第1章　數(shù)控技術(shù)基礎(chǔ)

1.1　數(shù)控技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)

1.1.1　數(shù)控技術(shù)概述

（1）數(shù)控技術(shù)與機(jī)床

數(shù)控（numerical control，NC）是利用數(shù)字化信息對機(jī)械運(yùn)動及加工過程進(jìn)行控制的一種方法。數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和電子技術(shù)的發(fā)展保持同步，至今已經(jīng)歷了從電子管、晶體管、集成電路、計(jì)算機(jī)到微處理機(jī)的演變，由于現(xiàn)代數(shù)控都采用計(jì)算機(jī)控制，因此，又稱計(jì)算機(jī)數(shù)控（computerized numerical control，CNC）。

數(shù)字化信息控制必須有相應(yīng)的硬件和軟件，這些硬件和軟件的整體稱為數(shù)控系統(tǒng)（numerical control system）。數(shù)控系統(tǒng)包括了計(jì)算機(jī)數(shù)控裝置（computerized numerical controller，CNC）、集成式可編程序控制器（PLC或PMC）、伺服驅(qū)動、主軸驅(qū)動等，其中，數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件。

由于數(shù)控技術(shù)、數(shù)控系統(tǒng)、數(shù)控裝置的英文縮寫均為CNC或NC，因此，在不同的使用場合，CNC或NC一詞具有三種不同含義，即：在廣義上，代表一種控制方法和技術(shù)；在狹義上，代表一種控制系統(tǒng)的實(shí)體；有時(shí)，還可特指一種具體的控制裝置（數(shù)控裝置）。

數(shù)控技術(shù)的誕生源自于機(jī)床，其目的是解決金屬切削機(jī)床的輪廓加工——刀具軌跡的自動控制問題。這一設(shè)想最初由美國Parsons公司在20世紀(jì)40年代末提出，1952年，Parsons公司和美國麻省理工學(xué)院（Massachusetts Institute of Technology）聯(lián)合，在一臺Cincinnati Hydrotel立式銑床上安裝了一套試驗(yàn)性的數(shù)控系統(tǒng)，并成功地實(shí)現(xiàn)了三軸聯(lián)動加工，這是人們所公認(rèn)的第一臺數(shù)控機(jī)床。1954年，美國Bendix公司在Parsons專利的基礎(chǔ)上，研制出了第一臺工業(yè)用數(shù)控機(jī)床，隨后，數(shù)控機(jī)床取得了快速發(fā)展和普及。

機(jī)床是對金屬或其他材料的坯料、工件進(jìn)行加工，使之獲得所要求的幾何形狀、尺寸精度和表面質(zhì)量的機(jī)器，是機(jī)械制造業(yè)的主要加工設(shè)備。由于加工方法、零件材料的不同，機(jī)床可分為金屬切削機(jī)床、特種加工機(jī)床（激光加工、電加工等）、金屬成型機(jī)床、木材加工機(jī)床、塑料成型機(jī)床等多種類型，其中，以金屬切削機(jī)床最為常用，工業(yè)企業(yè)常見的車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床等都屬于金屬切削機(jī)床。

機(jī)床用來制造機(jī)器零件，它是制造機(jī)器的機(jī)器，故又稱為工作母機(jī)。沒有機(jī)床就不能制造機(jī)器，沒有機(jī)器就不能生產(chǎn)工業(yè)產(chǎn)品，就談不上發(fā)展經(jīng)濟(jì)，因此，機(jī)床是國民經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)的基礎(chǔ)。沒有好的機(jī)床就制造不出好的機(jī)器，就生產(chǎn)不出好的產(chǎn)品，所以，機(jī)床的水平是衡量一個(gè)國家制造業(yè)水平、現(xiàn)代化程度和綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。

（2）數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)生

數(shù)控技術(shù)最初是為解決金屬切削機(jī)床自動控制問題所研發(fā)。在金屬切削機(jī)床上，為了能夠完成零件的加工，機(jī)床一般需要進(jìn)行以下三方面的控制。

①動作順序控制。機(jī)床對零件的加工一般需要有多個(gè)加工動作，加工動作的順序有規(guī)定的要求，稱為工序，復(fù)雜零件的加工可能需要幾十道工序才能完成。因此，機(jī)床的加工過程需要根據(jù)工序的要求，按規(guī)定的順序進(jìn)行。

