数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 Pro/Engineer己广泛应用于模具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业，并在 国际CAD/CAM/CAE市场上占有较大的份额。 CATIA CATIA是最早实现曲面造型的软件，它开创了三维设计的新时代，它的出现，首 次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，使CAM技术的开发有了现实的基础。 目前CATIA系统己发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程管理、 虑拟运作等众多功能的大型CAD/CAM/CAE软件 CATIA(NC MILL)系统具有菜单接口和刀具轨迹验证能力，其主要编程功能除了 常用的多坐标点位加工编程、表面区域加工编程、轮廓加工编程、型腔加工编程外， 还有以下特点： (1)在型腔加工编程功能上，采用扫描原理对带岛屿的型腔进行行切法编程：对 不带岛屿的任意边界型腔（即不限于凸边界）进行环切法编程。 (2)在雕塑曲面区域加工编程功能上，可以连续对多个零件面编程，并增加了截 平面法生成刀具轨迹的功能 5. Mastercam Mastercam是由美国CNC Software公司推出的基于PC平台上的CAD/CAM软件， 它具有很强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面，具有独到的优势。 由于Mastercam的数控加工零件的设计造型功能不强，但对硬件的要求不高，且操作 灵活、易学易用且价格较低，受到中小企业的欢迎。因此该软件被认为是 个图形交 互式CAM数控编程系统 Mastercam6.0以上版本的数控加工编程能力较强，其功能有： (1)点位加工编程。 (2)二维轮廓加工编程 (3)一维型脖加工编程 (4)三维曲线加工编程 (5)三维曲面加工编程 可按线框和曲面两种方法进行编程。 (6)参数线法加工编程 (7)截平面法加工编程。 (8)投影法加工缩程。 (Q)刀且轨亦辑 (10)刀具轨迹干涉处理功能 (11)多曲面组合编程，包括曲面交线及曲面间过渡区域编程。 (12)刀具轨迹验证与切削加上过程仿真。 (13)整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有IGES标准接口。 (14)通用后置处理功能。 CIMATRON CIMATRON是以色列Cimatron公司提供的CAD/CAM/CAE软件，是较早在微机平台 上实现三维CAD/CAM的全功能系统。它具有三维造型、生成工程图、数控加工等功能， 具有各种通用和专用的数据接口及产品数据管理(PDM)等功能。该软件较早在我国 得到全面汉化，己积累了一定的应用经验。 第一章数控机床发展趋势 第一节数控机床发展展望 数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，主要包括自动控制及智能化的数字伺服、 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 6 Pro/Engineer 己广泛应用于模具、工业设计、汽车、航天、玩具等行业，并在 国际 CAD/CAM/CAE 市场上占有较大的份额。 4. CATIA CATIA 是最早实现曲面造型的软件，它开创了三维设计的新时代，它的出现，首 次实现了计算机完整描述产品零件的主要信息，使 CAM 技术的开发有了现实的基础。 目前 CATIA 系统已发展成从产品设计、产品分析、加工、装配和检验，到过程管理、 虚拟运作等众多功能的大型 CAD／CAM／CAE 软件。 CATIA（NC MILL）系统具有菜单接口和刀具轨迹验证能力，其主要编程功能除了 常用的多坐标点位加工编程、表面区域加工编程、轮廓加工编程、型腔加工编程外， 还有以下特点： （1）在型腔加工编程功能上，采用扫描原理对带岛屿的型腔进行行切法编程；对 不带岛屿的任意边界型腔（即不限于凸边界）进行环切法编程。 （2）在雕塑曲面区域加工编程功能上，可以连续对多个零件面编程，并增加了截 平面法生成刀具轨迹的功能。 