數控系統的配置和功能選擇系統

數控系統的配置 伺服控制單元的選擇 數控系統的位置控制方式

開(kāi)環(huán)控制系統：采用步進(jìn)電機作為驅動(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)濟型數控裝置；

半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統：采用直流或交流伺服電機作為驅動(dòng)部件，可以采用內裝於電機內的脈沖編碼器，旋轉變壓器作為位置/速度檢測器件來(lái)構成半閉環(huán)位置 控制系統，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來(lái)構成高精度的全閉環(huán)位置控制系統。

由于螺距誤差的存在，使得從半閉環(huán)系統位置檢測器反饋的絲杠旋轉角度變化量，還不能精確地反映進(jìn)給軸的直線(xiàn)運動(dòng)位置。但是，經(jīng)過(guò)數控系統對螺距誤差的補償 後，它們也能達到相當高的位置控制精度。與全閉環(huán)系統相比，它們的價(jià)格較低，安裝在電機內部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩定可靠，幾乎無(wú)需維修， 所以廣泛地應用于各種類(lèi)型的數控機床。

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

交流伺服電機是無(wú)刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高，目前已在很大範圍內取代了直流伺服電機。

伺服控制單元的種類(lèi)

分離型伺服控制單元，其特點(diǎn)是數控系統和伺服控制單元相對獨立，也就是說(shuō)，它們可以與多種數控系統配用，NC系統給出的指令是與軸運動(dòng)速度相關(guān)的DC電壓 （例如0-10V），而從機床返回的是與NC系統匹配的軸運動(dòng)位置檢測信號（例如編碼器?感應同步器等輸出信號）。伺服數據的設定和調整都在伺服控制單元 側進(jìn)行（用電位器調節或通過(guò)數字方式輸入）。

串行數據傳輸型伺服控制單元，其特點(diǎn)是NC系統與伺服控制單元之間的數據傳送是雙向。與軸運動(dòng)相關(guān)的指令數據、伺服數據和報警信號是通過(guò)相應的時(shí)鐘信號 線(xiàn)、選通信號號、發(fā)送數據線(xiàn)、接收數據線(xiàn)、報警信號線(xiàn)傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運動(dòng)軸的實(shí)際位置和狀態(tài)等信息。

網(wǎng)絡(luò )數據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 )數據處理模塊的連接點(diǎn) SR、ST與各個(gè)軸控制單元（子站）的網(wǎng)絡(luò )數據處理模塊的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(xiàn)連 接，反饋的信息有運動(dòng)軸位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。

串行數據傳輸型和網(wǎng)絡(luò )數據傳輸型伺服控制單元的伺服參數在NC裝置中用數字設定，開(kāi)機初始化時(shí)裝入伺服控制單元，修改和調整都十分方便。

網(wǎng)絡(luò )數據傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統）在相應的控制軟件配合下，具有實(shí)時(shí)的調整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中， 可以根據電機的速度和扭矩特性求出相應的函數，再以其函數控制高速定位時(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，系統可以在讀入零件加工程序後，自動(dòng)識別數控指令要求加工的零件形狀（圓弧、棱邊等），自動(dòng) 調節加工速度，使之最佳化，進(jìn)而實(shí)現高速高精度加工。

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

伺服控制單元是數控系統中與機械直接相關(guān)聯(lián)的部件，它們的性能與機床的切削速度和位置精度關(guān)系很大，其價(jià)格也占數控系統的很大部分。相對來(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，還與機床的使用環(huán)境、機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；防護不嚴可能引 起電機進(jìn)水，造成短路；導軌和絲杠潤滑不好或切削負荷過(guò)重會(huì )引起電機過(guò)流。機械傳動(dòng)機構卡死更會(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 護能力，但是故障情況嚴重或者多次發(fā)生時(shí)，仍然會(huì )使器件損壞。有些數控系統具有主軸和進(jìn)給軸的實(shí)時(shí)負載顯示功能（例如大隈OSP系統的“當前位置”頁(yè)面上 不僅可以顯示軸運動(dòng)的實(shí)時(shí)位置數據，而且還同時(shí)顯示各軸的實(shí)時(shí)負載百分比，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)給伺服電機的選擇

