第一章緒論第一章數控技術的應用第一章緒論第一章數控技術的應用

數控技術是一種自動控制技術，即應用數字程序實現對各種機構的執行部件進行自動控制和操作。數控技術最初應用于切削加工機床，以形成各類數控機床，如數控車床、數控銑床、數控鉆床、加工中心等。隨著計算機技術的發展，計算機數字控制技術日臻完善，虛擬仿真也得到了應用，這里只提及數控車床和數控銑床的虛擬數控技術應用。除了數控機床外，數控技術還可應用于對工業機械手的自動控制，對檢測裝置的自動控制，對電加工設備、焊接設備的自動控制，對布料裁剪機、絨線編織機的自動控制等。本章將簡要介紹數控技術在具體工程學科上的一些應用情況。數控技術是一種自動控制技術，即應用數字程8.1虛擬數控技術

8.1.1虛擬數控技術的主要內容一個虛擬數控系統包括以下幾個模塊。

虛擬數控系統8.1虛擬數控技術

8.1.1虛擬數控技術的主要內容8.1.2虛擬數控技術的發展歷程

數控加工仿真按仿真對象考察方式的不同一般可分為兩種方式（或者稱為兩個階段）：純幾何仿真和物理仿真。第一種方式是純幾何仿真，它不考慮切削參數、切削力及其他物理因素的影響，只仿真刀具－工件幾何體的運動，以驗證數控程序的正確性。幾何仿真由于檢驗目的不同分為兩種：刀具中心的運動軌跡仿真，刀具、夾具、機床、工件間的運動干涉（碰撞）仿真。第二種方式是物理仿真，它使用物理規律去模擬被仿真的事件，此時要考慮力、速度、質量、密度、能量以及其他物理參數的影響，因此這種方法比較復雜，而且隨著應用對象和目的的不同而有很大的不同。現在市場上的CAM軟件大部分只提供幾何仿真功能。對于物理仿真，由于涉及對刀具切削過程物理規律的研究，費用高，同時需要高校、研究所、工廠甚至國家的共同參與，大部分軟件并沒有提供相應的功能。但它是將來加工軟件發展的一個重點。8.1.2虛擬數控技術的發展歷程

數控加工仿真按仿真對象8.1.3虛擬數控車床

一個完整的車削加工仿真系統應具有以下的功能。（1）畫面逼真地反映數控車削加工環境和整個加工過程。在仿真系統中，人們可以直觀地觀察全部加工過程，包括工件的裝夾定位、機床調整、切削等。（2）可以真實描述數控車削加工過程中的物理效應，如車削中的應力，工件和夾具的變形。（3）能對數控車削加工過程中出現的碰撞、干涉進行檢測，并提供報警信息。（4）對加工過程使用的工裝、夾具的實用性給予評價，對待加工產品的可加工性和工藝規程的合理性進行評估。（5）數控車削加工仿真系統還應當能夠對加工精度、加工時間進行精確估算，為虛擬制造技術提供數據支持。8.1.3虛擬數控車床

一個完整的車削加工仿真系統應具有1．虛擬數控車削加工系統的總體設計數控車削加工過程幾何仿真系統數控車床仿真加工系統1．虛擬數控車削加工系統的總體設計數控車削加工過程幾何仿真系2．虛擬數控車削加工系統功能模塊（1）建立幾何仿真數控車床模型①幾何仿真數控車床加工環境。②幾何仿真數控車床加工設備。（2）刀具設計模塊（3）毛坯設計模塊（4）夾具設計模塊2．虛擬數控車削加工系統功能模塊8.1.4虛擬數控銑床

