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1、.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
2、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
3、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，
4、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
5、，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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、)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:/ 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
11、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
12、、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
13、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
14、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
15、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STD-80规范，随后被批准为国际标准IEE961。STD-80/MPX作为S
