數(shù)控機(jī)床基本概念

1.1.1 數(shù)控技術(shù)與數(shù)控

??? 數(shù)控技術(shù)，簡稱數(shù)控（Numerical Control—NC），是利用數(shù)字化信息對機(jī)械運動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機(jī)進(jìn)行控制，因此，也可以稱為計算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control—CNC）。

為了對機(jī)械運動及加工過程進(jìn)行數(shù)字化信息控制，必須具備相應(yīng)的硬件和軟件。用來實現(xiàn)數(shù)字化信息控制的硬件和軟件的整體成為數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System），數(shù)控系統(tǒng)的核心是數(shù)控裝置（Numerical Controller）。

采用數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床，稱為數(shù)控機(jī)床（NC機(jī)床）。它是一種綜合應(yīng)用了計算機(jī)技術(shù)、自動控制技術(shù)、精密測量技術(shù)和機(jī)床設(shè)計等先進(jìn)技術(shù)的典型機(jī)電一體化產(chǎn)品，是現(xiàn)代制造技術(shù)的基礎(chǔ)?？刂茩C(jī)床也是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用最早、最廣泛的領(lǐng)域，因此，數(shù)控機(jī)床的水平代表了當(dāng)前數(shù)控技術(shù)的性能、水平和發(fā)展方向。

數(shù)控機(jī)床種類繁多，有鉆銑鏜床類、車削類、磨削類、電加工類、鍛壓類、激光加工類和其他特殊用途的專用數(shù)控機(jī)床等等，凡是采用了數(shù)控技術(shù)進(jìn)行控制的機(jī)床統(tǒng)稱為NC機(jī)床。

帶有自動換刀裝置ATC（Automatic Tool Changer—ATC）的數(shù)控機(jī)床（帶有回轉(zhuǎn)刀架的數(shù)控車床除外）稱為加工中心（Machine Center—MC）。它通過刀具的自動交換，工件可以一次裝、夾完成多工序的加工，實現(xiàn)了工序集中和工藝的復(fù)合，從而縮短了輔助加工時間，提高了機(jī)床的效率；減少了工件安裝、定位次數(shù)，提高了加工精度。加工中心是目前數(shù)控機(jī)床中產(chǎn)量最大、應(yīng)用最廣的數(shù)控機(jī)床。

在加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加多工作臺（托盤）自動交換裝置（Auto Pallet Changer—APC）以及其他相關(guān)裝置，組成的加工單元稱為柔性加工單元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。FMC不僅是現(xiàn)了工序的集中和工藝的復(fù)合，而且通過工作臺（托盤）的自動交換和較完善的自動監(jiān)測、監(jiān)控功能，可以進(jìn)行一定時間的無人化加工，從而進(jìn)一步提高了設(shè)備的加工效率。FMC既是柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）的基礎(chǔ)，又可以作為獨立的自動化加工設(shè)備使用，因此其發(fā)展速度較快。

在FMC和加工中心的基礎(chǔ)上，通過增加物流系統(tǒng)、工業(yè)機(jī)器人以及相關(guān)設(shè)備，并由中央控制系統(tǒng)進(jìn)行集中、統(tǒng)一控制和管理，這樣的制造系統(tǒng)稱為柔性制造系統(tǒng)FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不僅可以進(jìn)行長時間的無人化加工，而且可以實現(xiàn)多品種零件的全部加工和部件裝配，實現(xiàn)了車間制造過程的自動化，它是一種高度自動化的先進(jìn)制造系統(tǒng)。

