數(shù)控系統(tǒng)的配置和功能選擇

數(shù)控系統(tǒng)的配置和功能選擇系統(tǒng)是數(shù)控機床的重要組成部分，配置什麼樣的數(shù)控系統(tǒng)及選擇哪些數(shù)控功能，都是機床生產(chǎn)廠家和最終用戶所關(guān)注的問題。

數(shù)控統(tǒng)的配置　伺服控制單元的選擇　數(shù)控系統(tǒng)的位置控制方式

　　開環(huán)控制系統(tǒng)：采用步進電機作為驅(qū)動部件，沒有位置和速度反饋器件，所以控制簡單，價格低廉，但它們的負載能力小，位置控制精度較差，進給速度較低，主要用于經(jīng)濟型數(shù)控裝置；

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

　　由于螺距誤差的存在，使得從半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測器反饋的絲杠旋轉(zhuǎn)角度變化量，還不能精確地反映進給軸的直線運動位置。但是，經(jīng)過數(shù)控系統(tǒng)對螺距誤差的補償後，它們也能達到相當(dāng)高的位置控制精度。與全閉環(huán)系統(tǒng)相比，它們的價格較低，安裝在電機內(nèi)部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩(wěn)定可*，幾乎無需維修，所以廣泛地應(yīng)用于各種類型的數(shù)控機床。

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

　　交流伺服電機是無刷結(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，目前已在很大范圍內(nèi)取代了直流伺服電機。

　　伺服控制單元的種類

　　分離型伺服控制單元，其特點是數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制單元相對獨立，也就是說，它們可以與多種數(shù)控系統(tǒng)配用，NC系統(tǒng)給出的指令是與軸運動速度相關(guān)的DC電壓（例如0-10V），而從機床返回的是與NC系統(tǒng)匹配的軸運動位置檢測信號（例如編碼器、感應(yīng)同步器等輸出信號）。伺服數(shù)據(jù)的設(shè)定和調(diào)整都在伺服控制單元側(cè)進行（用電位器調(diào)節(jié)或通過數(shù)字方式輸入）。

　　串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點是NC系統(tǒng)與伺服控制單元之間的數(shù)據(jù)傳送是雙向。與軸運動相關(guān)的指令數(shù)據(jù)、伺服數(shù)據(jù)和報警信號是通過相應(yīng)的時鐘信號線、選通信號號、發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線、報警信號線傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運動軸的實際位置和狀態(tài)等信息。

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點是軸控制單元密集安裝在一起，由一個公用的DC電源單元供電。NC裝置通過FCP板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的連接點SR、ST與各個軸控制單元（子站）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的SR、ST點串聯(lián)，組成伺服控制環(huán)。各個軸的位置編碼器與軸控制單元之間是通過二根高速通信線連接，反饋的信息有運動軸位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。

　　串行數(shù)據(jù)傳輸型和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元的伺服參數(shù)在NC裝置中用數(shù)字設(shè)定，開機初始化時裝入伺服控制單元，修改和調(diào)整都十分方便。

　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統(tǒng)）在相應(yīng)的控制軟件配合下，具有實時的調(diào)整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中，可以根據(jù)電機的速度和扭矩特性求出相應(yīng)的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時的加減速度，從而抑制高速定位時可能引起的振動。定位速度的提高可以縮短非切削時間，提高加工效率。又如在Hi-Cut型進給速度控制功能中，系統(tǒng)可以在讀入零件加工程序後，自動識別數(shù)控指令要求加工的零件形狀（圓弧、棱邊等），自動調(diào)節(jié)加工速度，使之最佳化，進而實現(xiàn)高速高精度加工。

　　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)後，硬件伺服控制變?yōu)檐浖�伺服控制，一些現(xiàn)代控制理論的先進算法得到實現(xiàn)，進而大大地提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。

　　伺服控制單元是數(shù)控系統(tǒng)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，其價格也占數(shù)控系統(tǒng)的很大部分。相對來說，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*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)境溫度過高，易引起器件過熱而損壞；防護不嚴可能引起電機進水，造成短路；導(dǎo)軌和絲杠潤滑不好或切削負荷過重會引起電機過流。機械傳動機構(gòu)卡死更會引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過載保護能力，但是故障情況嚴重或者多次發(fā)生時，仍然會使器件損壞。有些數(shù)控系統(tǒng)具有主軸和進給軸的實時負載顯示功能（例如大隈OSP系統(tǒng)的“當(dāng)前位置”頁面上不僅可以顯示軸運動的實時位置數(shù)據(jù)，而且還同時顯示各軸的實時負載百分比，用戶可以利用這些信息，采取措施來防止事故的發(fā)生。