1．虛擬數控銑削加工系統的總體設計虛擬數控銑削加工系統代碼解釋虛擬面板二維仿真在線幫助刀夾具庫三維仿真輔助編程

系統功能模塊框圖系統整體加工環境圖系統實現流程圖8.1.4虛擬數控銑床

1．虛擬數控銑削加工系統的總體設2．虛擬數控銑削加工系統各功能模塊機床模型包括機床的幾何模型、運動模型和機床的一些技術參數。本系統主要是解決機床幾何模型的建立，然后通過程序來控制實現各軸的移動及主軸的轉動，這里采用模塊化設計來建立機床幾何模型。機床的模塊化設計包含兩個過程，一是如何根據設計要求進行功能抽象、合理創建模塊的過程；二是如何根據設計要求合理選擇一組模塊、產生機床拼裝方案的過程。進行模塊化設計要把機床劃分成若干模塊，這里考慮三軸數控銑床的運動關系，即主軸的轉動、工作臺的平動，把數控銑床分成機床主軸、床身、X向工作臺、Y向工作臺和Z向工作臺，它和實際機床的組成有所不同，對一些與仿真無關的部件，如液壓裝置、照明電氣系統等，在仿真模型中不予考慮，從而簡化仿真模型。2．虛擬數控銑削加工系統各功能模塊為了給用戶帶來美好的視覺效果，本系統提供了變換機床顏色和材質的功能，用戶可以根據自己的喜好來定制自己的數控機床；同時系統還提供了隱藏和顯示機床各模塊的功能，如用戶不需要看機床而只想看刀具與工件的仿真加工過程，則可以隱藏機床床身和工作臺。系統還提供了多方位觀察截面方式：XOZ截面、YOZ截面等截面觀察方式。在工件定位或加工仿真過程中，用戶可以選擇不同的截面來觀察顯示，了解不同側面的加工信息，更好地掌握數控機床的加工過程。為了給用戶帶來美好的視覺效果，本系統提供了變換機床顏色和材質8.1.5總結

虛擬數控技術是在分析實際使用的數控機床的操作方式和編程原理的基礎上，采用面向對象的結構化程序設計語言開發的一套用于數控機床實驗教學培訓的軟件系統。能夠較好地滿足用戶對數控加工仿真系統的要求，為數控操作人員提供了強有力的輔助工具。解決數控教學設備不足的問題。具體來講，工作主要集中在以下幾個方面。（1）虛擬數控加工系統控制面板的構造。（2）數控代碼的編輯、修改及翻譯。（3）實時地反映數控加工過程的動態仿真模型的建立。（4）強大的在線幫助功能。8.1.5總結

虛擬數控技術是在分析實際使用的數控機床的8.2柔性制造系統

8.2.1柔性制造系統的定義關于柔性制造系統的定義很多，下面列出一些權威性單位的定義。美國國家標準局（NationalBureauofStandard，NBS）把FMS定義為：“由一個傳輸系統聯系起來的一些設備，傳輸裝置把工件放在其他連接裝置上送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動化。中央計算機控制機床和傳輸系統，柔性制造系統有時可同時加工幾種不同的零件”。美國政府稱FMS為：“由一組自動化的機床或制造設備與一個自動化的物料處理系統相結合，由一個公共的、多層的、數字化可編程的計算機進行控制，可對事先確定類別的零件進行自由地加工或裝配的系統”。國際生產工程研究協會指出：“柔性制造系統是一個自動化的生產制造系統，在最少人的干預下，能夠生產任何范圍的產品族，系統的柔性通常受到系統設計時所考慮的產品族的限制?！?.2柔性制造系統

8.2.1柔性制造系統的定義

歐盟機床工業委員會認為：“柔性制造系統是一個自動化制造系統，它能夠以最少的人干預，加工任一范圍的零件族工件，該系統通常用于有效加工中小批量零件族，以不同批量加工或混合加工；系統的柔性一般受到系統設計時考慮的產品族限制，該系統含有調度生產和產品通過系統路徑的功能。系統也具有產生報告和系統操作數據的手段”。在《中華人民共和國國家軍用標準》有關“武器裝備柔性制造系統術語”中的定義為：“柔性制造系統是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統，它包括多個柔性制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整，適用于多品種、中小批量生產”。簡單地說，FMS是由若干數控設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成的并能根據制造任務和生產品種變化而迅速進行調整的自動化制造系統。歐盟機床工業委員會認為：“柔性制造系統是8.2.2柔性制造系統的類型與構成

1．柔性制造是指在計算機支持下，能適應加工對象變化的制造系統。柔性制造系統有以下3種類型。（1）柔性制造單元。（2）柔性制造系統。（3）柔性自動生產線。2．柔性制造系統的構成就機械制造業的柔性制造系統而言，柔性制造系統（FMS）由下面3部分組成：多工位的數控加工系統、自動化物料儲運系統和計算機控制的信息系統。8.2.2柔性制造系統的類型與構成

1．柔性制造是指在計（1）自動加工系統。（2）物流系統。（3）信息系統。（1）自動加工系統。8.2.3柔性制造系統的優點

柔性制造系統是一種技術復雜、高度自動化的系統，它將微電子學、計算機和系統工程等技術有機地結合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾，具體優點如下。（1）設備利用率高。（2）再制品減少80%左右。（3）生產能力相對穩定。（4）產品質量高。（5）運行靈活。（6）產品應變能力大。8.2.3柔性制造系統的優點

柔性制造系統是一種技術復雜8.2.4柔性制造系統的應用實例

由于箱體、框架類零件及板材等采用柔性制造系統加工，經濟效益特別顯著，故現在的柔性制造系統中，加工箱體、框架類零件及板材的柔性制造系統加工占得比重較大。1．板材加工的柔性制造系統板金加工主要是剪切加工和沖壓加工，在傳統的生產車間中，加工對象滯留在工廠里的大部分時間是用在等待上，極少部分時間用于加工。時間的等待無異于資金的積壓，而板材加工的柔性制造系統能有效地解決這一問題。8.2.4柔性制造系統的應用實例