隨著科技發(fā)展，為了適應(yīng)市場需求多變的形勢，對現(xiàn)代制造業(yè)來說，不僅需要發(fā)展車間制造過程的自動化，而且要實現(xiàn)從市場預(yù)測、生產(chǎn)決策、產(chǎn)品設(shè)計、產(chǎn)品制造直到產(chǎn)品銷售的全面自動化。將這些要求綜合、構(gòu)成的完整的生產(chǎn)制造系統(tǒng)，稱為計算機(jī)集成制造系統(tǒng)（Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS）。CIMS將一個更長的生產(chǎn)、經(jīng)營活動進(jìn)行了有機(jī)的集成，實現(xiàn)了更高效益、更高柔性的智能化生產(chǎn)，是當(dāng)今自動化制造技術(shù)發(fā)展的最高階段。在CIMS中，不僅是生產(chǎn)設(shè)備的集成，更主要的是以信息為特征的技術(shù)集成和功能集成。計算機(jī)是集成的工具，計算機(jī)輔助的自動化單元技術(shù)是集成的基礎(chǔ)，信息和數(shù)據(jù)的交換及共享是集成的橋梁，最終形成的產(chǎn)品，可以看成是信息和數(shù)據(jù)的物質(zhì)體現(xiàn)。

1.1.2 數(shù)控系統(tǒng)及其組成
數(shù)控系統(tǒng)的基本組成
數(shù)控系統(tǒng)是所有數(shù)控設(shè)備的核心。數(shù)控系統(tǒng)的主要控制對象是坐標(biāo)軸的位移（包括移動速度、方向、位置等），其控制信息主要來源于數(shù)控加工或運動控制程序。因此，作為數(shù)控系統(tǒng)的最基本組成應(yīng)包括：程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動這三部分。

輸入/輸出裝置輸入/輸出裝置的作用是進(jìn)行數(shù)控加工或運動控制程序、加工與控制數(shù)據(jù)、機(jī)床參數(shù)以及坐標(biāo)軸位置、檢測開關(guān)的狀態(tài)等數(shù)據(jù)的輸入、輸出。鍵盤和顯示器是任何數(shù)控設(shè)備都必備的最基本的輸入/輸出裝置。此外，根據(jù)數(shù)控系統(tǒng)的不同，還可以配光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)或軟盤驅(qū)動器等。作為外圍設(shè)備，計算機(jī)是目前常用的輸入/輸出裝置之一。
數(shù)控裝置數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心。它由輸入/輸出接口線路、控制器、運算器和存儲器等部分組成。數(shù)控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數(shù)據(jù)，通過內(nèi)部的邏輯電路或控制軟件進(jìn)行編譯、運算和處理，并輸出各種信息和指令，以控制機(jī)床的各部分進(jìn)行規(guī)定的動作。
在這些控制信息和指令中，最基本的是坐標(biāo)軸的進(jìn)給速度、進(jìn)給方向和進(jìn)給位移量指令。它經(jīng)插補運算后生成，提供給伺服驅(qū)動，經(jīng)驅(qū)動器放大，最終控制坐標(biāo)軸的位移。它直接決定了刀具或坐標(biāo)軸的移動軌跡。

此外，根據(jù)系統(tǒng)和設(shè)備的不同，如：在數(shù)控機(jī)床上，還可能有主軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向和起、停指令；刀具的選擇和交換指令；冷卻、潤滑裝置的起、停指令；工件的松開、夾緊指令；工作臺的分度等輔助指令。在數(shù)控系統(tǒng)中，它們是通過接口，以信號的形式提供給外部輔助控制裝置，由輔助控制裝置對以上信號進(jìn)行必要的編譯和邏輯運算，放大后驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行器件，帶動機(jī)床機(jī)械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規(guī)定的動作。

