数控系统的基本组成及工作过程认知

1.1　数控机床的组成及功能认知

1.1.1　数控机床的组成与分类

1.数控加工过程

数控即数字控制（Numerical Control，简称NC），数控技术即NC技术，是指用数字化信息发出指令并实现自动控制的技术。计算机数控（Computerized Numerical Control，简称CNC）是指用计算机实现部分或全部的数控功能。

数控机床的加工过程是：将所需的多个操作步骤（如机床的启动或停止、主轴的变速、工件的夹紧或松开、刀具的选择和交换、切削液的开或关等）和刀具与工件之间的相对位移，以及进给速度等都用数字化的代码来表示，按规定编写零件加工程序并送入数控系统，经分析处理与计算后发出相应的指令控制机床的伺服系统或其他执行元件，使机床自动加工出所需要的工件。

2.数控机床的分类

数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按下面4种原则进行分类。

（1）按加工工艺及机床用途分类

1）金属切削类

指采用车、铣、撞、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床，如数控车床、数控铣床、数控磨床、加工中心等。

2）金属成型类

指采用挤、冲、压、拉等成型工艺的数控机床，常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。

3）特种加工类

主要有数控电火花线切割机、数控电火花成型机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。

4）测量、绘图类

主要有三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。

（2）按运动轨迹分类

1）点位控制数控机床

这类数控机床的特点是在刀具相对于工件的移动过程中不进行切削加工，只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位，而对运动的速度和轨迹没有严格的要求，如图0. 1所示。

图0.1　点位控制切削加工

2）直线控制数控机床

这类数控机床不仅要控制机床刀具从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹（一般与某一坐标轴平行或成45°角）以一定速度移动，移动过程中可进行切削加工，加工示例如图0. 2所示。

3）轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动，移动过程中可进行切削加工，移动速度根据工艺要求由编程确定，可实现曲线或者曲面轮廓加工，加工示例如图0. 3所示。

图0.2　直线控制切削加工

图0.3　轮廓控制切削加工

4）多轴联动数控机床

多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动，称为多轴联动。按照联动轴数，可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动和多轴联动数控机床，如图0. 4所示。

图0.4　不同联动轴数所能加工的型面

（3）按伺服系统的控制方式分类

按伺服系统的控制方式不同可将数控机床分为开环控制、闭环控制和半闭环控制数控机床。

1）开环控制数控机床

这类数控机床的运动部件没有位置检测反馈装置，采用步进电动机驱动，如图0. 5所示。

图0.5　开环控制数控机床结构

2）闭环控制数控机床

这类数控机床的运动部件上安装有位置测量反馈装置，由直流或交流伺服电动机驱动，如图0. 6所示。

图0.6　闭环控制数控机床结构

3）半闭环控制数控机床

将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量，间接计算出机床工作台的实际运行位移与数控装置中的指令位移量相比较，实现差值控制，构成如图0. 7所示的半闭环控制。

图0.7　半闭环控制数控机床结构图

（4）按数控系统的功能水平分类

按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高3类，这种分类方式在我国用得较多。低、中、高3档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同。就目前的发展水平看，可以根据表0. 1的一些功能及指标，将各种类型的数控系统分为低、中、高档3类。其中，中、高档一般称为全功能数控或标准型数控，在我国还有经济型数控的提法，经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统，经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。

表0.1　各档次数控机床的功能和指标

3.数控机床的组成及各部分功能

数控机床一般由加工程序、输入装置、数控系统、伺服系统和辅助控制装置、检测反馈系统以及机床本体组成，如图0. 8所示。

（1）机床

机床是数控机床的机械结构件，有床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴和进给机构等。

（2）伺服系统

伺服系统是数控系统和机床主机之间的连接环节，其接受数控系统生成的进给信号，经放大驱动主机的执行机构，最后实现机床运动。

图0.8　数控机床的组成框图

（3）检测反馈系统

检测反馈系统是通过检测元件将执行元件（电机、刀架）或工作台的速度和位移检测出来，反馈给数控装置构成闭环或半闭环系统。

（4）辅助控制装置

辅助控制装置是连接数控装置和机床机械、液压部件的控制系统。其主要作用是接收数控装置输出的主运动变速，刀具的选择与交换，辅助装置的动作等信号。经过编译、逻辑判断、功率放大后驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。

