計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)

   世界各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家通過(guò)發(fā)展數(shù)控技術(shù)、建立數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)，促使制造業(yè)跨入一個(gè)新的發(fā)展階段，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)的結(jié)構(gòu)帶來(lái)了巨大的變化。數(shù)控機(jī)床是世界第三次產(chǎn)業(yè)革命的重要內(nèi)容，它不但是機(jī)電工業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，還是汽車(chē)、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(jī)床產(chǎn)業(yè)本身的產(chǎn)值遠(yuǎn)不如汽車(chē)、化工等產(chǎn)業(yè)，但高效的數(shù)控機(jī)床給制造業(yè)帶來(lái)了現(xiàn)代化的生產(chǎn)方式以及高倍率的效益增長(zhǎng)，這是促進(jìn)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的巨大源動(dòng)力。特別是數(shù)控技術(shù)在制造業(yè)的擴(kuò)展與延伸所產(chǎn)生的輻射作用和波及效果，足以給機(jī)械制造業(yè)的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、制造方式及管理模式等帶來(lái)深刻的變化。

    計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)系統(tǒng)主要由圖1所示的虛線框中的幾個(gè)部分組成，雙點(diǎn)畫(huà)線框中為數(shù)控系統(tǒng)的控制對(duì)象，這里以數(shù)控機(jī)床為例進(jìn)行說(shuō)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(jī)床(系統(tǒng))進(jìn)行交互的工具。一方面，操作人員可以通過(guò)操作面板對(duì)數(shù)控機(jī)床(系統(tǒng))進(jìn)行操作、編程、調(diào)試或?qū)�機(jī)床參數(shù)進(jìn)行設(shè)定和修改，另一方面，操作人員也可以通過(guò)它了解或查詢數(shù)控機(jī)床(系統(tǒng))的運(yùn)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(jì)算機(jī)鍵盤(pán)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(shè)備輸人輸出設(shè)備是CNC 系統(tǒng)與外部設(shè)備進(jìn)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(zhì)上的零件加工程序輸入CNC 系統(tǒng)或?qū)⒄{(diào)試好了的零件加工程序通過(guò)輸出設(shè)備存放或記錄在相應(yīng)的控制介質(zhì)上。數(shù)控機(jī)床常用的控制介質(zhì)和輸入輸出設(shè)備見(jiàn)下表。

表 控制介質(zhì)與輸入輸出設(shè)備

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

——串行通信(RS232等串口)。

——自動(dòng)控制專用接口和規(guī)范(DNC 方式，專用接口卡等)。

——網(wǎng)絡(luò)技術(shù)(Internet，LAN等)。

3．計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置(或CNC 單元) 計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)裝置是計(jì)算機(jī)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(jìn)行相應(yīng)的處理(如運(yùn)動(dòng)軌跡插補(bǔ)計(jì)算、機(jī)床輸入輸出處理等)，然后輸出控制命令到相應(yīng)的執(zhí)行部件(伺服單元、驅(qū)動(dòng)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(diào)配合，合理組織，使整個(gè)系統(tǒng)有條不紊地進(jìn)行工作。CNC 裝置主要由計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、位置控制板、PLC 接口板、通信接口板、擴(kuò)展功能模塊以及相應(yīng)的控制軟件等模塊組成。



4．伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置伺服單元和驅(qū)動(dòng)裝置包括主軸伺服驅(qū)動(dòng)裝置和主軸電動(dòng)機(jī)、進(jìn)給伺服驅(qū)動(dòng)裝置和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)。伺服單元把來(lái)自CNC 裝置的微弱指令信號(hào)放大成控制驅(qū)動(dòng)裝置的大功率信號(hào)，驅(qū)動(dòng)裝置把經(jīng)放大的指令信號(hào)變?yōu)闄C(jī)械運(yùn)動(dòng)。

測(cè)量裝置包括位置和速度測(cè)量裝置，它是實(shí)現(xiàn)速度閉環(huán)控制(主軸、進(jìn)給)和位置閉環(huán)控制(進(jìn)給)的必要裝置。

伺服單元、驅(qū)動(dòng)裝置和測(cè)量裝置合稱為伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，它是機(jī)床工作的動(dòng)力裝置。CNC 裝置的指令要靠伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)付諸實(shí)施，所以，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分。

進(jìn)給伺服系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)零件加工的成形運(yùn)動(dòng)，其控制量為速度和位置。主軸伺服系統(tǒng)的主要作用是實(shí)現(xiàn)零件加工的切削運(yùn)動(dòng)，其控制量為速度。它們一個(gè)共同的特點(diǎn)是能靈敏、準(zhǔn)確地跟蹤C(jī)NC裝置的位置和速度指令。

從某種意義上可以說(shuō)，數(shù)控機(jī)床功能的強(qiáng)弱主要取決于CNC 裝置，而數(shù)控機(jī)床性能的好壞則主要取決于伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。

5．PLC、機(jī)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(yùn)算有關(guān)的順序動(dòng)作的控制，其由硬件和軟件組成。

機(jī)床I／O電路和裝置是數(shù)控機(jī)床實(shí)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(kāi)關(guān)和接觸器等組成的邏輯電路。PLC、機(jī)床I／O電路和裝置共同完成以下任務(wù)。

1)接受CNC 的指令，對(duì)其進(jìn)行譯碼并轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的控制信號(hào)，控制輔助裝置完成機(jī)床相應(yīng)的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。

2)接受操作面板和機(jī)床側(cè)的I／O 信號(hào)，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(jī)床的動(dòng)作。

6．機(jī)床機(jī)床是數(shù)控機(jī)床的主體，是數(shù)控系統(tǒng)的被控對(duì)象，是實(shí)現(xiàn)制造加工的執(zhí)行部件。它主要由主運(yùn)動(dòng)部件、進(jìn)給運(yùn)動(dòng)部件(工作臺(tái)、拖板以及相應(yīng)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu))、支承件(立柱、床身等)以及特殊裝置(刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)、工件自動(dòng)交換系統(tǒng))和輔助裝置(如冷卻、潤(rùn)滑、排屑、轉(zhuǎn)位和夾緊裝置等)組成。數(shù)控機(jī)床機(jī)械部件的組成與普通機(jī)床相似，但傳動(dòng)結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，在精度、剛度和抗震性等方面要求高，而且其傳動(dòng)和變速系統(tǒng)要便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。