　　進給伺服電機的選擇

　　輸出扭矩是進給電機負載能力的指標(biāo)。在連續(xù)操作狀態(tài)下，輸出扭矩是隨轉(zhuǎn)速的升高而減少的，電機的性能愈好，這種減少值就愈小。為進給軸配置電機時應(yīng)滿足最高切削速度時的輸出扭矩。雖然在快速進給時不作切削，負載較小 ，但也應(yīng)考慮最高快速進給速度下的起動扭矩 。高速時的輸出扭矩下降過多也會影響進給軸的控制特性。

　　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(biāo)。主軸電機的額定功率是指在恒功率區(qū)（速度N1到N2）內(nèi)運行時的輸出功率，低于基本速度N1時達不到額定功率，速度愈低，輸出功率就愈小。為了滿足主軸低速時的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時的電機速度也在基本速度N1以上，此時，機械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也會相應(yīng)增加。在主軸與伺服電機直接連接的數(shù)控機床中，有兩種方法來滿足主軸低速時的功率要求，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接成星形，而在高速運行時接成三角形，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(shù)控機床生產(chǎn)效率的有效途徑，但高速、高精度切削會給伺服驅(qū)動和計算機部件帶來更高的要求，必然增加數(shù)控系統(tǒng)的成本，而高速加工的另一個重要應(yīng)用領(lǐng)域是輕金屬和薄壁零件的加工，所以，應(yīng)該按機床的實際需要選擇主軸和進給電機的速度。

　　位置檢測器件的選擇

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

　　在采用相對位置編碼器、感應(yīng)同步器或光柵作為位置反饋器件的數(shù)控機床中，數(shù)控系統(tǒng)將各進給軸的回零減速開關(guān)（或標(biāo)記）之后由位置反饋器件產(chǎn)生的第一個零點標(biāo)記信號作為基準點。這類機床在每次斷電或緊急停機后都必須重新作各進給軸的回零操作，否則，實際位置可能發(fā)生偏移，回零減速開關(guān)與其撞塊的相對位置調(diào)整不妥，也會引起機械原點位置的不穩(wěn)定，這些都是應(yīng)該重視的；

　　在采用絕對位置編碼器作為位置反饋器件的數(shù)控機床中，絕對位置編碼器能夠自動記憶各進給軸全行程內(nèi)的每一點位置，不需回零開關(guān)，每次斷電或緊急停機後，都不必重新作基準點的設(shè)定操作�；鶞庶c位置設(shè)定後永久不變，并由專供絕對位置編碼器使用的存儲器記憶，特別適用于鼠牙盤定位的旋轉(zhuǎn)工作臺零點位置的設(shè)定，不僅穩(wěn)定性好，而且給操作和調(diào)整帶來極大方便。

　　機械設(shè)計方案的選擇

　　機床是由機械和電氣兩部分組成，在設(shè)計總體方案時應(yīng)從機電兩方面來考慮機床各種功能的實施方案，數(shù)控機床的機械要求和數(shù)控系統(tǒng)的功能都很復(fù)雜，所以更應(yīng)機電溝通，揚長避短。下面舉例說明。

　　例一主軸轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)有采用伺服電機或變頻電機實現(xiàn)自動無級調(diào)速和用普通三相異步電機驅(qū)動、機械齒輪分級變速、進行人工換檔兩類方法。

　　加工中心機床使用多種刀具進行連續(xù)的不同種類（銑、鉆、鏜和攻絲等）的切削加工，所以主軸的轉(zhuǎn)速是經(jīng)常變化的，而且必須由加工程序的S指令自動實現(xiàn)，自動換刀時還必須進行主軸定向，所以必須采用帶有定向功能的自動無級調(diào)速方式。

　　對于主軸轉(zhuǎn)速要求不高的普通數(shù)控銑床來說，刀具的更換都是用手動方式進行，而且在加工過程中，同一把刀具選擇不同轉(zhuǎn)速的機會并不多見，在手動換刀的同時進行手動變速對生產(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。與采用伺服電機進行無級調(diào)速的方案相比，可以顯著地降低生產(chǎn)成本，節(jié)省能源，維修也簡單，是很實用的選擇。

　　例二使用臥式加工中心對零件進行多面加工時，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間，選用有雙工位自動托板交換（APC）裝置的臥式加工中心，可以大大地節(jié)省零件裝卡的占機時間，從而提高機床的生產(chǎn)效率，而且該功能的控制是由PLC控制程序來完成，除了多用幾個輸入/輸出控制點外，數(shù)控系統(tǒng)的成本增加不多，是個功能/價格比很高的選擇。

　　例三加工中心機床的換刀時間對生產(chǎn)效率有很大影響，而換刀速度與機械結(jié)構(gòu)有很大的關(guān)系。例如，由油缸控制的機械手換刀時間一般在10秒以上，在2~3秒內(nèi)能完成換刀動作的機械手一般采用伺服電機驅(qū)動，配有凸輪和內(nèi)外油缸松刀機構(gòu)。與機構(gòu)不相當(dāng)?shù)膿Q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(yīng)綜合考慮。

