数控技术的发展与应用

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1、 257 第八章第八章 数控技术的发展与应用数控技术的发展与应用 第一节 数控技术的基本概念 世界各工业发达国家通过发展数控技术、建立数控机床产业，促使制造业跨入一个新的发展阶段，给国民经济的结构带来了巨大的变化。数控机床是世界第三次产业革命的重要内容，它不但是机电工业的重要基础装备，还是汽车、石化、电子和现代医疗装备等产业现代化的主要手段。虽然数控机床产业本身的产值远不如汽车、化工等产业，但高效的数控机床给制造业带来了现代化的生产方式以及高倍率的效益增长，这是促进国民经济发展的巨大源动力。特别是数控技术在制造业的扩展与延伸所产生的辐射作用和波及效果，足以给机械制造业的产业结构、产品结构、制造

2、方式及管理模式等带来深刻的变化。 一、数控技术、数控系统与数控装备一、数控技术、数控系统与数控装备 数控技术是数字控制(Numerical Control，NC)技术的简称，是一种用数字化的信息(数字、字母和符号)对某一工作过程进行可编程自动控制的技术。 数控系统(数字控制系统)是指实现数控技术相关功能的软硬件模块有机集成系统。它是数控技术的载体。 数字控制系统中的信息是数字量，它有如下特点： 1可用不同的字长表示不同精度的信息。 2具有强大的算术运算和逻辑运算处理能力。 3通过编程可方便地实现各种控制功能，因而具有很高的柔性。 由于数字控制系统具有上述优点，故被广泛应用于机械装备。的点位和运

3、动轨迹控制，其中轨迹控制是数控机床和工业机器人等数控装备的主要控制内容。 最初的数字控制系统是由数字逻辑电路构成的，因而称之为硬线数控系统。随着数字计算机技术的发展，硬线数控系统已逐渐被淘汰，取而代之的是计算机数控(Computer Numerical Control，CNC)系统，即以计算机为信息处理核心的数控系统。相对于硬线数控系统而言，CNC 系统的控制功能主要由软件实现，并可处理逻辑电路难以处理的复杂运算功能，因而具有较高的柔性和更高的性能。 数控机床是指应用数控技术对加工过程进行控制的机床。具体地说，凡是将刀具相对于工件的运动轨迹和相关的工艺信息用代码进行编程，然后送入数控系统经过数

4、字运算、处理，并通过高性能的驱动单元控制机床的刀具与工件的相对运动，258 加工出所需工件的一类机床即为数控机床。 数控装备是指应用数控技术对工作机械的工作过程进行控制的装备。数控装备是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴产业的渗透而形成的机电一体化产品，其特点是高精度、高效率、高柔性和高超的信息处理和传输能力。当然，数控技术应用最早、最成功的应用行业是制造业，最典型的代表是数控机床和机器人。现在，数控技术已广泛应用于国民经济各行业(如轻工、农业、能源、交通、材料、 医疗、 环保、 信息和国防工业等)的生产装备和成套技术装备。 例如制造行业(加工中心、工业机器人等)、医疗诊断治疗设备(

5、CT 机、 刀治疗机等)、电子制造行业(键合机、光刻机等)、轻工行业(多色印刷机、木工机械等)都是各行业典型的数控装备。 二、计算机数控二、计算机数控(CNC)系统系统 计算机数控(CNC)系统主要由图 8-1 所示的虚线框中的几个部分组成， 双点画线框中为数控系统的控制对象，这里以数控机床为例进行说明。 图 8-1 数控系统的组成 1操作面板操作面板是操作人员与数控机床(系统)进行交互的工具。一方面，操作人员可以通过操作面板对数控机床(系统)进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改，另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床(系统)的运行状态。 操作面板主要由按钮站、状态灯、按键

