| 1.1.1 数控技术与数控 数控技术，简称数控（Numerical Control—NC），是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的一种方法。由于现代数控都采用了计算机进行控制，因此，也可以称为计算机数控（Computerized Numerical Control—CNC）。 为了对机械运动及加工过程进行数字化信息控制，必须具备相应的硬件和软件。用来实现数字化信息控制的硬件和软件的整体成为数控系统（Numerical Control System），数控系统的核心是数控装置（Numerical Controller）。 采用数控技术进行控制的机床，称为数控机床（NC机床）。它是一种综合应用了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计等先进技术的典型机电一体化产品，是现代制造技术的基础。控制机床也是数控技术应用最早、最广泛的领域，因此，数控机床的水平代表了当前数控技术的性能、水平和发展方向。 数控机床种类繁多，有钻铣镗床类、车削类、磨削类、电加工类、锻压类、激光加工类和其他特殊用途的专用数控机床等等，凡是采用了数控技术进行控制的机床统称为NC机床。 带有自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer—ATC）的数控机床（带有回转刀架的数控车床除外）称为加工中心（Machine Center—MC）。它通过刀具的自动交换，工件可以一次装、夹完成多工序的加工，实现了工序集中和工艺的复合，从而缩短了辅助加工时间，提高了机床的效率；减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量{zd0}、应用最广的数控机床。 在加工中心的基础上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（Auto Pallet Changer—APC）以及其他相关装置，组成的加工单元称为柔性加工单元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。FMC不仅是现了工序的集中和工艺的复合，而且通过工作台（托盘）的自动交换和较完善的自动监测、监控功能，可以进行一定时间的无人化加工，从而进一步提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可以作为独立的自动化加工设备使用，因此其发展速度较快。 在FMC和加工中心的基础上，通过增加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，这样的制造系统称为柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不仅可以进行长时间的无人化加工，而且可以实现多品种零件的全部加工和部件装配，实现了车间制造过程的自动化，它是一种高度自动化的先进制造系统。 随着科技发展，为了适应市场需求多变的形势，对现代制造业来说，不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造直到产品销售的全面自动化。将这些要求综合、构成的完整的生产制造系统，称为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS）。CIMS将一个更长的生产、经营活动进行了有机的集成，实现了xxx益、更高柔性的智能化生产，是当今自动化制造技术发展的{zg}阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更主要的是以信息为特征的技术集成和功能集成。计算机是集成的工具，计算机辅助的自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品，可以看成是信息和数据的物质体现。 1.1.2 数控系统及其组成 输入/输出装置输入/输出装置的作用是进行数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入、输出。键盘和显示器是任何数控设备都必备的最基本的输入/输出装置。此外，根据数控系统的不同，还可以配光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。 此外，根据系统和设备的不同，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和起、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的起、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。在数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供给外部辅助控制装置，由辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行器件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。 伺服驱动伺服驱动通常由伺服放大器（亦称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。在数控机床上，目前一般都采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。另外，在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有采用直流伺服电动机；对于简易数控机床，也有用作为执行器件。伺服放大器的形式决定于执行器件，它必须与驱动电动机配套使用。 总之，数控系统的组成决定于控制系统的性能和设备的具体控制要求，其配置和组成具有很大的区别，除加工程序的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动这三个最基本的组成部分外，还可能有更多的控制装置。图1-1的虚线框部分表示计算机数控系统。 NC、CNC、SV与PLC的概念 NC（CNC）NC与CNC分别是数控（Numerical Control）与计算机数控（Computerized Numerical Control）的常用英文缩写。由于现代数控都采用了计算机控制，因此，可以认为NC和CNC的含义xx等同。在工程应用上，根据使用场合的不同，NC（CNC）通常有三种不同的含义：在广义上代表一种控制技术——数控技术；在狭义上代表一种控制系统的实体——数控系统；此外，还可以代表一种具体的控制装置——数控装置。 伺服驱动的控制对象通常是机床坐标轴的位移和速度；执行机构是伺服或；对输入指令信号进行控制和功率放大的部分常称为伺服放大器（亦称为驱动器、放大器、伺服单元等），它是伺服驱动的核心。 伺服驱动不仅可以和数控装置配套使用，而且还可以单独作为一个位置（速度）随同系统使用，故也常称为伺服系统。在早期的数控系统上，位置控制部分一般与CNC制成一体，伺服驱动只进行速度控制，因此，伺服驱动又常称为速度控制单元。 PLCPC是可编程序控制器（Programmable Controller）的英文缩写。随着个人计算机的日益普及，为了避免和个人计算机（亦称PC）混淆，现在一般都将可编程序控制器称为可编程序逻辑控制器（Programmalbe Logic Controller——PLC）或可编程序机床控制器（Programmable Machine Controller——PMC）。因此，在数控机床上，PC、PLC、PMC具有xx相同的含义。 1.1.3 数控机床的组成与加工原理 据被加工零件的图样与工艺方案，用规定的代码和程序格式，将刀具的移动轨迹、加工工艺过程、工艺参数、切削用量等编写成数控系统能够识别的指令形式，即编写加工程序。
图1—1中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制。目前数控系统大部分采用计算机数控（即CNC），图中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成的机床数控系统，作用在上面已经叙述。下面再简要介绍其他组成部分。
测量反馈装置它是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等，将执行元件（如、刀架等）或工作台等的实际位移的速度和位移量检测出来，反馈回伺服驱动装置或数控装置，并补偿进给的速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。检测装置的安装、检测信号反馈的位置，决定于数控系统的结构形式，伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。 由于先进的伺服都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接；反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置。只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（俗称模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。 辅助控制机构、进给传动机构它是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制部件。其主要作用是接受数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令；刀具选择交换；冷却、润滑装置的启停指令；工件和机床部件的松开、夹紧工作台转位等辅助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。它通常由PLC和强电控制回路构成，PLC在结构上可以与CNC一体化（内置式PLC），也可以相对独立（外置式PLC）。 机床本体就是数控机床的机械结构件，也是由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑、防护系统等部分组成。但为了满足数控的要求，充分发挥机床性能，它在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面都已发生了很大的变化。机床机械部件包括床身、箱体、立柱、导轨、工作台、主轴、进给机构、刀具交换机构等。 数控加工的原理 数控机床的加工，其实质是应用了“微分”原理。其工作原理与过程可以简述如下（图1-2）： 数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量）进行微分（图1-2中的△X、△Y），并计算出各坐标轴需要移动的脉冲数。 通数控装置的“插补”软 件或“插补”运算器，把要求的轨迹用以“最小移动单位”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。 ③数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。图1-2数控加工原理示意图 由上可见：{dy}，只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就可以等效代替理论曲线。第二，只要改变坐标轴的脉冲分配方式，即可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的。第三，只要改变分配脉冲的频率，即可改变坐标轴（刀具）的运动速度。这样就实现了数控机床控制刀具移动轨迹的根本目的。 以上根据给定的数学函数，在理想轨迹（轮廓）的已知点之间，通过数据点的密化，确定一些中间点的方法，称为插补。能同时参与插补的坐标轴数，称为联动轴数。显然，当数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴的数量是衡量数控机床性能的重要技术指标。 |