以圖1.1.1（a）所示最簡單的攻絲機(jī)為例，為完成攻絲動作，它需要進(jìn)行圖1.1.1（b）所示的“絲錐向下、接近工件→絲錐正轉(zhuǎn)向下、加工螺紋→絲錐反轉(zhuǎn)退出→絲錐離開工件”4步加工。

動作的順序控制只需要根據(jù)加工順序表，按要求依次通斷接觸器、電磁閥等執(zhí)行元件便可完成，這樣的控制屬于開關(guān)量控制，即使利用傳統(tǒng)的繼電-接觸器控制系統(tǒng)也能實(shí)現(xiàn)，而可編程序控制器（PLC）的出現(xiàn)，更是使之變得十分容易。

②切削速度控制。金屬切削機(jī)床使用刀具加工零件，為了提高加工效率和表面加工質(zhì)量，需要根據(jù)刀具和零件的材料、直徑及表面質(zhì)量的要求，來調(diào)整刀具與工件的相對運(yùn)動速度（切削速度），即改變刀具或零件的轉(zhuǎn)速。

改變切削速度屬于傳動控制，它既可通過齒輪變速箱、傳動帶等機(jī)械傳動實(shí)現(xiàn)，也可利用電氣傳動直接改變電動機(jī)轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，早期的直流調(diào)速和現(xiàn)代的交流調(diào)速都可以用于機(jī)床的切削速度控制。

③運(yùn)動軌跡控制。為了將零件加工成規(guī)定的形狀（輪廓），必須控制刀具與工件的相對運(yùn)動軌跡（簡稱刀具軌跡）。例如，對于圖1.1.2所示的葉輪加工，在加工時(shí)必須同時(shí)對刀具的上下（Z軸）、葉輪的回轉(zhuǎn)（C軸）和擺動（A軸）進(jìn)行同步控制，才能得到正確的輪廓。

刀具軌跡控制不僅需要控制刀具的位置和運(yùn)動速度，而且需要進(jìn)行多個(gè)運(yùn)動的合成控制（稱為多軸聯(lián)動）才能實(shí)現(xiàn)，這樣的控制只有通過數(shù)字技術(shù)（數(shù)控）才能實(shí)現(xiàn)。因此，機(jī)床采用數(shù)控的根本目的是解決運(yùn)動軌跡控制的問題，使之能加工出所需要的輪廓。

1.1.2　數(shù)字控制原理

（1）軌跡控制原理

數(shù)控機(jī)床的刀具軌跡控制，實(shí)質(zhì)上是應(yīng)用了數(shù)學(xué)上的微分原理，例如，對于圖1.1.3所示XY平面的任意曲線運(yùn)動，其控制原理如下。

①微分處理。CNC根據(jù)運(yùn)動軌跡的要求，首先將曲線微分為X、Y方向的等量微小運(yùn)動ΔX、ΔY，這一微小運(yùn)動量稱為CNC的插補(bǔ)單位。

②插補(bǔ)運(yùn)算。CNC通過運(yùn)算處理，以最接近理論軌跡的ΔX、ΔY獨(dú)立運(yùn)動（或同時(shí)運(yùn)動）折線，來擬合理論軌跡。

這種根據(jù)理論軌跡（數(shù)學(xué)函數(shù)），通過微分運(yùn)算確定中間點(diǎn)的方法，在數(shù)控上稱為“插補(bǔ)運(yùn)算”。插補(bǔ)運(yùn)算的方法很多，但是，以目前的計(jì)算機(jī)處理速度和精度，任何一種插補(bǔ)方法都足以滿足機(jī)械加工的需要，故無需對此進(jìn)行深究。

③脈沖分配。CNC完成插補(bǔ)運(yùn)算后，按擬合線的要求，向需要運(yùn)動的坐標(biāo)軸發(fā)出運(yùn)動指令（脈沖）；這一指令脈沖經(jīng)伺服驅(qū)動器放大后，轉(zhuǎn)換為伺服電機(jī)的微小轉(zhuǎn)角，然后利用滾珠絲杠等傳動部件，轉(zhuǎn)換為X、Y軸的微量直線運(yùn)動。

