數控統的配置 伺服控制單元的選擇 數控系統的位置控制方式 

　　開環控制系統：采用步進電機作為驅動部件，沒有位置和速度反饋器件，所以控制簡單，價格低廉，但它們的負載能力小，位置控制精度較差，進給速度較低，主要用于經濟型數控裝置； 

　　半閉環和閉環位置控制系統：采用直流或交流伺服電機作為驅動部件，可以采用內裝於電機內的脈沖編碼器，旋轉變壓器作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。 

　　由于螺距誤差的存在，使得從半閉環系統位置檢測器反饋的絲杠旋轉角度變化量，還不能精確地反映進給軸的直線運動位置。但是，經過數控系統對螺距誤差的補償後，它們也能達到相當高的位置控制精度。與全閉環系統相比，它們的價格較低，安裝在電機內部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩定可靠，幾乎無需維修，所以廣泛地應用于各種類型的數控機床。 

　　直流伺服電機的控制比較簡單，價格也較低，其主要缺點是電機內部具有機械換向裝置，碳刷容易磨損，維修工作量大。運行時易起火花，使電機的轉速和功率的提高較為困難。 

　　交流伺服電機是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高，目前已在很大範圍內取代了直流伺服電機。 

　　伺服控制單元的種類 

　　分離型伺服控制單元，其特點是數控系統和伺服控制單元相對獨立，也就是說，它們可以與多種數控系統配用，NC系統給出的指令是與軸運動速度相關的DC電壓（例如0-10V），而從機床返回的是與NC系統匹配的軸運動位置檢測信號（例如編碼器?感應同步器等輸出信號）。伺服數據的設定和調整都在伺服控制單元側進行（用電位器調節或通過數字方式輸入）。 

　　串行數據傳輸型伺服控制單元，其特點是NC系統與伺服控制單元之間的數據傳送是雙向。與軸運動相關的指令數據、伺服數據和報警信號是通過相應的時鐘信號線、選通信號號、發送數據線、接收數據線、報警信號線傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運動軸的實際位置和狀態等信息。 

　　網絡數據傳輸型伺服控制單元，其特點是軸控制單元密集安裝在一起，由一個公用的DC電源單元供電。NC裝置通過FCP板上的網絡數據處理模塊的連接點SR、ST與各個軸控制單元（子站）的網絡數據處理模塊的SR、ST點串聯，組成伺服控制環。各個軸的位置編碼器與軸控制單元之間是通過二根高速通信線連接，反饋的信息有運動軸位置和相關的狀態信息。 


　　串行數據傳輸型和網絡數據傳輸型伺服控制單元的伺服參數在NC裝置中用數字設定，開機初始化時裝入伺服控制單元，修改和調整都十分方便。 

　　網絡數據傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統）在相應的控制軟件配合下，具有實時的調整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中，可以根據電機的速度和扭矩特性求出相應的函數，再以其函數控制高速定位時的加減速度，從而抑制高速定位時可能引起的振動。定位速度的提高可以縮短非切削時間，提高加工效率。又如在Hi-Cut型進給速度控制功能中，系統可以在讀入零件加工程序後，自動識別數控指令要求加工的零件形狀（圓弧、棱邊等），自動調節加工速度，使之最佳化，進而實現高速高精度加工。 


　　采用高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的全數字化交流伺服系統出現後，硬件伺服控制變為軟件伺服控制，一些現代控制理論的先進算法得到實現，進而大大地提高了伺服系統的控制性能。 


　　伺服控制單元是數控系統中與機械直接相關聯的部件，它們的性能與機床的切削速度和位置精度關系很大，其價格也占數控系統的很大部分。相對來說，伺服部件的故障率也較高，約占電氣故障的70%以上，所以選配伺服控制單元十分重要。 


　　伺服故障除了與伺服控制單元的可靠性有關外，還與機床的使用環境、機械狀況和切削條件密切相關。例如環境溫度過高，易引起器件過熱而損壞；防護不嚴可能引起電機進水，造成短路；導軌和絲杠潤滑不好或切削負荷過重會引起電機過流。機械傳動機構卡死更會引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過載保護能力，但是故障情況嚴重或者多次發生時，仍然會使器件損壞。有些數控系統具有主軸和進給軸的實時負載顯示功能（例如大隈OSP系統的“當前位置”頁面上不僅可以顯示軸運動的實時位置數據，而且還同時顯示各軸的實時負載百分比，用戶可以利用這些信息，采取措施來防止事故的發生。 


　　進給伺服電機的選擇 



　　輸出扭矩是進給電機負載能力的指標。從圖2可見，在連續操作狀態下，輸出扭矩是隨轉速的升高而減少的，電機的性能愈好，這種減少值就愈小。為進給軸配置電機時應滿足最高切削速度時的輸出扭矩。雖然在快速進給時不作切削，負載較小 ，但也應考慮最高快速進給速度下的起動扭矩 。高速時的輸出扭矩下降過多也會影響進給軸的控制特性。 


