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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 Windows193

8.1.1 DOS193

8.1.3 Linux/RTLinux194

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PLC297

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