第1章　數控技術基礎

1.1　數控技術與數控系統

1.1.1　數控技術概述

（1）數控技術與機床

數控（numerical control，NC）是利用數字化信息對機械運動及加工過程進行控制的一種方法。數控技術的發展和電子技術的發展保持同步，至今已經歷了從電子管、晶體管、集成電路、計算機到微處理機的演變，由于現代數控都采用計算機控制，因此，又稱計算機數控（computerized numerical control，CNC）。

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

由于數控技術、數控系統、數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；在狹義上，代表一種控制系統的實體；有時，還可特指一種具體的控制裝置（數控裝置）。

數控技術的誕生源自于機床，其目的是解決金屬切削機床的輪廓加工——刀具軌跡的自動控制問題。這一設想最初由美國Parsons公司在20世紀40年代末提出，1952年，Parsons公司和美國麻省理工學院（Massachusetts Institute of Technology）聯合，在一臺Cincinnati Hydrotel立式銑床上安裝了一套試驗性的數控系統，并成功地實現了三軸聯動加工，這是人們所公認的第一臺數控機床。1954年，美國Bendix公司在Parsons專利的基礎上，研制出了第一臺工業用數控機床，隨后，數控機床取得了快速發展和普及。

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

機床用來制造機器零件，它是制造機器的機器，故又稱為工作母機。沒有機床就不能制造機器，沒有機器就不能生產工業產品，就談不上發展經濟，因此，機床是國民經濟基礎的基礎。沒有好的機床就制造不出好的機器，就生產不出好的產品，所以，機床的水平是衡量一個國家制造業水平、現代化程度和綜合實力的重要標志。

（2）數控技術的產生

數控技術最初是為解決金屬切削機床自動控制問題所研發。在金屬切削機床上，為了能夠完成零件的加工，機床一般需要進行以下三方面的控制。

①動作順序控制。機床對零件的加工一般需要有多個加工動作，加工動作的順序有規定的要求，稱為工序，復雜零件的加工可能需要幾十道工序才能完成。因此，機床的加工過程需要根據工序的要求，按規定的順序進行。

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

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

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

改變切削速度屬于傳動控制，它既可通過齒輪變速箱、傳動帶等機械傳動實現，也可利用電氣傳動直接改變電動機轉速實現，早期的直流調速和現代的交流調速都可以用于機床的切削速度控制。

③運動軌跡控制。為了將零件加工成規定的形狀（輪廓），必須控制刀具與工件的相對運動軌跡（簡稱刀具軌跡）。例如，對于圖1.1.2所示的葉輪加工，在加工時必須同時對刀具的上下（Z軸）、葉輪的回轉（C軸）和擺動（A軸）進行同步控制，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動速度，而且需要進行多個運動的合成控制（稱為多軸聯動）才能實現，這樣的控制只有通過數字技術（數控）才能實現。因此，機床采用數控的根本目的是解決運動軌跡控制的問題，使之能加工出所需要的輪廓。

1.1.2　數字控制原理

（1）軌跡控制原理

數控機床的刀具軌跡控制，實質上是應用了數學上的微分原理，例如，對于圖1.1.3所示XY平面的任意曲線運動，其控制原理如下。

①微分處理。CNC根據運動軌跡的要求，首先將曲線微分為X、Y方向的等量微小運動ΔX、ΔY，這一微小運動量稱為CNC的插補單位。

②插補運算。CNC通過運算處理，以最接近理論軌跡的ΔX、ΔY獨立運動（或同時運動）折線，來擬合理論軌跡。

這種根據理論軌跡（數學函數），通過微分運算確定中間點的方法，在數控上稱為“插補運算”。插補運算的方法很多，但是，以目前的計算機處理速度和精度，任何一種插補方法都足以滿足機械加工的需要，故無需對此進行深究。

③脈沖分配。CNC完成插補運算后，按擬合線的要求，向需要運動的坐標軸發出運動指令（脈沖）；這一指令脈沖經伺服驅動器放大后，轉換為伺服電機的微小轉角，然后利用滾珠絲杠等傳動部件，轉換為X、Y軸的微量直線運動。