　　主軸伺服電機的選擇 


　　輸出功率是主軸電機負載能力的指標。從圖3可見主軸電機的額定功率是指在恒功率區（速度N1到N2）內運行時的輸出功率，低于基本速度N1時達不到額定功率，速度愈低，輸出功率就愈小。為了滿足主軸低速時的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時的電機速度也在基本速度N1以上，此時，機械結構較為復雜，成本也會相應增加。在主軸與伺服電機直接連接的數控機床中，有兩種方法來滿足主軸低速時的功率要求，其一是選擇基本速度較低或額定功率高一檔的主軸電機，其二是采用特種的繞組切換式主軸伺服電機（例如日本大隈的YMF型主軸電機），這種電機的三相繞組在低速運行時接成星形，而在高速運行時接成三角形，從而提高了主軸電機的低速功率特性，降低主軸機械部件的成本。 


　　這兒要特別指出的是，雖然高速加工是提高數控機床生產效率的有效途徑，但高速、高精度切削會給伺服驅動和計算機部件帶來更高的要求，必然增加數控系統的成本，而高速加工的另一個重要應用領域是輕金屬和薄壁零件的加工，所以，應該按機床的實際需要選擇主軸和進給電機的速度。 


　　位置檢測器件的選擇 


　　機械原點是數控機床所有座標系的基準點，機械原點的穩定性是數控機床極為重要的技術指標，也是穩定加工精度的基本保證，機械原點的建立方法有兩種： 


　　在采用相對位置編碼器、感應同步器或光柵作為位置反饋器件的數控機床中，數控系統將各進給軸的回零減速開關（或標記）之後由位置反饋器件產生的第一個零點標記信號作為基準點。這類機床在每次斷電或緊急停機後都必須重新作各進給軸的回零操作，否則，實際位置可能發生偏移，回零減速開關與其撞塊的相對位置調整不妥，也會引起機械原點位置的不穩定，這些都是應該重視的； 


　　在采用絕對位置編碼器作為位置反饋器件的數控機床中，絕對位置編碼器能夠自動記憶各進給軸全行程內的每一點位置，不需回零開關，每次斷電或緊急停機後，都不必重新作基準點的設定操作。基準點位置設定後永久不變，并由專供絕對位置編碼器使用的存儲器記憶，特別適用于鼠牙盤定位的旋轉工作臺零點位置的設定，不僅穩定性好，而且給操作和調整帶來極大方便。 


　　機械設計方案的選擇 


　　機床是由機械和電氣兩部分組成，在設計總體方案時應從機電兩方面來考慮機床各種功能的實施方案，數控機床的機械要求和數控系統的功能都很復雜，所以更應機電溝通，揚長避短。下面舉例說明。 


　　例一主軸轉速的調節有采用伺服電機或變頻電機實現自動無級調速和用普通三相異步電機驅動、機械齒輪分級變速、進行人工換檔兩類方法。 


　　加工中心機床使用多種刀具進行連續的不同種類（銑、鉆、鏜和攻絲等）的切削加工，所以主軸的轉速是經常變化的，而且必須由加工程序的S指令自動實現，自動換刀時還必須進行主軸定向，所以必須采用帶有定向功能的自動無級調速方式。 


　　對于主軸轉速要求不高的普通數控銑床來說，刀具的更換都是用手動方式進行，而且在加工過程中，同一把刀具選擇不同轉速的機會并不多見，在手動換刀的同時進行手動變速對生產效率的影響并不大，所以經常采用機械齒輪分級變速、人工換檔的控制方式。與采用伺服電機進行無級調速的方案相比，可以顯著地降低生產成本，節省能源，維修也簡單，是很實用的選擇。 


　　例二使用臥式加工中心對零件進行多面加工時，往往需要更換夾具并多次裝卡，必須占用可貴的機床運行時間，選用有雙工位自動托板交換（APC）裝置的臥式加工中心，可以大大地節省零件裝卡的占機時間，從而提高機床的生產效率，而且該功能的控制是由PLC控制程序來完成，除了多用幾個輸入/輸出控制點外，數控系統的成本增加不多，是個功能/價格比很高的選擇。 


　　例三加工中心機床的換刀時間對生產效率有很大影響，而換刀速度與機械結構有很大的關系。例如，由油缸控制的機械手換刀時間一般在10秒以上，在2~3秒內能完成換刀動作的機械手一般采用伺服電機驅動，配有凸輪和內外油缸松刀機構。與機構不相當的換刀速度，可能使故障率增加。選擇合理的切削路徑、采用高質量的刀具、切削條件的最佳化也是提高生產效率的重要手段，應綜合考慮。 


　　數控功能的選擇 


　　除基本功能以外，數控系統還為用戶提供多種可選功能，各知名品牌的數控系統的基本功能差別不大，所以，合理地選擇適合機床的可選功能，放棄可有可無或不實用的可選功能，對提高產品的功能/價格比大有好處，下面列舉幾個例子供參考。 


　　動畫/軌跡顯示功能 


　　該功能用于模擬零件加工過程，顯示真實刀具在毛坯上的切削路徑，可以選擇直角座標系中的兩個不同平面的同時顯示，也可選擇不同視角的三維立體顯示。可以在加工的同時作實時的顯示，也可在機械鎖定的方式下作加工過程的快速描繪。這是一種檢驗零件加工程序、提高編程效率和實時監視的有效工具。 