6、阵列(功能与计算机键盘一样)和显示器等部分组成，如图 8-2 所示。 2输入输出设备输人输出设备是 CNC 系统与外部设备进行交互的装置。交互的信息通常是零件加工程序。即将记录在控制介质上的零件加工程序输入 CNC 系统或将调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。数控机259 床常用的控制介质和输入输出设备见表 8-1。 表 8-l 控制介质与输入输出设备 控制介质 输入设备 输出设备 穿孔纸带 纸带阅读机 纸带穿孔机 磁带 磁盘 磁带机 磁盘驱动器 图 8-2 操作面板 此外，现代数控系统一般都可采用通信方式实现 CNC 系统与外部设备问的信息交换，这种信息交换方式是

7、实现 DNC、FMS 和 CIMS 等的基本技术。目前在数控机床上常采用的通信方式有： 串行通信(RS232 等串口)。 自动控制专用接口和规范(DNC 方式，专用接口卡等)。 网络技术(Internet，LAN 等)。 3 计算机数控(CNC)装置(或 CNC 单元) 计算机数控(CNC)装置是计算机数控系统的核心。 其主要作用是根据输入的零件加工程序进行相应的处理(如运动轨迹插补计算、机床输入输出处理等)，然后输出控制命令到相应的执行部件(伺服单元、驱动装置和 PLC 等)，加工出需要的零件。所有这些工作由 CNC 装置内硬件和软件协调配合，合理组织，使整个系统有条不紊地进行工作。CNC

8、装置主要由计算机系统、位置控制板、PLC 接口板、通信接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。 260 4伺服单元、驱动装置和测量装置伺服单元和驱动装置包括主轴伺服驱动装置和主轴电动机、进给伺服驱动装置和进给电动机。伺服单元把来自 CNC 装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号，驱动装置把经放大的指令信号变为机械运动。 测量装置包括位置和速度测量装置，它是实现速度闭环控制(主轴、进给)和位置闭环控制(进给)的必要装置。 伺服单元、驱动装置和测量装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。CNC 装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，所以，伺服驱动系统是数控机床的重要组成部

9、分。 进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动， 其控制量为速度和位置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制量为速度。它们一个共同的特点是能灵敏、准确地跟踪 CNC 装置的位置和速度指令。 从某种意义上可以说，数控机床功能的强弱主要取决于 CNC 装置，而数控机床性能的好坏则主要取决于伺服驱动系统。 5PLC、机床 IO 电路和装置 PLC(Programmable Logic Controller，可编程控制器)用于完成与逻辑运算有关的顺序动作的控制，其由硬件和软件组成。 机床 IO 电路和装置是数控机床实现输 A输出控制的执行部件， 是由继电器、电磁阀、行程开关和接

10、触器等组成的逻辑电路。 PLC、机床 IO 电路和装置共同完成以下任务。 1)接受 CNC 的指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作。 2)接受操作面板和机床侧的 IO 信号，送给 CNC 装置，经其处理后，输出指令控制 CNC 系统的工作状态和机床的动作。 6机床机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件(工作台、拖板以及相应的传动机构)、支承件(立柱、床身等)以及特殊装置(刀具自动交换系统、工件自动交换系统)和辅助装置(如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等)组成。数控机床机械部件的组成与普通机

11、床相似，但传动结构较为简单，在精度、刚度和抗震性等方面要求高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。 第二节 数控技术的主要内容 261 数控技术内容较多，限于篇幅，下面将从应用功能的角度对其主要技术进行简要介绍。 一数控装置体系结构技术一数控装置体系结构技术 近 10 年来，随着计算机技术的飞速发展，数控装置的体系结构正朝标准化和开放性方向发展。就体系结构而言，当今世界上的数控系统大致可分为 3 种类型：传统体系结构：这是一种专用的封闭体系结构的数控装置。对它的功能扩展、改变和维修，都必须求助于系统供应商。该类数控系统的市场正在受到挑战，已逐 渐减小。PC 嵌入 Nc 体系结构：该结构是