5. Mastercam Mastercam 是由美国 CNC Software 公司推出的基于 PC 平台上的 CAD/CAM 软件， 它具有很强的加工功能，尤其在对复杂曲面自动生成加工代码方面，具有独到的优势。 由于 Mastercam 的数控加工零件的设计造型功能不强，但对硬件的要求不高，且操作 灵活、易学易用且价格较低，受到中小企业的欢迎。因此该软件被认为是一个图形交 互式 CAM 数控编程系统。 Mastercam 6.0 以上版本的数控加工编程能力较强，其功能有： （1）点位加工编程。 （2）二维轮廓加工编程。 （3）二维型腔加工编程。 （4）三维曲线加工编程。 （5）三维曲面加工编程，可按线框和曲面两种方法进行编程。 （6）参数线法加工编程。 （7）截平面法加工编程。 （8）投影法加工编程。 （9）刀具轨迹编辑。 （10）刀具轨迹干涉处理功能。 （11）多曲面组合编程，包括曲面交线及曲面间过渡区域编程。 （12）刀具轨迹验证与切削加上过程仿真。 （13）整个系统不同模块之间采用文件传输数据，具有 IGES 标准接口。 （14）通用后置处理功能。 6. CIMATRON CIMATRON 是以色列 Cimatron 公司提供的 CAD/CAM/CAE 软件，是较早在微机平台 上实现三维 CAD/CAM 的全功能系统。它具有三维造型、生成工程图、数控加工等功能， 具有各种通用和专用的数据接口及产品数据管理（PDM）等功能。该软件较早在我国 得到全面汉化，己积累了一定的应用经验。 第一章 数控机床发展趋势 第一节 数控机床发展展望 数控机床综合了当今世界上许多领域最新的技术成果，主要包括自动控制及智能化的数字伺服
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 计算机及信总处理、精密机械、精密检测和智能化的传感、网络和通讯等技术。这些技术的核心是 由微电子技术向精密机械技术参透所形成的机电一体化技术。数控机床的诞生和发展主要依懒于这 些相关技术的问世和不断进步 一、自动控制及智能化的数字伺服技术 目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，如日本的FANUC、德国的SIEMENS和美国的A 一B公司产品都在向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。自动控制理论和同服驱动技术对 数控机床的功能、动态特性和控制品质具有决定性的影响。在对一个具体的控制装置或系统的设计 仿真和现场调试中，自动控制理论具有重要的理论指导作用。在伺服速度环控制中采用前馈控制， 使传统的位置环偏差控制的跟踪滞后现象得到了很大改善，而且增加了系统的稳定性和伺服精度 为适应不同类型数控机床复杂的控制算法，同服系统的位置环和速度环都采用了软件控制 伺服驱动技术已历经了几代演变过程。交流驱动系统发展迅速，交流传动系统已由模拟化向数字 化方向发展，而且向智能化的数字伺服技术发展。以运算放大器等摸拟器件为主的控制器正在被以 微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。与交流伺服电动机 取动技术相配套的是电力电子技术。它提供了时输出很大的峰值电流和完善的保护功能」 二、计算机信息处理技术 计算机技术在数控机床诞生半个世纪中发生了最具革命性的进步，它包括计算机软件和硬件技 术、数据库技术以及网络通信技术。而信息处理技术包括信总的存取、运算、判断、决策和交换， 计算机作为信息处理的工具，两者之间具有极为密切的关系。数控系统中计算机指挥和管理整个系 统的有序运行，信息处理的高速、及时和正确将直接影响系统的工作质量和效率。因此，计算机技 术的发展已成为数控机床发展和变革中最活跃的因素。目前的数控系统还引入人工智能、专家系统 模糊控制、人工神经网络和仿真等技术。除了计算机技术自身的继续发展外，数控机床的智能化为 柔性制造系统(Flexible Manufacturing System,FMS)提供了重要的技术保证 三、精密机械技术 精密机械技术是数控机床的基础，它包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。精密机械 术，当今正面临者重大的挑战。机械系统自身在结构及传动的精度、刚度、体积、质量和寿命等方 面对数控机床仍具有举足轻重的影响。