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首页数控机床控制基础-数控机床的核心就是CNC系统
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第三章 数字控制系统
1. 概述
2. 控制运动轨迹的插补原理
3. 刀具位置补偿和半径补偿
4. 可编程控制器简介
了解:控制系统简介
理解:控制运动轨迹的插补原理
掌握:刀具半径补偿
第 3 章 数字控制系统(8 学时)
3.1 数控机床控制基础
第一章已经介绍了数控机床的组成(提问:由哪几部分组成)
数控机床的核心就是 CNC 系统(简称数控系统),从自动控制的角度看,数控系统就
是一种轨迹控制系统,即其本质上是以多执行部件(各运动轴)的位移量为控制对象并使
其协调运动的自动控制系统,是一种配有专用操作系统的计算机控制系统。(这节课我们
来学习数字控制系统)
3.1.1 数控系统的发展状况
1、数控系统的发展史
自从 20 世纪 50 代世界上第一台数控机床问世至今已经历 50 余年。数控机床经过了
2 个阶段和 6 代的发展历程。(常识):
第 1 阶段是硬件数控(NC): 第 1 代 1952 年的电子管
第 2 代 1959 年晶体管(分离元件)
第 3 代 1965 年小规模集成电路
第 2 阶段是软件数控(CNC):第 4 代 1970 年的小型计算机,中小规模集成电路
第 5 代 1974 年的微处理器,大规模集成电路。
第 6 代 1990 年的基于个人 PC 机
数控(NC)阶段(1952~1970 年)(Numerical Control)
早期计算机的运算速度低,虽然对当时的科学计算和数据处理影响还不大,但不能适
应机床实时控制的要求。人们不得不采用数字逻辑电路 "搭"成一台机床专用计算机作为数
控 系 统 , 被 称 为 硬 件 连 接 数 控
( HARD-WIRED NC ) , 简 称 为 数 控
(NC)。随着元器件的发展,这个阶
段 历 经 了 三 代 , 即 1952 年 的 第 一 代 --
电 子 管 ; 1959 年 的 第 二 代 -- 晶 体 管 ;
1965 年的第三代--小规模集成电路。
1)常见的电子管是 真空 式 电 子 管 :不
管是二极, 三极还是更多 电极的真空式 电子
管,它们都 具有一个共同 结构就是由抽 成 接
近真空的玻 璃(或金属, 陶瓷)外壳及 封装
在壳里的灯 丝,阴极和阳 极组成。直热 式电
子管的灯丝 就是阴极,三 极以上的多极 管还
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1
图 3 - 1 电子 管 实
物图
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有各种栅极。以电子管收音机为例,这种收音机普遍使用五六个电子管,输出功率只有 1 瓦左右,而耗电
却要四五十瓦,功能也很有限。打开电源开关,要等 1 分多钟才会慢慢地响起来。如果用于数控机床可想
而知其耗电量、控制速度。
2)晶体管是用来控制电路中的电流的重要元件。1956 年,晶体管是由贝尔实验室发明的,荣获
诺贝尔物理学奖,创造了企业研发机构有史以来因技术发明而获诺贝尔奖的先例,晶体管的发明对今后的
技术革命和创新具有重要的启示意义。晶体管的发明,终于使由玻璃封装的、易碎的真空管有了替代物。
同真空管相同的是,晶体管能放大微弱的电子信号;不同的是,它廉价、耐久、耗能小,并且几乎能够被
制成无限小。
晶体管是现代科技史上最重要的发明之一,究其原因有三个方面。第一,它取代了电子管,成为电
子技术的最基本元件,原因是性能好、体积小、可靠性大和寿命长。第二,它是微电子技术革命的发动者 ,
而信息时代至今的发展就是由微电子技术、光子技术和网络技术三次技术革命组成的,所以它的出现成为
报晓信息时代的使者。第三,晶体管是集成电路和芯片的组成单元,也是光电器件和集成光路的基本组成
单元,更是网络技术的基础,只不过光电子晶体管是微电子晶体管的演变或发展罢了。由于这三方面的原
因,晶体管的发明在信息科技的迅速发展中起了决定性的重要作用,它的意义远远超出了一种元器件的发
明范围,而成为揭开现代技术新领域和变革几乎各种技术基础的关键。所以晶体管发明过程中的突出特点 ,
对于其他科技的产生和发展有重要的参考和启示意义。
3)小规模集成电路:晶体管诞生后,首先在电话设备和助听器中使用.逐渐地,它在任何有插座或
电池的东西中都能发挥作用了。将微型晶体管蚀刻在硅片上制成的集成电路,在 20 世纪 50 年代发展起来
后,以芯片为主的电脑很快就进入了人们的办公室和家庭。
计算机数控(CNC)阶段(1970 年~现在)
(
Computer Numerical Control
)
到 1970 年,通用小型计算机业已出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统的
