数控技术论文04

第一章引言 数控机床是现代科技发展的产物，也是现代工业发展的动力，但各国发 展很不平衡,没有形成统一的标准.通过深入了解各国数控机床的发展现状 及趋势，总结出数控机床的发展方向.经过认真分析总结得到模块化、网络 化、智能和柔性化是现代数控系统的主要特点;高度的集成化，体积小巧，但 “智商”很高，是未来控制系统的发展方向.通过对近儿十年来的数控系统 进行归纳和分析,得出通用化和专用化是数控系统的两条发展主线，而且互 为依存，相互发展. 开放式数控系统是当前数控技术发展的主要趋势。目前，对开放式数控 系统还没有统一的定义，一,种比较许可的观点强调系统具有的可移植性、可 扩展性、可协同性和模块性。开放式数控系统的结构是面向软件配置的，可 以由用户自选定义接口和软件平台，不断将功能集成到控制系统中 第二章数控系统发展简史 1946年诞生了世界上第一台电子计算机，它为人类进入信息社会奠定了基 础。六年后，即在1952年，计算机技术应用到了机床上，在美国诞生了第一台 数控机床。从此，传统机床产生了质的变化。近半个世纪以来，数控机床经历了 两个阶段和六代的发展。 1. 数控（NC）阶段（1952-1970 年） 早期计算机的运算速度低，这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制成一台机床专用计 算机作为数控系统，被称为硬件连接数控（HARD-WIRED NO ,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年第一代电子管；1959 年第二代晶体管；1965年第三代小规模集成电路。 2. 计算机数控（CNC）阶段（1970〜现在） 直到1970年，通用小型计算机业己出现并成批生产，其运算速度比五、六十年 代有了大幅度的提高，这比逻辑电路专用计算机成本低、可靠性高。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。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 （MICRO-PROCESSOR）,又称中央处理单元（简称CPU）。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多余，但 不及采用微处理器经济合理，而且当时的小型计算机可靠性 也不理想。虽然早 期的微处理器速度和功能都还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。因为微 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，国内习称微机）的性能已发展到很高的阶段，可满足作为数控系统核 心部件的要求，而且PC机生产批量很大，价格便宜，可靠性高。数控系统从此 进入了基于PC的阶段。 总之，计算机数控阶段也经历了三代，即1970年第四代小型计算机； 1974年第五代微处理器；1990年第六代基于PC （国外称为PC-BASED）。 第三章 开放式数控系统的概念和特点 3. 1开放式数控系统的概念 传统的CNC系统是一种专用的封闭体系结构的数控系统，即系统硬件 是专用的，各厂家的主板，伺服电路板专门设计，厂家之间产品无互换性；系 统软件结构是专用的，无可移植性，也无伸缩性。数控系统尽管也可以由用 户作人机界面，但数控系统的开发始终属于数控系统生产厂商独立的商业行 为，在很大程度上严格保密。这种独立的设计模式导致不同厂商的数控系统 在内部结构、实现方法和表现风格上迥然，形成了各自独立的标准和规范体系; 数控加工系统功能非常单一、结构固定，不能满足产品快速转型和短期、小 批量加工的要求；系统升级和维护困难，市场上难以找到可替换的配件，致使 部件损坏不能及时修复而导致整个设备不能正常运行。而且这种封闭的体系 结构使数控系统无法应用最新的计算机软硬件技术，从而严重影响数控技术的 发展、进步和普及。 研究开放式数控系统的主要目的之一就是要解决变换频繁的需求与封闭 控制系统之间的矛盾，从而建立一个统一的可重构的系统平台，增强数控系统的 柔性，降低再次开发的难度。或者说，开放的目的就是使NC控制器与当今的 PC机类似，系统构筑于一个统一的、开放的平台上，具有模块化组织结构，允 许用户根据需要进行选配合继承、更改或扩展系统的功能，以便迅速适应不同的 应用需求。因此IEEE标准定义开放式数控系统能够在多种平台上运行，可以 和其他系统相互操作，并能给用户提供一种统一风格的交互方式。 3. 2开放式数控系统的特点 对于开放式数控系统，一种比较流行的观点是强调以下几个基本特点 （1）可互操作性通过提供标准化接口、通信和交互机制，使不同功能模块能 以标准的应用程序接口运行于系统平台之上，并获得平等的互操作能力，协 调工作。 （2）可移植性系统的功能软件与设备无关，即应用统一的数据格式、交互模 型、控制机理，使构成系统的各功能模块可来源于不同的开发商，并且通过 一致的设备接口，使各功能模块能运行于不同供应商提供的硬件平台之 （3）档次皆宜性CNC系统的功能、规模可以灵活设置，方便修改，即可以增 加硬件或软 件构成功能更强的系统，也可以裁减其功能以适应低端应用。 （4）可互补性指构成系统的各硬件模块、功能软件的选用不受单一供应商的 控制，可根据 其功能、可靠性及性能要求相互替换，而不影响系统整体的协 调运行。 第四章 国内外发展现状及水平 4. 1基于PC的开放式数控系统体系结构 近年来，国内外许多学者都致力于开放式数控系统的研究，并达成部分共 识，即采用PC平台和Win9X/Win2000/NT操作系统。这样，容易保证一致的人机 界面和应用现有的各种流行的应用软件，而且硬件和软件具有通用标准，容易 扩展，容易实现网络功能。 随着工业PC机的快速发展，可靠性大为提高，而价格却大幅度降低，以工 业PC机为核心的控制系统己经被工业控制领域所接受。基于PC的开放式数控 系统以其成本低、标准化、软件资源丰富、可靠性高、便于联网等优越性深受广 大科研人员和开发商的喜爱。具体来讲，目前基于PC的开放式数控系统有以下 几种体系结构 （1）数控专用模板嵌入通用PC机构成的数控系统 以国内具有开放式系统特点的华中I型数控系统为例，该系统采用了以PC 机为硬件平台，DOS、WINDOWS操作系统及其丰富支持软件为软件平台的开放式 体系结构。与传统CNC系统相比，这种系统具有软硬件资源的通用性、丰富性、 透明性，软件的可再生性，便于引入新技术进行升级、换代的优点。 （2）通用PC机与开放式可编程运动控制器构成的数控系统 这种数控系统的机床运动控制、逝辑控制功能由独立的运动控制器完成，运 动控制器通常由以PC硬件插 件的形式构成系统。数控上层软件（数控程序编辑、 编译、人机界面等）以PC为平台，是WINDOWS等主流操作系统上的标准应用， 并支持用户定制。这种系统兼具了 WINDOWS的多任务特性和运动控制器的事实 特性、实时特性，是一种非常优越的数控系统。 （3）全软件式数控系统 全软件式