（5）数控系统

数控系统是数控机床的核心，由硬件和软件部分组成。其接受输入代码经缓存、译码、运算插补等转变成控制指令，实现直接或通过PLC对伺服驱动装置的控制。

（6）输入装置

键盘和磁盘机等是数控机床的典型输入设备，除此之外，还可以用串行通信的方式输入。数控系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富，并能显示图形信息。操作人员可以通过显示器获得必要的信息。

1.1.2　数控系统的基本组成及工作过程认知

1.数控系统组成

数控系统，即CNC系统主要由硬件和软件两大部分组成。其核心是计算机数字控制装置。它通过系统控制软件配合系统硬件，合理地组织、管理数控系统的输入、数据处理、插补和输出信息，控制执行部件，使数控机床按照操作者的要求进行自动加工。CNC系统采用了计算机作为控制部件，通常由常驻在其内部的数控系统软件实现部分或全部数控功能，从而对机床运动进行实时控制。只要改变计算机数控系统的控制软件就能实现一种全新的控制方式。CNC系统有很多种类型，有车床、铣床、加工中心等。但是，各种数控机床的CNC系统一般包括以下几个部分：中央处理单元CPU、存储器（ROM/ RAM）、输入输出设备（I/ O）、操作面板、显示器和键盘、纸带穿孔机、可编程控制器等。图0. 9所示为CNC系统的一般结构框图。

图0. 9中所示的是整个计算机数控系统的结构框图，数控系统主要是指图中的CNC控制器。CNC控制器由计算机硬件、系统软件和相应的I/ O接口构成的专用计算机与可编程控制器PLC组成。前者处理机床的轨迹运动的数字控制，后者处理开关量的逻辑控制。

图0.9　CNC系统的结构框图

2.数控系统的工作过程

FANUC（日本）、SIEMENS（德国）、FAGOR（西班牙）、HEIDENHAIN（德国）、MITSUBISHI（日本）等公司的数控系统及相关产品，在数控机床行业占据主导地位。数控系统的工作过程如下。

（1）输入

输入CNC控制器的通常有零件加工程序、机床参数和刀具补偿参数。机床参数一般在机床出厂时或在用户安装调试时已经设定好，所以输入CNC系统的主要是零件加工程序和刀具补偿数据。输入方式有纸带输入、键盘输入、磁盘输入及上级计算机DNC通信输入等。CNC输入工作方式有存储方式和NC方式。存储方式是将整个零件程序一次全部输入到CNC内部存储器中，加工时再从存储器中把一个一个程序调出。该方式应用较多。NC方式是CNC一边输入一边加工的方式，即在前一程序段加工时，输入后一个程序段的内容。

（2）译码

译码是以零件程序的一个程序段为单位进行处理，把其中零件的轮廓信息（起点、终点、直线或圆弧等），F，S，T，M等信息按一定的语法规则解释（编译）成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用区域。编译过程中还要进行语法检查，发现错误立即报警。

（3）刀具补偿

刀具补偿包括刀具半径补偿和刀具长度补偿。为了方便编程人员编制零件加工程序，编程时零件程序是以零件轮廓轨迹来编程的，与刀具尺寸无关。程序输入和刀具参数输入分别进行。刀具补偿的作用是把零件轮廓轨迹按系统存储的刀具尺寸数据自动转换成刀具中心（刀位点）相对于工件的移动轨迹。

刀具补偿包括B机能和C机能刀具补偿功能。在较高档次的CNC中一般应用C机能刀具补偿，C机能刀具补偿能够进行程序段之间的自动转接和过切削判断等功能。

（4）进给速度处理

数控加工程序给定的刀具相对于工件的移动速度是在各个坐标合成运动方向上的速度，即F代码的指令值。速度处理首先要进行的工作是将各坐标合成运动方向上的速度分解成各进给运动坐标方向的分速度，为插补时计算各进给坐标的行程量作准备；另外对于机床允许的最低和最高速度限制也在这里处理。有的数控机床的CNC软件的自动加速和减速也放在这里。

（5）插补

零件加工程序程序段中的指令行程信息是有限的。如对于加工直线的程序段仅给定起、终点坐标；对于加工圆弧的程序段除了给定其起、终点坐标外，还给定其圆心坐标或圆弧半径。要进行轨迹加工，CNC必须从一条已知起点和终点的曲线上自动进行“数据点密化”的工作，这就是插补。插补在每个规定的周期（插补周期）内进行一次，即在每个周期内，按指令进给速度计算出一个微小的直线数据段，通常经过若干个插补周期后，插补完一个程序段的加工，也就完成了从程序段起点到终点的“数据密化”工作。

