計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)

   世界各工業(yè)發(fā)達國家通過發(fā)展數(shù)控技術、建立數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)，促使制造業(yè)跨入一個新的發(fā)展階段，給國民經(jīng)濟的結構帶來了巨大的變化。數(shù)控機床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容，它不但是機電工業(yè)的重要基礎裝備，還是汽車、石化、電子和現(xiàn)代醫(yī)療裝備等產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的主要手段。雖然數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)本身的產(chǎn)值遠不如汽車、化工等產(chǎn)業(yè)，但高效的數(shù)控機床給制造業(yè)帶來了現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式以及高倍率的效益增長，這是促進國民經(jīng)濟發(fā)展的巨大源動力。特別是數(shù)控技術在制造業(yè)的擴展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果，足以給機械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結構、產(chǎn)品結構、制造方式及管理模式等帶來深刻的變化。

    計算機數(shù)控(CNC)系統(tǒng)主要由圖1所示的虛線框中的幾個部分組成，雙點畫線框中為數(shù)控系統(tǒng)的控制對象，這里以數(shù)控機床為例進行說明。

圖1 數(shù)控系統(tǒng)的組成

1．操作面板操作面板是操作人員與數(shù)控機床(系統(tǒng))進行交互的工具。一方面，操作人員可以通過操作面板對數(shù)控機床(系統(tǒng))進行操作、編程、調試或對機床參數(shù)進行設定和修改，另一方面，操作人員也可以通過它了解或查詢數(shù)控機床(系統(tǒng))的運行狀態(tài)。

    操作面板主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列(功能與計算機鍵盤一樣)和顯示器等部分組成，如圖2所示。

圖2 操作面板

2．輸入輸出設備輸人輸出設備是CNC 系統(tǒng)與外部設備進行交互的裝置。交互的信息通常是零件加工程序。即將記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC 系統(tǒng)或將調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。數(shù)控機床常用的控制介質和輸入輸出設備見下表。

表 控制介質與輸入輸出設備

此外，現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)一般都可采用通信方式實現(xiàn)CNC 系統(tǒng)與外部設備問的信息交換，這種信息交換方式是實現(xiàn)DNC、FMS 和CIMS 等的基本技術。目前在數(shù)控機床上常采用的通信方式有：

——串行通信(RS232等串口)。

——自動控制專用接口和規(guī)范(DNC 方式，專用接口卡等)。

——網(wǎng)絡技術(Internet，LAN等)。

3．計算機數(shù)控(CNC)裝置(或CNC 單元) 計算機數(shù)控(CNC)裝置是計算機數(shù)控系統(tǒng)的核心。其主要作用是根據(jù)輸入的零件加工程序進行相應的處理(如運動軌跡插補計算、機床輸入輸出處理等)，然后輸出控制命令到相應的執(zhí)行部件(伺服單元、驅動裝置和PLC 等)，加工出需要的零件。所有這些工作由CNC 裝置內(nèi)硬件和軟件協(xié)調配合，合理組織，使整個系統(tǒng)有條不紊地進行工作。CNC 裝置主要由計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC 接口板、通信接口板、擴展功能模塊以及相應的控制軟件等模塊組成。



4．伺服單元、驅動裝置和測量裝置伺服單元和驅動裝置包括主軸伺服驅動裝置和主軸電動機、進給伺服驅動裝置和進給電動機。伺服單元把來自CNC 裝置的微弱指令信號放大成控制驅動裝置的大功率信號，驅動裝置把經(jīng)放大的指令信號變?yōu)闄C械運動。

測量裝置包括位置和速度測量裝置，它是實現(xiàn)速度閉環(huán)控制(主軸、進給)和位置閉環(huán)控制(進給)的必要裝置。

伺服單元、驅動裝置和測量裝置合稱為伺服驅動系統(tǒng)，它是機床工作的動力裝置。CNC 裝置的指令要靠伺服驅動系統(tǒng)付諸實施，所以，伺服驅動系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分。

進給伺服系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)零件加工的成形運動，其控制量為速度和位置。主軸伺服系統(tǒng)的主要作用是實現(xiàn)零件加工的切削運動，其控制量為速度。它們一個共同的特點是能靈敏、準確地跟蹤CNC裝置的位置和速度指令。

從某種意義上可以說，數(shù)控機床功能的強弱主要取決于CNC 裝置，而數(shù)控機床性能的好壞則主要取決于伺服驅動系統(tǒng)。

5．PLC、機床I／O 電路和裝置PLC(Programmable Logic Controller，可編程控制器)用于完成與邏輯運算有關的順序動作的控制，其由硬件和軟件組成。

機床I／O電路和裝置是數(shù)控機床實現(xiàn)輸A／輸出控制的執(zhí)行部件，是由繼電器、電磁閥、行程開關和接觸器等組成的邏輯電路。PLC、機床I／O電路和裝置共同完成以下任務。

1)接受CNC 的指令，對其進行譯碼并轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作。

2)接受操作面板和機床側的I／O 信號，送給CNC裝置，經(jīng)其處理后，輸出指令控制CNC 系統(tǒng)的工作狀態(tài)和機床的動作。

6．機床機床是數(shù)控機床的主體，是數(shù)控系統(tǒng)的被控對象，是實現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。它主要由主運動部件、進給運動部件(工作臺、拖板以及相應的傳動機構)、支承件(立柱、床身等)以及特殊裝置(刀具自動交換系統(tǒng)、工件自動交換系統(tǒng))和輔助裝置(如冷卻、潤滑、排屑、轉位和夾緊裝置等)組成。數(shù)控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動結構較為簡單，在精度、剛度和抗震性等方面要求高，而且其傳動和變速系統(tǒng)要便于實現(xiàn)自動化控制。