在制造过程所使用的机电一体化系统中，虽然传统的机械理 论与加工工艺借助于计算机辅助技术（如：Computer Aided Deigning,简称CAD:Computer Aided Manufacturing,简称CAM:Computer Aided Process Planning,简称CAPP等)、人工智能和专家系 统，形成新一代的机械制造技术。但传统的以知识和技能形式存在的机根技术是任何其他技术所无 法取代的。对一台数控机床而言，机械结构和传动占了很大比例，因此不断发展各种新的设计计算 方法和新型结构，采用新材料和新工艺，使新一代数控机床的主机只有高精度、高速度、高可靠性 体积小、质量小、维修方便和价格低廉的机械结构。 四、网络及通信技术 随着计算机网络技术在通信领域的广泛应用，正在对数控机床和以数控机床为基础的柔性制造 单元(FMC)、柔性制造系统(FMS)以及计算机集成制造系统(Computer Integrated Manufacturing System,CIMS)产生重大而深远的影响。 数控系统控制单台机床到控制多台机床的分级式控制，需要网铬进行通信，这种通信通常分 级： 1、工厂管理级 一般由以太网组成。 2、车间单元控制级。 一般由DNC功能进行控制。通过DNC功能形成网络可以实现对零件程 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 7 计算机及信息处理、精密机械、精密检测和智能化的传感、网络和通讯等技术。这些技术的核心是 由微电子技术向精密机械技术渗透所形成的机电一体化技术。数控机床的诞生和发展主要依赖于这 些相关技术的问世和不断进步。 一、自动控制及智能化的数字伺服技术 目前世界上几个著名的数控装置生产厂家，如日本的 FANUC、德国的 SIEMENS 和美国的 A －B 公司产品都在向系列化、模块化、高性能和成套性方向发展。自动控制理论和伺服驱动技术对 数控机床的功能、动态特性和控制品质具有决定性的影响。在对一个具体的控制装置或系统的设计、 仿真和现场调试中，自动控制理论具有重要的理论指导作用。在伺服速度环控制中采用前馈控制， 使传统的位置环偏差控制的跟踪滞后现象得到了很大改善，而且增加了系统的稳定性和伺服精度。 为适应不同类型数控机床复杂的控制算法，伺服系统的位置环和速度环都采用了软件控制。 伺服驱动技术已历经了几代演变过程。交流驱动系统发展迅速，交流传动系统已由模拟化向数字 化方向发展，而且向智能化的数字伺服技术发展。以运算放大器等模拟器件为主的控制器正在被以 微处理器为主的数字集成元件所取代，从而克服了零点漂移、温度漂移等弱点。与交流伺服电动机 驱动技术相配套的是电力电子技术。它提供了瞬时输出很大的峰值电流和完善的保护功能。 二、计算机信息处理技术 计算机技术在数控机床诞生半个世纪中发生了最具革命性的进步，它包括计算机软件和硬件技 术、数据库技术以及网络通信技术。而信息处理技术包括信息的存取、运算、判断、决策和交换， 计算机作为信息处理的工具，两者之间具有极为密切的关系。数控系统中计算机指挥和管理整个系 统的有序运行，信息处理的高速、及时和正确将直接影响系统的工作质量和效率。因此，计算机技 术的发展已成为数控机床发展和变革中最活跃的因素。目前的数控系统还引入人工智能、专家系统、 模糊控制、人工神经网络和仿真等技术。除了计算机技术自身的继续发展外，数控机床的智能化为 柔性制造系统（Flexible Manufacturing System， FMS）提供了重要的技术保证。 三、精密机械技术 精密机械技术是数控机床的基础，它包括精密机械设计和精密机械加工两大方面。精密机械技 术，当今正面临着重大的挑战。机械系统自身在结构及传动的精度、刚度、体积、质量和寿命等方 面对数控机床仍具有举足轻重的影响。在制造过程所使用的机电一体化系统中，虽然传统的机械理 论与加工工艺借助于计算机辅助技术（如：Computer Aided Deigning，简称 CAD；Computer Aided Manufacturing，简称 CAM；Computer Aided Process Planning，简称 CAPP 等）、人工智能和专家系 统，形成新一代的机械制造技术。但传统的以知识和技能形式存在的机械技术是任何其他技术所无 法取代的。