一、數(shù)控技術(shù)與數(shù)控
數(shù)控技術(shù)，簡(jiǎn)稱數(shù)控（Numerical Control—NC），是利用數(shù)字化信息對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control—CNC）。
為了對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)及加工過程進(jìn)行數(shù)字化信息控制，必須具備相應(yīng)的硬件和軟件。用來實(shí)現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體成為數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System），數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置（Numerical Controller）。
采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床（NC機(jī)床）。它是一種綜合應(yīng)用了計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、精密測(cè)量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計(jì)等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)。控制機(jī)床也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的性能、水平和發(fā)展方向。
數(shù)控機(jī)床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機(jī)床等等，凡是采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床統(tǒng)稱為NC機(jī)床。
帶有自動(dòng)換刀裝置ATC（Automatic Tool Changer—ATC）的數(shù)控機(jī)床（帶有回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控車床除外）稱為加工中心（Machine Center—MC）。它通過刀具的自動(dòng)交換，工件可以一次裝、夾完成多工序的加工，實(shí)現(xiàn)了工序集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時(shí)間，提高了機(jī)床的效率；減少了工件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機(jī)床。
在加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加多工作臺(tái)（托盤）自動(dòng)交換裝置（Auto Pallet Changer—APC）以及其他相關(guān)裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。FMC不僅是現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，而且通過工作臺(tái)（托盤）的自動(dòng)交換和較完善的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、監(jiān)控功能，可以進(jìn)行一定時(shí)間的無人化加工，從而進(jìn)一步提高了設(shè)備的加工效率。FMC既是柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）的基礎(chǔ)，又可以作為獨(dú)立的自動(dòng)化加工設(shè)備使用，因此其發(fā)展速度較快。
在FMC和加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)設(shè)備，并由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不僅可以進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的無人化加工，而且可以實(shí)現(xiàn)多品種零件的全部加工和部件裝配，實(shí)現(xiàn)了車間制造過程的自動(dòng)化，它是一種高度自動(dòng)化的先進(jìn)制造系統(tǒng)。
隨著科技發(fā)展，為了適應(yīng)市場(chǎng)需求多變的形勢(shì)，對(duì)現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動(dòng)化，而且要實(shí)現(xiàn)從市場(chǎng)預(yù)測(cè)、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、產(chǎn)品制造直到產(chǎn)品銷售的全面自動(dòng)化。將這些要求綜合、構(gòu)成的完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，稱為計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS）。CIMS將一個(gè)更長(zhǎng)的生產(chǎn)、經(jīng)營(yíng)活動(dòng)進(jìn)行了有機(jī)的集成，實(shí)現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產(chǎn)，是當(dāng)今自動(dòng)化制造技術(shù)發(fā)展的最高階段。在CIMS中，不僅是生產(chǎn)設(shè)備的集成，更主要的是以信息為特征的技術(shù)集成和功能集成。計(jì)算機(jī)是集成的工具，計(jì)算機(jī)輔助的自動(dòng)化單元技術(shù)是集成的基礎(chǔ)，信息和數(shù)據(jù)的交換及共享是集成的橋梁，最終形成的產(chǎn)品，可以看成是信息和數(shù)據(jù)的物質(zhì)體現(xiàn)。
二、數(shù)控系統(tǒng)及其組成
數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控設(shè)備的核心。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對(duì)象是坐標(biāo)軸的位移（包括移動(dòng)速度、方向、位置等），其控制信息主要來源于數(shù)控加工或運(yùn)動(dòng)控制程序。因此，作為數(shù)控系統(tǒng)的最基本組成應(yīng)包括：程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)這三部分。
輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置的作用是進(jìn)行數(shù)控加工或運(yùn)動(dòng)控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機(jī)床參數(shù)以及坐標(biāo)軸位置、檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入、輸出。鍵盤和顯示器是任何數(shù)控設(shè)備都必備的最基本的輸入/輸出裝置。此外，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的不同，還可以配光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤驅(qū)動(dòng)器等。作為外圍設(shè)備，計(jì)算機(jī)是目前常用的輸入/輸出裝置之一。
數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它由輸入/輸出接口線路、控制器、運(yùn)算器和存儲(chǔ)器等部分組成。數(shù)控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的邏輯電路或控制軟件進(jìn)行編譯、運(yùn)算和處理，并輸出各種信息和指令，以控制機(jī)床的各部分進(jìn)行規(guī)定的動(dòng)作。
在這些控制信息和指令中，最基本的是坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量指令。它經(jīng)插補(bǔ)運(yùn)算后生成，提供給伺服驅(qū)動(dòng)，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器放大，最終控制坐標(biāo)軸的位移。它直接決定了刀具或坐標(biāo)軸的移動(dòng)軌跡。
此外，根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的不同，如：在數(shù)控機(jī)床上，還可能有主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和起、停指令；刀具的選擇和交換指令；冷卻、潤(rùn)滑裝置的起、停指令；工件的松開、夾緊指令；工作臺(tái)的分度等輔助指令。在數(shù)控系統(tǒng)中，它們是通過接口，以信號(hào)的形式提供給外部輔助控制裝置，由輔助控制裝置對(duì)以上信號(hào)進(jìn)行必要的編譯和邏輯運(yùn)算，放大后驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行器件，帶動(dòng)機(jī)床機(jī)械部件、液壓氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的動(dòng)作。
伺服驅(qū)動(dòng)伺服驅(qū)動(dòng)通常由伺服放大器（亦稱驅(qū)動(dòng)器、伺服單元）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。在數(shù)控機(jī)床上，目前一般都采用交流伺服電動(dòng)機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；在先進(jìn)的高速加工機(jī)床上，已經(jīng)開始使用直線電動(dòng)機(jī)。另外，在20世紀(jì)80年代以前生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床上，也有采用直流伺服電動(dòng)機(jī)；對(duì)于簡(jiǎn)易數(shù)控機(jī)床，也有用作為執(zhí)行器件。伺服放大器的形式?jīng)Q定于執(zhí)行器件，它必須與驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)配套使用。
以上是數(shù)控系統(tǒng)最基本的組成部分。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和機(jī)床性能水平的提高，對(duì)系統(tǒng)的功能要求也日益增強(qiáng)，為了滿足不同機(jī)床的控制要求，保證數(shù)控系統(tǒng)的完整性和統(tǒng)一性，并方便用戶使用，常用較為先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，一般都帶有內(nèi)部可編程控制器作為機(jī)床的輔助控制裝置。此外，在金屬切削機(jī)床上，主軸驅(qū)動(dòng)裝置也可以成為數(shù)控系統(tǒng)的一個(gè)部分；在閉環(huán)數(shù)控機(jī)床上，測(cè)量、檢測(cè)裝置也是數(shù)控系統(tǒng)必不可少的。對(duì)于先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，有時(shí)甚至采用計(jì)算機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的管理、輸入/輸出設(shè)備，從而使數(shù)控系統(tǒng)的功能更強(qiáng)、性能更完善。
總之，數(shù)控系統(tǒng)的組成決定于控制系統(tǒng)的性能和設(shè)備的具體控制要求，其配置和組成具有很大的區(qū)別，除加工程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)這三個(gè)最基本的組成部分外，還可能有更多的控制裝置。圖1-1的虛線框部分表示計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。
三、NC、CNC、SV與PLC的概念
NC（CNC）、SV與PLC（PC、PMC）是數(shù)控設(shè)備中最為常用的英文縮寫，在實(shí)際使用中，在不同的場(chǎng)合具有不同的含義。
NC（CNC）NC與CNC分別是數(shù)控（Numerical Control）與計(jì)算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control）的常用英文縮寫。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計(jì)算機(jī)控制，因此，可以認(rèn)為NC和CNC的含義完全等同。在工程應(yīng)用上，根據(jù)使用場(chǎng)合的不同，NC（CNC）通常有三種不同的含義：在廣義上代表一種控制技術(shù)——數(shù)控技術(shù)；在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實(shí)體——數(shù)控系統(tǒng)；此外，還可以代表一種具體的控制裝置——數(shù)控裝置。
