1.3　數(shù)控系統(tǒng)簡介

數(shù)控系統(tǒng)（Numerical Control System）是數(shù)字控制系統(tǒng)的簡稱。它能根據(jù)計(jì)算機(jī)中存儲的控制程序，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的動作控制。

1.3.1　數(shù)控系統(tǒng)概述

（1）數(shù)控系統(tǒng)的組成

數(shù)控系統(tǒng)的種類繁多，形式各異，組成結(jié)構(gòu)上也各有特點(diǎn)。然而無論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構(gòu)成是十分相似的。一般整個數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是一個具有輸入輸出功能的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，對加工程序進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，發(fā)出控制指令給伺服驅(qū)動系統(tǒng)；測量系統(tǒng)檢測運(yùn)動部件的具體運(yùn)動位置、速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服驅(qū)動系統(tǒng)，來修正控制指令；伺服驅(qū)動系統(tǒng)將來自控制系統(tǒng)的控制指令和測量系統(tǒng)的反饋信息進(jìn)行比較和控制調(diào)節(jié)，控制脈沖寬度調(diào)制（Pulse Width Modulation，PWM）電流驅(qū)動伺服電動機(jī)，由伺服電動機(jī)驅(qū)動運(yùn)動部件按要求運(yùn)動。這三部分有機(jī)結(jié)合，就組成了完整的閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)。

（2）數(shù)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)硬件應(yīng)具有人機(jī)交互功能，具有包括現(xiàn)場總線接口輸入輸出能力的專用計(jì)算機(jī)。伺服驅(qū)動系統(tǒng)主要包括伺服驅(qū)動裝置和電動機(jī)。位置測量系統(tǒng)主要是采用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。

從硬件結(jié)構(gòu)看，數(shù)控系統(tǒng)到目前為止可分為兩個階段共六代，第一階段為數(shù)值邏輯控制階段，其特征是不具有CPU，依靠數(shù)值邏輯實(shí)現(xiàn)數(shù)控所需的數(shù)值計(jì)算和邏輯控制，包括第一代是電子管數(shù)控系統(tǒng)，第二代是晶體管數(shù)控系統(tǒng)，第三代是集成電路數(shù)控系統(tǒng)；第二個階段為計(jì)算機(jī)控制階段，其特征是直接引入計(jì)算機(jī)控制，依靠軟件計(jì)算完成數(shù)控的主要功能，包括第四代是小型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，第五代是微型計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)，第六代是PC數(shù)控系統(tǒng)。

從20世紀(jì)90年代開始，計(jì)算機(jī)應(yīng)用普及推廣，PC構(gòu)架下計(jì)算機(jī)CPU及外圍存儲、顯示、通信技術(shù)的高速進(jìn)步，制造成本的大幅降低，導(dǎo)致PC構(gòu)架數(shù)控系統(tǒng)日趨成為主流的數(shù)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)體系。PC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，形成了“NC+PC”過渡型結(jié)構(gòu)，即保留傳統(tǒng)NC硬件結(jié)構(gòu)，僅將PC作為人機(jī)接口（Human Machine Interface，HMI）。代表性的產(chǎn)品包括FANUC的160i、180i、310i，SIEMENS的840D等。還有一類是將數(shù)控功能集中用運(yùn)動控制卡的形式實(shí)現(xiàn)，通過增擴(kuò)NC控制板卡，如基于數(shù)字信號處理（Digital Signal Processing，DSP）的運(yùn)動控制卡等，來發(fā)展PC數(shù)控系統(tǒng)。典型代表有美國DELTA TAU公司用多軸運(yùn)動控制器（Programmable Multi-Axes Controller，PMAC）構(gòu)造的PMAC-NC系統(tǒng)。另一種更加革命性的結(jié)構(gòu)是全部采用PC平臺的軟硬件資源，僅增加伺服驅(qū)動及I/O設(shè)備通信所必需的現(xiàn)場總線接口，從而實(shí)現(xiàn)非常簡潔的硬件體系結(jié)構(gòu)。

（3）數(shù)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

1）輸入數(shù)據(jù)處理程序

它接收輸入的零件加工程序，將標(biāo)準(zhǔn)代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行譯碼、數(shù)據(jù)處理，并按規(guī)定的格式存放。有的系統(tǒng)還要進(jìn)行補(bǔ)償計(jì)算，或?yàn)椴逖a(bǔ)運(yùn)算和速度控制等進(jìn)行預(yù)計(jì)算。通常，輸入數(shù)據(jù)處理程序包括輸入、譯碼和數(shù)據(jù)處理三項(xiàng)內(nèi)容。

