数控机床基本知识和特点

1.数控系统的基本概念

数控系统即计算机数控系统（CNC）是用数字控制技术实现的自动控制系统，其被控对象可以是各种生产过程。任何生产都有一定的过程，采用数字控制技术，生产过程被用某种语言编写的程序来描述，以数字形式送入计算机或专用计算装置，利用计算机的高速数据处理能力，识别出该程序所描述的生产过程，通过计算和处理，将此程序分解为一系列的动作指令，输出并控制生产过程中相应的执行对象，从而可使生产过程能在人不干预或少干预的情况下自动进行，实现生产过程的自动化。

根据不同的被控对象，有各种数控系统存在，其中，最早产生的、目前应用最为广泛的是机械加工行业中的各种机床数控系统，即以加工机床为被控对象的数字控制系统，例如：数控车床、数控铣床、数控线切割机、数控加工中心等。

2.数控系统的组成

数控系统一般由输入输出装置、数控装置（或数控单元）、主轴单元、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、可编程序控制器（Programmable Logic Controller，PLC）及电气控制装置、辅助装置、测量装置组成如图3-1所示。

图3-1 数控系统的组成

（1）输入输出装置

输入输出装置主要用于零件加工程序的编制、存储、打印和显示或是机床的加工的信息的显示等。简单的输入输出装置只包括键盘和若干个数码管，较高级的系统一般配有CRT（阴极射线管）显示器和LCD（液晶）显示器。一般的输入输出装置除了人机对话编程键盘和CRT显示器外，还有磁盘等。

（2）数控装置

数控装置是数控系统的核心，这一部分主要包括微处理器、存储器、外围逻辑电路及与数控系统其他组成部分联系的接口等。其原理是根据输入的数据段插补出理想的运动轨迹，然后输出到执行部件（伺服单元、驱动装置和机床），加工出所需要的零件。因此，输入、轨迹插补、位置控制是数控装置的三个基本部分。

（3）伺服单元和驱动装置

伺服单元接受来自数控装置的进给指令，经变换和放大后通过驱动装置转变成机床工作台的位移和速度。因此伺服单元是数控装置和机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。根据接受指令的不同伺服单元有脉冲式和模拟式之分，而模拟式伺服单元按电源种类又分为直流伺服单元和交流伺服单元。

驱动装置把放大的指令信号变成为机械运动，通过机械连接部件驱动机床工作台，使工作台精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零件。与伺服单元相对应，驱动装置有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机。

伺服单元和驱动装置可合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置。从某种意义上说，数控机床功能强弱主要取决于数控装置，性能的好坏主要取决于伺服驱动系统。

（4）可编程序控制器

可编程序控制器（PLC）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置，专为在工业环境下应用而设计的。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，没有轨迹上的具体要求，它接受数控装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如工件的装夹、刀具的更换、冷却液的开关等一些辅助动作；它还接受机床操作面板的指令，一方面直接控制机床动作，另一方面将指令送往数控装置用于加工过程的控制。

（5）主轴驱动系统

主轴驱动系统和进给伺服驱动系统有很大的差别，主轴驱动系统主要是旋转运动。现代数控机床对主轴驱动系统提出了更高的要求，这包括有很高的主轴转速和很宽的无级调速范围等，为满足上述要求，现在绝大多数数控机床均采用笼型异步电动机配矢量变换变频调速的主轴驱动系统。

（6）测量装置(www.xing528.com)

测量装置也称反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，与指令值比较产生误差信号以控制机床向消除该误差的方向移动。此外，由测量装置和数显环节构成数显装置，可以在线显示机床坐标值，可以大大提高工作效率和工件的加工精度。常见测量装置有光电编码器、光栅尺、旋转变压器等。

按有无检测装置，数控系统可分为开环与闭环数控系统，而按测量装置的安装位置又可分为闭环与半闭环数控系统。开环数控系统的控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控系统的精度取决于测量装置的精度。因此，测量装置是高性能数控机床的重要组成部分。

