數(shù)控系統(tǒng)的配置和功能選擇系統(tǒng)

數(shù)控系統(tǒng)的配置 伺服控制單元的選擇 數(shù)控系統(tǒng)的位置控制方式

開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)：采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，沒(méi)有位置和速度反饋器件，所以控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但它們的負(fù)載能力小，位置控制精度較差，進(jìn)給速度較低，主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置；

半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)：采用直流或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝於電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置/速度檢測(cè)器件來(lái)構(gòu)成半閉環(huán)位置 控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來(lái)構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。

由于螺距誤差的存在，使得從半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測(cè)器反饋的絲杠旋轉(zhuǎn)角度變化量，還不能精確地反映進(jìn)給軸的直線運(yùn)動(dòng)位置。但是，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)螺距誤差的補(bǔ)償 後，它們也能達(dá)到相當(dāng)高的位置控制精度。與全閉環(huán)系統(tǒng)相比，它們的價(jià)格較低，安裝在電機(jī)內(nèi)部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩(wěn)定可靠，幾乎無(wú)需維修， 所以廣泛地應(yīng)用于各種類(lèi)型的數(shù)控機(jī)床。

直流伺服電機(jī)的控制比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也較低，其主要缺點(diǎn)是電機(jī)內(nèi)部具有機(jī)械換向裝置，碳刷容易磨損，維修工作量大。運(yùn)行時(shí)易起火花，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的提高較為困難。

交流伺服電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高，目前已在很大範(fàn)圍內(nèi)取代了直流伺服電機(jī)。

伺服控制單元的種類(lèi)

分離型伺服控制單元，其特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制單元相對(duì)獨(dú)立，也就是說(shuō)，它們可以與多種數(shù)控系統(tǒng)配用，NC系統(tǒng)給出的指令是與軸運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的DC電壓 （例如0-10V），而從機(jī)床返回的是與NC系統(tǒng)匹配的軸運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)信號(hào)（例如編碼器?感應(yīng)同步器等輸出信號(hào)）。伺服數(shù)據(jù)的設(shè)定和調(diào)整都在伺服控制單元 側(cè)進(jìn)行（用電位器調(diào)節(jié)或通過(guò)數(shù)字方式輸入）。

串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點(diǎn)是NC系統(tǒng)與伺服控制單元之間的數(shù)據(jù)傳送是雙向。與軸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的指令數(shù)據(jù)、伺服數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)是通過(guò)相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào) 線、選通信號(hào)號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線、報(bào)警信號(hào)線傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位置和狀態(tài)等信息。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點(diǎn)是軸控制單元密集安裝在一起，由一個(gè)公用的DC電源單元供電。NC裝置通過(guò)FCP板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的連接點(diǎn) SR、ST與各個(gè)軸控制單元（子站）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的SR、ST點(diǎn)串聯(lián)，組成伺服控制環(huán)。各個(gè)軸的位置編碼器與軸控制單元之間是通過(guò)二根高速通信線連 接，反饋的信息有運(yùn)動(dòng)軸位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。

串行數(shù)據(jù)傳輸型和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元的伺服參數(shù)在NC裝置中用數(shù)字設(shè)定，開(kāi)機(jī)初始化時(shí)裝入伺服控制單元，修改和調(diào)整都十分方便。

網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統(tǒng)）在相應(yīng)的控制軟件配合下，具有實(shí)時(shí)的調(diào)整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中， 可以根據(jù)電機(jī)的速度和扭矩特性求出相應(yīng)的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時(shí)的加減速度，從而抑制高速定位時(shí)可能引起的振動(dòng)。定位速度的提高可以縮短非切削時(shí) 間，提高加工效率。又如在Hi-Cut型進(jìn)給速度控制功能中，系統(tǒng)可以在讀入零件加工程序後，自動(dòng)識(shí)別數(shù)控指令要求加工的零件形狀（圓弧、棱邊等），自動(dòng) 調(diào)節(jié)加工速度，使之最佳化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速高精度加工。

采用高速微處理器和專(zhuān)用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP）的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)後，硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂?，一些現(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。

伺服控制單元是數(shù)控系統(tǒng)中與機(jī)械直接相關(guān)聯(lián)的部件，它們的性能與機(jī)床的切削速度和位置精度關(guān)系很大，其價(jià)格也占數(shù)控系統(tǒng)的很大部分。相對(duì)來(lái)說(shuō)，伺服部件的故障率也較高，約占電氣故障的70%以上，所以選配伺服控制單元十分重要。

