工程機械文摘投稿機床數字控制系統

　　本篇文章是由《工程機械文摘》發表的一篇機械論文，創刊于1983年是由中華人民共和國新聞出版署批準，天津工程機械研究院主管主辦，工程機械文摘編輯部編輯/出版，面向全國公開發行的工程機械行業權威性綜合技術刊物。 

　　摘 要:數控機床的核心就是CNC系統(簡稱數控系統),從自動控制的角度看,數控系統就是一種軌跡控制系統,即其本質上是以多執行部件(各運動軸)的位移量為控制對象并使其協調運動的自動控制系統,是一種配有專用操作系統的計算機控制系統。

　　關鍵詞:數字控制系統 發展 CNC

　　1、數控系統的發展史

　　自從20世紀50代世界上第一臺數控機床問世至今已經歷50余年。數控機床經過了2個階段和6代的發展歷程。

　　第1階段是硬件數控(NC):第1代1952年的電子管;第2代1959年晶體管(分離元件);第3代1965年小規模集成電路;

　　第2階段是軟件數控(CNC):第4代1970年的小型計算機,中小規模集成電路;第5代1974年的微處理器,大規模集成電路。

　　2、數控(NC)階段(1952～1970年)

　　早期計算機的運算速度低,雖然對當時的科學計算和數據處理影響還不大,但不能適應機床實時控制的要求。人們不得不采用數字邏輯電路"搭"成一臺機床專用計算機作為數控系統,被稱為硬件連接數控(HARD-WIRED NC),簡稱為數控(NC)。隨著元器件的發展,這個階段歷經了三代,即1952年的第一代--電子管;1959年的第二代--晶體管;1965年的第三代--小規模集成電路。

　　常見的電子管是真空式電子管:不管是二極,三極還是更多電極的真空式電子管,它們都具有一個共同結構就是由抽成接近真空的玻璃(或金屬,陶瓷)外殼及封裝在殼里的燈絲,陰極和陽極組成。直熱式電子管的燈絲就是陰極,三極以上的多極管還有各種柵極。以電子管收音機為例,這種收音機普遍使用五六個電子管,輸出功率只有1瓦左右,而耗電卻要四五十瓦,功能也很有限。打開電源開關,要等1分多鐘才會慢慢地響起來。如果用于數控機床可想而知其耗電量、控制速度。

　　晶體管是用來控制電路中的電流的重要元件。1956年,晶體管是由貝爾實驗室發明的,榮獲諾貝爾物理學獎,創造了企業研發機構有史以來因技術發明而獲諾貝爾獎的先例,晶體管的發明對今后的技術革命和創新具有重要的啟示意義。晶體管的發明,終于使由玻璃封裝的、易碎的真空管有了替代物。同真空管相同的是,晶體管能放大微弱的電子信號;不同的是,它廉價、耐久、耗能小,并且幾乎能夠被制成無限小。

　　晶體管是現代科技史上最重要的發明之一,究其原因有三個方面。第一,它取代了電子管,成為電子技術的最基本元件,原因是性能好、體積小、可靠性大和壽命長。第二,它是微電子技術革命的發動者,而信息時代至今的發展就是由微電子技術、光子技術和網絡技術三次技術革命組成的,所以它的出現成為報曉信息時代的使者。第三,晶體管是集成電路和芯片的組成單元,也是光電器件和集成光路的基本組成單元,更是網絡技術的基礎,只不過光電子晶體管是微電子晶體管的演變或發展罷了。由于這三方面的原因,晶體管的發明在信息科技的迅速發展中起了決定性的重要作用,它的意義遠遠超出了一種元器件的發明范圍,而成為揭開現代技術新領域和變革幾乎各種技術基礎的關鍵。所以晶體管發明過程中的突出特點,對于其他科技的產生和發展有重要的參考和啟示意義。

　　小規模集成電路:晶體管誕生后,首先在電話設備和助聽器中使用.逐漸地,它在任何有插座或電池的東西中都能發揮作用了。將微型晶體管蝕刻在硅片上制成的集成電路,在20世紀50年刊發展起來后,以芯片為主的電腦很快就進入了人們的辦公室和家庭。

　　3、計算機數控(CNC)階段(1970年～現在)

　　到1970年,通用小型計算機業已出現并成批生產。于是將它移植過來作為數控系統的核心部件,從此進入了計算機數控(CNC)階段(把計算機前面應有的"通用"兩個字省略了)。

　　到1971年,美國INTEL公司在世界上第一次將計算機的兩個最核心的部件--運算器和控制器,采用大規模集成電路技術集成在一塊芯片上,稱之為微處理器(MICROPROCESSOR),又可稱為中央處理單元(簡稱CPU)。

　　到1974年微處理器被應用于數控系統。這是因為小型計算機功能太強,控制一臺機床能力有富裕(故當時曾用于控制多臺機床,稱之為群控),不如采用微處理器經濟合理。而且當時的小型機可靠性也不理想。早期的微處理器速度和功能雖還不夠高,但可以通過多處理器結構來解決。由于微處理器是通用計算機的核心部件,故仍稱為計算機數控。

　　到了1990年,PC機(個人計算機,國內習慣稱微機)的性能已發展到很高的階段,可以滿足作為數控系統核心部件的要求。數控系統從此進入了基于PC的階段。最常用的形式:CNC嵌入PC型,在PC內部插入專用的CNC控制卡。

　　將計算機用于數控機床是數控機床史上的一個重要里程碑,因為它綜合了現代計算機技術、自動控制技術、傳感器技術及測量技術、機械制造技術等領域的最新成就,使機械加工技術達到了一個嶄新的水平。(隨著科技的發展晶體管的體積越來越小,已達到納米級。(1納米為1米的10億分之一),納米晶體管的出現將導致未來可以制造出更強勁的計算機芯片。把20納米的晶體管放進一片普通集成電路,形同一根頭發放在足球場的中央。現代微處理器包含上億的晶體管。

　　CNC與NC相比有許多優點,最重要的是:CNC的許多功能是由軟件實現的,可以通過軟件的變化來滿足被控機械設備的不同要求,從而實現數控功能的更改或擴展,為機床制造廠和數控用戶帶來了極大的方便。

　　4、結語

　　總之,計算機數控階段也經歷了三代。即1970年的第四代--小型計算機;1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC(國外稱為PC-BASED)。基于PC的運動控制器,目前最流行的是PMAC。(PMAC(Program Multiple Axises Controller)是美國delta tau 公司生產制造的多軸運動控制卡)。

　　參考文獻

　　[1] 劉生,等.數控系統的基本情況分析與研究.2002.(7).

　　[2] 李積繼,等.CNC系統的研究與開發[J].防爆電機,1995,(2).