由此，便可得到以下結論。

①能夠參與插補運算的坐標軸數量，決定了數控系統擬合軌跡的能力，理論上說，2軸插補可擬合任意平面曲線，3軸插補可擬合任意空間曲線；如能夠進行5軸插補運算，則可在擬合任意空間曲線的同時，控制任意點的法線方向等。

②只要數控系統的脈沖當量（插補單位，如ΔX、ΔY等）足夠小，微量運動折線就可以等效代替理論軌跡，使得刀具實際運動軌跡具有足夠的精度。

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

④只要改變指令脈沖的輸出頻率，即可改變坐標軸（刀具）的運動速度。

因此，理論上說，只要機床結構允許，數控機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，數控設備對脈沖頻率的要求并不十分高，因此，控制軸數、聯動軸數、脈沖當量是衡量數控設備性能指標的關鍵參數。

（2）軸與軌跡控制數

在數控系統上，能夠進行插補控制的軸稱為進給軸或NC軸，顯然，NC軸越多，能夠通過數控裝置控制的運動也就越多，系統的控制能力也就越強；進一步說，如果計算機的運算速度足夠高，同一數控裝置還可以同時進行多條軌跡的插補運算，這樣的系統就具備了多軌跡控制能力。

數控系統的多軌跡控制功能在不同公司生產的數控系統上有不同的表述方法。例如，FANUC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。

多軌跡控制本質上是利用現代計算機的高速處理功能，同時運行多個加工程序，同時進行多種軌跡的插補運算，使得一臺數控裝置具備了同時控制多種軌跡的能力，從而，真正實現了早期數控系統曾經嘗試的計算機群控（DNC）功能，使得多主軸同時加工、復合加工乃至FMC（柔性加工單元）、FMS（柔性制造系統，參見后述）等現代化數控機床的控制技術成為現實。

隨著微處理器運算速度的極大提高，當代先進的數控系統都具有多軸、多軌跡控制功能。例如，FANUC公司生產的最新一代FANUC 30i MODEL B系統，最大可用于96軸、15路徑（軌跡）控制；SIEMENS公司最新一代SIEMENS 840Dsl數控系統，最大可用于93軸、30加工通道（軌跡）控制等。

（3）聯動軸數

在數控系統上，能參與插補運算的最大坐標軸數稱為同時控制軸數，簡稱聯動軸數。聯動軸數曾經是衡量CNC性能水平的重要技術指標之一，聯動軸數越多，數控系統的軌跡控制能力就越強。

數控系統的聯動軸數與控制對象的要求有關。理論上說，對于平面曲線運動只需要2軸聯動，空間曲線只需要3軸聯動；對于空間曲線及法線的控制，則需要5軸聯動；如果能同時控制X、Y、Z直線運動及繞X、Y、Z的回轉運動（A、B、C軸），便可實現三維空間的任意運動軌跡控制。

需要注意的是，計算機技術發展到了今天，就數控裝置而言，無論是其處理速度還是運算精度，處理多軸插補運算已不存在任何問題，因此，數控裝置具有多少軸聯動功能，實際上已不那么重要；作為數控系統最重要的是怎樣保證坐標軸能完全按照數控裝置的指令脈沖運動，確保實際運動軌跡與理論軌跡一致。因此，國外先進的數控系統都需要將伺服驅動和數控裝置作為一個整體進行設計，并通過數控裝置進行坐標軸的閉環位置控制，來確保坐標軸實際運動和指令脈沖一致，在這一點上，目前國產數控的技術水平還暫時達不到，在使用時需要引起注意。

