PC数控原理、系统及应用PDF电子书下载

第1部分 PC数控原理 1

第1章 绪论 1

1.1 数控技术的发展历史与PC数控 1

1.2 PC数控的技术经济优势 2

1.3 PC数控的当前技术水平 3

1.4 PC数控技术与装备的发展趋势 5

1.5 发展高性能PC数控产品的技术途径 9

2.1.2 PC系统的组成 11

2.1.1 PC的发展历程 11

2.1 PC系统的基本原理 11

第2章 PC数控的基本原理 11

2.1.3 PC系统的工作原理 13

2.1.4 PC用于工业控制的基本原理 14

2.2 PC控制加工过程的基本原理 15

2.2.1 数控加工的基本概念 15

2.2.2 PC数控加工的实现过程 15

2.3 PC数控加工系统的组成 22

2.3.1 单机系统 22

2.3.2 多机系统 23

2.4.2 PC数控系统的基本结构 24

2.4 PC数控系统的基本结构与运行原理 24

2.4.1 数控系统的概念 24

2.4.3 PC数控系统的运行原理 26

2.5 PC数控装置的主要环节 28

2.5.1 人机交互与信息输入模块 28

2.5.2 联网通信与控制模块 29

2.5.3 加工信息处理模块 29

2.5.4 反馈信息处理模块 30

2.5.5 轨迹插补模块 30

2.5.7 主轴控制模块 31

2.5.6 进给轴控制模块 31

2.5.8 辅助控制模块 32

2.5.9 系统管理与控制模块 32

第3章 PC数控的轨迹插补原理与方法 34

3.1 PC数控轨迹插补的基本原理 34

3.1.1 数字方式下的轨迹插补原理 34

3.1.2 脉冲方式下的轨迹插补原理 37

3.2 PC数控轨迹插补的基本方法 37

3.2.1 空间直线插补方法 37

3.2.2 多轴线性插补方法 39

3.2.3 圆弧插补方法 40

3.2.4 椭圆插补方法 42

3.2.5 螺旋线插补方法 43

3.3 PC数控的高速采样插补方法 44

3.3.1 低频采样插补存在的问题 44

3.3.2 提高采样插补性能的思路 45

3.3.3 高速高精度插补的硬件环境 47

3.3.4 插补算法与软件设计 48

3.4 PC数控的样条曲线插补方法 52

3.4.1 样条曲线插补的基本原理 52

3.4.2 样条曲线插补的实现方法 53

3.4.3 列表曲线的样条插补方法 57

3.4.4 高次曲线的样条插补方法 59

3.5 PC数控的自由曲面插补方法 59

3.5.1 自由曲面的数学模型与信息传递 60

3.5.2 自由曲面上切削路径的u-v域描述 61

3.5.3 切削轨迹的实时生成 62

3.5.4 自由曲面插补中的误差控制 63

3.5.5 刀具运动轨迹计算 64

3.5.6 组合曲面插补中的过渡轨迹计算 64

3.6 PC数控的螺纹加工控制方法 65

3.6.2 同步控制算法 66

3.6.1 软件同步控制的基本原理 66

3.6.3 软件实现 68

3.7 PC数控的数字-脉冲转换方法 69

3.7.1 数字积分原理 69

3.7.2 数字-脉冲转换的实现方法 69

3.7.3 多轴转换的软件计算流程 70

3.7.4 脉冲转换与采样插补的同步问题 70

3.8 PC数控的柔性加减速控制方法 71

3.8.1 柔性加减速控制的基本思想 72

3.8.2 柔性自动加速控制 73

3.8.3 柔性自动减速控制 74

第4章 PC数控的轨迹控制原理与方法 76

4.1 数控轨迹控制的基本原理 76

4.2 PC数控的步进运动控制 78

4.2.1 步进运动控制的特点 78

4.2.2 软件化步进运动控制方法 78

4.2.3 PC+I/O的步进运动控制方法 80

4.3 PC数控的闭环步进运动控制 80

4.3.1 问题的提出 80

4.3.2 提高步进运动控制精度的新思路 81

4.3.3 闭环步进运动控制系统的组成与动态结构 82

4.3.4 位置控制器设计 83

4.4 PC数控的连续运动控制 85

4.4.1 模拟伺服运动控制系统的组成 85

4.4.2 模拟伺服运动控制系统的控制器设计 86

4.4.3 模拟伺服运动控制系统存在的问题 87

4.5 PC数控的数字化连续运动控制 87

4.5.1 连续运动的数字化驱动 87

4.5.2 连续运动的数字化直接控制 87