伺服故障除了與伺服控制單元的可靠性有關(guān)外，還與機(jī)床的使用環(huán)境、機(jī)械狀況和切削條件密切相關(guān)。例如環(huán)境溫度過(guò)高，易引起器件過(guò)熱而損壞；防護(hù)不嚴(yán)可能引 起電機(jī)進(jìn)水，造成短路；導(dǎo)軌和絲杠潤(rùn)滑不好或切削負(fù)荷過(guò)重會(huì)引起電機(jī)過(guò)流。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死更會(huì)引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過(guò)載保 護(hù)能力，但是故障情況嚴(yán)重或者多次發(fā)生時(shí)，仍然會(huì)使器件損壞。有些數(shù)控系統(tǒng)具有主軸和進(jìn)給軸的實(shí)時(shí)負(fù)載顯示功能（例如大隈OSP系統(tǒng)的“當(dāng)前位置”頁(yè)面上 不僅可以顯示軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，而且還同時(shí)顯示各軸的實(shí)時(shí)負(fù)載百分比，用戶(hù)可以利用這些信息，采取措施來(lái)防止事故的發(fā)生。

進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇

輸出扭矩是進(jìn)給電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。從圖2可見(jiàn)，在連續(xù)操作狀態(tài)下，輸出扭矩是隨轉(zhuǎn)速的升高而減少的，電機(jī)的性能愈好，這種減少值就愈小。為進(jìn)給軸配置電 機(jī)時(shí)應(yīng)滿足最高切削速度時(shí)的輸出扭矩。雖然在快速進(jìn)給時(shí)不作切削，負(fù)載較小 ，但也應(yīng)考慮最高快速進(jìn)給速度下的起動(dòng)扭矩 。高速時(shí)的輸出扭矩下降過(guò)多也會(huì)影響進(jìn)給軸的控制特性。

主軸伺服電機(jī)的選擇

輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。從圖3可見(jiàn)主軸電機(jī)的額定功率是指在恒功率區(qū)（速度N1到N2）內(nèi)運(yùn)行時(shí)的輸出功率，低于基本速度N1時(shí)達(dá)不到額定功 率，速度愈低，輸出功率就愈小。為了滿足主軸低速時(shí)的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時(shí)的電機(jī)速度也在基本速度N1以上，此時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù) 雜，成本也會(huì)相應(yīng)增加。在主軸與伺服電機(jī)直接連接的數(shù)控機(jī)床中，有兩種方法來(lái)滿足主軸低速時(shí)的功率要求，其一是選擇基本速度較低或額定功率高一檔的主軸電 機(jī)，其二是采用特種的繞組切換式主軸伺服電機(jī)（例如日本大隈的YMF型主軸電機(jī)），這種電機(jī)的三相繞組在低速運(yùn)行時(shí)接成星形，而在高速運(yùn)行時(shí)接成三角形， 從而提高了主軸電機(jī)的低速功率特性，降低主軸機(jī)械部件的成本。

這兒要特別指出的是，雖然高速加工是提高數(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的有效途徑，但高速、高精度切削會(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)部件帶來(lái)更高的要求，必然增加數(shù)控系統(tǒng)的成 本，而高速加工的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是輕金屬和薄壁零件的加工，所以，應(yīng)該按機(jī)床的實(shí)際需要選擇主軸和進(jìn)給電機(jī)的速度。

位置檢測(cè)器件的選擇

機(jī)械原點(diǎn)是數(shù)控機(jī)床所有座標(biāo)系的基準(zhǔn)點(diǎn)，機(jī)械原點(diǎn)的穩(wěn)定性是數(shù)控機(jī)床極為重要的技術(shù)指標(biāo)，也是穩(wěn)定加工精度的基本保證，機(jī)械原點(diǎn)的建立方法有兩種：

