數(shù)控系統(tǒng)的選配

    隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，機械制造技術(shù)有了深刻的變化。由于社會對產(chǎn)品多樣化的需求更加強烈，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。機床數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用，大大縮短了機械加工的前期準備時間，并使機械加工的全過程自動化水平不斷提高，同時也增強了制造系統(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)及機床本體。加工程序可由人工編寫(如車床數(shù)控系統(tǒng)加工簡單工件時)，復(fù)雜的加工要求可在計算機上進行繪圖(如銑床及加工中心加工曲面工件時)，然后生成加工程序。程序的輸入可由數(shù)控系統(tǒng)的面板進行手工輸入，也可通過計算機的通訊口用電纜進行傳輸，也可以用計算機USB接口進行傳輸。

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

以下從數(shù)控系統(tǒng)及驅(qū)動單元兩個方面進行分析：

一 數(shù)控系統(tǒng)的選配

    數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的“大腦”，對機床控制信息進行運算及處理。根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的原理可分為經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)和標準型數(shù)控系統(tǒng)兩大類。

1. 經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)

    經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)從控制方法來看，一般指開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)，具有結(jié)構(gòu)簡單、造價低、維修調(diào)試方便、運行維護費用低等優(yōu)點，但受步進電機矩頻特性及精度、進給速度、力矩三者之間相互制約，性能的提高受到限制。所以，經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)常用于數(shù)控線切割及一些速度和精度要求不高的經(jīng)濟型數(shù)控車床、銑床等，在普通機床的數(shù)控化改造中也得到廣泛的應(yīng)用。

開環(huán)數(shù)控系統(tǒng)是指數(shù)控系統(tǒng)本身不帶位置檢測裝置，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)動單元進行機床定位。開環(huán)系統(tǒng)在外部因素影響的情況下，機床不動作或動作不到位，但系統(tǒng)已當(dāng)機床到達了指定位置，此時機床的加工精度將大大降低。但因其結(jié)構(gòu)簡單、反應(yīng)迅速、工作穩(wěn)定可靠、調(diào)試及維修均很方便，加之價格十分低廉，因此目前在國內(nèi)至今仍有最大的市場。

2. 標準型數(shù)控系統(tǒng)

    標準型數(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)一般指機床的伺服電機的位置信號(光電編碼器)反饋到數(shù)控系統(tǒng)，系統(tǒng)能自動進行位置檢測和誤差比較，可對部分誤差進行補償控制，因此其控制精度比開環(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)除包括機床的伺服電機的位置反饋外，還有機床工作臺的位置檢測裝置(通常用光柵尺)的位置信號反饋到系統(tǒng)，從而形成全部位置隨動控制，系統(tǒng)在加工過程中自動檢測并補償所有的位置誤差。

    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)的價格很高，只適用于中、高檔的數(shù)控機床上。

因為開環(huán)控制系統(tǒng)的價格比閉環(huán)控制系統(tǒng)要低得多，因此在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，要考慮數(shù)控系統(tǒng)占整臺數(shù)控機床的價格成本比例，然后根據(jù)機床的配置情況及機床本身的要求，中、低檔機床采用開環(huán)控制系統(tǒng)，中、高檔機床采用閉環(huán)控制系統(tǒng)。

二 驅(qū)動單元的選配

    驅(qū)動單元包括驅(qū)動裝置和電機兩部分，對驅(qū)動單元的選購主要在于驅(qū)動裝置的選擇，因為電機是通用的部件，性能差別只存在于不同的廠家和型號。

    驅(qū)動電機主要可分為：反應(yīng)式步進驅(qū)動電機、混合式(也稱永磁反應(yīng)式)步進驅(qū)動電機和伺服驅(qū)動電機三大類。

    反應(yīng)式步進驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)子無繞組，由被勵磁的定子繞組產(chǎn)生反應(yīng)力矩實現(xiàn)步進運行。混合式步進電機的轉(zhuǎn)子用永久磁鋼，由勵磁和永磁產(chǎn)生的電磁力矩實現(xiàn)步進運行。步進電機受脈沖的控制，通過改變通電的順序可改變電機的旋轉(zhuǎn)方向，改變脈沖的頻率可改變電機的旋轉(zhuǎn)速度。步進電機有一定的步距精度，沒有累積誤差。但步進電機的效率低，拖動負載的能力不大，脈沖當(dāng)量不能太大，調(diào)速范圍不大。目前步進電機可分為兩相、三相、五相等幾種，常用的是三相步進電機，如廣州數(shù)控的DY3A即是三相混合式步進驅(qū)動器。在過去很長一段時間里，步進電機占很大的市場，但目前正逐步為伺服電機所取代。

    目前常用的伺服電機是交流伺服電機，在電機的軸端裝有光電編碼器，通過檢測轉(zhuǎn)子角度用以變頻控制。從最低轉(zhuǎn)速到最高轉(zhuǎn)速，伺服電機都能平滑運轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)矩波動小。伺服電機有較長的過載能力，有較小的轉(zhuǎn)動慣量和大的堵轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)矩。伺服電機有很小的啟動頻率，能很快從最低轉(zhuǎn)速加速到額定轉(zhuǎn)速。

