1 數(shù)控車床及其數(shù)控技術(shù)概述

　　數(shù)控技術(shù)的典型應(yīng)用就是在數(shù)控車床上面。數(shù)控車床的水平在一定程度上代表了一個(gè)國家機(jī)械制造業(yè)的生產(chǎn)能力。簡單來說，數(shù)控車床主要是指采用數(shù)控技術(shù)的車床，該車床的各種加工操作均可以由以數(shù)字代碼為基本形式的程序指令來完成，基本已經(jīng)是實(shí)現(xiàn)了加工的自動(dòng)化。

　　數(shù)控車床的加工性能要顯著高于普通的自動(dòng)車床。它具有良好的加工適應(yīng)性，更換加工對象時(shí)，通常只需要一起更換相應(yīng)的程序命令即可。不僅如此，數(shù)控車床擁有加工精確、加工復(fù)雜零部件的能力，所以特別適合于目前流行的小批量生產(chǎn)模式，能夠滿足該生產(chǎn)模式對于精度要求高、形狀復(fù)雜以及改型頻繁的相關(guān)要求。目前數(shù)控車床主要包括三個(gè)大部分：數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和車床主體。其中數(shù)控系統(tǒng)相當(dāng)于人類的大腦，負(fù)責(zé)各種邏輯運(yùn)算，它主要包括程序讀入設(shè)備以及由各種電子電路構(gòu)成的輸入腧出設(shè)備、運(yùn)算核心和控制部分等。依照控制功能的差異，可以將數(shù)控系統(tǒng)分為點(diǎn)位控制系統(tǒng)、直線控制系統(tǒng)和連續(xù)軌跡控制系統(tǒng)等三個(gè)大類。伺服系統(tǒng)也是數(shù)控車床的重要構(gòu)成部分之一，它主要包括開環(huán)伺服結(jié)構(gòu)、半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)和閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)。開環(huán)伺服結(jié)構(gòu)沒有安裝位置監(jiān)測設(shè)備，無法進(jìn)行加工位置信息的反饋，因此，加工速度和加工精度均受到了一定的限制，但是這種伺服結(jié)構(gòu)形式最為筒單。半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)的主要由位置監(jiān)測設(shè)備、速度檢測設(shè)備、伺服電機(jī)和伺服放大電路以及比較電路等構(gòu)成，該結(jié)構(gòu)形式由于具有位置檢測設(shè)備，可以間接地檢測出工作臺的位置，所以，半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)的加工速度、加工精度以及動(dòng)態(tài)特性方面均要顯著與開環(huán)伺服結(jié)構(gòu)形式，中小型數(shù)控車床都采用了半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)，目前應(yīng)用范圍較廣。閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)和半閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)具有基本上一樣的結(jié)構(gòu)形式和工作原理，但是該結(jié)構(gòu)下的位置檢測設(shè)備(采用光柵、磁柵等)可以直接檢測出工作臺的工作位置，其反饋精度最高，但是調(diào)試難度也是最大的，因此大型數(shù)控車床和高精度數(shù)控車床都采用了閉環(huán)伺服結(jié)構(gòu)。數(shù)控機(jī)床的車床主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)充分考慮了剛度、精度、抗振性、熱穩(wěn)定性和精度保持性等要求，使其具備了工藝適應(yīng)性能，尤其是連續(xù)穩(wěn)定工作的能力。

　　當(dāng)前，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)以及軟件編程技術(shù)的持續(xù)發(fā)展為機(jī)電一體化的發(fā)展提供了支持，數(shù)控機(jī)床的控制系統(tǒng)也更加的多功能化和智能化，不僅具備了擁有實(shí)用價(jià)值的故障自我診斷功能，還逐漸了實(shí)現(xiàn)了編程的自動(dòng)化，同時(shí)借助于多種監(jiān)控功能實(shí)現(xiàn)了數(shù)控車床加工的高度自動(dòng)化。

2 開放式結(jié)構(gòu)