2）插補(bǔ)計(jì)算程序

CNC系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類、起點(diǎn)、終點(diǎn)、既定速度等進(jìn)行中間輸出點(diǎn)的插值密化運(yùn)算。上述密化計(jì)算不僅要嚴(yán)格遵循給定軌跡要求，還要符合機(jī)械系統(tǒng)平穩(wěn)運(yùn)動加減速的要求。根據(jù)運(yùn)算結(jié)果，分別向各坐標(biāo)軸發(fā)出形成進(jìn)給運(yùn)動的位置指令。這個過程稱為插補(bǔ)運(yùn)算。計(jì)算得到進(jìn)給運(yùn)動的位置指令通過CNC內(nèi)或伺服系統(tǒng)內(nèi)的位置閉環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制調(diào)節(jié)，輸出電流驅(qū)動電動機(jī)帶動工作臺或刀具作相應(yīng)的運(yùn)動，完成程序規(guī)定的加工任務(wù)。

CNC系統(tǒng)是一邊進(jìn)行插補(bǔ)運(yùn)算，一邊進(jìn)行加工，是一種典型的實(shí)時控制方式。

3）管理程序

管理程序負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補(bǔ)運(yùn)算等為加工過程服務(wù)的各種程序進(jìn)行調(diào)度管理。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進(jìn)行處理。在PC化的硬件結(jié)構(gòu)下，管理程序通常在實(shí)時操作系統(tǒng)的支持下實(shí)現(xiàn)。

4）診斷程序

診斷程序的功能是在程序運(yùn)行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也可以在運(yùn)行前或故障發(fā)生后，檢查系統(tǒng)各主要部件（CPU、存儲器、接口、開關(guān)、伺服系統(tǒng)等）的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。

（4）數(shù)控系統(tǒng)選型

數(shù)控系統(tǒng)的功能適用性，對于數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)選型無疑是重要的限制性因索。以下因素在選擇數(shù)控系統(tǒng)時是必須考慮的重要因素。

1）驅(qū)動能力

不同的數(shù)控系統(tǒng)供應(yīng)商，伺服系統(tǒng)的功率范圍和配套電動機(jī)范圍是不同的。首先應(yīng)該從可匹配的電動機(jī)類型，功率范圍來初步篩選。特別是要注意數(shù)控機(jī)床方案中是否包括力矩電動機(jī)、直線電動機(jī)、電主軸屬于同步電主軸還是異步電主軸，上述電動機(jī)的額定電流需求和過載電流需求，電主軸的最高轉(zhuǎn)速需求等。

2）全閉環(huán)需求與雙驅(qū)需求

數(shù)控機(jī)床，特別是大型、重型數(shù)控機(jī)床，大多數(shù)都有全閉環(huán)和雙驅(qū)需求。在全閉環(huán)控制方案中，要在距離編碼光柵、絕對值式光柵、普通增量光柵間進(jìn)行選擇，同時數(shù)控系統(tǒng)也要支持相應(yīng)的反饋信號接入。雙驅(qū)動可以解決大型、重型機(jī)床由于剛性不足造成的雙導(dǎo)軌副運(yùn)動不同步誤差。根據(jù)機(jī)床剛性情況，可以選擇主從方式，即一邊為主，一邊跟隨。這種方法控制十分簡單；或選擇交叉耦合，即動態(tài)跟蹤雙邊的運(yùn)動跟隨誤差，從而動態(tài)調(diào)整，但其參數(shù)調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。

3）運(yùn)動軸數(shù)與聯(lián)動控制需求

數(shù)控車床屬于2軸機(jī)床，加工中心有3、4、5軸之分。運(yùn)動軸的數(shù)量直接影響機(jī)床的加工工藝范圍；機(jī)床各軸是否需要聯(lián)動控制，相應(yīng)選擇數(shù)控系統(tǒng)功能也不同。比如針對五面箱體類加工，通常不需要實(shí)時傳輸協(xié)議（Real-time Transport Protocol，RTP）和實(shí)時傳輸控制協(xié)議（RTP Control Protocol，RTCP）。同時針對5軸功能可能涉及數(shù)控系統(tǒng)供貨商在出口許可證、售后服務(wù)、技術(shù)支持等方面的問題也必須認(rèn)真考慮。

