數(shù)控系統(tǒng)的選配

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機(jī)械制造技術(shù)有了深刻的變化。由于社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化的需求更加強(qiáng)烈，多品種、中小批量生產(chǎn)的比重明顯增加，采用傳統(tǒng)的普通加工設(shè)備已難以適應(yīng)高效率、高質(zhì)量、多樣化的加工要求。機(jī)床數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，大大縮短了機(jī)械加工的前期準(zhǔn)備時(shí)間，并使機(jī)械加工的全過(guò)程自動(dòng)化水平不斷提高，同時(shí)也增強(qiáng)了制造系統(tǒng)適應(yīng)各種生產(chǎn)條件變化的能力。

數(shù)控機(jī)床的基本組成包括加工程序、輸入裝置、數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、輔助控制裝置、反饋系統(tǒng)及機(jī)床本體。加工程序可由人工編寫(xiě)(如車(chē)床數(shù)控系統(tǒng)加工簡(jiǎn)單工件時(shí))，復(fù)雜的加工要求可在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行繪圖(如銑床及加工中心加工曲面工件時(shí))，然后生成加工程序。程序的輸入可由數(shù)控系統(tǒng)的面板進(jìn)行手工輸入，也可通過(guò)計(jì)算機(jī)的通訊口用電纜進(jìn)行傳輸，也可以用計(jì)算機(jī)USB接口進(jìn)行傳輸。

在選購(gòu)數(shù)控機(jī)床時(shí)可從三個(gè)方面考慮，首先是機(jī)床本體能否符合自己的加工要求，機(jī)床的質(zhì)量如何。其次是數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)有很多種類(lèi)，選擇合適的系統(tǒng)是選購(gòu)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵。最后是驅(qū)動(dòng)單元，也是機(jī)床控制的關(guān)鍵，不同的驅(qū)動(dòng)單元能達(dá)到的加工精度也不一樣，在選擇驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，要根據(jù)加工的工件的精度要求選擇合適的驅(qū)動(dòng)單元。

以下從數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)單元兩個(gè)方面進(jìn)行分析：

一 數(shù)控系統(tǒng)的選配

    數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的“大腦”，對(duì)機(jī)床控制信息進(jìn)行運(yùn)算及處理。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的原理可分為經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)和標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)兩大類(lèi)。

1. 經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)

    經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)從控制方法來(lái)看，一般指開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低、維修調(diào)試方便、運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但受步進(jìn)電機(jī)矩頻特性及精度、進(jìn)給速度、力矩三者之間相互制約，性能的提高受到限制。所以，經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)常用于數(shù)控線(xiàn)切割及一些速度和精度要求不高的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控車(chē)床、銑床等，在普通機(jī)床的數(shù)控化改造中也得到廣泛的應(yīng)用。

開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)本身不帶位置檢測(cè)裝置，由數(shù)控系統(tǒng)送出一定數(shù)量和頻率的指令脈沖，由驅(qū)動(dòng)單元進(jìn)行機(jī)床定位。開(kāi)環(huán)系統(tǒng)在外部因素影響的情況下，機(jī)床不動(dòng)作或動(dòng)作不到位，但系統(tǒng)已當(dāng)機(jī)床到達(dá)了指定位置，此時(shí)機(jī)床的加工精度將大大降低。但因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、反應(yīng)迅速、工作穩(wěn)定可靠、調(diào)試及維修均很方便，加之價(jià)格十分低廉，因此目前在國(guó)內(nèi)至今仍有最大的市場(chǎng)。

2. 標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)

    標(biāo)準(zhǔn)型數(shù)控系統(tǒng)包括半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)和全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)。

    半閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)一般指機(jī)床的伺服電機(jī)的位置信號(hào)(光電編碼器)反饋到數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動(dòng)進(jìn)行位置檢測(cè)和誤差比較，可對(duì)部分誤差進(jìn)行補(bǔ)償控制，因此其控制精度比開(kāi)環(huán)數(shù)控系統(tǒng)要高，但比全閉環(huán)的數(shù)控系統(tǒng)要低。

    全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)除包括機(jī)床的伺服電機(jī)的位置反饋外，還有機(jī)床工作臺(tái)的位置檢測(cè)裝置(通常用光柵尺)的位置信號(hào)反饋到系統(tǒng)，從而形成全部位置隨動(dòng)控制，系統(tǒng)在加工過(guò)程中自動(dòng)檢測(cè)并補(bǔ)償所有的位置誤差。

