数控系统(Numerical Control System)
2020-05-16 15:14:11
zt2020
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数控系统是数字控制系统的简称，英文名称为（Numerical Control System），根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。
简介
数字控制系统简称，英文名称为Numerical Control System，早期是与计算机并行发展演化的，用于控制自动化加工设备的，由电子管和继电器等硬件构成具有计算能力的专用控制器的称为硬件数控（Hard NC）。20世纪70年代以后，分离的硬件电子元件逐步由集成度更高的计算机处理器代替，称为计算机数控系统。
计算机数控（Computerized numerical control，简称CNC）系统是用计算机控制加工功能，实现数值控制的系统。CNC系统根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置，用于控制自动化加工设备的专用计算机系统。
CNC系统由数控程序存储装置（从早期的纸带到磁环，到磁带、磁盘到计算机通用的硬盘）、计算机控制主机（从专用计算机进化到PC体系结构的计算机）、可编程逻辑控制器（PLC）、主轴驱动装置和进给（伺服）驱动装置（包括检测装置）等组成。
由于逐步使用通用计算机，数控系统日趋具有了软件为主的色彩，又用PLC代替了传统的机床电器逻辑控制装置，使系统更小巧，其灵活性、通用性、可靠性更好，易于实现复杂的数控功能，使用、维护也方便，并具有与网络连接及进行远程通信的功能。
基本构成
世界上的数控系统种类繁多，形式各异，组成结构上都有各自的特点。这些结构特点来源于系统初始设计的基本要求和硬件和软件的工程设计思路。对于不同的生产厂家来说，基于历史发展因素以及各自因地而异的复杂因素的影响，在设计思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美国Dynapath系统采用小板结构，热变形小，便于板子更换和灵活结合，而日本FANUC系统则趋向大板结构，减少板间插接件，使之有利于系统工作的可靠性。然而无论哪种系统，它们的基本原理和构成是十分相似的。一般整个数控系统由三大部分组成，即控制系统，伺服系统和位置测量系统。控制系统硬件是一个具有输入输出功能的专用计算机系统，按加工工件程序进行插补运算，发出控制指令到伺服驱动系统；测量系统检测机械的直线和回转运动位置、速度，并反馈到控制系统和伺服驱动系统，来修正控制指令；伺服驱动系统将来自控制系统的控制指令和测量系统的反馈信息进行比较和控制调节，控制PWM电流驱动伺服电机，由伺服电机驱动机械按要求运动。这三部分有机结合，组成完整的闭环控制的数控系统。
控制系统硬件是具有人际交互功能，具有包括现场总线接口输入输出能力的专用计算机。伺服驱动系统主要包括伺服驱动装置和电机。位置测量系统主要是采用长光栅或圆光栅的增量式位移编码器。
软件结构
（1）输入数据处理程序
它接收输入的零件加工程序，将标准代码表示的加工指令和数据进行译码、数据处理，并按规定的格式存放。有的系统还要进行补偿计算，或为插补运算和速度控制等进行预计算。通常，输入数据处理程序包括输入、译码和数据处理三项内容。
（2）插补计算程序
CNC系统根据工件加工程序中提供的数据，如曲线的种类、起点、终点、既定速度等进行中间输出点的插值密化运算。上述密化计算不仅要严格遵循给定轨迹要求还要符合机械系统平稳运动加减速的要求。根据运算结果，分别向各坐标轴发出形成进给运动的位置指令。这个过程称为插补运算。计算得到进给运动的位置指令通过CNC内或伺服系统内的位置闭环、速度环、电流环控制调节，输出电流驱动电机带动工作台或刀具作相应的运动，完成程序规定的加工任务。
CNC系统是一边插补进行运算，一边进行加工，是一种典型的实时控制方式。
（3）管理程序
管理程序负责对数据输入、数据处理、插补运算等为加工过程服务的各种程序进行调度管理。管理程序还要对面板命令、时钟信号、故障信号等引起的中断进行处理。在PC化的硬件结构下，管理程序通常在实时操作系统的支持下实现。
（4）诊断程序
诊断程序的功能是在程序运行中及时发现系统的故障，并指出故障的类型。也可以在运行前或故障发生后，检查系统各主要部件（CPU、存储器、接口、开关、伺服系统等）的功能是否正常，并指出发生故障的部位。
硬件结构
从硬件结构上的角度，数控系统到目前为止可分为两个阶段共六代，第一阶段为数值逻辑控制阶段，其特征是不具有CPU，依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制，包括第一代是电子管数控系统，第二代是晶体管数控系统，第三代是集成电路数控系统；第二个阶段为计算机控制阶段，其特征是直接引入计算机控制，依靠软件计算完成数控的主要功能，包括第四代是小型计算机数控系统，第五代是微型计算机数控系统，第六代是PC数控系统。