12、在传统结构的基础上，嵌入 PC 机，其目的是既继承多年来积累的数控软件技术，又可利用 PC 机丰富的软件资源。这类系统结构比较复杂。基于 PC 机体系结构：该结构是以标准 PC=机的硬件为基础，在基于通用操作系统(如 Windows、LINIX 等)开发的实时多任务系统的支撑下，实现各种数控功能。这是现代数控装置广泛采用的体系结构，基于该结构的数控装置具有较高的性能价格比和较长的生命力。 一个典型的基于 PC 机体系结构的 CNC 装置外观如图 8-3，其硬件结构框图如图 8-4。 图 8-3 CNC 装置外观图 下面从功能方面来讨论图 8-4 中各硬件模块的作用。 1计算机主板和系统总线板(

13、母板) 计算机主板是 CNC 装置的核心，由于是基262 于 PC 机的体系结构，各硬件模块也均与 PC 机总线标准兼容。其目的是利用 PC 机丰富的软件和硬件资源，提高系统的适应性和开放性。降低价格，缩短新产品的开发周期。CNC 装置的计算机系统与普通的商用 PC 机在实现结构上略有不同。从系统的可靠性出发，其主板与母板是分离的，即系统总线是一单独的无源母板，主板则做成插卡形式，且集成度更高，即所谓的 ALL-IN-ONE 主板。这种主板主要包括以下的功能结构：CPU 芯片及其外围芯片。内存单元、cache 及其外围芯片。通信接口(串口，并口，键盘接口)。软、硬驱动器接口。各功能结构的组成原

14、理与普通微型计算机的原理完全一样，这里不再赘述。计算机主板的主要作用是。对输入到CNC 装置中的各种数据、信息(零件加工程序，各种 IO 信息等)进行相应的算术和逻辑运算，并根据其处理结果，向其他功能模块发出控制命令，传送数据，使用户的指令得以执行。 图 8-4 CNC 装置硬件结构图 系统总线(母板)是由一组传送数字信息的物理导线组成的，它是 CNC 装置内部进行数据或信息交换的通道，组成原理与普通微型计算机的原理完全一样。一般作为工业用 Pc 机的总线母板是独立的无源四层印制电路板， 即该板的两面为信号线走线面，而在中间为电源和地线，其可靠性高于两层板。其规格有 6 槽、8 槽、12 槽和

15、 14 槽等，用户可根据 CNC 装置功能板的多少进行选择。 2显示模块显示模块即显示卡是一个通用性很强的模块。在 CNC 装置中，CRT263 显示是一种非常重要的功能，它是人机交流的重要媒介，向用户提供了一个直观的操作环境，使用户能快速地熟悉其操作过程。显示卡的主要作用是：接收来自 CPU的控制命令和显示用的数据，经与 CRT 的扫描信号调制后，产生 CRT 显示器所需要的视频信号，由 CRT 中的电子枪对屏幕进行扫描，从而产生所需要的画面。显示卡这种硬件不仅随时可以在市场上买到，而且它还有非常丰富的支持软件，因此无需用户自己开发。 3输入输出模块输 A出模块也是标准的 PC 机模块 多功

16、能卡，一般不需要用户自己开发。输 A出模块是 CNC 装置与外界进行数据和信息交换的接口板，即 CNC 装置中的 CPU 通过该接口可以从外部输入设备获取数据，也可以将 CNC 装置中的数据送给外部输出设备。如果计算机主板是ALLINONE 主板，由于主板已集成此功能，则此板可省略。 以上三部分，再配上键盘、电源和机箱，实际上是一部通用的微型计算机系统，这个系统是 CNC 装置的核心。从某种意义上讲，其档次和性能决定了 CNC 装置的档次和性能，因此，CNC 装置计算机子系统的合理选用是至关重要的。 4电子盘(存储模块) 电子盘是 CNC 装置特有的存储模块。在 CNC 装置中它用来存放下列数据和参数：系统软件和系统固有数据；系统的配置参数(系统所能控制的进给轴数，轴的定义，系统增益等)；用户的零件加工程序。 在 CNC 装置中，常采用电子存储器件作为外存储器，而不采用磁性存储器件，主要是考虑到 CNC 装置的工作环境有可能受到电磁干扰，磁性器件的可靠性低，而电子存储器件的抗电磁干扰能力