由此，便可得到以下結(jié)論。

①能夠參與插補(bǔ)運(yùn)算的坐標(biāo)軸數(shù)量，決定了數(shù)控系統(tǒng)擬合軌跡的能力，理論上說，2軸插補(bǔ)可擬合任意平面曲線，3軸插補(bǔ)可擬合任意空間曲線；如能夠進(jìn)行5軸插補(bǔ)運(yùn)算，則可在擬合任意空間曲線的同時(shí)，控制任意點(diǎn)的法線方向等。

②只要數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量（插補(bǔ)單位，如ΔX、ΔY等）足夠小，微量運(yùn)動折線就可以等效代替理論軌跡，使得刀具實(shí)際運(yùn)動軌跡具有足夠的精度。

③只要改變各坐標(biāo)軸的指令脈沖分配方式（次序、數(shù)量），便可改變擬合線的形狀，從而獲得任意的刀具運(yùn)動軌跡。

④只要改變指令脈沖的輸出頻率，即可改變坐標(biāo)軸（刀具）的運(yùn)動速度。

因此，理論上說，只要機(jī)床結(jié)構(gòu)允許，數(shù)控機(jī)床便能加工任意形狀的零件，并保證零件有足夠的加工精度。

一般而言，數(shù)控設(shè)備對脈沖頻率的要求并不十分高，因此，控制軸數(shù)、聯(lián)動軸數(shù)、脈沖當(dāng)量是衡量數(shù)控設(shè)備性能指標(biāo)的關(guān)鍵參數(shù)。

（2）軸與軌跡控制數(shù)

在數(shù)控系統(tǒng)上，能夠進(jìn)行插補(bǔ)控制的軸稱為進(jìn)給軸或NC軸，顯然，NC軸越多，能夠通過數(shù)控裝置控制的運(yùn)動也就越多，系統(tǒng)的控制能力也就越強(qiáng)；進(jìn)一步說，如果計(jì)算機(jī)的運(yùn)算速度足夠高，同一數(shù)控裝置還可以同時(shí)進(jìn)行多條軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算，這樣的系統(tǒng)就具備了多軌跡控制能力。

數(shù)控系統(tǒng)的多軌跡控制功能在不同公司生產(chǎn)的數(shù)控系統(tǒng)上有不同的表述方法。例如，F(xiàn)ANUC公司稱為“多路徑控制（multi-path control）”，SIEMENS公司則稱為“多加工通道控制（multi-machining channel control）”等。

多軌跡控制本質(zhì)上是利用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)的高速處理功能，同時(shí)運(yùn)行多個(gè)加工程序，同時(shí)進(jìn)行多種軌跡的插補(bǔ)運(yùn)算，使得一臺數(shù)控裝置具備了同時(shí)控制多種軌跡的能力，從而，真正實(shí)現(xiàn)了早期數(shù)控系統(tǒng)曾經(jīng)嘗試的計(jì)算機(jī)群控（DNC）功能，使得多主軸同時(shí)加工、復(fù)合加工乃至FMC（柔性加工單元）、FMS（柔性制造系統(tǒng)，參見后述）等現(xiàn)代化數(shù)控機(jī)床的控制技術(shù)成為現(xiàn)實(shí)。

隨著微處理器運(yùn)算速度的極大提高，當(dāng)代先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)都具有多軸、多軌跡控制功能。例如，F(xiàn)ANUC公司生產(chǎn)的最新一代FANUC 30i MODEL B系統(tǒng)，最大可用于96軸、15路徑（軌跡）控制；SIEMENS公司最新一代SIEMENS 840Dsl數(shù)控系統(tǒng)，最大可用于93軸、30加工通道（軌跡）控制等。

（3）聯(lián)動軸數(shù)

在數(shù)控系統(tǒng)上，能參與插補(bǔ)運(yùn)算的最大坐標(biāo)軸數(shù)稱為同時(shí)控制軸數(shù)，簡稱聯(lián)動軸數(shù)。聯(lián)動軸數(shù)曾經(jīng)是衡量CNC性能水平的重要技術(shù)指標(biāo)之一，聯(lián)動軸數(shù)越多，數(shù)控系統(tǒng)的軌跡控制能力就越強(qiáng)。

數(shù)控系統(tǒng)的聯(lián)動軸數(shù)與控制對象的要求有關(guān)。理論上說，對于平面曲線運(yùn)動只需要2軸聯(lián)動，空間曲線只需要3軸聯(lián)動；對于空間曲線及法線的控制，則需要5軸聯(lián)動；如果能同時(shí)控制X、Y、Z直線運(yùn)動及繞X、Y、Z的回轉(zhuǎn)運(yùn)動（A、B、C軸），便可實(shí)現(xiàn)三維空間的任意運(yùn)動軌跡控制。