由于上世纪90年代开始，PC结构的计算机应用的普及推广，PC构架下计算机CPU及外围存储、显示、通讯技术的高速进步，制造成本的大幅降低，导致PC构架数控系统日趋成为主流的数控系统结构体系。PC数控系统的发展，形成了“NC+PC”过渡型结构，既保留传统NC硬件结构，仅将PC作为HMI。代表性的产品包括FANUC的160i，180i，310i，840D等。还有一类即将数控功能集中以运动控制卡的形式实现，通过增扩NC控制板卡（如基于DSP的运动控制卡等）来发展PC数控系统。典型代表有美国DELTA TAU公司用PMAC多轴运动控制卡构造的PMAC-NC系统。另一种更加革命性的结构是全部采用PC平台的软硬件资源，仅增加与伺服驱动及I/O设备通信所必需的现场总线接口，从而实现非常简洁硬件体系结构。
相关系统
运动轨迹
（1）点位控制数控系统
控制工具相对工件从某一加工点移到另一个加工点之间的精确坐标位置，而对于点与点之间移动的轨迹不进行控制，且移动过程中不作任何加工。这一类系统的设备有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控系统
不仅要控制点与点的精确位置，还要控制两点之间的工具移动轨迹是一条直线，且在移动中工具能以给定的进给速度进行加工，其辅助功能要求也比点位控制数控系统多，如它可能被要求具有主轴转数控制、进给速度控制和刀具自动交换等功能。此类控制方式的设备主要有简易数控车床、数控镗铣床等。
（3）轮廓控制数控系统
这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。
这类系统能够对两个或两个以上坐标方向进行严格控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，同时还控制每个坐标的运动速度。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以形成所需要的直线、斜线或曲线、曲面。采用此类控制方式的设备有数控车床、铣床、加工中心、电加工机床和特种加工机床等。
伺服系统
按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类：
⑴开环控制数控系统
这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的进给指令（多为脉冲接口）经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，从70年代开始，被广泛应用于经济型数控机床中。
⑵半闭环控制数控系统
位置检测元件被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置（直线位移），由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如全闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。
⑶全闭环控制数控系统
位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行调节控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些连接环节放在闭环内，导致整个系统连接刚度变差，因此调试时，其系统较难达到高增益，即容易产生振荡。
加工工艺
⑴车削、铣削类数控系统
针对数控车床控制的数控系统和针对加工中心控制数控系统。这一类数控系统属于最常见的数控系统。FANUC用T，M来区别这两大类型号。西门子则是在统一的数控内核上配 置不同的编程工具：Shopmill，shopturn来区别。两者最大的区别在于：车削系统要求能够随时反映刀尖点相对于车床轴线的距离，以表达当前加工工件的半径，或乘以2表达为直径；车削系统有各种车削螺纹的固定循环；车削系统支持主轴与C轴的切换，支持端面直角坐标系或回转体圆柱面坐标系编程，而数控系统要变换为极坐标进行控制；而对于铣削数控系统更多地要求复杂曲线、曲面的编程加工能力，包括五轴和斜面的加工等。随着车铣复合化工艺的日益普及，要求数控系统兼具车削、铣削功能，例如大连光洋公司的GNC60/61系列数控系统。
⑵磨削数控系统