    全閉環(huán)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度是最高的，但這種系統(tǒng)的調(diào)試、維修極其困難，而且系統(tǒng)的價(jià)格很高，只適用于中、高檔的數(shù)控機(jī)床上。

因?yàn)殚_(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的價(jià)格比閉環(huán)控制系統(tǒng)要低得多，因此在選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，要考慮數(shù)控系統(tǒng)占整臺(tái)數(shù)控機(jī)床的價(jià)格成本比例，然后根據(jù)機(jī)床的配置情況及機(jī)床本身的要求，中、低檔機(jī)床采用開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)，中、高檔機(jī)床采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

二 驅(qū)動(dòng)單元的選配

    驅(qū)動(dòng)單元包括驅(qū)動(dòng)裝置和電機(jī)兩部分，對(duì)驅(qū)動(dòng)單元的選購(gòu)主要在于驅(qū)動(dòng)裝置的選擇，因?yàn)殡姍C(jī)是通用的部件，性能差別只存在于不同的廠家和型號(hào)。

    驅(qū)動(dòng)電機(jī)主要可分為：反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)、混合式(也稱(chēng)永磁反應(yīng)式)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)和伺服驅(qū)動(dòng)電機(jī)三大類(lèi)。

    反應(yīng)式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)子無(wú)繞組，由被勵(lì)磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行�；旌鲜讲竭M(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子用永久磁鋼，由勵(lì)磁和永磁產(chǎn)生的電磁力矩實(shí)現(xiàn)步進(jìn)運(yùn)行。步進(jìn)電機(jī)受脈沖的控制，通過(guò)改變通電的順序可改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向，改變脈沖的頻率可改變電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度。步進(jìn)電機(jī)有一定的步距精度，沒(méi)有累積誤差。但步進(jìn)電機(jī)的效率低，拖動(dòng)負(fù)載的能力不大，脈沖當(dāng)量不能太大，調(diào)速范圍不大。目前步進(jìn)電機(jī)可分為兩相、三相、五相等幾種，常用的是三相步進(jìn)電機(jī)，如廣州數(shù)控的DY3A即是三相混合式步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器。在過(guò)去很長(zhǎng)一段時(shí)間里，步進(jìn)電機(jī)占很大的市場(chǎng)，但目前正逐步為伺服電機(jī)所取代。

    目前常用的伺服電機(jī)是交流伺服電機(jī)，在電機(jī)的軸端裝有光電編碼器，通過(guò)檢測(cè)轉(zhuǎn)子角度用以變頻控制。從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，伺服電機(jī)都能平滑運(yùn)轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動(dòng)小。伺服電機(jī)有較長(zhǎng)的過(guò)載能力，有較小的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。伺服電機(jī)有很小的啟動(dòng)頻率，能很快從最低轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速。

    采用交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)器件，可以和直流伺服電機(jī)一樣構(gòu)成高精度，高性能的半閉環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于交流伺服電機(jī)內(nèi)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。目前已經(jīng)在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服電機(jī)。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)后，原來(lái)的硬件伺服控制變?yōu)檐浖�伺服控制，一些現(xiàn)代控制理論中的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的性能，因此伺服單元能較大的提高加工效率及加工精度，但伺服驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格也較高。隨著伺服控制技術(shù)的逐步提高，目前伺服驅(qū)動(dòng)單元正逐步成為驅(qū)動(dòng)單元的主力軍，伺服驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格也在逐步減低。

    伺服驅(qū)動(dòng)器有兩種。一種采用脈沖控制方式，此種驅(qū)動(dòng)器與電機(jī)閉環(huán)，但不反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這種驅(qū)動(dòng)器在某種程度上可稱(chēng)為開(kāi)環(huán)控制的伺服控制。另一種采用電壓控制方式，通過(guò)電壓的高低進(jìn)行電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制，電機(jī)的反饋信號(hào)通過(guò)驅(qū)動(dòng)器反饋到數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行位置控制。

    選擇驅(qū)動(dòng)單元時(shí)，也要考慮驅(qū)動(dòng)單元的價(jià)格在整臺(tái)數(shù)控機(jī)床中的比例。整臺(tái)數(shù)控機(jī)床價(jià)格較低的一般選擇步進(jìn)驅(qū)動(dòng)單元，而價(jià)格較高的機(jī)床選擇伺服驅(qū)動(dòng)單元。但選擇驅(qū)動(dòng)單元的同時(shí)，也要考慮驅(qū)動(dòng)單元與數(shù)控系統(tǒng)的匹配問(wèn)題，選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)時(shí)必須選擇閉環(huán)的伺服驅(qū)動(dòng)單元。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進(jìn)電機(jī)。但在一些要求不高的場(chǎng)合也經(jīng)常用步進(jìn)電機(jī)來(lái)做執(zhí)行電動(dòng)機(jī)。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)過(guò)程中要綜合考慮控制要求、成本等多方面的因素，選用適當(dāng)?shù)目刂齐姍C(jī)。