由于箱體、框架類零件及

由5大部分組成：自動倉庫單元、沖壓加工單元、剪切加工單元、中央控制單元和自動工藝編程單元。板材加工的柔性制造系統的總體布局圖由5大部分組成：自動倉庫單元、沖壓加工單元、剪切加工2．加工箱體類零件的柔性制造系統加工箱體類零件的柔性制造系統2．加工箱體類零件的柔性制造系統加工箱體類零件的柔性制造系統8.3計算機集成制造系統

8.3.1計算機集成制造系統簡介使用柔性制造系統雖然有較高的經濟效益，但它的高效和自動化只是局限在制造加工的范圍內，隨著制造行業的發展，柔性制造系統越來越體現出“自動化孤島”的特點。當今制造業的競爭關鍵在于：T（TimetoMarket）——加快新產品的開發和產品的上市時間；Q（Quality）——改善質量；C（Cost）——降低成本；S（Service）——完善售前售后服務。而柔性制造系統的“自動化孤島”特點阻礙了T、Q、C和S的完善，因而降低了市場的競爭力。8.3計算機集成制造系統

8.3.1計算機集成制造系1973年，美國的約瑟夫·哈靈頓博士首先提出了計算機集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的概念，他認為，企業的生產組織和管理應該強調兩個觀點，即：企業的各種生產經營活動是不可分割的，需要統一考慮；整個生產制造過程實質上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。哈靈頓博士強調的一是系統觀點，二是信息觀點。兩者都是信息時代企業組織和企業管理最基本和重要的觀點。可以說，CIM是信息時代組織和管理企業生產的一種哲理，是信息時代新型企業的一種生產模式。基于這一理論和技術構成的具體實現便是計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）。1973年，美國的約瑟夫·哈靈（1）CIMS的概念，計算機集成制造系統是在信息技術、自動化技術、計算機技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將工廠制造的全部生產活動——設計、制造及經營管理（包括市場調研、生產決策、生產計劃、生產管理、產品開發、產品設計、加工制造以及銷售經營）等與整個生產過程有關的物料流與信息流實現計算機高度統一的綜合化管理，把各種分散的自動化系統有機地集成起來，構成一個優化的完整的生產系統，從而獲得更高的整體效益，縮短產品開發制造周期，提高產品質量，提高生產率，提高企業的應變能力，以贏得競爭。（1）CIMS的概念，計算機集成制造系統是在信息技術、自動化（2）CIMS的構成，CIMS包括工廠制造的生產、經營的全部活動，應具有經營管理、工程設計和加工制造等主要功能。右圖為CIMS的構成。它是在CIMS數據庫的支持下，由信息管理模塊、設計和工藝模塊及制造模塊組成。設計與工藝模塊主要包括：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、成組技術（GT）、計算機輔助工藝規程設計（CAPP）、計算機輔助數控編程技術等，目的是使產品的開發更高效、優質并自動地進行。柔性制造系統是制造模塊的主體，主要包括：零件的數控加工、生產調度、刀具管理、質量檢測和控制、裝配、物料儲運等。CIMS基本構成圖（2）CIMS的構成，CIMS包括工廠制造的生產、經營的全部

信息管理模塊主要包括：市場預測、經營決策、各級生產計劃、生產技術準備、銷售及售后跟蹤服務、成本核算、人力資源管理等，通過信息的集成，達到縮短產品生產周期、減少占用的流動資金、提高企業的應變能力。公用數據庫是CIMS的核心，對信息資源進行存儲與管理，并與各個計算機系統進行通信，實現企業數據的共享和信息集成。信息管理模塊主要包括：市場預測、經營決策

由上述可知，CIMS是建立在多項先進制造技術基礎上的高技術制造系統。為趕上工業先進國家的機械制造水平，我國863計劃將CIMS作為自動化領域中的一個主題項目進行研究，開展了關鍵技術的攻關工作，確定了若干試點工廠，取得了一批重要的研究成果。CIMS的實施過程中要實現工程設計、制造過程、信息管理、工廠生產等技術和功能的集成。這種集成不是現有生產系統的計算機化，而原有的生產系統集成很困難，獨立的自動化系統異構同化非常復雜，因此要考慮在實施CIMS計劃的收益和支出。由上述可知，CIMS是建立在多項先8.3.2CIMS的應用進展