SVSV是伺服驅(qū)動(dòng)（Servo Drive，簡(jiǎn)稱伺服）的常用英文縮寫。按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的術(shù)語，它是“以物體的位置、方向、狀態(tài)作為控制量，追蹤目標(biāo)值的任意變化的控制機(jī)構(gòu)”。簡(jiǎn)言之，它是一種能夠自動(dòng)跟隨目標(biāo)位置等物理量的控制裝置。
在數(shù)控機(jī)床上，伺服驅(qū)動(dòng)的作用主要有兩個(gè)方面：一是使坐標(biāo)軸按照數(shù)控裝置給定的速度運(yùn)行；二是使坐標(biāo)軸按照數(shù)控裝置給定的位置定位。
伺服驅(qū)動(dòng)的控制對(duì)象通常是機(jī)床坐標(biāo)軸的位移和速度；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服或；對(duì)輸入指令信號(hào)進(jìn)行控制和功率放大的部分常稱為伺服放大器（亦稱為驅(qū)動(dòng)器、放大器、伺服單元等），它是伺服驅(qū)動(dòng)的核心。
伺服驅(qū)動(dòng)不僅可以和數(shù)控裝置配套使用，而且還可以單獨(dú)作為一個(gè)位置（速度）隨同系統(tǒng)使用，故也常稱為伺服系統(tǒng)。在早期的數(shù)控系統(tǒng)上，位置控制部分一般與CNC制成一體，伺服驅(qū)動(dòng)只進(jìn)行速度控制，因此，伺服驅(qū)動(dòng)又常稱為速度控制單元。
PLCPC是可編程序控制器（Programmable Controller）的英文縮寫。隨著個(gè)人計(jì)算機(jī)的日益普及，為了避免和個(gè)人計(jì)算機(jī)（亦稱PC）混淆，現(xiàn)在一般都將可編程序控制器稱為可編程序邏輯控制器（Programmalbe Logic Controller——PLC）或可編程序機(jī)床控制器（Programmable Machine Controller——PMC）。因此，在數(shù)控機(jī)床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含義。
PLC具有響應(yīng)快、性能可靠、使用方便、編程和調(diào)試容易等特點(diǎn)，并可直接驅(qū)動(dòng)部分機(jī)床電器，因此，被廣泛用來作為數(shù)控設(shè)備的輔助控制裝置。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都帶有內(nèi)部PLC，用于處理數(shù)控機(jī)床的輔助指令，從而大大簡(jiǎn)化了機(jī)床的輔助控制裝置。此外，在很多場(chǎng)合，通過PLC的軸控制模塊、定位模塊等特殊功能模塊，還可以直接利用PLC，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)位控制、直線控制以及簡(jiǎn)單的輪廓控制，組成數(shù)控專用機(jī)床或數(shù)控生產(chǎn)線。
四、數(shù)控機(jī)床的組成與加工原理
1、數(shù)控機(jī)床的基本組成
數(shù)控機(jī)床是最典型的數(shù)控設(shè)備。為了了解數(shù)控機(jī)床的基本組成，首先需要分析數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程。在數(shù)控機(jī)床上，為了進(jìn)行零件的加工，可以通過如下步驟進(jìn)行：
據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式，將刀具的移動(dòng)軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識(shí)別的指令形式，即編寫加工程序。
將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。
數(shù)控裝置對(duì)輸入的程序（代碼）進(jìn)行譯碼、運(yùn)算處理，并向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動(dòng)裝置和輔助機(jī)能控制裝置發(fā)出相應(yīng)的控制信號(hào)，以控制機(jī)床的各部件的運(yùn)動(dòng)。
在運(yùn)動(dòng)過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要隨時(shí)檢測(cè)機(jī)床的坐標(biāo)軸位置、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動(dòng)作，直到加工出合格的零件。
操作者可以隨時(shí)對(duì)機(jī)床的加工情況、工作狀態(tài)進(jìn)行觀察、檢查，必要時(shí)還需要對(duì)機(jī)床動(dòng)作和加工程序進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)床安全、可靠的運(yùn)行。
由此可知，作為數(shù)控機(jī)床的基本組成，它應(yīng)包括：輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)和反饋裝置、輔助控制裝置以及機(jī)床本體等部分（如圖1-1所示）。
圖1 數(shù)控機(jī)床的組成
圖1中的虛線框部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主機(jī)的加工控制。目前數(shù)控系統(tǒng)大部分采用計(jì)算機(jī)數(shù)控（即CNC），圖中的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動(dòng)和反饋裝置構(gòu)成的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，作用在上面已經(jīng)敘述。下面再簡(jiǎn)要介紹其他組成部分。
