數(shù)控機(jī)床數(shù)控系統(tǒng)的配置和功能選擇

　　數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的重要組成部分，配置什麼樣的數(shù)控系統(tǒng)及選擇哪些數(shù)控功能，都是機(jī)床生產(chǎn)廠家和最終用戶所關(guān)注的問(wèn)題。
　　數(shù)控統(tǒng)的配置 伺服控制單元的選擇 數(shù)控系統(tǒng)的位置控制方式
　　開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng):采用步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，沒(méi)有位置和速度反饋器件，所以控制簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，但它們的負(fù)載能力小，位置控制精度較差，進(jìn)給速度較低，主要用于經(jīng)濟(jì)型數(shù)控裝置；半閉環(huán)和閉環(huán)位置控制系統(tǒng)：采用直流或交流伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)部件，可以采用內(nèi)裝於電機(jī)內(nèi)的脈沖編碼器，旋轉(zhuǎn)變壓器作為位置/速度檢測(cè)器件來(lái)構(gòu)成半閉環(huán)位置控制系統(tǒng)，也可以采用直接安裝在工作臺(tái)的光柵或感應(yīng)同步器作為位置檢測(cè)器件，來(lái)構(gòu)成高精度的全閉環(huán)位置控制系統(tǒng)。
　　由于螺距誤差的存在，使得從半閉環(huán)系統(tǒng)位置檢測(cè)器反饋的絲杠旋轉(zhuǎn)角度變化量，還不能精確地反映進(jìn)給軸的直線運(yùn)動(dòng)位置。但是，經(jīng)過(guò)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)螺距誤差的補(bǔ)償後，它們也能達(dá)到相當(dāng)高的位置控制精度。與全閉環(huán)系統(tǒng)相比，它們的價(jià)格較低，安裝在電機(jī)內(nèi)部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩(wěn)定可靠，幾乎無(wú)需維修，所以廣泛地應(yīng)用于各種類型的數(shù)控機(jī)床。
　　直流伺服電機(jī)的控制比較簡(jiǎn)單，價(jià)格也較低，其主要缺點(diǎn)是電機(jī)內(nèi)部具有機(jī)械換向裝置，碳刷容易磨損，維修工作量大。運(yùn)行時(shí)易起火花，使電機(jī)的轉(zhuǎn)速和功率的提高較為困難。
　　交流伺服電機(jī)是無(wú)刷結(jié)構(gòu)，幾乎不需維修，體積相對(duì)較小，有利于轉(zhuǎn)速和功率的提高，目前已在很大範(fàn)圍內(nèi)取代了直流伺服電機(jī)。
　　伺服控制單元的種類
　　分離型伺服控制單元，其特點(diǎn)是數(shù)控系統(tǒng)和伺服控制單元相對(duì)獨(dú)立，也就是說(shuō)，它們可以與多種數(shù)控系統(tǒng)配用，NC系統(tǒng)給出的指令是與軸運(yùn)動(dòng)速度相關(guān)的DC電壓（例如0?10V），而從機(jī)床返回的是與NC系統(tǒng)匹配的軸運(yùn)動(dòng)位置檢測(cè)信號(hào)（例如編碼器?感應(yīng)同步器等輸出信號(hào)）。伺服數(shù)據(jù)的設(shè)定和調(diào)整都在伺服控制單元側(cè)進(jìn)行（用電位器調(diào)節(jié)或通過(guò)數(shù)字方式輸入）。
　　串行數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點(diǎn)是NC系統(tǒng)與伺服控制單元之間的數(shù)據(jù)傳送是雙向。與軸運(yùn)動(dòng)相關(guān)的指令數(shù)據(jù)、伺服數(shù)據(jù)和報(bào)警信號(hào)是通過(guò)相應(yīng)的時(shí)鐘信號(hào)線、選通信號(hào)號(hào)、發(fā)送數(shù)據(jù)線、接收數(shù)據(jù)線、報(bào)警信號(hào)線傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運(yùn)動(dòng)軸的實(shí)際位置和狀態(tài)等信息。
　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元，其特點(diǎn)是軸控制單元密集安裝在一起，由一個(gè)公用的DC電源單元供電。NC裝置通過(guò)FCP板上的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的連接點(diǎn)SR、ST與各個(gè)軸控制單元（子站）的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)處理模塊的SR、ST點(diǎn)串聯(lián)，組成伺服控制環(huán)。各個(gè)軸的位置編碼器與軸控制單元之間是通過(guò)二根高速通信線連接，反饋的信息有運(yùn)動(dòng)軸位置和相關(guān)的狀態(tài)信息。
　　串行數(shù)據(jù)傳輸型和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元的伺服參數(shù)在NC裝置中用數(shù)字設(shè)定，開(kāi)機(jī)初始化時(shí)裝入伺服控制單元，修改和調(diào)整都十分方便。