1．CIMS在國外的應用發展技術上的可能和市場競爭的需要，終于使哈林頓在1973年提出的CIMS概念由不被重視迅速地成為一些技術上處于先導地位的企業和一些國家政府的實踐活動。世界上一些著名的大公司，從20世紀70年代末80年代初開始制訂本公司實現CIMS的規劃，建立CIMS的生產工廠（車間），攻克實現CIMS的技術難關并且不斷取得重大進展。一些工業發達的國家政府和組織如美國、日本、歐盟和經互會成員國，都把CIMS作為科學技術發展的一個戰略目標，通過制訂各種計劃、規劃，建立國家級研究實驗基地等手段積極推進這一新的生產方式的發展。8.3.2CIMS的應用進展

1．CIMS在國外的應用發2．CIMS在中國的應用發展（1）CIMS在中國的發展歷史

CIMS單元技術的研究和應用開始于20世紀中葉。1986年CIMS正式列入863計劃，即“高技術研究發展計劃綱要”，從此開始了在中國研究應用CIMS技術的新篇章。本節以我國863計劃為主線，介紹CIMS在中國的應用發展情況。CIMS在中國應用，概括起來經歷了下列3個階段。“CIMS離我國還很遙遠”：1986—1987年我國863/CIMS計劃剛起動時，社會上有這種看法?！癈IMS正在向我們走來”：1989—1990年一些大中型骨干企業出于市場競爭的需求，要求實施CIMS工程?！耙笸茝V應用CIMS技術”：1993—1995年越來越多的企業，包括不少中小型企業要求實施CIMS，從1995年開始，經過幾屆專家組和全國幾千名從事CIMS研究、開發、應用的科技人員的共同努力，為我國CIMS技術實驗、研究、應用打下了基礎，創造了良好的環境。2．CIMS在中國的應用發展1992年底CIMS工程中心建成，1993年底7個單元技術工程實驗室建成，突破了CIMS領域中以信息集成為代表的一批關鍵技術，建成了具有先進水平的實驗環境，培養了一支技術隊伍。1994年建在清華大學的CIMS工程研究中心獲得CASE/SME“大學領先獎”，進一步表明中國已躋身于國際CIMS研究與開發的先進行列。繼1994年清華大學的CIMS工程研究中獲得CASE/SME“大學領先獎”之后，CIMS典型應用工廠——北京第一機床廠在1995年獲得CASE/SME“工業領先獎”。

1994年成都飛機工業公司、沈陽鼓風機廠、北京第一機床廠等大型企業的CIMS應用工程取得重大進展，產生了良好的經濟效益，證實了企業實施CIMS的必要性，對大中型企業產生了深遠影響并起了良好的示范作用。從此，開始了CIMS推廣和應用的新局面。1992年底CIMS工程中心建成，（2）CIMS在中國的發展現狀目前我國863/CIMS計劃分4個層次展開。①應用工程。②產品開發。③關鍵技術攻關。

④應用基礎研究。（2）CIMS在中國的發展現狀（3）CIMS應用工程的進展通過CIMS應用工程的實踐，促進了對CIMS工程總體設計技術的掌握，反過來又促進應用工程的廣泛開展。國內CIMS應用工程的研究始于1989年底、1900年初。1994年第一批典型應用工廠驗收，取得了良好的經濟效益，并開始在十幾個省市、部委推廣應用。（3）CIMS應用工程的進展CIMS應用取得了很大的進展，主要表現在以下幾個方面。①CIMS應用覆蓋了多種行業。包括機械、電子、化工、冶金等行業。在機械行業又有飛機、汽車、輪船、機床、紡織機械等多種產業。②分布在全國各地。共有65家CIMS應用企業，遍及十幾個省市。③出現一批典型，取得了成功的實施經驗。如成都飛機工業公司、沈陽鼓風機廠、北京第一機床等，1994年相繼完成了CIMS“突破口”工程，先后被評為“CIMS應用領先企業”，它們的成功，為推廣應用CIMS提供了寶貴的經驗。④取得了明顯的經濟效益，在國內外產生較大的影響。CIMS應用取得了很大的進展，主要表現在以下幾個方面。8.4數控技術應用于工業機器人

20世紀人類創造了許多偉大的發明，機器人技術就是其中之一。機器人自20世紀60年代初問世以來，首先在生產流水線上得到了應用，成為制造業中的關鍵裝備。進而在許多行業中得到了廣泛的應用，成為許多產業不可缺少的自動化設備。經過40多年的發展，機器人技術已取得長足的進步。目前，世界上有多于75萬臺工業機器人正與生產工人一起工作在各行各業中。柔性制造系統內的物流子系統，除了無人化搬運小車外，很大程度上要依賴于工業機器人進行刀具和工件的搬運。8.4數控技術應用于工業機器人