測(cè)量反饋裝置它是閉環(huán)（半閉環(huán)）數(shù)控機(jī)床的檢測(cè)環(huán)節(jié)，其作用是通過現(xiàn)代化的測(cè)量元件：脈沖編碼器、旋轉(zhuǎn)變壓器、感應(yīng)同步器、光柵、磁尺和激光測(cè)量?jī)x等，將執(zhí)行元件（如、刀架等）或工作臺(tái)等的實(shí)際位移的速度和位移量檢測(cè)出來，反饋回伺服驅(qū)動(dòng)裝置或數(shù)控裝置，并補(bǔ)償進(jìn)給的速度或執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)誤差，以達(dá)到提高運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精度的目的。檢測(cè)裝置的安裝、檢測(cè)信號(hào)反饋的位置，決定于數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)形式，伺服內(nèi)裝式脈沖編碼器、測(cè)速機(jī)以及直線光柵等都是較常用的檢測(cè)部件。
由于先進(jìn)的伺服都采用了數(shù)字式伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)（稱為數(shù)字伺服），伺服驅(qū)動(dòng)和數(shù)控裝置間一般都采用總線進(jìn)行連接；反饋信號(hào)在大多數(shù)場(chǎng)合都是與伺服驅(qū)動(dòng)進(jìn)行連接，并通過總線傳送到數(shù)控裝置。只有在少數(shù)場(chǎng)合或采用模擬量控制的伺服驅(qū)動(dòng)（俗稱模擬伺服）時(shí)，反饋裝置才需要直接和數(shù)控裝置進(jìn)行連接。
輔助控制機(jī)構(gòu)、進(jìn)給傳動(dòng)機(jī)構(gòu)它是介于數(shù)控裝置和機(jī)床機(jī)械、液壓部件之間的控制部件。其主要作用是接受數(shù)控裝置輸出的主軸轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和啟停指令；刀具選擇交換；冷卻、潤(rùn)滑裝置的啟停指令；工件和機(jī)床部件的松開、夾緊工作臺(tái)轉(zhuǎn)位等輔助指令信號(hào)，以及機(jī)床上檢測(cè)開關(guān)的狀態(tài)等信號(hào)，經(jīng)必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的執(zhí)行元件，帶動(dòng)機(jī)床機(jī)械部件、液壓氣動(dòng)等輔助裝置完成指令規(guī)定的動(dòng)作。它通常由PLC和強(qiáng)電控制回路構(gòu)成，PLC在結(jié)構(gòu)上可以與CNC一體化（內(nèi)置式PLC），也可以相對(duì)獨(dú)立（外置式PLC）。
機(jī)床本體就是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械結(jié)構(gòu)件，也是由主傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)給傳動(dòng)系統(tǒng)、床身、工作臺(tái)以及輔助運(yùn)動(dòng)裝置、液壓氣動(dòng)系統(tǒng)、潤(rùn)滑系統(tǒng)、冷卻裝置、排屑、防護(hù)系統(tǒng)等部分組成。但為了滿足數(shù)控的要求，充分發(fā)揮機(jī)床性能，它在總體布局、外觀造型、傳動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)、刀具系統(tǒng)以及操作性能方面都已發(fā)生了很大的變化。機(jī)床機(jī)械部件包括床身、箱體、立柱、導(dǎo)軌、工作臺(tái)、主軸、進(jìn)給機(jī)構(gòu)、刀具交換機(jī)構(gòu)等。
2、數(shù)控加工的原理
在傳統(tǒng)的金屬切削機(jī)床上，加工零件時(shí)需要操作者根據(jù)圖樣的要求，通過不斷改變刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度等參數(shù)，使刀具對(duì)工件進(jìn)行切削加工，最終加工出合格零件。
數(shù)控機(jī)床的加工，其實(shí)質(zhì)是應(yīng)用了“微分”原理。其工作原理與過程可以簡(jiǎn)述如下（圖2）：
圖2 數(shù)控加工原理示意圖
數(shù)控裝置根據(jù)加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機(jī)床對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)軸，以最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）進(jìn)行微分（圖2中的△X、△Y），并計(jì)算出各坐標(biāo)軸需要移動(dòng)的脈沖數(shù)。
通數(shù)控裝置的“插補(bǔ)”軟 件或“插補(bǔ)”運(yùn)算器，把要求的軌跡用以“最小移動(dòng)單位”為單位的等效折線進(jìn)行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。
數(shù)控裝置根據(jù)擬合折線的軌跡，給相應(yīng)的坐標(biāo)軸連續(xù)不斷地分配進(jìn)給脈沖，并通過伺服驅(qū)動(dòng)使機(jī)床坐標(biāo)軸按分配的脈沖運(yùn)動(dòng)。
由上可見：第一，只要數(shù)控機(jī)床的最小移動(dòng)量（脈沖當(dāng)量）足夠小，所用的擬合折線就可以等效代替理論曲線。第二，只要改變坐標(biāo)軸的脈沖分配方式，即可以改變擬合折線的形狀，從而達(dá)到改變加工軌跡的目的。第三，只要改變分配脈沖的頻率，即可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運(yùn)動(dòng)速度。這樣就實(shí)現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床控制刀具移動(dòng)軌跡的根本目的。
以上根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡（輪廓）的已知點(diǎn)之間，通過數(shù)據(jù)點(diǎn)的密化，確定一些中間點(diǎn)的方法，稱為插補(bǔ)。能同時(shí)參與插補(bǔ)的坐標(biāo)軸數(shù)，稱為聯(lián)動(dòng)軸數(shù)。顯然，當(dāng)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動(dòng)軸數(shù)越多，機(jī)床加工輪廓的性能就越強(qiáng)。因此，聯(lián)動(dòng)軸的數(shù)量是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要技術(shù)指標(biāo)。
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