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第八章 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
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
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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(CT 机、γ 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(CNC)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
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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 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.
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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.
5.PLC、机床 I/O 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 I/O 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、行程开关和接触器等组成的逻辑电路.
PLC、机床 I/O 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 I/O 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
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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
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:①
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.②PC 嵌入 Nc 体系结构:该结构是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.③基于 PC 机体系结构:该结构是以标准 PC=机的
……

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