2

工業機器人由機座、工作構件、驅動系統、傳感裝置和控制器組成，現代機器人甚至還可以包括人工智能系統，以實現機器人對工件的自動識別和適應性操作。機座主要用來支承工作構件、安裝驅動裝置及其他裝置等。若為移動式機器人，機座上還將安裝行走機構。工作構件主要用來抓取物體并實現所需運動。一般由手部、腕部、臂部等構成，驅動系統用來驅動工作構件的運動，它可以是液壓裝置、氣動機構或電氣傳動。工業機器人由機座、工作構件、驅動系統、傳感

傳感裝置主要用來檢測工業機器人的運動位置、狀態，并將所測結果反饋給控制系統?？刂破魇且粋€計算機數字控制系統，具有較強的運算能力和較大的信息儲存能力，它是機器人的靈魂。它接收外界的信息和指令，并根據機器人的狀態環境等情況，產生控制信號，去驅動機器人按規定的程序動作和運動。傳感裝置主要用來檢測工業機器人的運

工業機器人通常按坐標形式分以下幾類：直角坐標型機器人（如圖（a）所示）、圓柱坐標型機器人（如圖（b）所示）、球面坐標型機器人（如圖（c）所示）、SCARA型機器人（即裝配機器人，如圖（d）所示）和多關節型機器人（如圖（e）所示）。工業機器人的5種類型工業機器人通常按坐標形式分以下幾類：直角坐標型機控制柜CMC80工業控制機輸入輸出1輸出2計算接口測量儀功率放大脈沖分配升降機功率驅動方向判別渦流傳感器氣動電磁閥步進電動機光電編碼器機器人手臂某一工業機器人數控系統原理框圖一個關節的步進電動機驅動系統原理框圖控制柜CMC80測量儀功率放大脈沖分配升降機功率驅動方向判別第一章緒論第一章數控技術的應用第一章緒論第一章數控技術的應用

數控技術是一種自動控制技術，即應用數字程序實現對各種機構的執行部件進行自動控制和操作。數控技術最初應用于切削加工機床，以形成各類數控機床，如數控車床、數控銑床、數控鉆床、加工中心等。隨著計算機技術的發展，計算機數字控制技術日臻完善，虛擬仿真也得到了應用，這里只提及數控車床和數控銑床的虛擬數控技術應用。除了數控機床外，數控技術還可應用于對工業機械手的自動控制，對檢測裝置的自動控制，對電加工設備、焊接設備的自動控制，對布料裁剪機、絨線編織機的自動控制等。本章將簡要介紹數控技術在具體工程學科上的一些應用情況。數控技術是一種自動控制技術，即應用數字程8.1虛擬數控技術

8.1.1虛擬數控技術的主要內容一個虛擬數控系統包括以下幾個模塊。

虛擬數控系統8.1虛擬數控技術

8.1.1虛擬數控技術的主要內容8.1.2虛擬數控技術的發展歷程

數控加工仿真按仿真對象考察方式的不同一般可分為兩種方式（或者稱為兩個階段）：純幾何仿真和物理仿真。第一種方式是純幾何仿真，它不考慮切削參數、切削力及其他物理因素的影響，只仿真刀具－工件幾何體的運動，以驗證數控程序的正確性。幾何仿真由于檢驗目的不同分為兩種：刀具中心的運動軌跡仿真，刀具、夾具、機床、工件間的運動干涉（碰撞）仿真。第二種方式是物理仿真，它使用物理規律去模擬被仿真的事件，此時要考慮力、速度、質量、密度、能量以及其他物理參數的影響，因此這種方法比較復雜，而且隨著應用對象和目的的不同而有很大的不同。現在市場上的CAM軟件大部分只提供幾何仿真功能。對于物理仿真，由于涉及對刀具切削過程物理規律的研究，費用高，同時需要高校、研究所、工廠甚至國家的共同參與，大部分軟件并沒有提供相應的功能。但它是將來加工軟件發展的一個重點。8.1.2虛擬數控技術的發展歷程

數控加工仿真按仿真對象8.1.3虛擬數控車床

一個完整的車削加工仿真系統應具有以下的功能。（1）畫面逼真地反映數控車削加工環境和整個加工過程。在仿真系統中，人們可以直觀地觀察全部加工過程，包括工件的裝夾定位、機床調整、切削等。（2）可以真實描述數控車削加工過程中的物理效應，如車削中的應力，工件和夾具的變形。（3）能對數控車削加工過程中出現的碰撞、干涉進行檢測，并提供報警信息。（4）對加工過程使用的工裝、夾具的實用性給予評價，對待加工產品的可加工性和工藝規程的合理性進行評估。（5）數控車削加工仿真系統還應當能夠對加工精度、加工時間進行精確估算，為虛擬制造技術提供數據支持。8.1.3虛擬數控車床