輸出扭矩是進(jìn)給電機負載能力的指標。從圖2可見(jiàn)，在連續操作狀態(tài)下，輸出扭矩是隨轉速的升高而減少的，電機的性能愈好，這種減少值就愈小。為進(jìn)給軸配置電 機時(shí)應滿(mǎn)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，負載較小 ，但也應考慮最高快速進(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。

主軸伺服電機的選擇

輸出功率是主軸電機負載能力的指標。從圖3可見(jiàn)主軸電機的額定功率是指在恒功率區（速度N1到N2）內運行時(shí)的輸出功率，低于基本速度N1時(shí)達不到額定功 率，速度愈低，輸出功率就愈小。為了滿(mǎn)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)的電機速度也在基本速度N1以上，此時(shí)，機械結構較為復 雜，成本也會(huì )相應增加。在主軸與伺服電機直接連接的數控機床中，有兩種方法來(lái)滿(mǎn)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，其二是采用特種的繞組切換式主軸伺服電機（例如日本大隈的YMF型主軸電機），這種電機的三相繞組在低速運行時(shí)接成星形，而在高速運行時(shí)接成三角形， 從而提高了主軸電機的低速功率特性，降低主軸機械部件的成本。

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

位置檢測器件的選擇

機械原點(diǎn)是數控機床所有座標系的基準點(diǎn)，機械原點(diǎn)的穩定性是數控機床極為重要的技術(shù)指標，也是穩定加工精度的基本保證，機械原點(diǎn)的建立方法有兩種：

在采用相對位置編碼器、感應同步器或光柵作為位置反饋器件的數控機床中，數控系統將各進(jìn)給軸的回零減速開(kāi)關(guān)（或標記）之後由位置反饋器件產(chǎn)生的第一個(gè)零點(diǎn) 標記信號作為基準點(diǎn)。這類(lèi)機床在每次斷電或緊急停機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)與其撞塊的相對位置調整 不妥，也會(huì )引起機械原點(diǎn)位置的不穩定，這些都是應該重視的；

在采用絕對位置編碼器作為位置反饋器件的數控機床中，絕對位置編碼器能夠自動(dòng)記憶各進(jìn)給軸全行程內的每一點(diǎn)位置，不需回零開(kāi)關(guān)，每次斷電或緊急停機後，都 不必重新作基準點(diǎn)的設定操作?；鶞庶c(diǎn)位置設定後永久不變，并由專(zhuān)供絕對位置編碼器使用的存儲器記憶，特別適用于鼠牙盤(pán)定位的旋轉工作臺零點(diǎn)位置的設定，不 僅穩定性好，而且給操作和調整帶來(lái)極大方便。

機械設計方案的選擇

機床是由機械和電氣兩部分組成，在設計總體方案時(shí)應從機電兩方面來(lái)考慮機床各種功能的實(shí)施方案，數控機床的機械要求和數控系統的功能都很復雜，所以更應機電溝通，揚長(cháng)避短。下面舉例說(shuō)明。

例一主軸轉速的調節有采用伺服電機或變頻電機實(shí)現自動(dòng)無(wú)級調速和用普通三相異步電機驅動(dòng)、機械齒輪分級變速、進(jìn)行人工換檔兩類(lèi)方法。

加工中心機床使用多種刀具進(jìn)行連續的不同種類(lèi)（銑、鉆、鏜和攻絲等）的切削加工，所以主軸的轉速是經(jīng)常變化的，而且必須由加工程序的S指令自動(dòng)實(shí)現，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)級調速方式。

對于主軸轉速要求不高的普通數控銑床來(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速的機會(huì )并不多見(jiàn)，在手動(dòng)換刀的同時(shí)進(jìn) 行手動(dòng)變速對生產(chǎn)效率的影響并不大，所以經(jīng)常采用機械齒輪分級變速、人工換檔的控制方式。與采用伺服電機進(jìn)行無(wú)級調速的方案相比，可以顯著(zhù)地降低生產(chǎn)成 本，節省能源，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，必須占用可貴的機床運行時(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，可以大大地節省零件裝卡的占機時(shí)間，從而提高機床的生產(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，數控 系統的成本增加不多，是個(gè)功能/價(jià)格比很高的選擇。

例三加工中心機床的換刀時(shí)間對生產(chǎn)效率有很大影響，而換刀速度與機械結構有很大的關(guān)系。例如，由油缸控制的機械手換刀時(shí)間一般在10秒以上，在2~3秒內 能完成換刀動(dòng)作的機械手一般采用伺服電機驅動(dòng)，配有凸輪和內外油缸松刀機構。與機構不相當的換刀速度，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，應綜合考慮。