需要注意的是，計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展到了今天，就數(shù)控裝置而言，無論是其處理速度還是運(yùn)算精度，處理多軸插補(bǔ)運(yùn)算已不存在任何問題，因此，數(shù)控裝置具有多少軸聯(lián)動功能，實(shí)際上已不那么重要；作為數(shù)控系統(tǒng)最重要的是怎樣保證坐標(biāo)軸能完全按照數(shù)控裝置的指令脈沖運(yùn)動，確保實(shí)際運(yùn)動軌跡與理論軌跡一致。因此，國外先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)都需要將伺服驅(qū)動和數(shù)控裝置作為一個(gè)整體進(jìn)行設(shè)計(jì)，并通過數(shù)控裝置進(jìn)行坐標(biāo)軸的閉環(huán)位置控制，來確保坐標(biāo)軸實(shí)際運(yùn)動和指令脈沖一致，在這一點(diǎn)上，目前國產(chǎn)數(shù)控的技術(shù)水平還暫時(shí)達(dá)不到，在使用時(shí)需要引起注意。

（4）脈沖當(dāng)量

數(shù)控裝置單位指令脈沖所對應(yīng)的坐標(biāo)軸實(shí)際位移，稱為最小移動單位或脈沖當(dāng)量，高精度數(shù)控系統(tǒng)的脈沖當(dāng)量通常就是數(shù)控裝置的插補(bǔ)單位。

脈沖當(dāng)量是數(shù)控設(shè)備理論上能夠達(dá)到的最高位置控制精度，它與數(shù)控系統(tǒng)性能有關(guān)。使用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動的經(jīng)濟(jì)型數(shù)控，由于步進(jìn)電機(jī)步距角的限制，其脈沖當(dāng)量通常只能達(dá)到0.01mm左右；國產(chǎn)普及型數(shù)控的脈沖當(dāng)量一般可達(dá)到0.001mm；進(jìn)口全功能數(shù)控的脈沖當(dāng)量一般可達(dá)到0.0001mm，甚至更小，例如，用于集成電路生產(chǎn)的光刻機(jī)（數(shù)控激光加工機(jī)床），其脈沖當(dāng)量已經(jīng)可達(dá)納米（0.000001mm）級。

數(shù)控設(shè)備的實(shí)際運(yùn)動精度和位置測量裝置密切相關(guān)，采用電機(jī)內(nèi)置編碼器作為位置檢測元件時(shí)，可保證電機(jī)轉(zhuǎn)角的準(zhǔn)確；采用光柵或編碼器直接檢測直線距離或回轉(zhuǎn)角度時(shí)，可以保證直線軸或回轉(zhuǎn)軸的實(shí)際位置準(zhǔn)確。

國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控的步進(jìn)電機(jī)為開環(huán)控制，無位置檢測裝置，故存在失步現(xiàn)象。國產(chǎn)普及型數(shù)控的伺服電機(jī)內(nèi)置編碼器一般為2500P/r（脈沖/轉(zhuǎn)），通過4倍頻線路，對于滾珠絲杠導(dǎo)程為10mm的直線運(yùn)動系統(tǒng)，如果伺服電機(jī)和滾珠絲杠為1:1連接，其位置檢測精度可到1μm。進(jìn)口全功能CNC的電機(jī)內(nèi)置編碼器光柵的分辨率已可達(dá)228P/r左右，同樣對于滾珠絲杠導(dǎo)程10mm的傳動系統(tǒng)，如果伺服電機(jī)和滾珠絲杠為1:1連接，其位置檢測精度可以達(dá)到0.04μm。

1.1.3　數(shù)控系統(tǒng)組成

數(shù)控系統(tǒng)的基本組成如圖1.1.4所示。數(shù)控系統(tǒng)是以運(yùn)動軌跡作為主要控制對象的自動控制系統(tǒng)，其控制指令需要以程序的形式輸入，因此，作為數(shù)控系統(tǒng)的基本組成，需要有數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置、計(jì)算機(jī)控制裝置（數(shù)控裝置）、脈沖放大裝置（伺服驅(qū)動器及電機(jī)）等硬件和配套的軟件。