一個完整的車削加工仿真系統應具有1．虛擬數控車削加工系統的總體設計數控車削加工過程幾何仿真系統數控車床仿真加工系統1．虛擬數控車削加工系統的總體設計數控車削加工過程幾何仿真系2．虛擬數控車削加工系統功能模塊（1）建立幾何仿真數控車床模型①幾何仿真數控車床加工環境。②幾何仿真數控車床加工設備。（2）刀具設計模塊（3）毛坯設計模塊（4）夾具設計模塊2．虛擬數控車削加工系統功能模塊8.1.4虛擬數控銑床

1．虛擬數控銑削加工系統的總體設計虛擬數控銑削加工系統代碼解釋虛擬面板二維仿真在線幫助刀夾具庫三維仿真輔助編程

系統功能模塊框圖系統整體加工環境圖系統實現流程圖8.1.4虛擬數控銑床

1．虛擬數控銑削加工系統的總體設2．虛擬數控銑削加工系統各功能模塊機床模型包括機床的幾何模型、運動模型和機床的一些技術參數。本系統主要是解決機床幾何模型的建立，然后通過程序來控制實現各軸的移動及主軸的轉動，這里采用模塊化設計來建立機床幾何模型。機床的模塊化設計包含兩個過程，一是如何根據設計要求進行功能抽象、合理創建模塊的過程；二是如何根據設計要求合理選擇一組模塊、產生機床拼裝方案的過程。進行模塊化設計要把機床劃分成若干模塊，這里考慮三軸數控銑床的運動關系，即主軸的轉動、工作臺的平動，把數控銑床分成機床主軸、床身、X向工作臺、Y向工作臺和Z向工作臺，它和實際機床的組成有所不同，對一些與仿真無關的部件，如液壓裝置、照明電氣系統等，在仿真模型中不予考慮，從而簡化仿真模型。2．虛擬數控銑削加工系統各功能模塊為了給用戶帶來美好的視覺效果，本系統提供了變換機床顏色和材質的功能，用戶可以根據自己的喜好來定制自己的數控機床；同時系統還提供了隱藏和顯示機床各模塊的功能，如用戶不需要看機床而只想看刀具與工件的仿真加工過程，則可以隱藏機床床身和工作臺。系統還提供了多方位觀察截面方式：XOZ截面、YOZ截面等截面觀察方式。在工件定位或加工仿真過程中，用戶可以選擇不同的截面來觀察顯示，了解不同側面的加工信息，更好地掌握數控機床的加工過程。為了給用戶帶來美好的視覺效果，本系統提供了變換機床顏色和材質8.1.5總結

虛擬數控技術是在分析實際使用的數控機床的操作方式和編程原理的基礎上，采用面向對象的結構化程序設計語言開發的一套用于數控機床實驗教學培訓的軟件系統。能夠較好地滿足用戶對數控加工仿真系統的要求，為數控操作人員提供了強有力的輔助工具。解決數控教學設備不足的問題。具體來講，工作主要集中在以下幾個方面。（1）虛擬數控加工系統控制面板的構造。（2）數控代碼的編輯、修改及翻譯。（3）實時地反映數控加工過程的動態仿真模型的建立。（4）強大的在線幫助功能。8.1.5總結

虛擬數控技術是在分析實際使用的數控機床的8.2柔性制造系統

8.2.1柔性制造系統的定義關于柔性制造系統的定義很多，下面列出一些權威性單位的定義。美國國家標準局（NationalBureauofStandard，NBS）把FMS定義為：“由一個傳輸系統聯系起來的一些設備，傳輸裝置把工件放在其他連接裝置上送到各加工設備，使工件加工準確、迅速和自動化。中央計算機控制機床和傳輸系統，柔性制造系統有時可同時加工幾種不同的零件”。美國政府稱FMS為：“由一組自動化的機床或制造設備與一個自動化的物料處理系統相結合，由一個公共的、多層的、數字化可編程的計算機進行控制，可對事先確定類別的零件進行自由地加工或裝配的系統”。國際生產工程研究協會指出：“柔性制造系統是一個自動化的生產制造系統，在最少人的干預下，能夠生產任何范圍的產品族，系統的柔性通常受到系統設計時所考慮的產品族的限制?！?.2柔性制造系統