　　數(shù)控技術(shù)進(jìn)行半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，已經(jīng)逐步地完善和成熟。隨著數(shù)控系統(tǒng)當(dāng)中越來越多地融入加工工藝、操作技能以及管理經(jīng)驗(yàn)等信息，目前的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)具備了相當(dāng)程度的智能化水平：同時(shí)，故障自我診斷、圖形交互功能的開發(fā)和應(yīng)用更是在很大程度上促進(jìn)了數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展和優(yōu)化。開放的開放平臺和友好的人際界面是實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要基礎(chǔ)，借助于該基礎(chǔ)——開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)，人們才能夠更加自由地表達(dá)并執(zhí)行自己的思路。當(dāng)前，開放式結(jié)構(gòu)的數(shù)控系統(tǒng)主要表現(xiàn)為以下兩種形式：第一種，CNC+PC主板的結(jié)構(gòu)形式。即將PC主板插入到CNC設(shè)備中：第二種，PC+運(yùn)動(dòng)控制板的結(jié)構(gòu)形式，即將運(yùn)動(dòng)控制板插入PC機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)插槽中。對于熟悉PC計(jì)算機(jī)的系統(tǒng)開發(fā)廠家而言，選擇第二種結(jié)構(gòu)形式顯然更加具備優(yōu)勢。但是可靠性是數(shù)控系統(tǒng)的核心特性，沒有高度可靠性是不能夠在生產(chǎn)實(shí)踐當(dāng)中得到長久應(yīng)用，因此，類似Pc計(jì)算機(jī)的死機(jī)問題是完全不能發(fā)生的。高精度、高速度的加工要求對于數(shù)控系統(tǒng)而言同樣非常重要，采用開放性的體系結(jié)構(gòu)會(huì)影響那些已經(jīng)生產(chǎn)出大量數(shù)控系統(tǒng)廠家，這些廠家會(huì)因?yàn)椴捎瞄_放性結(jié)構(gòu)而影響到原有系統(tǒng)的可靠性和維護(hù)服務(wù)質(zhì)量。采用第一種方案便可以很好地增加數(shù)控系統(tǒng)的開放性，即不對原廠的數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行任何變動(dòng)，并在此基礎(chǔ)上為其增加一塊PC板，用戶通過鼠標(biāo)和鍵盤便實(shí)現(xiàn)了PC和CNC的緊密聯(lián)系，它不僅具有可靠的工作性能，而且界面開放。

3 軟件伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)

　　上文中已經(jīng)論述，伺服系統(tǒng)(技術(shù))是整個(gè)數(shù)控系統(tǒng)的關(guān)鍵性構(gòu)成部分。軟件伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)主要是指在計(jì)算機(jī)的控制下，利用控制算法軟件進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制的伺服設(shè)備的相關(guān)技術(shù)。該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)比較突出，主要包括：第一，不存在溫漂問題，具有良好的穩(wěn)定性；第二，采用參數(shù)對設(shè)定，減少了調(diào)整次數(shù)；第三，以數(shù)值計(jì)算作為基礎(chǔ)，擁有很高的精度；第四，做成ASIC電路的難度相對比較小。在上個(gè)世紀(jì)的七十年代，直流力矩伺服電機(jī)在美國首先誕生，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)并獲得了大量應(yīng)用，同時(shí)，閉環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)逐漸取代了開環(huán)伺服系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。但是，生產(chǎn)實(shí)踐顯示直流電機(jī)存在若下述兩個(gè)不足：第一，電刷維護(hù)和換向器維護(hù)難度較大，不方便；第二，電機(jī)的工作環(huán)境、最高轉(zhuǎn)速以及電機(jī)容量均受到了嚴(yán)重地限制。雖然交流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉，但是其控制性要顯著低于直流電機(jī)，這是在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)直流電機(jī)獲得應(yīng)用而交流電機(jī)備受冷落的一個(gè)重要因素。

　　電力電子技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展催生了交流異步機(jī)的矢量控制以及后續(xù)的基于微處理器的矢量控制，實(shí)現(xiàn)了矢量控制的能夠?qū)嶋H應(yīng)用的目標(biāo)。永磁無刷電機(jī)因?yàn)榱己玫乃欧阅茉谏蟼€(gè)世紀(jì)的八十年代開始成為了數(shù)控系統(tǒng)的重要驅(qū)動(dòng)設(shè)備之一。所謂的永磁無刷電機(jī)就是對直流電機(jī)進(jìn)行了里翻外的處理，具體而言，將轉(zhuǎn)子視為永磁部分，同時(shí)把電驅(qū)繞組裝在定子之上，由電機(jī)轉(zhuǎn)子軸上的編碼器測出磁極位置。直線電機(jī)的誕生使數(shù)控車床的加工速度和加工精度更上一層樓。直線電機(jī)主要由線卷滑座和磁板這兩個(gè)非接觸元件構(gòu)成。因?yàn)殡姶帕υ诓恍枰獧C(jī)械連接的情況下可以直接對移動(dòng)元件進(jìn)行作用，所以不存在螺距周期誤差以及機(jī)械滯后等問題，加工精度完全取決于直線反饋系統(tǒng)和分級的支承，同時(shí)采用了全數(shù)字式的伺服驅(qū)動(dòng)方式，頻響好、剛性高。但是在使用中普遍存在漏磁、發(fā)熱、推力小等問題，而且造價(jià)較高，影響了它的推廣使用。

