工程機(jī)械文摘投稿機(jī)床數(shù)字控制系統(tǒng)

　　本篇文章是由《工程機(jī)械文摘》發(fā)表的一篇機(jī)械論文，創(chuàng)刊于1983年是由中華人民共和國(guó)新聞出版署批準(zhǔn)，天津工程機(jī)械研究院主管主辦，工程機(jī)械文摘編輯部編輯/出版，面向全國(guó)公開發(fā)行的工程機(jī)械行業(yè)權(quán)威性綜合技術(shù)刊物。 

　　摘 要:數(shù)控機(jī)床的核心就是CNC系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱數(shù)控系統(tǒng)),從自動(dòng)控制的角度看,數(shù)控系統(tǒng)就是一種軌跡控制系統(tǒng),即其本質(zhì)上是以多執(zhí)行部件(各運(yùn)動(dòng)軸)的位移量為控制對(duì)象并使其協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)控制系統(tǒng),是一種配有專用操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。

　　關(guān)鍵詞:數(shù)字控制系統(tǒng) 發(fā)展 CNC

　　1、數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展史

　　自從20世紀(jì)50代世界上第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床問世至今已經(jīng)歷50余年。數(shù)控機(jī)床經(jīng)過了2個(gè)階段和6代的發(fā)展歷程。

　　第1階段是硬件數(shù)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(guī)模集成電路;

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

　　2、數(shù)控(NC)階段(1952～1970年)

　　早期計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度低,雖然對(duì)當(dāng)時(shí)的科學(xué)計(jì)算和數(shù)據(jù)處理影響還不大,但不能適應(yīng)機(jī)床實(shí)時(shí)控制的要求。人們不得不采用數(shù)字邏輯電路"搭"成一臺(tái)機(jī)床專用計(jì)算機(jī)作為數(shù)控系統(tǒng),被稱為硬件連接數(shù)控(HARD-WIRED NC),簡(jiǎn)稱為數(shù)控(NC)。隨著元器件的發(fā)展,這個(gè)階段歷經(jīng)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(guī)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(gè)共同結(jié)構(gòu)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(yáng)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(jī)為例,這種收音機(jī)普遍使用五六個(gè)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(guān),要等1分多鐘才會(huì)慢慢地響起來。如果用于數(shù)控機(jī)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(shí)驗(yàn)室發(fā)明的,榮獲諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng),創(chuàng)造了企業(yè)研發(fā)機(jī)構(gòu)有史以來因技術(shù)發(fā)明而獲諾貝爾獎(jiǎng)的先例,晶體管的發(fā)明對(duì)今后的技術(shù)革命和創(chuàng)新具有重要的啟示意義。晶體管的發(fā)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(hào);不同的是,它廉價(jià)、耐久、耗能小,并且?guī)缀跄軌虮恢瞥蔁o限小。

　　晶體管是現(xiàn)代科技史上最重要的發(fā)明之一,究其原因有三個(gè)方面。第一,它取代了電子管,成為電子技術(shù)的最基本元件,原因是性能好、體積小、可靠性大和壽命長(zhǎng)。第二,它是微電子技術(shù)革命的發(fā)動(dòng)者,而信息時(shí)代至今的發(fā)展就是由微電子技術(shù)、光子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)三次技術(shù)革命組成的,所以它的出現(xiàn)成為報(bào)曉信息時(shí)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ),只不過光電子晶體管是微電子晶體管的演變或發(fā)展罷了。由于這三方面的原因,晶體管的發(fā)明在信息科技的迅速發(fā)展中起了決定性的重要作用,它的意義遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了一種元器件的發(fā)明范圍,而成為揭開現(xiàn)代技術(shù)新領(lǐng)域和變革幾乎各種技術(shù)基礎(chǔ)的關(guān)鍵。所以晶體管發(fā)明過程中的突出特點(diǎn),對(duì)于其他科技的產(chǎn)生和發(fā)展有重要的參考和啟示意義。

　　小規(guī)模集成電路:晶體管誕生后,首先在電話設(shè)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(fā)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(jì)50年刊發(fā)展起來后,以芯片為主的電腦很快就進(jìn)入了人們的辦公室和家庭。

　　3、計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(1970年～現(xiàn)在)

　　到1970年,通用小型計(jì)算機(jī)業(yè)已出現(xiàn)并成批生產(chǎn)。于是將它移植過來作為數(shù)控系統(tǒng)的核心部件,從此進(jìn)入了計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)階段(把計(jì)算機(jī)前面應(yīng)有的"通用"兩個(gè)字省略了)。

　　到1971年,美國(guó)INTEL公司在世界上第一次將計(jì)算機(jī)的兩個(gè)最核心的部件--運(yùn)算器和控制器,采用大規(guī)模集成電路技術(shù)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(jiǎn)稱CPU)。

　　到1974年微處理器被應(yīng)用于數(shù)控系統(tǒng)。這是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)功能太強(qiáng),控制一臺(tái)機(jī)床能力有富裕(故當(dāng)時(shí)曾用于控制多臺(tái)機(jī)床,稱之為群控),不如采用微處理器經(jīng)濟(jì)合理。而且當(dāng)時(shí)的小型機(jī)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(jié)構(gòu)來解決。由于微處理器是通用計(jì)算機(jī)的核心部件,故仍稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控。

　　到了1990年,PC機(jī)(個(gè)人計(jì)算機(jī),國(guó)內(nèi)習(xí)慣稱微機(jī))的性能已發(fā)展到很高的階段,可以滿足作為數(shù)控系統(tǒng)核心部件的要求。數(shù)控系統(tǒng)從此進(jìn)入了基于PC的階段。最常用的形式:CNC嵌入PC型,在PC內(nèi)部插入專用的CNC控制卡。

　　將計(jì)算機(jī)用于數(shù)控機(jī)床是數(shù)控機(jī)床史上的一個(gè)重要里程碑,因?yàn)樗C合了現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、傳感器技術(shù)及測(cè)量技術(shù)、機(jī)械制造技術(shù)等領(lǐng)域的最新成就,使機(jī)械加工技術(shù)達(dá)到了一個(gè)嶄新的水平。(隨著科技的發(fā)展晶體管的體積越來越小,已達(dá)到納米級(jí)。(1納米為1米的10億分之一),納米晶體管的出現(xiàn)將導(dǎo)致未來可以制造出更強(qiáng)勁的計(jì)算機(jī)芯片。把20納米的晶體管放進(jìn)一片普通集成電路,形同一根頭發(fā)放在足球場(chǎng)的中央。現(xiàn)代微處理器包含上億的晶體管。

　　CNC與NC相比有許多優(yōu)點(diǎn),最重要的是:CNC的許多功能是由軟件實(shí)現(xiàn)的,可以通過軟件的變化來滿足被控機(jī)械設(shè)備的不同要求,從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控功能的更改或擴(kuò)展,為機(jī)床制造廠和數(shù)控用戶帶來了極大的方便。

　　4、結(jié)語

　　總之,計(jì)算機(jī)數(shù)控階段也經(jīng)歷了三代。即1970年的第四代--小型計(jì)算機(jī);1974年的第五代--微處理器和1990年的第六代--基于PC(國(guó)外稱為PC-BASED)。基于PC的運(yùn)動(dòng)控制器,目前最流行的是PMAC。(PMAC(Program Multiple Axises Controller)是美國(guó)delta tau 公司生產(chǎn)制造的多軸運(yùn)動(dòng)控制卡)。

　　參考文獻(xiàn)

　　[1] 劉生,等.數(shù)控系統(tǒng)的基本情況分析與研究.2002.(7).

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