（1）數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置

數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置用于加工程序、控制參數(shù)等數(shù)據(jù)的輸入，以及程序、位置、工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)的顯示。CNC鍵盤和顯示器是任何數(shù)控系統(tǒng)都必備的基本數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置。

CNC鍵盤用于數(shù)據(jù)的手動輸入，故又稱手動數(shù)據(jù)輸入單元（manual data input unit，簡稱MDI單元）；現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)的顯示器基本上都使用液晶顯示器（liquid crystal display，LCD）。數(shù)控系統(tǒng)的鍵盤和顯示器通常制成一體，這樣的數(shù)據(jù)輸入/顯示裝置簡稱MDI/LCD單元。

作為數(shù)據(jù)輸入/顯示擴(kuò)展設(shè)備，早期的數(shù)控系統(tǒng)曾經(jīng)采用光電閱讀機(jī)、磁帶機(jī)、軟盤驅(qū)動器和CRT顯示器等外部設(shè)備，這些設(shè)備目前已經(jīng)淘汰，個(gè)人計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）、存儲卡、U盤等是目前最常用的數(shù)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)輸入/顯示擴(kuò)展設(shè)備。

（2）數(shù)控裝置

數(shù)控裝置是數(shù)控系統(tǒng)的核心部件，它包括輸入/輸出接口、控制器、運(yùn)算器和存儲器等。數(shù)控裝置的作用是將外部輸入的控制命令轉(zhuǎn)換為指令脈沖或其他輔助控制信號，以便通過伺服驅(qū)動裝置或電磁元件，控制坐標(biāo)軸或輔助裝置運(yùn)動。

坐標(biāo)軸的運(yùn)動速度、方向和位移直接決定了運(yùn)動軌跡，它是數(shù)控裝置的核心功能。坐標(biāo)軸的運(yùn)動控制信號（指令脈沖）通過數(shù)控裝置的插補(bǔ)運(yùn)算生成，指令脈沖經(jīng)伺服驅(qū)動裝置的放大后，驅(qū)動坐標(biāo)軸運(yùn)動。衡量數(shù)控裝置的性能和水平，必須從其實(shí)際位置控制能力上區(qū)分。

國產(chǎn)普及型數(shù)控目前只具備產(chǎn)生位置指令脈沖的功能，輸出的脈沖需要通過通用型伺服驅(qū)動器進(jìn)行放大、轉(zhuǎn)換成電機(jī)轉(zhuǎn)角，數(shù)控裝置并不能對坐標(biāo)軸的實(shí)際位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和閉環(huán)控制，也不能根據(jù)實(shí)際軌跡調(diào)整各插補(bǔ)軸的指令脈沖輸出，因此，其實(shí)際位置、軌跡控制精度通常較低。

進(jìn)口全功能數(shù)控不僅能夠產(chǎn)生位置指令脈沖，而且坐標(biāo)軸的閉環(huán)位置控制也通過數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)，因此，數(shù)控裝置不但可以對坐標(biāo)軸的實(shí)際位置進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和閉環(huán)控制，而且可以根據(jù)實(shí)際軌跡調(diào)整各插補(bǔ)軸的指令脈沖輸出，以獲得高精度的運(yùn)動軌跡。進(jìn)口控制裝置技術(shù)先進(jìn)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、價(jià)格高，但其位置、軌跡控制精度均大大優(yōu)于國產(chǎn)普及型數(shù)控。

（3）伺服驅(qū)動

伺服驅(qū)動裝置由伺服驅(qū)動器（servo drive，亦稱放大器）和伺服電機(jī)（servo motor）等部件組成，按日本JIS標(biāo)準(zhǔn)，伺服（servo）是“以物體的位置、方向、狀態(tài)等作為控制量，追蹤目標(biāo)值的任意變化的控制機(jī)構(gòu)”。