对一台数控机床而言，机械结构和传动占了很大比例，因此不断发展各种新的设计计算 方法和新型结构，采用新材料和新工艺，使新一代数控机床的主机具有高精度、高速度、高可靠性、 体积小、质量小、维修方便和价格低廉的机械结构。 四、网络及通信技术 随着计算机网络技术在通信领域的广泛应用，正在对数控机床和以数控机床为基础的柔性制造 单元（FMC）、柔性制造系统（FMS）以及计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System ,CIMS）产生重大而深远的影响。 数控系统控制单台机床到控制多台机床的分级式控制，需要网络进行通信，这种通信通常分三 级： 1、工厂管理级。一般由以太网组成。 2、车间单元控制级。一般由 DNC 功能进行控制。通过 DNC 功能形成网络可以实现对零件程
数控技术及应用教案及讲癌 上部分：数控技术及编程 序的上传或下传读、写CNC的数据：PLC数据的传送：存储器操作控制：系统状态采集和远程控制 等。更高档次的DNC还可以对CAD/CAM/CAPP以及CNC的程序进行传送和分级管理。CNC 与通信网络连接在一起还可以传递维修数据，使用户与NC生产厂直接通信，进而把制造厂家连接 一起，构成虚拟制造网络。 3、现场设备级。现场设备级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及O控 制、连线控制、通信联网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功 能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工 厂级提供数据。同时可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令以及执行。因此，现场设各级与 车间级是实现工厂自动化及CIMS的基础。 通过网络仿直使零件从橱念到在数拉机床上齐成加工的全部过程已在工业化围家成功实现。并 在充分实现信息资源共享方面为数控机床的加工带来越来越明显的效益。通过网络技术进行无纸化 的远程管理和监控，可以方便地讲行产品的异地加工、装配和调试。 上述这些主要专业技术领域的最新成果将为数控机床的进一步发展提供强有力的技术支撑，也 将为忌新利数控机床的问世奠定坚士的基础。 在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临若一个以提升竞争能力为目标构建企业数字化 的时代。作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统也将积极地向数字化迈进，它将成为 个信息集成和正确实施的制造单元。当前，国内外一些机床和数控系统制造企业研究者正在从网络 化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，它将能与企业资源计划(ERP)和CAD/CAPP/ CAM的信息集成，进而通过与客户关系管理(CRM)和供应链管理(SCM)的联系作出智能决策， 实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产】 数控机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，数控 机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。在20世纪后期形成的以数控技术为中 心的柔性制造技术，顶期在未来仍将继续发展并成为加工技术发展的主流。 进一步深化发展适应多品种变批量生产的柔性自动化技术：基于先进工艺和结构原理发展新颖 装备来优化制造过程：推进数控机床创新设计，经济地满足用户对产品个性化的加工要求：构建灵 捷的制造系统，快速响应市场需求，以高质量产品迅速地批量上市：有效地发挥信息技术和软件技 术在制造过程中提高技术水平和管理水平的作用：探求在网络化分布制造的协作联盟环境下的数控 技术等。为实现这些技术自标，当前数控机床正沿着以下几方面发展： 1、以发展高速切削为先导，并重视对空运行过程的提速。力求使其高速化、全面缩短切削工时 和辅助工时： 2、在注重提高数控机床的材料切除率的同时，高效加工将大力推讲以缩短加工时程链为目标的 复合加工技术： 3、数控机床及其制造系统的柔性化将在可重组制造技术的支持下，通过对制造系统的快速重组 更敏捷和经济地满足不确定市场对产品多变的要求：随着制造业自动化技术水平的提高，开放、集 成、智能化和网络化将是C通信的发展方向，主要体现在加工过程的智能化和数控系统的网络化 上： 4、数控车、铁、磨等机床的工作精度正以平均每年提升8%一1O0%的幅度向纳米级高精度迈讲 并不断地拓展新颖的精密加工方法： 5、数控机床的绿色设计与制造以重视环保的洁净生产为重点，干切削或微量(<00mh)切 削液的高效加工技术日趋成熟： 兰州交通大学机电工程学院