8.2.1柔性制造系統的定義

歐盟機床工業委員會認為：“柔性制造系統是一個自動化制造系統，它能夠以最少的人干預，加工任一范圍的零件族工件，該系統通常用于有效加工中小批量零件族，以不同批量加工或混合加工；系統的柔性一般受到系統設計時考慮的產品族限制，該系統含有調度生產和產品通過系統路徑的功能。系統也具有產生報告和系統操作數據的手段”。在《中華人民共和國國家軍用標準》有關“武器裝備柔性制造系統術語”中的定義為：“柔性制造系統是由數控加工設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成的自動化制造系統，它包括多個柔性制造單元，能根據制造任務或生產環境的變化迅速進行調整，適用于多品種、中小批量生產”。簡單地說，FMS是由若干數控設備、物料運儲裝置和計算機控制系統組成的并能根據制造任務和生產品種變化而迅速進行調整的自動化制造系統。歐盟機床工業委員會認為：“柔性制造系統是8.2.2柔性制造系統的類型與構成

1．柔性制造是指在計算機支持下，能適應加工對象變化的制造系統。柔性制造系統有以下3種類型。（1）柔性制造單元。（2）柔性制造系統。（3）柔性自動生產線。2．柔性制造系統的構成就機械制造業的柔性制造系統而言，柔性制造系統（FMS）由下面3部分組成：多工位的數控加工系統、自動化物料儲運系統和計算機控制的信息系統。8.2.2柔性制造系統的類型與構成

1．柔性制造是指在計（1）自動加工系統。（2）物流系統。（3）信息系統。（1）自動加工系統。8.2.3柔性制造系統的優點

柔性制造系統是一種技術復雜、高度自動化的系統，它將微電子學、計算機和系統工程等技術有機地結合起來，理想和圓滿地解決了機械制造高自動化與高柔性化之間的矛盾，具體優點如下。（1）設備利用率高。（2）再制品減少80%左右。（3）生產能力相對穩定。（4）產品質量高。（5）運行靈活。（6）產品應變能力大。8.2.3柔性制造系統的優點

柔性制造系統是一種技術復雜8.2.4柔性制造系統的應用實例

由于箱體、框架類零件及板材等采用柔性制造系統加工，經濟效益特別顯著，故現在的柔性制造系統中，加工箱體、框架類零件及板材的柔性制造系統加工占得比重較大。1．板材加工的柔性制造系統板金加工主要是剪切加工和沖壓加工，在傳統的生產車間中，加工對象滯留在工廠里的大部分時間是用在等待上，極少部分時間用于加工。時間的等待無異于資金的積壓，而板材加工的柔性制造系統能有效地解決這一問題。8.2.4柔性制造系統的應用實例

由于箱體、框架類零件及

由5大部分組成：自動倉庫單元、沖壓加工單元、剪切加工單元、中央控制單元和自動工藝編程單元。板材加工的柔性制造系統的總體布局圖由5大部分組成：自動倉庫單元、沖壓加工單元、剪切加工2．加工箱體類零件的柔性制造系統加工箱體類零件的柔性制造系統2．加工箱體類零件的柔性制造系統加工箱體類零件的柔性制造系統8.3計算機集成制造系統

8.3.1計算機集成制造系統簡介使用柔性制造系統雖然有較高的經濟效益，但它的高效和自動化只是局限在制造加工的范圍內，隨著制造行業的發展，柔性制造系統越來越體現出“自動化孤島”的特點。當今制造業的競爭關鍵在于：T（TimetoMarket）——加快新產品的開發和產品的上市時間；Q（Quality）——改善質量；C（Cost）——降低成本；S（Service）——完善售前售后服務。而柔性制造系統的“自動化孤島”特點阻礙了T、Q、C和S的完善，因而降低了市場的競爭力。8.3計算機集成制造系統

8.3.1計算機集成制造系1973年，美國的約瑟夫·哈靈頓博士首先提出了計算機集成制造（ComputerIntegratedManufacturing，CIM）的概念，他認為，企業的生產組織和管理應該強調兩個觀點，即：企業的各種生產經營活動是不可分割的，需要統一考慮；整個生產制造過程實質上是信息的采集、傳遞和加工處理的過程。哈靈頓博士強調的一是系統觀點，二是信息觀點。兩者都是信息時代企業組織和企業管理最基本和重要的觀點?？梢哉f，CIM是信息時代組織和管理企業生產的一種哲理，是信息時代新型企業的一種生產模式。基于這一理論和技術構成的具體實現便是計算機集成制造系統（ComputerIntegratedManufacturingSystem，CIMS）。1973年，美國的約瑟夫·哈靈（1）CIMS的概念，計算機集成制造系統是在信息技術、自動化技術、計算機技術及制造技術的基礎上，通過計算機及其軟件，將工廠制造的全部生產活動——設計、制造及經營管理（包括市場調研、生產決策、生產計劃、生產管理、產品開發、產品設計、加工制造以及銷售經營）等與整個生產過程有關的物料流與信息流實現計算機高度統一的綜合化管理，把各種分散的自動化系統有機地集成起來，構成一個優化的完整的生產系統，從而獲得更高的整體效益，縮短產品開發制造周期，提高產品質量，提高生產率，提高企業的應變能力，以贏得競爭。（1）CIMS的概念，計算機集成制造系統是在信息技術、自動化（2）CIMS的構成，CIMS包括工廠制造的生產、經營的全部活動，應具有經營管理、工程設計和加工制造等主要功能。右圖為CIMS的構成。它是在CIMS數據庫的支持下，由信息管理模塊、設計和工藝模塊及制造模塊組成。設計與工藝模塊主要包括：計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助工程（CAE）、成組技術（GT）、計算機輔助工藝規程設計（CAPP）、計算機輔助數控編程技術等，目的是使產品的開發更高效、優質并自動地進行。柔性制造系統是制造模塊的主體，主要包括：零件的數控加工、生產調度、刀具管理、質量檢測和控制、裝配、物料儲運等。CIMS基本構成圖（2）CIMS的構成，CIMS包括工廠制造的生產、經營的全部