　　軟盤驅動器 


　　通過這種數據傳送工具可以將系統中已經調試完畢的加工程序存入軟盤後存檔，也可以通過它將在其它計算機生成的加工程序存入NC系統，從而減少加工程序的輸入占機時間，更可以用它作各種機床數據的備份或存儲，給程編和操作人員帶來很大方便。 


　　DNC-B通信功能 


　　眾所周知，由非圓曲線或曲面組成的零件加工程序的編制十分困難，通常的辦法是借助于通用計算機，將它們細分為微小的三維直線段後再編寫加工程序，所以程序容量極大。在模具加工中，這種長達幾百K字節（4K字節約等于10米紙帶長度）的加工程序經常遇到，而一般數控系統提供的基本程序存儲容量為64?128K字節，這給模具加工帶來很大困難。 


　　DNC-B通信功能具有兩種工作方式，其一是在個人計算機和數控系統的加工程序存儲區之間進行雙向的程序傳送，其二是將個人計算機的加工程序一段一段地傳送到數控系統的緩沖運行存儲器，邊加工邊傳送，直到加工結束。這就徹底解決了大容量程序零件的加工問題。雖然選用這項功能需要增加一定的費用，但它確實是功能/價格比很高的選項。 


　　當然，選擇擴充內存容量也是解決曲面模具加工的有效方法，例如大隈OSP系統的最大運行緩沖存儲器容量為512K字節。程序存儲器容量可以擴充到4096K字節，這樣就可以滿足極大部分模具加工的需要，與采用DNC-B方式相比，它的優點是省去了個人計算機這個環節，使運行更加可靠，操作也比較方便。 


　　簡化編程的功能 


　　為了提高編程的效率，縮短加工程序的長度，發揮程序存儲器的潛力，數控系統提供了一些簡化程序編制的方法。 


　　固定循環 


　　將常用的加工工序（例如鉆孔、鏜孔、攻絲及腔體和周邊加工等）編寫成參數式的固定循環程序，編程時由用戶填入相應的數據（如基面、孔深、每次切入量以及主軸轉速和進給速度等）就可完成預定的加工工序，并可多次重復使用。 


　　座標計算功能 


　　利用數控系統的實時計算能力，將以各種規則分布的孔加工工序（例如斜線、圓周和網格等）編寫成參數式的固定循環程序，編程時由用戶填入相應的數據（如角度、半徑、孔數、行數和列數等）就可完成預定的加工工序。 


　　子程序功能 


　　用戶可以將零件中多處用到的同一加工工序編成子程序，在相應的部位調用，從而縮短加工程序的長度。 


　　用戶宏程序 


　　用戶可以利用系統提供的各種算術、邏輯和函數運算符以及各種分支語句，來組成描述加工零件形狀的數學表達式，在程序執行過程中，數控系統邊運算，邊輸出結果，用很短的程序就可以實現特種曲線和曲面的加工。 


　　剛性攻絲功能 


　　剛性攻絲功能必須采用伺服電機來驅動主軸，不僅要求在主軸上增加位置傳感器，而且對主軸傳動機構的間隙和慣量都有嚴格的要求，所以不能忽略這個功能的成本。對用戶來說，如果沒有特殊的要求（例如高速高精度、特種材料或大直徑孔加工等），可以采用彈性伸縮卡頭，在一般主軸上進行柔性攻絲來滿足加工要求，就不必選用剛性攻絲功能。 


　　刀具壽命管理功能 


　　在加工中心上是否要選用刀具壽命管理功能，必須考慮加工零件的批量、刀具和毛坯質量的一致性以及刀庫的容量等因素，否則，不僅會造成許多人為的錯誤，影響生產的正常進行，而且備用刀具占用的刀位也將大大減少刀庫的有效容量，使一些復雜零件因刀位不足而無法加工。 


　　自動刀具半徑/長度和工件測量功能 


　　加工程序中的刀具運動軌跡通常按刀具中心和刀尖編寫，所以在程序執行前必須輸入相應的刀具半徑和長度，這對加工中心尤其重要。 


　　刀具半徑和長度可以用普通的量具手工測量，也可用專門的刀具測量儀測量。操作者可以通過每把刀的刀尖在Z軸方向相對于機床上同一“對刀面”的位置差來作為長度偏移值進行補償，采用數控系統本身提供的“半自動刀具長度測量”功能，輸入相對于“標準刀具”的長度補償值。 


　　自動刀具半徑/長度和工件測量功能，需要配備專用的接觸式傳感器及激光測頭和信號接收器。選用此功能時應明確以下幾點： 


　　接觸式傳感器和信號接收器安裝在機床工作區內，它的防護十分重要，切削量大，使用噴淋沖洗的機床不宜安裝； 


　　進行上述測量需要占用機床加工時間，可能影響機床的效率； 


　　工件測量功能的一般用途是測量工件毛坯上作為程編原點的基準孔中心或其它基準點的位置，代替人工“對刀”，它的精度不會高于機床本身的定位精度。