3.数控系统的主要工作过程

数控系统的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制，图3-2初步描绘了数控系统的主要工作过程。

在接通电源后，微机数控装置和可编程序控制器都将对数控系统各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初态。

图3-2 数控系统的主要工作过程

对第一次使用的数控装置，还需要进行机床参数设置。如指定系统控制的坐标轴；指定坐标计量单位和分辨率；指定系统中配置可编程序控制器的状态（有/无配置，是独立型还是内装型）；指定系统中检测器件的配置（有/无检测器件，检测器件的类型和有关参数）；工作台各轴行程的正负向极限的设置等。通过机床参数的设置，使数控装置适应具体数控机床的硬件构成环境。

当数控系统具备了正常工作的条件时，开始进行加工控制信息的输入。

工件在数控机床上的加工过程由数控加工程序来描述。按管理形式不同，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前进行。对前一种情况，数控加工程序在加工准备阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质（如纸带、磁带或磁盘）上，再输入数控装置，或者采用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数控加工程序进行修改；对后一种情况，操作员直接利用数控装置本身的编辑器进行数控加工程序的编写和修改。

输入给数控装置的加工程序必须适应实际的工件和刀具位置，因此在加工前还要输入实际使用刀具的刀具参数，及实际工件原点相对机床原点的坐标位置。

加工控制信息输入后，可选择一种加工方式（手动方式或自动方式的单段方式和连续方式），启动加工运行，此时，数控装置在系统控制程序的作用下，对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码和预计算（刀补计算、坐标变换等）。

系统进行数控加工程序译码（或解释）时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关C功能和坐标指定等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状；工艺数据是主轴转速和进给速度等功能，即F、S功能和部分G功能；开关功能是对机床电器的开关命令，例如主轴起/停、刀具选择和交换、冷却液的起/停、润滑液的起/停等辅助M功能指令等。

由于在编写数控加工程序时，一般不考虑刀具的实际几何数据，所以，数控装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，要进行相应的刀具补偿计算，简称刀补计算，即使刀架相关点相对实际刀具的切削点进行平移，具体的刀补计算有刀具长度补偿和刀具半径补偿等。如前所述，在数控系统中存在着多种坐标系，根据输入的实际工件原点，加工程序所采用的各种坐标系等几何信息，数控装置还要进行相应的坐标变换。

数控装置对加工控制信息预处理完毕后，开始逐段运行数控加工程序。

根据所要产生的运动轨迹，将各曲线段起、终点及其连接方式（如直线和圆弧等）等主要几何数据给出，数控装置中的插补器能根据已知的几何数据进行插补处理。所谓插补一般是指已知曲线上的某些数据，按照某种算法计算已知点之间的中间点的方法，又称“数据密化”计算的方法。在数控系统中，插补具体指根据曲线段已知的几何数据，以及相应工艺数据中的速度信息，计算出曲线段起、终点之间的一系列中间点，分别向各个坐标轴发出方向、大小和速度都确定的协调的运动序列命令，通过各个轴运动的合成，产生数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。按插补算法不同，有多种不同复杂程度的插补处理。一般按照插补结果，插补算法被分为脉冲增量插补法和数字采样插补法两大类。前者的插补结果是分配给各个轴的进给脉冲序列；后者的插补结果是分配给各个轴的插补数据序列。

由插补器向各个轴发出的运动序列命令为各个轴位置调节器的命令值，位置调节器将其与机床上位置检测元件测得的实际位置相比较，经过调节，输出相应的位置和速度控制信号，控制各轴伺服系统驱动机床各个轴运动，使刀具相对工件正确运动，加工出要求的工件轮廓。

由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和由机床反馈的回答信号一起被处理和转换为对机床开关设备的控制命令。在现代的数控系统中，多数机床控制器都已被PLC取代，使大多数机床控制电路都用PLC中可靠的开关实现，从而，避免相互矛盾的、对机床和操作者有危险的现象（如在主轴还没有旋转之前的“进给允许”）的出现。

在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工的状态，需及时处理有关信号。