在采用相對(duì)位置編碼器、感應(yīng)同步器或光柵作為位置反饋器件的數(shù)控機(jī)床中，數(shù)控系統(tǒng)將各進(jìn)給軸的回零減速開(kāi)關(guān)（或標(biāo)記）之後由位置反饋器件產(chǎn)生的第一個(gè)零點(diǎn) 標(biāo)記信號(hào)作為基準(zhǔn)點(diǎn)。這類(lèi)機(jī)床在每次斷電或緊急停機(jī)後都必須重新作各進(jìn)給軸的回零操作，否則，實(shí)際位置可能發(fā)生偏移，回零減速開(kāi)關(guān)與其撞塊的相對(duì)位置調(diào)整 不妥，也會(huì)引起機(jī)械原點(diǎn)位置的不穩(wěn)定，這些都是應(yīng)該重視的；

在采用絕對(duì)位置編碼器作為位置反饋器件的數(shù)控機(jī)床中，絕對(duì)位置編碼器能夠自動(dòng)記憶各進(jìn)給軸全行程內(nèi)的每一點(diǎn)位置，不需回零開(kāi)關(guān)，每次斷電或緊急停機(jī)後，都 不必重新作基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)定操作?；鶞?zhǔn)點(diǎn)位置設(shè)定後永久不變，并由專(zhuān)供絕對(duì)位置編碼器使用的存儲(chǔ)器記憶，特別適用于鼠牙盤(pán)定位的旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)零點(diǎn)位置的設(shè)定，不 僅穩(wěn)定性好，而且給操作和調(diào)整帶來(lái)極大方便。

機(jī)械設(shè)計(jì)方案的選擇

機(jī)床是由機(jī)械和電氣兩部分組成，在設(shè)計(jì)總體方案時(shí)應(yīng)從機(jī)電兩方面來(lái)考慮機(jī)床各種功能的實(shí)施方案，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機(jī)電溝通，揚(yáng)長(zhǎng)避短。下面舉例說(shuō)明。

例一主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有采用伺服電機(jī)或變頻電機(jī)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速和用普通三相異步電機(jī)驅(qū)動(dòng)、機(jī)械齒輪分級(jí)變速、進(jìn)行人工換檔兩類(lèi)方法。

加工中心機(jī)床使用多種刀具進(jìn)行連續(xù)的不同種類(lèi)（銑、鉆、鏜和攻絲等）的切削加工，所以主軸的轉(zhuǎn)速是經(jīng)常變化的，而且必須由加工程序的S指令自動(dòng)實(shí)現(xiàn)，自動(dòng)換刀時(shí)還必須進(jìn)行主軸定向，所以必須采用帶有定向功能的自動(dòng)無(wú)級(jí)調(diào)速方式。

對(duì)于主軸轉(zhuǎn)速要求不高的普通數(shù)控銑床來(lái)說(shuō)，刀具的更換都是用手動(dòng)方式進(jìn)行，而且在加工過(guò)程中，同一把刀具選擇不同轉(zhuǎn)速的機(jī)會(huì)并不多見(jiàn)，在手動(dòng)換刀的同時(shí)進(jìn) 行手動(dòng)變速對(duì)生產(chǎn)效率的影響并不大，所以經(jīng)常采用機(jī)械齒輪分級(jí)變速、人工換檔的控制方式。與采用伺服電機(jī)進(jìn)行無(wú)級(jí)調(diào)速的方案相比，可以顯著地降低生產(chǎn)成 本，節(jié)省能源，維修也簡(jiǎn)單，是很實(shí)用的選擇。

例二使用臥式加工中心對(duì)零件進(jìn)行多面加工時(shí)，往往需要更換夾具并多次裝卡，必須占用可貴的機(jī)床運(yùn)行時(shí)間，選用有雙工位自動(dòng)托板交換（APC）裝置的臥式加 工中心，可以大大地節(jié)省零件裝卡的占機(jī)時(shí)間，從而提高機(jī)床的生產(chǎn)效率，而且該功能的控制是由PLC控制程序來(lái)完成，除了多用幾個(gè)輸入/輸出控制點(diǎn)外，數(shù)控 系統(tǒng)的成本增加不多，是個(gè)功能/價(jià)格比很高的選擇。

例三加工中心機(jī)床的換刀時(shí)間對(duì)生產(chǎn)效率有很大影響，而換刀速度與機(jī)械結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。例如，由油缸控制的機(jī)械手換刀時(shí)間一般在10秒以上，在2~3秒內(nèi) 能完成換刀動(dòng)作的機(jī)械手一般采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，配有凸輪和內(nèi)外油缸松刀機(jī)構(gòu)。與機(jī)構(gòu)不相當(dāng)?shù)膿Q刀速度，可能使故障率增加。選擇合理的切削路徑、采用高質(zhì)量 的刀具、切削條件的最佳化也是提高生產(chǎn)效率的重要手段，應(yīng)綜合考慮。