针对磨床控制的专用数控系统。FANUC用G代号区别，西门子须配置功能。与其他数控系统的区别主要在于要支持工件在线量仪的接入，量仪主要监测尺寸是否到位，并通知数控系统退出磨削循环。磨削数控系统还要支持砂轮修整，并将修正后的砂轮数据作为刀具数据计入数控系统。此外，磨削数控系统的PLC还要具有较强的温度监测和控制回路，还要求具有与振动监测、超声砂轮切入监测仪器接入，协同工作的能力。对于非圆磨削，数控系统及伺服驱动在进给轴上需要更高的动态性能。有些非圆加工（例如凸轮）由于被加工表面高精度和高光洁度要求，数控系统对曲线平滑技术方面也要有特殊处理。
⑶面向特种加工数控系统
这类系统为了适应特种加工往往需要有特殊的运动控制处理和加工作动器控制。例如，并联机床控制需要在常规数控运动控制算法加入相应并联结构解耦算法；线切割加工中需要支持沿路径回退；冲裁切割类机床控制需要C轴保持冲裁头处于运动轨迹切线姿态；齿轮加工则要求数控系统能够实现符合齿轮范成规律的电子齿轮速比关系或表达式关系；激光加工则要保证激光头与板材距离恒定；电加工则要数控系统控制放电电源；激光加工则需要数控系统控制激光能量。
功能水平
⑴经济型数控系统
又称简易数控系统，通常采用步进电机或脉冲串接口的伺服驱动，不具有位置反馈或位置反馈不参与位置控制；仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统；通常不具有用户可编程的PLC功能。通常装备的机床定位精度在0.02mm以上。
⑵普及型数控系统
介于简式型数控系统和高性能型数控系统之间的数控系统，其特点联动轴数4轴以下（含4轴），闭环控制（伺服电机反馈信息参与控制），具有螺距误差补偿和刀具管理功能，支持用户开发PLC功能。
⑶高档型数控系统
一般是指具有多通道（两个及以上）数控设备控制能力，具有双驱控制、5轴及以上的插补联动功能、斜面加工、样条插补、双向螺距误差补偿、直线度和垂直度误差补偿、刀具管理及刀具长度和半径补偿功能、高静态精度（分辨率0.001μm即最小分辨率为1nm）和高动态精度（随动误差0.01mm以内）、高速度及完备的PLC控制功能数控系统。
工作流程
1、输入：零件程序及控制参数、补偿量等数据的输入，可采用光电阅读机、键盘、磁盘、连接上级计算机的DNC 接口、网络等多种形式。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码删除、代码校验和代码转换等工作。
2、译码：不论系统工作在MDI方式还是存储器方式，都是将零件程序以一个程序段为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）、加工速度信息（F 代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释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单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。
3、刀具补偿：刀具补偿包括刀具长度补偿和刀具半径补偿。通常CNC装置的零件程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把零件轮廓轨迹转换成刀具中心轨迹。在比较好的CNC装置中，刀具补偿的工件还包括程序段之间的自动转接和过切削判别，这就是所谓的C刀具补偿。
4、进给速度处理：编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加减速等也在这里处理。
5、插补：插补的任务是在一条给定起点和终点的曲线上进行“ 数据点的密化 ”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个插补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后 ，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
6、位置控制：位置控制处在伺服回路的位置环上， 这部分工作可以由软件实现， 也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较， 用其差值去控制伺服电动机。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，以提高机床的定位精度。
7、I/0 处理：I/O 处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制（如换刀、换挡、冷却等）。
8、显示：CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态图形显示。
9、诊断：对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。