核心部件,从此进入了计算机数控(CNC)阶段(把计算机前面应有的"通用"两个字省略
了)。
到 1971 年,美国 INTEL 公司在世界上第一次将计算机的两个最核心的部件--运算器和
控 制 器 , 采 用 大 规 模 集 成 电 路 技 术 集 成 在 一 块 芯 片 上 , 称 之 为 微 处 理 器
(MICROPROCESSOR),又可称为中央处理单元(简称 CPU)。
到 1974 年微处理器被应用于数控系统。这是因为小型计算机功能太强,控制一台机床
能力有富裕(故当时曾用于控制多台机床,称之为群控),不如采用微处理器经济合理。
而且当时的小型机可靠性也不理想。早期的微处理器速度和功能虽还不够高,但可以通过
多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件,故仍称为计算机数控。
到了 1990 年,PC 机(个人计算机,国内习惯称微机)的性能已发展到很高的阶段,
可以满足作为数控系统核心部件的要求。数控系统从此进入了基于 PC 的阶段。最常用的
形式:CNC 嵌入 PC 型,在 PC 内部插入专用的 CNC 控制卡。
将计算机用于数控机床是数控机床史上的一个重要里程碑,因为它综合了现代计算机
技术、自动控制技术、传感器技术及测量技术、机械制造技术等领域的最新成就,使机械
加工技术达到了一个崭新的水平。(随着科技的发展晶体管的体积越来越小,已达到纳米
级。(1 纳米为 1 米的 10 亿分之一),纳米晶体管的出现将导致未来可以制造出更强劲的计
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2
TD5
TD92
SOT26
图 3-2 晶体管实物图
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算机芯片。把 20 纳米的晶体管放进一片普通集成电路,形同一根头发放在足球场的中央。
现代微处理器包含上亿的晶体管。)
CNC 与 NC 相比有许多优点,最重要的是:CNC 的许多功能是由软件实现的,可以通
过软件的变化来满足被控机械设备的不同要求,从而实现数控功能的更改或扩展,为机床
制造厂和数控用户带来了极大的方便。
总之, 计 算机数 控 阶段 也 经 历了三
代。即 1970 年的第 四代 -- 小型 计算 机;
1974 年的 第五代-- 微处理器和 1990 年的
第 六 代 -- 基 于 PC ( 国 外 称 为 PC-
BASED)。
基 于 PC 的 运 动 控 制 器 , 目 前 最 流 行 的 是
PMAC。
PMAC I 型多轴运动控制卡简介:
* 总线:ISA,VME,PC104,PCI
* 电机类型:交流伺服、直流电机 (有刷、
无刷、直线)/交流异步电机/步进电机;
* 控制码:PMAC(类似 BASIC ASICII 命令)/G 代码(机床)/AutoCAD 转换;
* 反馈:增量编码器(直线、旋转)绝对编码器 旋转变压器等
(PMAC(Program Multiple Axises Controller)是美国 delta tau 公司生产
制造的多轴运动控制卡)。
2、西门子数控系统简介
世界主要 CNC 系统,FANUC,SIEMENS,A-B,FAGOR, HEIDENHAIN(海德汉)、三菱 、
NUM 等等。http://www.ad.siemens.com.cn/products/
1)SINUMERIK 802S base line 集成了所有的 CNC,PLC,HMI,I/O 于一身;
2)SINUMERIK 802C base line 集成了所有的 CNC,PLC,HMI,I/O 于一身;
3 ) 具 有 免 维 护 性 能 的 SINUMERIK802D , 其 核 心 部 件 PCU ( 面 板 控 制 单 元 ) 将
CNC、PLC、人机界面和通讯等功能集成于一体。可靠性高、易于安装。
4)专利产品,高度集成的SINUMERIK 810D。在数字化控制的领域中,SINUMERIK
810D第一次将CNC和驱动控制集成在一块板子上。可以控制5或6个轴。适用于车铣磨削机
床。
5)突出的产品SINUMERIK 840D,它在复杂的系统平台上,通过系统设定而适于各种控制
技术。840D与SINUMERIK_611数字驱动系统和SIMATICS7可编程控制器一起,构成全数
字控制系统,它适于各种复杂加工任务的控制,具有优于其它系统的动态品质和控制精度。
标准的控制系统具有大量的特殊功能。如钻削、车削、铣削、磨削和手动加工技术。该系
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3
图 3-3 DeltaTau PMAC I 型多轴运动控制卡 (PCI)
图 3-4 PMAC 运动控制卡(PC104)
图 3-5 数控系统
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