4）生產(chǎn)系統(tǒng)需求

數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化支持是生產(chǎn)系統(tǒng)集成的必要條件。對于要納入自動化生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，必須明確數(shù)控系統(tǒng)具有相應(yīng)的接入解決方案，從采用低級的可編程控制器（Programmable Logic Controller，PLC）輸入輸出點(diǎn)直接接入，到采用高級的對象連接與嵌入（Object Linking and Embedding，OLE）內(nèi)置服務(wù)器，依照OPC（OLE for Process Control）標(biāo)準(zhǔn)向用戶開放數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。此外面向自動化生產(chǎn)系統(tǒng)，在線工件檢測和刀具檢測也是必須支持的功能。

1.3.2　常用數(shù)控系統(tǒng)

（1）FANUC數(shù)控系統(tǒng)

1）FANUC數(shù)控系統(tǒng)的特點(diǎn)

日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)具有高質(zhì)量、高性能、全功能等特點(diǎn)，適用于各種機(jī)床和生產(chǎn)機(jī)械，在市場上的占有率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他的數(shù)控系統(tǒng)，其特點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個方面。

①系統(tǒng)在設(shè)計(jì)中大量采用模塊化結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)易于拆裝，各個控制板高度集成，使可靠性有很大提高，而且便于維修、更換。

②具有很強(qiáng)的抵抗惡劣環(huán)境影響的能力。其工作環(huán)境溫度為0～45℃，相對濕度達(dá)到75%。

③有較完善的保護(hù)措施。FANUC對自身的系統(tǒng)采用比較好的保護(hù)電路。

④FANUC系統(tǒng)所配置的系統(tǒng)軟件具有比較齊全的基本功能和選項(xiàng)功能。對于一般的機(jī)床來說，基本功能完全能滿足使用要求。

⑤提供大量豐富的PMC（Programmable Machine Controller）信號和PMC功能指令。這些豐富的信號和編程指令便于用戶編制機(jī)床側(cè)PMC控制程序，而且增加了編程的靈活性。

⑥具有很強(qiáng)的DNC功能。系統(tǒng)提供串行RS-232C傳輸接口，使通用計(jì)算機(jī)PC和機(jī)床之間的數(shù)據(jù)傳輸能方便、可靠地進(jìn)行，從而實(shí)現(xiàn)高速的DNC操作。

⑦提供豐富的維修報(bào)警和診斷功能。FANUC維修手冊為用戶提供了大量的報(bào)警信息，并且以不同的類別進(jìn)行分類。

2）FANUC數(shù)控系統(tǒng)的產(chǎn)品系列

FANUC系統(tǒng)早期有5系列和6系列系統(tǒng)，1984年之后，在6系統(tǒng)基礎(chǔ)上研制出10/11/12系列，同時成功研制出具有數(shù)字伺服功能的0系列，而后又相繼研發(fā)出15、16、18、21以及i系列等。而應(yīng)用最廣的是FANUC 0系列數(shù)控系統(tǒng)。FANUC數(shù)控系統(tǒng)的主要產(chǎn)品系列應(yīng)用情況如下：

①高可靠性的Power Mate 0系列。用于控制2軸的小型車床，取代步進(jìn)電動機(jī)的伺服系統(tǒng)；可配畫面清晰、操作方便，中文顯示的CRT/MDI，也可配性價比高的DPL/MDI。

②普及型CNC 0-D系列。其中0-TD用于車床，0-MD用于銑床及小型加工中心，0-GCD用于圓柱磨床，0-GSD用于平面磨床，0-PD用于沖床。

③全功能型的0-C系列。其中0-TC用于通用車床、自動車床，0-MC用于加工中心、銑床和鉆床，0-GCC用于內(nèi)、外圓磨床，0-GSC用于平面磨床，0-TTC用于雙刀架4軸車床。

④高性價比的0i系列。該系列具有整體軟件功能包，高速、高精度加工，并具有網(wǎng)絡(luò)功能。0i-MB/MA用于4軸4聯(lián)動的加工中心和銑床；0i-TB/TA用于4軸2聯(lián)動車床；0i-Mate MA用于3軸3聯(lián)動銑床；0i-Mate TA用于2軸2聯(lián)動車床。

⑤具有網(wǎng)絡(luò)功能的超小型、超薄型CNC 16i/18i/21i系列?？刂茊卧cLCD集成于一體，具有網(wǎng)絡(luò)功能和超高速串行數(shù)據(jù)通信。其中FS16i-MB的插補(bǔ)、位置檢測和伺服控制以納米為單位。16i最大可控8軸6聯(lián)動；18i最大可控6軸4聯(lián)動；21i最大可控4軸4聯(lián)動。