信息管理模塊主要包括：市場預測、經營決策、各級生產計劃、生產技術準備、銷售及售后跟蹤服務、成本核算、人力資源管理等，通過信息的集成，達到縮短產品生產周期、減少占用的流動資金、提高企業的應變能力。公用數據庫是CIMS的核心，對信息資源進行存儲與管理，并與各個計算機系統進行通信，實現企業數據的共享和信息集成。信息管理模塊主要包括：市場預測、經營決策

由上述可知，CIMS是建立在多項先進制造技術基礎上的高技術制造系統。為趕上工業先進國家的機械制造水平，我國863計劃將CIMS作為自動化領域中的一個主題項目進行研究，開展了關鍵技術的攻關工作，確定了若干試點工廠，取得了一批重要的研究成果。CIMS的實施過程中要實現工程設計、制造過程、信息管理、工廠生產等技術和功能的集成。這種集成不是現有生產系統的計算機化，而原有的生產系統集成很困難，獨立的自動化系統異構同化非常復雜，因此要考慮在實施CIMS計劃的收益和支出。由上述可知，CIMS是建立在多項先8.3.2CIMS的應用進展

1．CIMS在國外的應用發展技術上的可能和市場競爭的需要，終于使哈林頓在1973年提出的CIMS概念由不被重視迅速地成為一些技術上處于先導地位的企業和一些國家政府的實踐活動。世界上一些著名的大公司，從20世紀70年代末80年代初開始制訂本公司實現CIMS的規劃，建立CIMS的生產工廠（車間），攻克實現CIMS的技術難關并且不斷取得重大進展。一些工業發達的國家政府和組織如美國、日本、歐盟和經互會成員國，都把CIMS作為科學技術發展的一個戰略目標，通過制訂各種計劃、規劃，建立國家級研究實驗基地等手段積極推進這一新的生產方式的發展。8.3.2CIMS的應用進展

1．CIMS在國外的應用發2．CIMS在中國的應用發展（1）CIMS在中國的發展歷史

CIMS單元技術的研究和應用開始于20世紀中葉。1986年CIMS正式列入863計劃，即“高技術研究發展計劃綱要”，從此開始了在中國研究應用CIMS技術的新篇章。本節以我國863計劃為主線，介紹CIMS在中國的應用發展情況。CIMS在中國應用，概括起來經歷了下列3個階段?！癈IMS離我國還很遙遠”：1986—1987年我國863/CIMS計劃剛起動時，社會上有這種看法?！癈IMS正在向我們走來”：1989—1990年一些大中型骨干企業出于市場競爭的需求，要求實施CIMS工程?！耙笸茝V應用CIMS技術”：1993—1995年越來越多的企業，包括不少中小型企業要求實施CIMS，從1995年開始，經過幾屆專家組和全國幾千名從事CIMS研究、開發、應用的科技人員的共同努力，為我國CIMS技術實驗、研究、應用打下了基礎，創造了良好的環境。2．CIMS在中國的應用發展1992年底CIMS工程中心建成，1993年底7個單元技術工程實驗室建成，突破了CIMS領域中以信息集成為代表的一批關鍵技術，建成了具有先進水平的實驗環境，培養了一支技術隊伍。1994年建在清華大學的CIMS工程研究中心獲得CASE/SME“大學領先獎”，進一步表明中國已躋身于國際CIMS研究與開發的先進行列。繼1994年清華大學的CIMS工程研究中獲得CASE/SME“大學領先獎”之后，CIMS典型應用工廠——北京第一機床廠在1995年獲得CASE/SME“工業領先獎”。

1994年成都飛機工業