三 功能選擇

    以上是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度進(jìn)行考慮，除此以外，還要從數(shù)控系統(tǒng)的功能選擇上考慮。

1. 控制軸

    數(shù)控系統(tǒng)控制軸的數(shù)量也是選擇的關(guān)鍵�？刂戚S可分為直線(xiàn)進(jìn)給軸和旋轉(zhuǎn)軸，按控制軸的數(shù)量可分為兩軸聯(lián)動(dòng)、三軸聯(lián)動(dòng)、多軸聯(lián)動(dòng)等�？刂戚S的數(shù)量越多，機(jī)床所能加工的形狀越復(fù)雜，但其成本就越高。目前車(chē)床一般用兩個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)，有時(shí)會(huì)附加一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)軸或旋轉(zhuǎn)軸。銑床一般用三個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)軸聯(lián)動(dòng)，有時(shí)會(huì)附加一個(gè)直線(xiàn)移動(dòng)軸或旋轉(zhuǎn)軸。高檔的系統(tǒng)則聯(lián)動(dòng)的軸更多，代表機(jī)床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)，其中三個(gè)軸為直線(xiàn)移動(dòng)軸，兩個(gè)旋轉(zhuǎn)軸，五軸聯(lián)動(dòng)時(shí)可加工出復(fù)雜的空間曲面。當(dāng)然這需要高檔的數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)以及軟件的支持，對(duì)機(jī)床的要求也極高。

    控制軸越多，數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格成幾何級(jí)數(shù)增長(zhǎng)。因此，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)，要根據(jù)機(jī)床本身的運(yùn)動(dòng)軸進(jìn)行選擇，多余的控制軸并不能提高機(jī)床的控制精度，反而增加了數(shù)控系統(tǒng)的成本。

2. 圖形顯示

     系統(tǒng)的圖形顯示功能，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，可以選擇直角坐標(biāo)系中的二個(gè)不同平面，也可選擇不同視角的三維立體，可以在加工的同時(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，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。

3. DNC傳輸功能

    眾所周知，由非圓曲線(xiàn)或面組成的零件加工程序的編制是十分困難的，通常的辦法是借助于通用計(jì)算機(jī)的計(jì)算，將它們細(xì)分為微小的三維直線(xiàn)段組成的加工程序，在模具加工中這種長(zhǎng)達(dá)幾百KB的加工程序是經(jīng)常遇到的，而一般數(shù)控系統(tǒng)提供的程序存儲(chǔ)容量為64~128KB，這給模具加工帶來(lái)很大困難。DNC通訊功能具有兩種工作方式，其一是一次地將通用計(jì)算機(jī)中的程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)的加工程序的存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)(如果它的容量足夠大的話(huà))，其二是將通用計(jì)算機(jī)中的程序一段一段地傳送到數(shù)控系統(tǒng)的緩沖存儲(chǔ)器中，邊加工邊傳送，直到加工結(jié)束。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)是一項(xiàng)實(shí)用功能，因此建議在選擇數(shù)控系統(tǒng)時(shí)將DNC傳輸功能選做必備功能。

4. 剛性攻絲

    攻螺紋是數(shù)控機(jī)床的一項(xiàng)常用功能，到底采用什么方式是一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。剛性攻螺紋功能必須采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)主軸，不僅要求在主軸上增加一個(gè)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)格地要求，電氣設(shè)計(jì)和調(diào)整也有一定的工作量，所以這個(gè)功能的成本是不能忽略的。對(duì)用戶(hù)來(lái)說(shuō)，如果可以通過(guò)采用彈性縮卡頭進(jìn)行柔性攻螺紋，或者機(jī)床本身的轉(zhuǎn)速并不高時(shí)，就不必選用剛性攻螺紋功能。

上述這類(lèi)問(wèn)題在數(shù)控機(jī)床的功能配置時(shí)是經(jīng)常遇到的，作為一個(gè)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)和銷(xiāo)售人員必須清楚了解數(shù)控系統(tǒng)的各種功能用途，根據(jù)機(jī)床的實(shí)際情況為用戶(hù)配置經(jīng)濟(jì)合理、功能和價(jià)格比都比較高的數(shù)控機(jī)床，減少不必要的浪費(fèi)。