伺服驅(qū)動伺服驅(qū)動通常由伺服放大器（亦稱驅(qū)動器、伺服單元）和執(zhí)行機(jī)構(gòu)等部分組成。在數(shù)控機(jī)床上，目前一般都采用交流伺服電動機(jī)作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)；在先進(jìn)的高速加工機(jī)床上，已經(jīng)開始使用直線電動機(jī)。另外，在20世紀(jì)80年代以前生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床上，也有采用直流伺服電動機(jī)；對于簡易數(shù)控機(jī)床，也有用作為執(zhí)行器件。伺服放大器的形式?jīng)Q定于執(zhí)行器件，它必須與驅(qū)動電動機(jī)配套使用。
以上是數(shù)控系統(tǒng)最基本的組成部分。隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和機(jī)床性能水平的提高，對系統(tǒng)的功能要求也日益增強(qiáng)，為了滿足不同機(jī)床的控制要求，保證數(shù)控系統(tǒng)的完整性和統(tǒng)一性，并方便用戶使用，常用較為先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，一般都帶有內(nèi)部可編程控制器作為機(jī)床的輔助控制裝置。此外，在金屬切削機(jī)床上，主軸驅(qū)動裝置也可以成為數(shù)控系統(tǒng)的一個部分；在閉環(huán)數(shù)控機(jī)床上，測量、檢測裝置也是數(shù)控系統(tǒng)必不可少的。對于先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)，有時甚至采用計算機(jī)作為系統(tǒng)的人機(jī)界面和數(shù)據(jù)的管理、輸入/輸出設(shè)備，從而使數(shù)控系統(tǒng)的功能更強(qiáng)、性能更完善。

總之，數(shù)控系統(tǒng)的組成決定于控制系統(tǒng)的性能和設(shè)備的具體控制要求，其配置和組成具有很大的區(qū)別，除加工程序的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動這三個最基本的組成部分外，還可能有更多的控制裝置。圖1-1的虛線框部分表示計算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。

NC、CNC、SV與PLC的概念
NC（CNC）、SV與PLC（PC、PMC）是數(shù)控設(shè)備中最為常用的英文縮寫，在實際使用中，在不同的場合具有不同的含義。

NC（CNC）NC與CNC分別是數(shù)控（Numerical Control）與計算機(jī)數(shù)控（Computerized Numerical Control）的常用英文縮寫。由于現(xiàn)代數(shù)控都采用了計算機(jī)控制，因此，可以認(rèn)為NC和CNC的含義完全等同。在工程應(yīng)用上，根據(jù)使用場合的不同，NC（CNC）通常有三種不同的含義：在廣義上代表一種控制技術(shù)——數(shù)控技術(shù)；在狹義上代表一種控制系統(tǒng)的實體——數(shù)控系統(tǒng)；此外，還可以代表一種具體的控制裝置——數(shù)控裝置。
SVSV是伺服驅(qū)動（Servo Drive，簡稱伺服）的常用英文縮寫。按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的術(shù)語，它是“以物體的位置、方向、狀態(tài)作為控制量，追蹤目標(biāo)值的任意變化的控制機(jī)構(gòu)”。簡言之，它是一種能夠自動跟隨目標(biāo)位置等物理量的控制裝置。
在數(shù)控機(jī)床上，伺服驅(qū)動的作用主要有兩個方面：一是使坐標(biāo)軸按照數(shù)控裝置給定的速度運行；二是使坐標(biāo)軸按照數(shù)控裝置給定的位置定位。

伺服驅(qū)動的控制對象通常是機(jī)床坐標(biāo)軸的位移和速度；執(zhí)行機(jī)構(gòu)是伺服或；對輸入指令信號進(jìn)行控制和功率放大的部分常稱為伺服放大器（亦稱為驅(qū)動器、放大器、伺服單元等），它是伺服驅(qū)動的核心。

伺服驅(qū)動不僅可以和數(shù)控裝置配套使用，而且還可以單獨作為一個位置（速度）隨同系統(tǒng)使用，故也常稱為伺服系統(tǒng)。在早期的數(shù)控系統(tǒng)上，位置控制部分一般與CNC制成一體，伺服驅(qū)動只進(jìn)行速度控制，因此，伺服驅(qū)動又常稱為速度控制單元。