　　綜合來看，現(xiàn)代化數(shù)控系統(tǒng)的伺服技術(shù)的重大突破體現(xiàn)在：直流驅(qū)動(dòng)向交流驅(qū)動(dòng)的轉(zhuǎn)變、模擬控制向數(shù)字化控制的轉(zhuǎn)變、硬件控制向軟件控制的轉(zhuǎn)變。例如，交流數(shù)字驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是目前應(yīng)用于數(shù)控機(jī)床伺服進(jìn)給和主軸裝置上面的重要控制系統(tǒng)之一。微電子技術(shù)、現(xiàn)代控制理論、電力電子技術(shù)的發(fā)展尤其是計(jì)算機(jī)處理能力和邏輯運(yùn)算能力的提升推動(dòng)了軟件伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)的完善和優(yōu)化。例如，DSP的應(yīng)用在減少采樣時(shí)間的同時(shí)，也提高了系統(tǒng)的計(jì)算速度。這些技術(shù)增強(qiáng)了伺服系統(tǒng)的柔性、方便了系統(tǒng)調(diào)試、提高了系統(tǒng)可靠性、改善了系統(tǒng)性能。

4 網(wǎng)絡(luò)通信能力

　　適應(yīng)工廠自動(dòng)化需要，支持標(biāo)準(zhǔn)FA網(wǎng)絡(luò)及DNC的連接。①工廠干線或控制層通信網(wǎng)絡(luò)：由Pc機(jī)通過以太網(wǎng)控制多臺15i／150i組成的加工單元，可以傳送數(shù)據(jù)、參數(shù)等。②設(shè)備層通信網(wǎng)絡(luò)：15i／150i采用I／O LINK與日本標(biāo)準(zhǔn)JPCN-1相對應(yīng)的一種現(xiàn)場總線。③通過RS-485接口傳送I／O信號，也可采用Prellbus-DP(符合歐洲l標(biāo)準(zhǔn)ENS0170)以12Mbps進(jìn)行高速通信。

5 CNC系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)

　　數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺機(jī)床到控制多臺機(jī)床的分級式控制需要網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，網(wǎng)絡(luò)的主要任務(wù)是進(jìn)行通信，共享信息。這種通信通常分四級：首先，企業(yè)(公司)管理級，一般由以太網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)總的協(xié)調(diào)，安排總生產(chǎn)計(jì)劃，進(jìn)行企業(yè)(公司)經(jīng)營方向的決策等。其次，一般由以太網(wǎng)組成，負(fù)責(zé)全廠各車間生產(chǎn)調(diào)度，包括安排生產(chǎn)計(jì)劃、備品備件等。再次，車間單元控制級。一般由DNC功能進(jìn)行控制。通過DNC功能形成網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對零件程序的上傳或下傳；讀、寫CNC的數(shù)據(jù)；PLC數(shù)據(jù)的傳送；存貯器操作控制：系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠(yuǎn)程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM／CAPP以及CNC的程序進(jìn)行傳送和分級管理。CNC與通信網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶與NC生產(chǎn)廠直接通信，進(jìn)而，把制造廠家聯(lián)系在一起。構(gòu)成虛擬制造網(wǎng)絡(luò)。最后，現(xiàn)場設(shè)備級。現(xiàn)場級與車間單元控制級及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設(shè)備單機(jī)及I/O控制、連線控制、通信連網(wǎng)、在線設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)、運(yùn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、統(tǒng)計(jì)等功能，保證現(xiàn)場設(shè)備高質(zhì)量完成生產(chǎn)任務(wù)，并將現(xiàn)場設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數(shù)據(jù)。同時(shí)也可接受工廠管理層下達(dá)的生產(chǎn)管理及調(diào)度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級是實(shí)現(xiàn)工廠自動(dòng)化及CIMS系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

6 PMC處理器控制

　　第一，梯形圖和順序程序由專用的PNC處理器控制，這種結(jié)構(gòu)可進(jìn)行快速大規(guī)模順序控制。

　　第二，基本PNC指令執(zhí)行時(shí)間為0．085ps：最大步數(shù)32000步。

　　第三，可以用C語言編程：32位的C語言處理器可作為實(shí)時(shí)多任務(wù)運(yùn)行：它與梯形圖計(jì)算的PMC處理器并行工作。第四，可在PC機(jī)上進(jìn)行程序開發(fā)。

7 良好的操作維修

　　第一，具有觸摸面板，容易操作。　　

第二，可采用存儲(chǔ)卡改變輸入輸出數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢。智能化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化、微機(jī)電控制系統(tǒng)及數(shù)字化。

　　數(shù)控機(jī)床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品。其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)；傳感器技術(shù)；機(jī)械制造技術(shù)；信息處理、加工、傳輸技術(shù)：自動(dòng)控制技術(shù)：軟件技術(shù)等。計(jì)算機(jī)對傳統(tǒng)機(jī)械制造產(chǎn)業(yè)的滲透，完全改變了制造業(yè)。制造業(yè)不但成為工業(yè)化的象征，而且由于信息技術(shù)的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產(chǎn)業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。