4.5.3 连续运动的数字化闭环控制 89

4.5.4 连续运动的数字化转角-线位移双闭环控制 95

第5章 PC数控的高级控制方法 101

5.1 高速PC数控的轨迹前瞻控制方法 101

5.1.1 问题的提出 101

5.1.2 前瞻控制方法 101

5.1.3 前瞻控制的实现 104

5.2 高速PC数控的合成轨迹误差控制方法 105

5.2.1 进给轴跟随误差对轨迹精度的影响 105

5.2.2 从控制角度提高合成轨迹精度的途径 109

5.2.3 轨迹误差增益匹配控制方法 111

5.2.4 轨迹误差交叉耦合控制方法 112

5.2.5 轨迹误差预测补偿控制方法 113

5.2.6 轨迹误差仿真学习控制方法 115

5.3 基于PC数控的虚拟轴机床控制方法 117

5.3.1 虚拟轴机床的概念 117

5.3.2 Stewart平台并联机床的控制 118

5.3.3 超长行程高速混联机床的控制 125

5.4 基于PC数控的位姿自适应控制方法 130

5.4.1 问题的提出 130

5.4.2 位姿自适应控制原理 131

5.4.3 位姿自适应控制的基本方法 133

5.5 基于STEP-NC的PC数控方法 139

5.5.1 STEP-NC的基本概念 139

5.5.2 基于STEP-NC的PC数控系统的组成 141

5.5.3 STEP-NC数控系统的新方法 141

第2部分 PC数控系统 144

第6章 PC数控系统的体系结构 144

6.1 NC+PC的复合式结构 144

6.2 PC+NC的递阶式结构 145

6.3 PC+I/O的软件化结构 146

6.4 PC+功率接口的集成化结构 148

6.5 PC+实时网络的分布式结构 151

第7章 PC数控的硬件系统 153

7.1 PC数控系统的硬件平台 153

7.1.1 PC硬件系统的基本结构 153

7.1.2 PC的中央处理器 155

7.1.3 PC桥路系统 158

7.1.4 PC系统总线 159

7.2 PC数控硬件系统的总体结构 162

7.2.1 PC数控硬件系统的组成 162

7.2.2 基于通用PC的数控系统硬件结构 162

7.2.3 基于工业PC的数控系统硬件结构 163

7.2.4 基于PC104的数控系统硬件结构 164

7.2.5 基于USB的数控系统硬件结构 165

7.3 基于ISA的数控硬件模块设计 166

7.3.1 ISA总线信号的定义 166

7.3.2 ISA模块设计要点 167

7.3.3 ISA模块设计实例 168

7.4 基于PCI的数控硬件模块设计 172

7.4.1 PCI总线信号定义 172

7.4.2 数控硬件模块与PCI总线的接口 173

7.4.3 PCI模块设计实例 175

7.5.1 USB接口芯片选择 183

7.5 基于USB的数控硬件模块设计 183

7.5.2 USB模块设计要点 184

7.5.3 USB模块设计实例 185

7.6 无线数控硬件模块设计 188

7.6.1 总体方案 189

7.6.2 数控装置接口电路 189

7.6.3 执行装置接口电路 190

第8章 PC数控的软件系统 192

8.1 PC数控系统的软件平台 192

8.1.2 Windows 193

8.1.1 DOS 193

8.1.3 Linux/RTLinux 194

8.2 PC数控软件系统的总体结构 195

8.2.1 PC数控软件系统的组成及主要模块的功能 195

8.2.2 PC数控软件系统的实现方案 196

8.2.3 实时域与非实时域模块的协调运行与信息交换 197

8.3 基于前后台结构的PC数控软件系统设计 198

8.3.1 基本考虑 198

8.3.2 总体结构 199

8.3.3 关键问题 200

8.4.1 基本考虑 201

8.4 基于Windows平台的PC数控软件系统设计 201

8.4.2 总体结构 202

8.4.3 关键问题 203

8.5 基于RTLinux平台的PC数控软件系统设计 229

8.5.1 基本考虑 229

8.5.2 总体结构 229

8.5.3 关键问题 230

9.1 交流电动机的结构特点与数学模型 239

9.1.1 三相交流电动机的结构特点 239

第9章 PC数控的驱动系统 239

9.1.2 交流电动机双轴理论基础 240