PLCPC是可編程序控制器（Programmable Controller）的英文縮寫。隨著個人計算機(jī)的日益普及，為了避免和個人計算機(jī)（亦稱PC）混淆，現(xiàn)在一般都將可編程序控制器稱為可編程序邏輯控制器（Programmalbe Logic Controller——PLC）或可編程序機(jī)床控制器（Programmable Machine Controller——PMC）。因此，在數(shù)控機(jī)床上，PC、PLC、PMC具有完全相同的含義。
PLC具有響應(yīng)快、性能可靠、使用方便、編程和調(diào)試容易等特點，并可直接驅(qū)動部分機(jī)床電器，因此，被廣泛用來作為數(shù)控設(shè)備的輔助控制裝置。目前，大多數(shù)數(shù)控系統(tǒng)都帶有內(nèi)部PLC，用于處理數(shù)控機(jī)床的輔助指令，從而大大簡化了機(jī)床的輔助控制裝置。此外，在很多場合，通過PLC的軸控制模塊、定位模塊等特殊功能模塊，還可以直接利用PLC，實現(xiàn)點位控制、直線控制以及簡單的輪廓控制，組成數(shù)控專用機(jī)床或數(shù)控生產(chǎn)線。

1.1.3 數(shù)控機(jī)床的組成與加工原理
數(shù)控機(jī)床的基本組成
數(shù)控機(jī)床是最典型的數(shù)控設(shè)備。為了了解數(shù)控機(jī)床的基本組成，首先需要分析數(shù)控機(jī)床加工零件的工作過程。在數(shù)控機(jī)床上，為了進(jìn)行零件的加工，可以通過如下步驟進(jìn)行：

據(jù)被加工零件的圖樣與工藝方案，用規(guī)定的代碼和程序格式，將刀具的移動軌跡、加工工藝過程、工藝參數(shù)、切削用量等編寫成數(shù)控系統(tǒng)能夠識別的指令形式，即編寫加工程序。
將所編寫的加工程序輸入數(shù)控裝置。
數(shù)控裝置對輸入的程序（代碼）進(jìn)行譯碼、運算處理，并向各坐標(biāo)軸的伺服驅(qū)動裝置和輔助機(jī)能控制裝置發(fā)出相應(yīng)的控制信號，以控制機(jī)床的各部件的運動。
在運動過程中，數(shù)控系統(tǒng)需要隨時檢測機(jī)床的坐標(biāo)軸位置、行程開關(guān)的狀態(tài)等，并與程序的要求相比較，以決定下一步動作，直到加工出合格的零件。
操作者可以隨時對機(jī)床的加工情況、工作狀態(tài)進(jìn)行觀察、檢查，必要時還需要對機(jī)床動作和加工程序進(jìn)行調(diào)整，以保證機(jī)床安全、可靠的運行。
由此可知，作為數(shù)控機(jī)床的基本組成，它應(yīng)包括：輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動和反饋裝置、輔助控制裝置以及機(jī)床本體等部分（如圖1-1所示）。

圖1—1中的虛線框部分統(tǒng)稱為數(shù)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對機(jī)床主機(jī)的加工控制。目前數(shù)控系統(tǒng)大部分采用計算機(jī)數(shù)控（即CNC），圖中的輸入/輸出裝置、數(shù)控裝置、伺服驅(qū)動和反饋裝置構(gòu)成的機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)，作用在上面已經(jīng)敘述。下面再簡要介紹其他組成部分。

以上根據(jù)給定的數(shù)學(xué)函數(shù)，在理想軌跡（輪廓）的已知點之間，通過數(shù)據(jù)點的密化，確定一些中間點的方法，稱為插補。能同時參與插補的坐標(biāo)軸數(shù)，稱為聯(lián)動軸數(shù)。顯然，當(dāng)數(shù)控機(jī)床的聯(lián)動軸數(shù)越多，機(jī)床加工輪廓的性能就越強(qiáng)。因此，聯(lián)動軸的數(shù)量是衡量數(shù)控機(jī)床性能的重要技術(shù)指標(biāo)。