（6）位置控制

位置控制装置位于伺服系统的位置环上，如图0. 9所示。它的主要工作是在每个采样周期内，将插补计算出的理论位置与实际反馈位置进行比较，用其差值控制进给电动机。位置控制可由软件完成，也可由硬件完成。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整，各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿等，以提高机床的定位精度。

（7）I/ O处理

CNC的I/ O处理是CNC与机床之间的信息传递和变换的通道。其作用一方面是将机床运动过程中的有关参数输入到CNC中；另一方面是将CNC的输出命令（如换刀、主轴变速换挡、加冷却液等）变为执行机构的控制信号，实现对机床的控制。

（8）显示

CNC系统的显示主要是为操作者提供方便，显示装置有CRT显示器或LCD数码显示器，一般位于机床的控制面板上。通常有零件程序的显示、参数的显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警信息显示等。有的CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态模拟加工图形显示。

1.1.3　数控机床的安装调试

安装调试工作是指机床运到后，安装到工作场地直至能正常工作的这一阶段所做的工作。安装和调试过程如下：

①机床到货后应及时开箱检查，按照装箱单清点技术资料、零部件、备件和工具等是否齐全无损，核对实物与装箱单及订货合同是否相符，如发现有损坏或遗漏问题，应及时与供货厂商联系解决，尤其注意不要超过索赔期限。

②机床初就位 用户在机床到达之前，应根据机床轮廓尺寸和实际场地情况，综合考虑加工方便、操作者安全及车间运输方便等因素，首先设计机床的安装位置和安装方向，其次应按机床厂提供的机床基础要求做好机床地基，在安装地脚螺栓的地方预留好空位。机床拆箱后，要找齐随机资料，找出机床装箱单，按照装箱单清点各包装箱内零部件、电缆、资料等是否齐全。然后按机床说明书介绍将组成机床的各大部件分别在地基上就位。就位时，垫铁、调整垫板和地脚螺栓等也都相应对号入座。

③机床连接机床各部件组装前，首先要除去安装连接面、导轨和各运动面上的防锈涂料，做好各部件外表清洁工作，然后把机床各部件组装成整机。部件组装完成后进行电缆、油管和气管连接。

④数控系统的连接与调试 首先将实物与订单相对照，然后进行电缆连接和地线连接。接着进行数控系统电源线的连接，并对数控系统内部的线路板上短路棒进行设定。仔细调整数控柜的电源，检查各端输出电压和赢流电源单元的电压输出端是否对地短路。再确认数控系统各参数并将参数通过数控系统显示，然后存入系统存储器。将数控系统与机床侧接口准确连接。

⑤试车前准备 按机床说明书要求给机床润滑油箱、润滑点灌注规定的油液和油脂，给液压油箱内灌入规定标号的液压油，接通外接气源。调整机床床身水平位置，粗调机床主要几何精度，再调整重新组装的主要运动部件与主机的相对位置，使机床安装固定牢固。

⑥通电试车 普通机床的试车较简单，主要是检查电机的旋转方向是否正常，若发现异常，对调任意两根电源线即可。数控机床的试车比较复杂，具体如下：机床通电可以是一次各部件全面供电，或各部件分别供电，然后再作总供电试验。分别供电比较安全，通电后，首先观察有无报警故障，然后用手动方式陆续启动各部件，检查机床各部件的功能是否正常，最后全面通电，使机床各环节都能操作运动起来。数控系统与机床联机通电试车，手动连续进给各轴，以查电动机的状态、各轴的精度、各轴的安全保护和回基准点功能。

⑦机床精度和功能的调试 在基础固化后（一般为7天以上）精确调整机床主床身的水平，校正水平后移动床身上的各运动部件，调整机床几何精度在允许公差范围内。对于数控机床，精度调整完毕后，应仔细检查数控系统和可编程控制器装置中参数设定值是否符合随机指标中规定的数据，然后试验各主要操作功能、安全措施、常用指令执行情况等。

⑧试运行 对于数控机床，调试完毕后要求整机在一定负载条件下经过较长时间的自动运行，较全面地检查机床功能及工作可靠性。运行时间没有统一规定，一般采用每天运行8 h，连续运行2～3天或24 h，这个过程称作安装后的试运行。在试运行时间内，除操作失误引起的故障外，不允许机床有故障出现，否则表明机床的安装调试存在问题。通过试运行，达到机床能安全可靠工作的目的。