（4）脈沖當量

數控裝置單位指令脈沖所對應的坐標軸實際位移，稱為最小移動單位或脈沖當量，高精度數控系統的脈沖當量通常就是數控裝置的插補單位。

脈沖當量是數控設備理論上能夠達到的最高位置控制精度，它與數控系統性能有關。使用步進電機驅動的經濟型數控，由于步進電機步距角的限制，其脈沖當量通常只能達到0.01mm左右；國產普及型數控的脈沖當量一般可達到0.001mm；進口全功能數控的脈沖當量一般可達到0.0001mm，甚至更小，例如，用于集成電路生產的光刻機（數控激光加工機床），其脈沖當量已經可達納米（0.000001mm）級。

數控設備的實際運動精度和位置測量裝置密切相關，采用電機內置編碼器作為位置檢測元件時，可保證電機轉角的準確；采用光柵或編碼器直接檢測直線距離或回轉角度時，可以保證直線軸或回轉軸的實際位置準確。

國產經濟型數控的步進電機為開環控制，無位置檢測裝置，故存在失步現象。國產普及型數控的伺服電機內置編碼器一般為2500P/r（脈沖/轉），通過4倍頻線路，對于滾珠絲杠導程為10mm的直線運動系統，如果伺服電機和滾珠絲杠為1:1連接，其位置檢測精度可到1μm。進口全功能CNC的電機內置編碼器光柵的分辨率已可達228P/r左右，同樣對于滾珠絲杠導程10mm的傳動系統，如果伺服電機和滾珠絲杠為1:1連接，其位置檢測精度可以達到0.04μm。

1.1.3　數控系統組成

數控系統的基本組成如圖1.1.4所示。數控系統是以運動軌跡作為主要控制對象的自動控制系統，其控制指令需要以程序的形式輸入，因此，作為數控系統的基本組成，需要有數據輸入/顯示裝置、計算機控制裝置（數控裝置）、脈沖放大裝置（伺服驅動器及電機）等硬件和配套的軟件。

（1）數據輸入/顯示裝置

數據輸入/顯示裝置用于加工程序、控制參數等數據的輸入，以及程序、位置、工作狀態等數據的顯示。CNC鍵盤和顯示器是任何數控系統都必備的基本數據輸入/顯示裝置。

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

作為數據輸入/顯示擴展設備，早期的數控系統曾經采用光電閱讀機、磁帶機、軟盤驅動器和CRT顯示器等外部設備，這些設備目前已經淘汰，個人計算機（PC機）、存儲卡、U盤等是目前最常用的數控系統數據輸入/顯示擴展設備。

（2）數控裝置

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

坐標軸的運動速度、方向和位移直接決定了運動軌跡，它是數控裝置的核心功能。坐標軸的運動控制信號（指令脈沖）通過數控裝置的插補運算生成，指令脈沖經伺服驅動裝置的放大后，驅動坐標軸運動。衡量數控裝置的性能和水平，必須從其實際位置控制能力上區分。

國產普及型數控目前只具備產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動器進行放大、轉換成電機轉角，數控裝置并不能對坐標軸的實際位置進行實時監控和閉環控制，也不能根據實際軌跡調整各插補軸的指令脈沖輸出，因此，其實際位置、軌跡控制精度通常較低。

進口全功能數控不僅能夠產生位置指令脈沖，而且坐標軸的閉環位置控制也通過數控裝置實現，因此，數控裝置不但可以對坐標軸的實際位置進行實時監控和閉環控制，而且可以根據實際軌跡調整各插補軸的指令脈沖輸出，以獲得高精度的運動軌跡。進口控制裝置技術先進、結構復雜、價格高，但其位置、軌跡控制精度均大大優于國產普及型數控。

（3）伺服驅動

伺服驅動裝置由伺服驅動器（servo drive，亦稱放大器）和伺服電機（servo motor）等部件組成，按日本JIS標準，伺服（servo）是“以物體的位置、方向、狀態等作為控制量，追蹤目標值的任意變化的控制機構”。