　　數(shù)控功能的選擇

　　除基本功能以外，數(shù)控系統(tǒng)還為用戶提供多種可選功能，各知名品牌的數(shù)控系統(tǒng)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，放棄可有可無或不實用的可選功能，對提高產(chǎn)品的功能/價格比大有好處，下面列舉幾個例子供參考。

　　動畫/軌跡顯示功能

　　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，可以選擇直角座標(biāo)系中的兩個不同平面的同時顯示，也可選擇不同視角的三維立體顯示。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。這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。

　　軟盤驅(qū)動器

　　通過這種數(shù)據(jù)傳送工具可以將系統(tǒng)中已經(jīng)調(diào)試完畢的加工程序存入軟盤後存檔，也可以通過它將在其它計算機生成的加工程序存入NC系統(tǒng)，從而減少加工程序的輸入占機時間，更可以用它作各種機床數(shù)據(jù)的備份或存儲，給程編和操作人員帶來很大方便。

　　DNC-B通信功能

　　眾所周知，由非圓曲線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段後再編寫加工程序，所以程序容量極大。在模具加工中，這種長達幾百K字節(jié)（4K字節(jié)約等于10米紙帶長度）的加工程序經(jīng)常遇到，而一般數(shù)控系統(tǒng)提供的基本程序存儲容量為64?128K字節(jié)，這給模具加工帶來很大困難。

　　DNC-B通信功能具有兩種工作方式，其一是在個人計算機和數(shù)控系統(tǒng)的加工程序存儲區(qū)之間進行雙向的程序傳送，其二是將個人計算機的加工程序一段一段地傳送到數(shù)控系統(tǒng)的緩沖運行存儲器，邊加工邊傳送，直到加工結(jié)束。這就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，但它確實是功能/價格比很高的選項。

　　當(dāng)然，選擇擴充內(nèi)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(tǒng)的最大運行緩沖存儲器容量為512K字節(jié)。程序存儲器容量可以擴充到4096K字節(jié)，這樣就可以滿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)點是省去了個人計算機這個環(huán)節(jié)，使運行更加可*，操作也比較方便。

　　簡化編程的功能

　　為了提高編程的效率，縮短加工程序的長度，發(fā)揮程序存儲器的潛力，數(shù)控系統(tǒng)提供了一些簡化程序編制的方法。

　　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）編寫成參數(shù)式的固定循環(huán)程序，編程時由用戶填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如基面、孔深、每次切入量以及主軸轉(zhuǎn)速和進給速度等）就可完成預(yù)定的加工工序，并可多次重復(fù)使用。

　　座標(biāo)計算功能

　　利用數(shù)控系統(tǒng)的實時計算能力，將以各種規(guī)則分布的孔加工工序（例如斜線、圓周和網(wǎng)格等）編寫成參數(shù)式的固定循環(huán)程序，編程時由用戶填入相應(yīng)的數(shù)據(jù)（如角度、半徑、孔數(shù)、行數(shù)和列數(shù)等）就可完成預(yù)定的加工工序。

　　子程序功能

　　用戶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(yīng)的部位調(diào)用，從而縮短加工程序的長度。

　　用戶宏程序

　　用戶可以利用系統(tǒng)提供的各種算術(shù)、邏輯和函數(shù)運算符以及各種分支語句，來組成描述加工零件形狀的數(shù)學(xué)表達式，在程序執(zhí)行過程中，數(shù)控系統(tǒng)邊運算，邊輸出結(jié)果，用很短的程序就可以實現(xiàn)特種曲線和曲面的加工。

　　剛性攻絲功能

　　剛性攻絲功能必須采用伺服電機來驅(qū)動主軸，不僅要求在主軸上增加位置傳感器，而且對主軸傳動機構(gòu)的間隙和慣量都有嚴格的要求，所以不能忽略這個功能的成本。對用戶來說，如果沒有特殊的要求（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，在一般主軸上進行柔性攻絲來滿足加工要求，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，不僅會造成許多人為的錯誤，影響生產(chǎn)的正常進行，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(fù)雜零件因刀位不足而無法加工。 

   　自動刀具半徑/長度和工件測量功能

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

　　刀具半徑和長度可以用普通的量具手工測量，也可用專門的刀具測量儀測量。操作者可以通過每把刀的刀尖在Z軸方向相對于機床上同一“對刀面”的位置差來作為長度偏移值進行補償，采用數(shù)控系統(tǒng)本身提供的“半自動刀具長度測量”功能，輸入相對于“標(biāo)準刀具”的長度補償值。

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

　　接觸式傳感器和信號接收器安裝在機床工作區(qū)內(nèi)，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；

　　進行上述測量需要占用機床加工時間，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的基準孔中心或其它基準點的位置，代替人工“對刀”，它的精度不會高于機床本身的定位精度。