除此之外，CNC 16/18/160/180系列可以滿足機(jī)床的個性化定制。

（2）SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)

西門子數(shù)控系統(tǒng)是西門子集團(tuán)旗下自動化與驅(qū)動集團(tuán)的產(chǎn)品，西門子數(shù)控系統(tǒng)SINUMERIK發(fā)展了很多代。目前在廣泛使用的主要有802、810、840等幾種類型。

1）SINUMERIK 802D

具有免維護(hù)性能的SINUMERIK 802D，其核心部件PCU（面板控制單元）將CNC、PLC、人機(jī)界面和通信等功能集成于一體?？煽啃愿?、易于安裝。

SINUMERIK 802D可控制4個進(jìn)給軸和一個數(shù)字或模擬主軸。通過生產(chǎn)現(xiàn)場總線PROFIBUS將驅(qū)動器、輸入輸出模塊連接起來。

模塊化的驅(qū)動裝置SIMODRIVE 611Ue配套1FK6系列伺服電動機(jī)，為機(jī)床提供了全數(shù)字化的動力。

通過視窗化的調(diào)試工具軟件，可以便捷地設(shè)置驅(qū)動參數(shù)，并對驅(qū)動器的控制參數(shù)進(jìn)行動態(tài)優(yōu)化。

SINUMERIK 802D集成了內(nèi)置PLC系統(tǒng)，對機(jī)床進(jìn)行邏輯控制。采用標(biāo)準(zhǔn)的PLC的編程語言Micro/WIN進(jìn)行控制邏輯設(shè)計(jì)。并且隨機(jī)提供標(biāo)準(zhǔn)的PLC子程序庫和實(shí)例程序，簡化了制造廠設(shè)計(jì)過程，縮短了設(shè)計(jì)周期。

2）SINUMERIK 810D

在數(shù)字化控制領(lǐng)域中，SINUMERIK 810D第一次將CNC和驅(qū)動控制集成在一塊板子上?？焖俚难h(huán)處理能力，使其在模塊加工中獨(dú)顯威力。

SINUMERIK 810D NC軟件選件的一系列突出優(yōu)勢可以幫助人們在競爭中脫穎而出。例如提前預(yù)測功能，可以在集成控制系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)快速控制。

另一個例子是坐標(biāo)變換功能。固定點(diǎn)停止可以用來卡緊工件或定義簡單參考點(diǎn)。模擬量控制控制模擬信號輸出；刀具管理也是另一種功能強(qiáng)大的管理軟件選件。

樣條插補(bǔ)功能（A，B，C樣條）用來產(chǎn)生平滑過渡；壓縮功能用來壓縮NC記錄；多項(xiàng)式插補(bǔ)功能可以提高810D/810DE運(yùn)行速度。

溫度補(bǔ)償功能保證數(shù)控系統(tǒng)在這種高技術(shù)、高速度運(yùn)行狀態(tài)下保持正常溫度。

此外，系統(tǒng)還提供鉆、銑、車等加工循環(huán)。

3）SINUMERIK 840D

SINUMERIK 840D數(shù)字NC系統(tǒng)用于各種復(fù)雜加工，它在復(fù)雜的系統(tǒng)平臺上，通過系統(tǒng)設(shè)定而適于各種控制技術(shù)。

840D與SIMODRIVE 611數(shù)字驅(qū)動系統(tǒng)和SIMATIC7可編程控制器一起，構(gòu)成全數(shù)字控制系統(tǒng)，它適于各種復(fù)雜加工任務(wù)的控制，具有優(yōu)于其他系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和控制精度。

（3）華中數(shù)控系統(tǒng)

華中“世紀(jì)星”系列數(shù)控系統(tǒng)以其質(zhì)量好，性價比高，新產(chǎn)品開發(fā)周期短，系統(tǒng)維護(hù)方便，配套能力強(qiáng)，開放性好和便于用戶二次開發(fā)及集成等優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)已派生出了10多種系列30多個特種數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品，廣泛用于車、銑、加工中心、車銑復(fù)合、磨、鍛、齒輪、仿形、激光加工、紡織機(jī)械、玻璃機(jī)械、醫(yī)療機(jī)械等設(shè)備，滿足用戶對低價格、高性能、簡單、可靠數(shù)控系統(tǒng)的要求。