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机械、模具、材料相关知识、话题、资料请至 www.wentu.org 进行学习交流第三章 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机图31 电子管实物图数控(NC)阶段(19521970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。TD5TD92SOT26图3-2 晶体管实物图计算机数控(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。)图3-3 DeltaTau PMAC I型多轴运动控制卡 (PCI)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:图3-5数控系统* 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 旋转变压器等图3-4 PMAC运动控制卡(PC104)(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。该系统也适用于其他特种技术,如剪切、冲压和激光加工等。图3-7SINUMERIK 840Di 外观图以上是西门子各数控系统的简单介绍,由上述介绍可知数控机床的数字控制系统由CNC、PLC、(I/O、HMI)及驱动系统组成。CNC和PLC可以综合设计称为内装型PLC(Built-in Type)或集成式、内含式,内装型PLC是CNC装置的一部分,一般不能独立工作,与CNC中CPU的信息交换是在CNC内部进行的,可与CNC装置共用一个CPU,如SINUMERIK802S/810D/802C等数控系统;也可以是单独CPU,如FANUC的0系统和15系统、美国AB公司的8400系统和8600系统等。CNC装置和PLC功能在设计时就统一考虑,因而这种类型的PLC在硬件和软件的整体结构上合理、实用,可靠性高,性价比高,适用于类型变化不大的数控机床。对于开放式数控系统,某些板卡支持PLC软件编程,如PMAC;另外一类是专业化生产厂家生产的PLC产品来实现顺序控制,称为独立型(Stand-alone Type)PLC,或称为“通用型PLC”。具有完备的软硬件功能,能独立完成规定的控制任务。通过输入/输出接口与CNC装置连接,独立型PLC有:西门子SIMATIC S5、S7,FANUC公司的PMCJ系列产品等。图3-6SINUMERIK 802S 外观图作业:1、开放式数控系统(定义、特点、国内外发展现状) 2、查找Fanuc数控系统系列,及各系列特点。3.1.2 CNC装置的组成1、CNC装置基本硬件构成CNC装置由CPU、BUS、存储器、HMI、I/O接口组成。中央处理单元 (CPU):是CNC系统的核心与“头脑”,主要具备的功能:可进行算术、逻辑运算;可保存少量数据;能对指令进行译码并执行规定动作;能和存储器、外设交换数据;提供整个系统所需的定时和控制;可响应其他部件发来的脉冲请求;包括的部件:算术、逻辑部件、累加器和通用寄存器组、程序计数器、指令寄存器、译码器、时序和控制部件。CNC装置中常用的CPU数据宽度为8位、16位、32位和64位。CPU满足软件执行的实时性要求,主要体现在CPU的字长、运算速度、寻址能力、中断服务等方面。总线(BUS):总线是传送数据或交换信息的公共通道。CPU板与其它模板如存储器板、I/O接口板等之间的连接采用标准总线,标准总线按用途分为内部总线和外部总线。数控系统中常用的内部标准总线有S-100、MULTI BUS、STD及VME等;外部总线有串行(如EIARS-232C)和并行(如IEEE-488)总线两种。按信息线的性质分以下三种:数据总线DB(Data Bus):CPU与外界传送数据的通道地址总线AB(Address Bus):确定传输数据的存放地址控制总线CB(Control Bus):管理、控制信号的传送 STD总线(STD总线在1978年最早由Pro-Log公司作为工业标准发明的,由STDGM制定为
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