數(shù)控功能的選擇

除基本功能以外，數(shù)控系統(tǒng)還為用戶(hù)提供多種可選功能，各知名品牌的數(shù)控系統(tǒng)的基本功能差別不大，所以，合理地選擇適合機(jī)床的可選功能，放棄可有可無(wú)或不實(shí)用的可選功能，對(duì)提高產(chǎn)品的功能/價(jià)格比大有好處，下面列舉幾個(gè)例子供參考。

動(dòng)畫(huà)/軌跡顯示功能

該功能用于模擬零件加工過(guò)程，顯示真實(shí)刀具在毛坯上的切削路徑，可以選擇直角座標(biāo)系中的兩個(gè)不同平面的同時(shí)顯示，也可選擇不同視角的三維立體顯示?？梢栽?加工的同時(shí)作實(shí)時(shí)的顯示，也可在機(jī)械鎖定的方式下作加工過(guò)程的快速描繪。這是一種檢驗(yàn)零件加工程序、提高編程效率和實(shí)時(shí)監(jiān)視的有效工具。

軟盤(pán)驅(qū)動(dòng)器

通過(guò)這種數(shù)據(jù)傳送工具可以將系統(tǒng)中已經(jīng)調(diào)試完畢的加工程序存入軟盤(pán)後存檔，也可以通過(guò)它將在其它計(jì)算機(jī)生成的加工程序存入NC系統(tǒng)，從而減少加工程序的輸入占機(jī)時(shí)間，更可以用它作各種機(jī)床數(shù)據(jù)的備份或存儲(chǔ)，給程編和操作人員帶來(lái)很大方便。

DNC-B通信功能

眾所周知，由非圓曲線或曲面組成的零件加工程序的編制十分困難，通常的辦法是借助于通用計(jì)算機(jī)，將它們細(xì)分為微小的三維直線段後再編寫(xiě)加工程序，所以程序 容量極大。在模具加工中，這種長(zhǎng)達(dá)幾百K字節(jié)（4K字節(jié)約等于10米紙帶長(zhǎng)度）的加工程序經(jīng)常遇到，而一般數(shù)控系統(tǒng)提供的基本程序存儲(chǔ)容量為 64?128K字節(jié)，這給模具加工帶來(lái)很大困難。

DNC-B通信功能具有兩種工作方式，其一是在個(gè)人計(jì)算機(jī)和數(shù)控系統(tǒng)的加工程序存儲(chǔ)區(qū)之間進(jìn)行雙向的程序傳送，其二是將個(gè)人計(jì)算機(jī)的加工程序一段一段地傳 送到數(shù)控系統(tǒng)的緩沖運(yùn)行存儲(chǔ)器，邊加工邊傳送，直到加工結(jié)束。這就徹底解決了大容量程序零件的加工問(wèn)題。雖然選用這項(xiàng)功能需要增加一定的費(fèi)用，但它確實(shí)是 功能/價(jià)格比很高的選項(xiàng)。

當(dāng)然，選擇擴(kuò)充內(nèi)存容量也是解決曲面模具加工的有效方法，例如大隈OSP系統(tǒng)的最大運(yùn)行緩沖存儲(chǔ)器容量為512K字節(jié)。程序存儲(chǔ)器容量可以擴(kuò)充到 4096K字節(jié)，這樣就可以滿足極大部分模具加工的需要，與采用DNC-B方式相比，它的優(yōu)點(diǎn)是省去了個(gè)人計(jì)算機(jī)這個(gè)環(huán)節(jié)，使運(yùn)行更加可靠，操作也比較方 便。

簡(jiǎn)化編程的功能

為了提高編程的效率，縮短加工程序的長(zhǎng)度，發(fā)揮程序存儲(chǔ)器的潛力，數(shù)控系統(tǒng)提供了一些簡(jiǎn)化程序編制的方法。

固定循環(huán)

