件基本符号图7.1-23 梯形图逻辑函数表示图7.1-24 梯形逻辑图举例图7.1-25,8.PLC在数控机床中的应用 1）数控机床PLC的类型 （1）内装型图7.1-27 （2）独立型图7.1-28 2）数控机床中PLC的功能 （1）M、S、T功能 （2）开关信号控制 （3）输出信号控制 （4）伺服控制 （5）报警处理,9.PLC的编程应用 PLC设计的一般步骤表7.1-10（P379） 电动机的连续运行和正反转控制编程举例,电动机的连续运转
29、控制思路 电动机的额定电流较大，PLC不能用直接控制主电路，需要主电路。 找出所有输入量和输出量，接入I/O接线图。 为了扩大输出电流，采用继电器输出方式。 热继电器的常闭触点可以作为输入信号进行过载保护，也可以在输出进行保护。 梯形图和指令表。,一、电动机的连续运转,FR,FU,KM,QS,电源开关,接触器主触点,热继电器热元件,熔断器,三相异步电动机,L1 L2 L3,主电路,一、电动机的连续运转,I/O接线图,启动按钮 SB1X1,停止按钮 SB2X2,运行接触器 KMY1,热继电器的常闭触点可以作为输入信号进行过载保护，也可以在输出进行保护,热继电器,一、电动机的连续运转,梯形图,指令
30、表程序,启动,自锁,停止,X1,Y1,X2,步序 指令 地址,0 LD X1,1 OR Y1,2 ANI X2,3 OUT Y1,4 END,输出线圈,电动机的连续运转,一、电动机的连续运转,常闭触点输入信号的处理,电气原理图,端子接线图,常闭触点,梯形图,常开触点,电动机的正反转控制,FU,KM1,QS,正转 接触器,反转接触器,L1 L2 L3,主电路,KM2,FR,注意调相,电动机的正反转控制,I/O接线图,正转启动 SB2-X0,反转启动 SB3-X1,停止 SB1-X2,正转接触器 KM1-YI,反转接触器 KM2-Y2,正转互锁,反转互锁,电动机的正反转控制,梯形图,指令表0 LD
31、 X11 OR Y12 ANI X2 3 ANI X14 ANI Y25 OUT Y16 LD X17 OR Y28 ANI X29 ANI X010 ANI Y111 OUT Y2 12 END,正转,反转,电动机的正反转控制,7.2机械制造自动化（了解基本概念即可） 7.2.1机械制造自动化技术及其发展 三个发展阶段 7.2.2机械制造自动化设备 1.刚性自动化加工设备 2.柔性自动化加工设备 3.柔性自动化系统 7.2.3 物流自动化 1.物流概念及功能,2.物流自动化设备分类 7.2.4 信息自动化 7.2.5管理自动化,7.3 计算机辅助设计（CAD）的应用（熟悉） 7.3.1 CAD的功能、组成及应用 7.3.2 零件图CAD绘制过程 7.4CAPP、CAM、CAE、CIMS 7.5 计算机网络技术 7.6计算机仿真、虚拟制造技术、人工智能与专家系统,谢谢!,