　　網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統(tǒng)）在相應(yīng)的控制軟件配合下，具有實(shí)時(shí)的調(diào)整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中，可以根據(jù)電機(jī)的速度和扭矩特性求出相應(yīng)的函數(shù)，再以其函數(shù)控制高速定位時(shí)的加減速度，從而抑制高速定位時(shí)可能引起的振動(dòng)。定位速度的提高可以縮短非切削時(shí)間，提高加工效率。又如在Hi-Cut型進(jìn)給速度控制功能中，系統(tǒng)可以在讀入零件加工程序後，自動(dòng)識(shí)別數(shù)控指令要求加工的零件形狀（圓虎棱邊等），自動(dòng)調(diào)節(jié)加工速度，使之最佳化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高速高精度加工。
　　采用高速微處理器和專用數(shù)字信號(hào)處理機(jī)（DSP）的全數(shù)字化交流伺服系統(tǒng)出現(xiàn)後，硬件伺服控制變?yōu)檐浖欧刂疲恍┈F(xiàn)代控制理論的先進(jìn)算法得到實(shí)現(xiàn)，進(jìn)而大大地提高了伺服系統(tǒng)的控制性能。
　　伺服控制單元是數(shù)控系統(tǒng)中與機(jī)械直接相關(guān)聯(lián)的部件，它們的性能與機(jī)床的切削速度和位置精度關(guān)系很大，其價(jià)格也占數(shù)控系統(tǒng)的很大部分。相對(duì)來(lái)說(shuō)，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(guān)外，還與機(jī)床的使用環(huán)境、機(jī)械狀況和切削條件密切相關(guān)。例如環(huán)境溫度過(guò)高，易引起器件過(guò)熱而損壞；防護(hù)不嚴(yán)可能引起電機(jī)進(jìn)水，造成短路；導(dǎo)軌和絲杠潤(rùn)滑不好或切削負(fù)荷過(guò)重會(huì)引起電機(jī)過(guò)流。機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)卡死更會(huì)引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過(guò)載保護(hù)能力，但是故障情況嚴(yán)重或者多次發(fā)生時(shí)，仍然會(huì)使器件損壞。有些數(shù)控系統(tǒng)具有主軸和進(jìn)給軸的實(shí)時(shí)負(fù)載顯示功能（例如大隈OSP系統(tǒng)的“當(dāng)前位置”頁(yè)面上不僅可以顯示軸運(yùn)動(dòng)的實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)，而且還同時(shí)顯示各軸的實(shí)時(shí)負(fù)載百分比，用戶可以利用這些信息，采取措施來(lái)防止事故的發(fā)生。
　　進(jìn)給伺服電機(jī)的選擇
　　輸出扭矩是進(jìn)給電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。從圖2可見(jiàn)，在連續(xù)操作狀態(tài)下，輸出扭矩是隨轉(zhuǎn)速的升高而減少的，電機(jī)的性能愈好，這種減少值就愈校為進(jìn)給軸配置電機(jī)時(shí)應(yīng)滿足最高切削速度時(shí)的輸出扭矩。雖然在快速進(jìn)給時(shí)不作切削，負(fù)載較小，但也應(yīng)考慮最高快速進(jìn)給速度下的起動(dòng)扭矩。高速時(shí)的輸出扭矩下降過(guò)多也會(huì)影響進(jìn)給軸的控制特性。
　　主軸伺服電機(jī)的選擇
　　輸出功率是主軸電機(jī)負(fù)載能力的指標(biāo)。從圖3可見(jiàn)主軸電機(jī)的額定功率是指在恒功率區(qū)（速度N1到N2）內(nèi)運(yùn)行時(shí)的輸出功率，低于基本速度N1時(shí)達(dá)不到額定功率，速度愈低，輸出功率就愈校為了滿足主軸低速時(shí)的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時(shí)的電機(jī)速度也在基本速度N1以上，此時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，成本也會(huì)相應(yīng)增加。在主軸與伺服電機(jī)直接連接的數(shù)控機(jī)床中，有兩種方法來(lái)滿足主軸低速時(shí)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(jī)，其二是采用特種的繞組切換式主軸伺服電機(jī)（例如日本大隈的YMF型主軸電機(jī)），這種電機(jī)的三相繞組在低速運(yùn)行時(shí)接成星形，而在高速運(yùn)行時(shí)接成三角形，從而提高了主軸電機(jī)的低速功率特性，降低主軸機(jī)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(shù)控機(jī)床生產(chǎn)效率的有效途徑，但高速、高精度切削會(huì)給伺服驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)部件帶來(lái)更高的要求，必然增加數(shù)控系統(tǒng)的成本，而高速加工的另一個(gè)重要應(yīng)用領(lǐng)域是輕金屬和薄壁零件的加工，所以，應(yīng)該按機(jī)床的實(shí)際需要選擇主軸和進(jìn)給電機(jī)的速度．