9.1.3 d-q坐标系下同步电动机的数学模型 242

9.1.4 d-q坐标系下异步电动机的数学模型 243

9.2 交流驱动系统的电力变换电路 246

9.2.1 电力变换电路的基本结构 246

9.2.2 三相逆变电路的PWM控制 246

9.2.3 三相逆变电路的SPWM控制 247

9.3 交流进给驱动系统 248

9.3.1 正弦波永磁同步电动机驱动系统 248

9.3.2 方波型永磁无刷电动机驱动系统 250

9.3.3 感应异步电动机驱动系统 253

9.4 交流主轴驱动系统 255

9.4.1 交流异步伺服主轴驱动系统 255

9.4.2 交流异步调速主轴驱动系统 258

9.4.3 交流同步伺服主轴驱动系统 259

9.5 交流驱动系统的数字化控制 260

9.5.1 基于PC的数字化位置控制 260

9.5.2 基于DSP的全数字化控制 261

9.5.3 PC+DSP的数字化控制 263

9.5.4 基于PC的集成化数字控制 264

10.1.1 直流直线电动机的结构与工作原理 265

10.1 直流直线电动机进给驱动系统 265

第10章 PC数控的零传动驱动系统 265

10.1.2 电磁力的控制 266

10.1.3 速度与位置控制 269

10.1.4 直流直线电动机驱动系统的优缺点 270

10.2 交流永磁同步直线电动机进给驱动系统 270

10.2.1 交流永磁同步直线电动机的基本结构 270

10.2.2 交流永磁同步直线电动机的工作原理 271

10.2.3 电磁力的控制 272

10.2.4 速度与位置控制 273

10.3.1 交流异步直线电动机的基本结构 274

10.2.5 交流永磁同步直线电动机进给驱动系统的优缺点 274

10.3 交流异步直线电动机进给驱动系统 274

10.3.2 交流异步直线电动机的工作原理 275

10.3.3 电磁力的控制 276

10.3.4 速度与位置控制 278

10.3.5 交流异步直线电动机驱动系统的优缺点 278

10.4 数控转台与摆头的零传动驱动系统 278

10.4.1 问题的提出 278

10.4.2 旋转零传动驱动的环形伺服电动机 279

10.4.3 旋转零传动驱动系统的位置传感器 279

10.4.4 旋转零传动驱动的控制系统 280

10.5 交流异步电主轴系统 281

10.5.1 交流异步电主轴的基本结构 282

10.5.2 交流电主轴系统的电力变换电路 282

10.5.3 交流异步电主轴的驱动控制系统 285

10.5.4 交流异步电主轴存在的问题 288

10.6 永磁同步电主轴系统 288

10.6.1 永磁同步电主轴的基本结构 288

10.6.2 永磁同步电主轴的控制方法 289

10.6.3 永磁同步电主轴的驱动控制系统 292

第11章 PC数控的开关量控制系统 294

11.1.1 开关量计算机控制系统的基本结构 295

11.1.2 开关量计算机控制器的工作原理 295

11.1 开关量计算机控制系统的基本结构与工作原理 295

11.2 PC数控的开关量控制系统与PC化PLC 297

11.2.1 PC数控的开关量控制系统 297

11.2.2 PC化PLC的总体结构 298

11.2.3 PC化PLC的硬件系统 299

11.2.4 PC化PLC的软件系统 300

11.3 PC化PLC的主要功能 301

11.4.1 PC化PLC的内部资源 303

11.4 PC化PLC的内部资源与外部接口 303

11.4.2 PC化PLC的外部接口 304

11.4.3 输入、输出接口的硬件电路 305

11.5 PC化PLC的控制程序设计 306

11.5.1 PLC的编程指令 306

11.5.2 基本控制程序设计 307

11.5.3 综合控制程序设计 308

第12章 PC数控的网络化控制系统 312

12.1 网络化PC数控系统的基本概念与总体结构 312

12.1.1 数控系统的联网通信与联网控制 312

12.1.2 网络化PC数控系统的基本概念 313

12.1.3 网络化PC数控系统的总体结构 314

12.1.4 网络化PC数控系统对网络系统的要求 314

12.2 网络化PC数控系统的底层控制系统 315

12.2.1 网络数控底层通信与控制系统的特点 315

12.2.2 基于SERCOS总线的底层控制系统 315