伺服驅(qū)動裝置不僅可和數(shù)控裝置配套使用，還可構(gòu)成獨(dú)立的位置隨動系統(tǒng)，故又稱伺服系統(tǒng)。早期數(shù)控系統(tǒng)的伺服驅(qū)動裝置采用步進(jìn)電機(jī)或電液脈沖馬達(dá)等驅(qū)動裝置，到了20世紀(jì)70年代中期，F(xiàn)ANUC公司率先開始使用直流伺服電機(jī)驅(qū)動裝置；自20世紀(jì)80年代中期起，交流伺服電機(jī)驅(qū)動已全面替代直流伺服驅(qū)動，而成為數(shù)控系統(tǒng)的主流。在現(xiàn)代高速加工機(jī)床上，已開始逐步使用圖1.1.5所示的直線電機(jī)（linear motor）、內(nèi)置力矩電機(jī)（built-in torque motor）或直接驅(qū)動電機(jī)（direct drive motor）等新穎無機(jī)械傳動部件的直線、回轉(zhuǎn)軸直接驅(qū)動裝置。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與數(shù)控裝置的性能密切相關(guān)，因此，它是區(qū)分經(jīng)濟(jì)型、普及型與全功能型數(shù)控的標(biāo)準(zhǔn)。經(jīng)濟(jì)型CNC使用的是步進(jìn)驅(qū)動；國產(chǎn)普及型CNC由于數(shù)控裝置不能進(jìn)行閉環(huán)位置控制，故需要使用具有位置控制功能的通用型伺服驅(qū)動；進(jìn)口全功能型CNC本身具有閉環(huán)位置控制功能，故使用的是無位置控制功能的專用型伺服驅(qū)動。

（4）PLC

PLC是可編程序邏輯控制器（programmable logic controller）的簡稱，數(shù)控系統(tǒng)的PLC通常與數(shù)控裝置集成一體，這樣的PLC專門用于機(jī)床控制，故又稱可編程機(jī)床控制器（programmable machine controller，簡稱PMC）。根據(jù)不同公司的習(xí)慣，數(shù)控系統(tǒng)的集成PLC在FANUC數(shù)控系統(tǒng)上稱為PMC，而在SIEMENS等其他數(shù)控系統(tǒng)上仍然稱為PLC。

數(shù)控系統(tǒng)的PLC用于數(shù)控設(shè)備中除坐標(biāo)軸（運(yùn)動軌跡）外的其他輔助功能控制，例如，數(shù)控機(jī)床主軸、刀具自動交換、冷卻、潤滑、工件松/夾等。在簡單的國產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)上，輔助控制命令經(jīng)過數(shù)控裝置的編譯后，也可用開關(guān)量輸出信號的形式直接輸出，由強(qiáng)電控制電路或外部PLC進(jìn)行處理；在進(jìn)口全功能型數(shù)控系統(tǒng)上，PMC（PLC）一般作為數(shù)控裝置的基本組件，直接與數(shù)控裝置集成一體，或者通過網(wǎng)絡(luò)連接使兩者成為統(tǒng)一整體。

（5）其他

隨著數(shù)控技術(shù)的發(fā)展和機(jī)床控制要求的提高，數(shù)控系統(tǒng)的功能在日益增強(qiáng)。例如，在金屬切削機(jī)床上，為了控制刀具的切削速度，主軸是其必需部件；特別是隨著車銑復(fù)合等先進(jìn)數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)，主軸不僅需要進(jìn)行速度控制，而且需要參與坐標(biāo)軸的插補(bǔ)運(yùn)算（Cs軸控制），因此，在全功能數(shù)控系統(tǒng)上，主軸驅(qū)動裝置也是數(shù)控系統(tǒng)的基本組件之一。

此外，在位置全閉環(huán)控制的數(shù)控機(jī)床上，用于直接位置測量的光柵、編碼器等也是數(shù)控系統(tǒng)的基本部件。為了方便用戶使用，系統(tǒng)生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)的機(jī)床操作面板等附件，也是數(shù)控系統(tǒng)常用的配套部件；在先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)上，還可以直接選配集成個(gè)人計(jì)算機(jī)的人機(jī)界面（man machine communication，MMC），進(jìn)行文件的管理和數(shù)據(jù)預(yù)處理，數(shù)控系統(tǒng)的功能更強(qiáng)，性能更完善。

1.1.4　數(shù)控系統(tǒng)分類

我國目前使用的數(shù)控系統(tǒng)一般可按系統(tǒng)性能分為國產(chǎn)普及型和進(jìn)口全功能型兩類。數(shù)控系統(tǒng)的主要應(yīng)用對象——數(shù)控機(jī)床是一種加工設(shè)備，既快又好地完成加工，是人們對它的最大期望，因此，機(jī)床實(shí)際能夠達(dá)到的輪廓加工精度和效率，是衡量其性能水平最重要的技術(shù)指標(biāo)，而數(shù)控裝置的控制軸數(shù)、聯(lián)動軸數(shù)等雖代表了數(shù)控裝置的插補(bǔ)運(yùn)算能力，但它們并不代表機(jī)床實(shí)際能達(dá)到的輪廓加工精度和效率。