將常用的加工工序（例如鉆孔、鏜孔、攻絲及腔體和周邊加工等）編寫(xiě)成參數(shù)式的固定循環(huán)程序，編程時(shí)由用戶(hù)填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如基面、孔深、每次切入量以及主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度等）就可完成預(yù)定的加工工序，并可多次重復(fù)使用。

座標(biāo)計(jì)算功能

利用數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)計(jì)算能力，將以各種規(guī)則分布的孔加工工序（例如斜線、圓周和網(wǎng)格等）編寫(xiě)成參數(shù)式的固定循環(huán)程序，編程時(shí)由用戶(hù)填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如角度、半徑、孔數(shù)、行數(shù)和列數(shù)等）就可完成預(yù)定的加工工序。

子程序功能

用戶(hù)可以將零件中多處用到的同一加工工序編成子程序，在相應(yīng)的部位調(diào)用，從而縮短加工程序的長(zhǎng)度。

用戶(hù)宏程序

用戶(hù)可以利用系統(tǒng)提供的各種算術(shù)、邏輯和函數(shù)運(yùn)算符以及各種分支語(yǔ)句，來(lái)組成描述加工零件形狀的數(shù)學(xué)表達(dá)式，在程序執(zhí)行過(guò)程中，數(shù)控系統(tǒng)邊運(yùn)算，邊輸出結(jié)果，用很短的程序就可以實(shí)現(xiàn)特種曲線和曲面的加工。

剛性攻絲功能

剛性攻絲功能必須采用伺服電機(jī)來(lái)驅(qū)動(dòng)主軸，不僅要求在主軸上增加位置傳感器，而且對(duì)主軸傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的間隙和慣量都有嚴(yán)格的要求，所以不能忽略這個(gè)功能的成 本。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，如果沒(méi)有特殊的要求（例如高速高精度、特種材料或大直徑孔加工等），可以采用彈性伸縮卡頭，在一般主軸上進(jìn)行柔性攻絲來(lái)滿足加工要求，就 不必選用剛性攻絲功能。

刀具壽命管理功能

在加工中心上是否要選用刀具壽命管理功能，必須考慮加工零件的批量、刀具和毛坯質(zhì)量的一致性以及刀庫(kù)的容量等因素，否則，不僅會(huì)造成許多人為的錯(cuò)誤，影響生產(chǎn)的正常進(jìn)行，而且備用刀具占用的刀位也將大大減少刀庫(kù)的有效容量，使一些復(fù)雜零件因刀位不足而無(wú)法加工。

自動(dòng)刀具半徑/長(zhǎng)度和工件測(cè)量功能

加工程序中的刀具運(yùn)動(dòng)軌跡通常按刀具中心和刀尖編寫(xiě)，所以在程序執(zhí)行前必須輸入相應(yīng)的刀具半徑和長(zhǎng)度，這對(duì)加工中心尤其重要。

刀具半徑和長(zhǎng)度可以用普通的量具手工測(cè)量，也可用專(zhuān)門(mén)的刀具測(cè)量?jī)x測(cè)量。操作者可以通過(guò)每把刀的刀尖在Z軸方向相對(duì)于機(jī)床上同一“對(duì)刀面”的位置差來(lái)作為 長(zhǎng)度偏移值進(jìn)行補(bǔ)償，采用數(shù)控系統(tǒng)本身提供的“半自動(dòng)刀具長(zhǎng)度測(cè)量”功能，輸入相對(duì)于“標(biāo)準(zhǔn)刀具”的長(zhǎng)度補(bǔ)償值。

自動(dòng)刀具半徑/長(zhǎng)度和工件測(cè)量功能，需要配備專(zhuān)用的接觸式傳感器及激光測(cè)頭和信號(hào)接收器。選用此功能時(shí)應(yīng)明確以下幾點(diǎn)：

接觸式傳感器和信號(hào)接收器安裝在機(jī)床工作區(qū)內(nèi)，它的防護(hù)十分重要，切削量大，使用噴淋沖洗的機(jī)床不宜安裝；

進(jìn)行上述測(cè)量需要占用機(jī)床加工時(shí)間，可能影響機(jī)床的效率；

工件測(cè)量功能的一般用途是測(cè)量工件毛坯上作為程編原點(diǎn)的基準(zhǔn)孔中心或其它基準(zhǔn)點(diǎn)的位置，代替人工“對(duì)刀”，它的精度不會(huì)高于機(jī)床本身的定位精度。