12.2.3 基于现场总线PROFIBUS的底层控制系统 320

12.2.4 基于现场总线CAN的底层控制系统 323

12.3 网络化PC数控系统的上层控制系统 325

12.3.1 基于工业以太网的上层控制系统 325

12.3.2 基于MAP网的上层控制系统 327

12.4 网络化PC数控系统的无线通信系统 331

12.4.1 问题的提出 331

12.4.2 基于蓝牙无线网的底层通信系统 332

12.4.3 基于802.11x无线网的上层通信系统 333

第3部分 PC数控技术应用 338

第13章 PC数控系统的典型应用 338

13.1 PC数控系统在车床上的应用 338

13.1.1 车床用PC数控系统的应用功能 338

13.1.2 PC数控系统与车床的连接 339

13.1.3 车床数控系统的操作 340

13.1.4 车床数控系统的特殊应用功能 343

13.2 PC数控系统在铣床上的应用 345

13.2.1 五坐标数控铣床的结构特点 345

13.2.2 PC数控系统与五轴铣床的连接 346

13.2.3 铣床数控系统的操作 347

13.2.4 五轴数控系统应用中的特殊问题 349

13.3 PC数控系统在加工中心上的应用 353

13.3.1 加工中心用PC数控系统的主要功能 353

13.3.3 刀库与换刀控制 354

13.3.2 数控系统与加工中心的连接 354

13.3.4 加工中心数控系统应用中的特殊问题 361

13.4 PC数控系统在线切割机床上的应用 364

13.4.1 线切割加工技术的发展 364

13.4.2 多坐标线切割机床的结构特点 364

13.4.3 基于PC数控平台的线切割机床控制系统 365

13.4.4 多坐标线切割机床的数控编程 366

13.5 PC数控系统在激光加工设备上的应用 367

13.5.1 激光加工控制的要求 367

13.5.2 激光加工数控系统的总体结构 368

13.5.3 激光加工数控系统的关键环节 369

13.6.1 快速原型制造的基本原理 370

13.6 PC数控系统在快速原型制造设备上的应用 370

13.6.2 基于PC数控平台的RPM控制系统 371

13.6.3 RPM设备控制中的特殊问题 372

第14章 PC数控系统的特殊应用 374

14.1 PC数控系统在机器人控制中的应用 374

14.1.1 机器人控制与机床控制的共性与特殊性 374

14.1.2 基于PC数控平台的机器人控制系统 374

14.1.3 PC数控系统用于机器人控制的特殊问题 376

14.2.1 坐标测量机的结构与工作原理 377

14.2 PC数控系统在坐标测量机上的应用 377

14.2.2 基于PC数控平台的测量机控制系统 378

14.2.3 PC数控系统对测量过程的控制 379

14.2.4 基于PC数控平台的测量数据处理 381

14.3 基于PC数控的实物映射加工系统 382

14.3.1 问题的提出 382

14.3.2 基于PC数控的实物映射加工系统的组成 383

14.3.3 实物映射加工系统的关键环节 384

14.4 基于PC数控的智能寻位加工系统 385

14.4.1 问题的提出 385

14.4.3 智能寻位加工系统的组成 387

14.4.2 智能寻位加工的概念与方法 387

14.4.4 智能寻位加工系统的关键环节 390

14.5 基于PC数控的自动导引车控制系统 391

14.5.1 自动导引车的概念 391

14.5.2 AGVS控制系统的组成 391

14.5.3 基于PC104的车载控制器 392

第15章 基于PC数控的网络化制造系统 395

15.1 系统的总体结构 395

15.2 信息流子系统 396

15.2.1 信息流系统的地位和作用 396

15.2.2 管理层网络系统的组建 397

15.2.3 现场层网络系统的组建 398

15.2.4 分布式数据库系统的组建 399

15.3 运行管理子系统 400

15.4 生产调度子系统 401

15.5 过程控制子系统 402

15.6 设备控制子系统 405

15.6.1 设备控制系统的总体结构 405

15.6.2 CAN总线接口 405

15.6.3 联网通信软件 406

15.6.4 联网控制软件 410

参考文献 415