數(shù)控系統(tǒng)所使用的伺服驅(qū)動器的結(jié)構(gòu)和性能，是決定機(jī)床輪廓加工精度的關(guān)鍵部件，也是判定普及型和全功能型數(shù)控系統(tǒng)的依據(jù)。

（1）普及型數(shù)控系統(tǒng)

國產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的一般組成如圖1.1.6所示，它通常由CNC/MDI/LCD集成單元（簡稱CNC單元）、通用型伺服驅(qū)動器、主軸驅(qū)動器（一般為變頻器）、機(jī)床操作面板和I/O設(shè)備等硬件組成，數(shù)控系統(tǒng)對其配套的驅(qū)動器、變頻器的廠家和型號無要求。

普及型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控裝置只能輸出指令脈沖，不具備閉環(huán)位置控制功能，因此，它只能配套本身具備閉環(huán)位置控制功能的通用型交流伺服驅(qū)動器，這是它和全功能型數(shù)控系統(tǒng)的最大區(qū)別。由于伺服電機(jī)的位置測量信號不能反饋到數(shù)控裝置上，故數(shù)控裝置不能對坐標(biāo)軸的實(shí)際位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)整，從這一意義上說，對數(shù)控裝置而言，其位置控制仍然是開環(huán)的，只是它的最小轉(zhuǎn)角不受步距角限制，也不存在步進(jìn)電機(jī)的失步現(xiàn)象。

國產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)所使用的通用型伺服驅(qū)動器是一種利用指令脈沖控制伺服電機(jī)位置和速度的通用控制器，它對上級位置控制器（指令脈沖的提供者）同樣無要求，因此，也可用于PLC的軸控制。此外，為了進(jìn)行驅(qū)動器的設(shè)定與調(diào)試，通用型伺服驅(qū)動器必須有數(shù)據(jù)輸入/顯示的操作面板。

由于普及型數(shù)控系統(tǒng)的數(shù)控裝置不具備閉環(huán)速度、位置控制功能，這樣的數(shù)控裝置實(shí)際上只是一個(gè)具有插補(bǔ)運(yùn)算功能的指令脈沖發(fā)生器，實(shí)際坐標(biāo)軸的運(yùn)動都需要由各自的驅(qū)動器進(jìn)行獨(dú)立控制，因此，運(yùn)動軌跡的精確控制只存在理論上的可能。

大多數(shù)國產(chǎn)普及型數(shù)控裝置無集成PLC，它們只能輸出最常用的少量輔助功能（M代碼）信號，如主軸正轉(zhuǎn)（M03）、反轉(zhuǎn)（M04）、停止（M05），冷卻啟動（M08）、停止（M09），刀架正轉(zhuǎn)（TL+）、反轉(zhuǎn)（TL-）等，用戶不能通過PLC程序?qū)ψ鴺?biāo)軸、主軸及刀架進(jìn)行其他控制。

綜上所述，盡管國產(chǎn)普及型數(shù)控系統(tǒng)的價(jià)格低、可靠性較高，部分產(chǎn)品也開發(fā)了多軸插補(bǔ)運(yùn)算功能，但其位置控制的方式?jīng)Q定了這樣的系統(tǒng)不能用于高精度定位和輪廓加工，故不能用于高速高精度數(shù)控機(jī)床。

（2）全功能型數(shù)控系統(tǒng)

全功能型數(shù)控系統(tǒng)的一般組成如圖1.1.7所示。

全功能型數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)位置控制必須由數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)，閉環(huán)速度控制在不同系統(tǒng)上有所不同，早期系統(tǒng)通常由伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)，當(dāng)前的系統(tǒng)多數(shù)由數(shù)控裝置控制。全功能型數(shù)控系統(tǒng)的各組成部件均需要在CNC的統(tǒng)一控制下運(yùn)行，其功能強(qiáng)大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、部件間的聯(lián)系緊密，伺服驅(qū)動器、主軸驅(qū)動器、PMC等通常都不能獨(dú)立使用。