数控技术及应用教案及讲稿 上部分：数控技术及编程 兰州交通大学机电工程学院 8 序的上传或下传读、写 CNC 的数据；PLC 数据的传送；存储器操作控制；系统状态采集和远程控制 等。更高档次的 DNC 还可以对 CAD／CAM／CAPP 以及 CNC 的程序进行传送和分级管理。CNC 与通信网络连接在一起还可以传递维修数据，使用户与 NC 生产厂直接通信，进而把制造厂家连接 一起，构成虚拟制造网络。 3、现场设备级。现场设备级与车间单元控制级及信息集成系统主要完成底层设备单机及 I/O 控 制、连线控制、通信联网、在线设备状态监测及现场设备生产、运行数据的采集、存储、统计等功 能，保证现场设备高质量完成生产任务，并将现场设备生产运行数据信息传送到工厂管理层，向工 厂级提供数据。同时可接受工厂管理层下达的生产管理及调度命令以及执行。因此，现场设备级与 车间级是实现工厂自动化及 CIMS 的基础。 通过网络仿真使零件从概念到在数拉机床上完成加工的全部过程已在工业化国家成功实现。并 在充分实现信息资源共享方面为数控机床的加工带来越来越明显的效益。通过网络技术进行无纸化 的远程管理和监控，可以方便地进行产品的异地加工、装配和调试。 上述这些主要专业技术领域的最新成果将为数控机床的进一步发展提供强有力的技术支撑，也 将为最新型数控机床的问世奠定坚实的基础。 在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临着一个以提升竞争能力为目标构建企业数字化 的时代。作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统也将积极地向数字化迈进，它将成为一 个信息集成和正确实施的制造单元。当前，国内外一些机床和数控系统制造企业研究者正在从网络 化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，它将能与企业资源计划（ERP）和 CAD／CAPP／ CAM 的信息集成，进而通过与客户关系管理（CRM）和供应链管理（SCM）的联系作出智能决策， 实施并行工程、可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。 数控机床既是实施先进制造技术的重要装备，也是制造信息集成的一个重要载体，因此，数控 机床的发展和创新在一定程度上映射出加工技术的主要趋向。在 20 世纪后期形成的以数控技术为中 心的柔性制造技术，预期在未来仍将继续发展并成为加工技术发展的主流。 进一步深化发展适应多品种变批量生产的柔性自动化技术；基于先进工艺和结构原理发展新颖 装备来优化制造过程；推进数控机床创新设计，经济地满足用户对产品个性化的加工要求；构建灵 捷的制造系统，快速响应市场需求，以高质量产品迅速地批量上市；有效地发挥信息技术和软件技 术在制造过程中提高技术水平和管理水平的作用；探求在网络化分布制造的协作联盟环境下的数控 技术等。为实现这些技术自标，当前数控机床正沿着以下几方面发展： 1、以发展高速切削为先导，并重视对空运行过程的提速。力求使其高速化、全面缩短切削工时 和辅助工时； 2、在注重提高数控机床的材料切除率的同时，高效加工将大力推进以缩短加工过程链为目标的 复合加工技术； 3、数控机床及其制造系统的柔性化将在可重组制造技术的支持下，通过对制造系统的快速重组 更敏捷和经济地满足不确定市场对产品多变的要求；随着制造业自动化技术水平的提高，开放、集 成、智能化和网络化将是 NC 通信的发展方向，主要体现在加工过程的智能化和数控系统的网络化 上； 4、数控车、铣、磨等机床的工作精度正以平均每年提升 8%一 l00%的幅度向纳米级高精度迈进， 并不断地拓展新颖的精密加工方法； 5、数控机床的绿色设计与制造以重视环保的洁净生产为重点，干切削或微量（＜l00 ml/h）切 削液的高效加工技术日趋成熟；