數控功能的選擇

除基本功能以外，數控系統還為用戶(hù)提供多種可選功能，各知名品牌的數控系統的基本功能差別不大，所以，合理地選擇適合機床的可選功能，放棄可有可無(wú)或不實(shí)用的可選功能，對提高產(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，也可在機械鎖定的方式下作加工過(guò)程的快速描繪。這是一種檢驗零件加工程序、提高編程效率和實(shí)時(shí)監視的有效工具。

軟盤(pán)驅動(dòng)器

通過(guò)這種數據傳送工具可以將系統中已經(jīng)調試完畢的加工程序存入軟盤(pán)後存檔，也可以通過(guò)它將在其它計算機生成的加工程序存入NC系統，從而減少加工程序的輸入占機時(shí)間，更可以用它作各種機床數據的備份或存儲，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(xiàn)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算機，將它們細分為微小的三維直線(xiàn)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(cháng)達幾百K字節（4K字節約等于10米紙帶長(cháng)度）的加工程序經(jīng)常遇到，而一般數控系統提供的基本程序存儲容量為 64?128K字節，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)人計算機和數控系統的加工程序存儲區之間進(jìn)行雙向的程序傳送，其二是將個(gè)人計算機的加工程序一段一段地傳 送到數控系統的緩沖運行存儲器，邊加工邊傳送，直到加工結束。這就徹底解決了大容量程序零件的加工問(wèn)題。雖然選用這項功能需要增加一定的費用，但它確實(shí)是 功能/價(jià)格比很高的選項。

當然，選擇擴充內存容量也是解決曲面模具加工的有效方法，例如大隈OSP系統的最大運行緩沖存儲器容量為512K字節。程序存儲器容量可以擴充到 4096K字節，這樣就可以滿(mǎn)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)人計算機這個(gè)環(huán)節，使運行更加可靠，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(cháng)度，發(fā)揮程序存儲器的潛力，數控系統提供了一些簡(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)成參數式的固定循環(huán)程序，編程時(shí)由用戶(hù)填入相應的數據（如基面、孔深、每次切入量以及主軸轉速和進(jìn)給速度等）就可完成預定的加工工序，并可多次重復使用。

座標計算功能

利用數控系統的實(shí)時(shí)計算能力，將以各種規則分布的孔加工工序（例如斜線(xiàn)、圓周和網(wǎng)格等）編寫(xiě)成參數式的固定循環(huán)程序，編程時(shí)由用戶(hù)填入相應的數據（如角度、半徑、孔數、行數和列數等）就可完成預定的加工工序。

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，在相應的部位調用，從而縮短加工程序的長(cháng)度。

用戶(hù)宏程序

用戶(hù)可以利用系統提供的各種算術(shù)、邏輯和函數運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學(xué)表達式，在程序執行過(guò)程中，數控系統邊運算，邊輸出結果，用很短的程序就可以實(shí)現特種曲線(xiàn)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來(lái)驅動(dòng)主軸，不僅要求在主軸上增加位置傳感器，而且對主軸傳動(dòng)機構的間隙和慣量都有嚴格的要求，所以不能忽略這個(gè)功能的成 本。對用戶(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(mǎn)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的容量等因素，否則，不僅會(huì )造成許多人為的錯誤，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的有效容量，使一些復雜零件因刀位不足而無(wú)法加工。

自動(dòng)刀具半徑/長(cháng)度和工件測量功能

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

刀具半徑和長(cháng)度可以用普通的量具手工測量，也可用專(zhuān)門(mén)的刀具測量?jì)x測量。操作者可以通過(guò)每把刀的刀尖在Z軸方向相對于機床上同一“對刀面”的位置差來(lái)作為 長(cháng)度偏移值進(jìn)行補償，采用數控系統本身提供的“半自動(dòng)刀具長(cháng)度測量”功能，輸入相對于“標準刀具”的長(cháng)度補償值。

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

接觸式傳感器和信號接收器安裝在機床工作區內，它的防護十分重要，切削量大，使用噴淋沖洗的機床不宜安裝；

進(jìn)行上述測量需要占用機床加工時(shí)間，可能影響機床的效率；

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