當(dāng)前的全功能型數(shù)控系統(tǒng)一般都采用網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)。在FANUC數(shù)控系統(tǒng)上，數(shù)控裝置與驅(qū)動器之間使用光纜連接的高速FANUC串行伺服總線（FANUC serial servo bus，F(xiàn)SSB）網(wǎng)絡(luò)控制，集成PMC與I/O單元之間采用了I/O-Link現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)控制，數(shù)控系統(tǒng)連接簡單、擴(kuò)展性好、可靠性高。

全功能型數(shù)控系統(tǒng)的閉環(huán)位置控制通過數(shù)控裝置實(shí)現(xiàn)，伺服驅(qū)動器與數(shù)控裝置密不可分，驅(qū)動器參數(shù)設(shè)定、狀態(tài)監(jiān)控、調(diào)試與優(yōu)化等均需要通過數(shù)控裝置的MDI/LCD單元進(jìn)行，驅(qū)動器無操作面板，也不能獨(dú)立使用。

全功能型數(shù)控裝置不但能實(shí)時(shí)監(jiān)控運(yùn)動軸的位置、速度及誤差等參數(shù)，而且所有坐標(biāo)軸的運(yùn)動都可作為整體進(jìn)行統(tǒng)一控制，確保軌跡的準(zhǔn)確無誤，這是一種真正意義上的閉環(huán)軌跡控制系統(tǒng)。在先進(jìn)的數(shù)控系統(tǒng)上，還可通過“插補(bǔ)前加減速”“AI先行控制（advanced preview control）”等前瞻控制功能，進(jìn)一步提高輪廓加工精度。這也是進(jìn)口全功能型數(shù)控機(jī)床的定位精度、輪廓加工精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國產(chǎn)普及型數(shù)控機(jī)床的原因所在。

全功能型數(shù)控系統(tǒng)的PLC有集成PLC（PMC）和外置PLC兩種，前者多用于5軸以下的緊湊型系統(tǒng)，后者多用于大型、復(fù)雜系統(tǒng)。

在使用集成PLC的數(shù)控系統(tǒng)上，PLC與數(shù)控裝置通常共用電源和CPU；用戶可根據(jù)實(shí)際控制需要，通過選擇所需的I/O單元或I/O模塊，構(gòu)成相對簡單的PLC系統(tǒng)，數(shù)控裝置和I/O單元（模塊）間可通過網(wǎng)絡(luò)總線連接。集成PLC配套的I/O單元（模塊）結(jié)構(gòu)緊湊、I/O點(diǎn)多，但模塊種類少，I/O連接要求固定，點(diǎn)數(shù)有一定的限制，通常也不能選配特殊功能模塊；此外，由數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的機(jī)床操作面板等部件，一般集成PLC總線接口，可直接作為PLC的I/O單元使用，無需另行選配I/O單元。集成PLC的軟件功能相對簡單、實(shí)用，PLC一般設(shè)計(jì)有專門針對數(shù)控機(jī)床的回轉(zhuǎn)分度、自動換刀等特殊功能指令。集成PLC的程序編輯、調(diào)試與狀態(tài)監(jiān)控，可直接通過數(shù)控裝置的MDI/LCD單元進(jìn)行。

大型、復(fù)雜全功能型數(shù)控系統(tǒng)的功能強(qiáng)大、I/O點(diǎn)數(shù)眾多，因此，通常需要使用外置式大中型PLC。外置PLC具有獨(dú)立的CPU和電源、I/O模塊，其結(jié)構(gòu)與模塊化結(jié)構(gòu)的大中型通用PLC相同，因此，在SIEMENS、AB等既生產(chǎn)CNC又生產(chǎn)PLC的公司，通常直接使用帶CNC網(wǎng)絡(luò)總線通信接口的大中型通用PLC，這樣的數(shù)控系統(tǒng)，可使用通用PLC的全部模塊，其規(guī)格、種類齊全，如果需要，還可選配模擬量控制、軸控制等特殊功能模塊。外置PLC的軟件功能強(qiáng)大、指令豐富，PLC程序的設(shè)計(jì)方法與通用型PLC完全相同，但是其PLC程序的編輯、調(diào)試與狀態(tài)監(jiān)控，同樣可通過數(shù)控裝置的MDI/LCD單元進(jìn)行。