    采用交流伺服電機作為驅(qū)動器件，可以和直流伺服電機一樣構(gòu)成高精度，高性能的半閉環(huán)或閉環(huán)控制系統(tǒng)。由于交流伺服電機內(nèi)是無刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對較小，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。采用高速微處理器和專用數(shù)字信號處理機(DSP)的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)后，原來的硬件伺服控制變?yōu)檐浖�伺服控制，一些現(xiàn)代控制理論中的先進算法得到實現(xiàn)，進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)動單元的價格也較高。隨著伺服控制技術(shù)的逐步提高，目前伺服驅(qū)動單元正逐步成為驅(qū)動單元的主力軍，伺服驅(qū)動單元的價格也在逐步減低。

    伺服驅(qū)動器有兩種。一種采用脈沖控制方式，此種驅(qū)動器與電機閉環(huán)，但不反饋到數(shù)控系統(tǒng)，這種驅(qū)動器在某種程度上可稱為開環(huán)控制的伺服控制。另一種采用電壓控制方式，通過電壓的高低進行電機的轉(zhuǎn)速控制，電機的反饋信號通過驅(qū)動器反饋到數(shù)控系統(tǒng)進行位置控制。

    選擇驅(qū)動單元時，也要考慮驅(qū)動單元的價格在整臺數(shù)控機床中的比例。整臺數(shù)控機床價格較低的一般選擇步進驅(qū)動單元，而價格較高的機床選擇伺服驅(qū)動單元。但選擇驅(qū)動單元的同時，也要考慮驅(qū)動單元與數(shù)控系統(tǒng)的匹配問題，選擇閉環(huán)控制系統(tǒng)時必須選擇閉環(huán)的伺服驅(qū)動單元。交流伺服系統(tǒng)在許多性能方面都優(yōu)于步進電機。但在一些要求不高的場合也經(jīng)常用步進電機來做執(zhí)行電動機。所以，在控制系統(tǒng)的設(shè)計過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。

三 功能選擇

    以上是根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的加工精度進行考慮，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可分為直線進給軸和旋轉(zhuǎn)軸，按控制軸的數(shù)量可分為兩軸聯(lián)動、三軸聯(lián)動、多軸聯(lián)動等�？刂戚S的數(shù)量越多，機床所能加工的形狀越復(fù)雜，但其成本就越高。目前車床一般用兩個直線移動軸聯(lián)動，有時會附加一個直線移動軸或旋轉(zhuǎn)軸。銑床一般用三個直線移動軸聯(lián)動，有時會附加一個直線移動軸或旋轉(zhuǎn)軸。高檔的系統(tǒng)則聯(lián)動的軸更多，代表機床制造業(yè)最高境界的是五軸聯(lián)動數(shù)控機床系統(tǒng)，其中三個軸為直線移動軸，兩個旋轉(zhuǎn)軸，五軸聯(lián)動時可加工出復(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，對機床的要求也極高。

    控制軸越多，數(shù)控系統(tǒng)的價格成幾何級數(shù)增長。因此，在選擇數(shù)控系統(tǒng)時，要根據(jù)機床本身的運動軸進行選擇，多余的控制軸并不能提高機床的控制精度，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程，顯示真實刀具在毛坯上的切削路徑，可以選擇直角坐標系中的二個不同平面，也可選擇不同視角的三維立體，可以在加工的同時作實時的顯示，也可在機械鎖定的方式下作加工過程的快速描繪，是一種檢驗零件加工程序，提高編程效率和實時監(jiān)視的有效工具。

3. DNC傳輸功能

    眾所周知，由非圓曲線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算機的計算，將它們細分為微小的三維直線段組成的加工程序，在模具加工中這種長達幾百KB的加工程序是經(jīng)常遇到的，而一般數(shù)控系統(tǒng)提供的程序存儲容量為64~128KB，這給模具加工帶來很大困難。DNC通訊功能具有兩種工作方式，其一是一次地將通用計算機中的程序傳送到數(shù)控系統(tǒng)的加工程序的存儲區(qū)內(nèi)(如果它的容量足夠大的話)，其二是將通用計算機中的程序一段一段地傳送到數(shù)控系統(tǒng)的緩沖存儲器中，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題，雖然選用這項功能需要增加一定的費用，但它確實是一項實用功能，因此建議在選擇數(shù)控系統(tǒng)時將DNC傳輸功能選做必備功能。

4. 剛性攻絲

    攻螺紋是數(shù)控機床的一項常用功能，到底采用什么方式是一個值得考慮的問題。剛性攻螺紋功能必須采用伺服電機驅(qū)動主軸，不僅要求在主軸上增加一個位置傳感器，而且對主軸傳動機構(gòu)的間隙和慣量都有嚴格地要求，電氣設(shè)計和調(diào)整也有一定的工作量，所以這個功能的成本是不能忽略的。對用戶來說，如果可以通過采用彈性縮卡頭進行柔性攻螺紋，或者機床本身的轉(zhuǎn)速并不高時，就不必選用剛性攻螺紋功能。

上述這類問題在數(shù)控機床的功能配置時是經(jīng)常遇到的，作為一個數(shù)控機床的設(shè)計和銷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)機床的實際情況為用戶配置經(jīng)濟合理、功能和價格比都比較高的數(shù)控機床，減少不必要的浪費。