伺服驅動裝置不僅可和數控裝置配套使用，還可構成獨立的位置隨動系統，故又稱伺服系統。早期數控系統的伺服驅動裝置采用步進電機或電液脈沖馬達等驅動裝置，到了20世紀70年代中期，FANUC公司率先開始使用直流伺服電機驅動裝置；自20世紀80年代中期起，交流伺服電機驅動已全面替代直流伺服驅動，而成為數控系統的主流。在現代高速加工機床上，已開始逐步使用圖1.1.5所示的直線電機（linear motor）、內置力矩電機（built-in torque motor）或直接驅動電機（direct drive motor）等新穎無機械傳動部件的直線、回轉軸直接驅動裝置。

伺服驅動系統的結構與數控裝置的性能密切相關，因此，它是區分經濟型、普及型與全功能型數控的標準。經濟型CNC使用的是步進驅動；國產普及型CNC由于數控裝置不能進行閉環位置控制，故需要使用具有位置控制功能的通用型伺服驅動；進口全功能型CNC本身具有閉環位置控制功能，故使用的是無位置控制功能的專用型伺服驅動。

（4）PLC

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

數控系統的PLC用于數控設備中除坐標軸（運動軌跡）外的其他輔助功能控制，例如，數控機床主軸、刀具自動交換、冷卻、潤滑、工件松/夾等。在簡單的國產普及型數控系統上，輔助控制命令經過數控裝置的編譯后，也可用開關量輸出信號的形式直接輸出，由強電控制電路或外部PLC進行處理；在進口全功能型數控系統上，PMC（PLC）一般作為數控裝置的基本組件，直接與數控裝置集成一體，或者通過網絡連接使兩者成為統一整體。

（5）其他

隨著數控技術的發展和機床控制要求的提高，數控系統的功能在日益增強。例如，在金屬切削機床上，為了控制刀具的切削速度，主軸是其必需部件；特別是隨著車銑復合等先進數控機床的出現，主軸不僅需要進行速度控制，而且需要參與坐標軸的插補運算（Cs軸控制），因此，在全功能數控系統上，主軸驅動裝置也是數控系統的基本組件之一。

此外，在位置全閉環控制的數控機床上，用于直接位置測量的光柵、編碼器等也是數控系統的基本部件。為了方便用戶使用，系統生產廠家標準化設計的機床操作面板等附件，也是數控系統常用的配套部件；在先進的數控系統上，還可以直接選配集成個人計算機的人機界面（man machine communication，MMC），進行文件的管理和數據預處理，數控系統的功能更強，性能更完善。

1.1.4　數控系統分類

我國目前使用的數控系統一般可按系統性能分為國產普及型和進口全功能型兩類。數控系統的主要應用對象——數控機床是一種加工設備，既快又好地完成加工，是人們對它的最大期望，因此，機床實際能夠達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指標，而數控裝置的控制軸數、聯動軸數等雖代表了數控裝置的插補運算能力，但它們并不代表機床實際能達到的輪廓加工精度和效率。

數控系統所使用的伺服驅動器的結構和性能，是決定機床輪廓加工精度的關鍵部件，也是判定普及型和全功能型數控系統的依據。

（1）普及型數控系統

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

普及型數控系統的數控裝置只能輸出指令脈沖，不具備閉環位置控制功能，因此，它只能配套本身具備閉環位置控制功能的通用型交流伺服驅動器，這是它和全功能型數控系統的最大區別。由于伺服電機的位置測量信號不能反饋到數控裝置上，故數控裝置不能對坐標軸的實際位置、速度進行實時監控和調整，從這一意義上說，對數控裝置而言，其位置控制仍然是開環的，只是它的最小轉角不受步距角限制，也不存在步進電機的失步現象。

國產普及型數控系統所使用的通用型伺服驅動器是一種利用指令脈沖控制伺服電機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，為了進行驅動器的設定與調試，通用型伺服驅動器必須有數據輸入/顯示的操作面板。

由于普及型數控系統的數控裝置不具備閉環速度、位置控制功能，這樣的數控裝置實際上只是一個具有插補運算功能的指令脈沖發生器，實際坐標軸的運動都需要由各自的驅動器進行獨立控制，因此，運動軌跡的精確控制只存在理論上的可能。

大多數國產普及型數控裝置無集成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（M03）、反轉（M04）、停止（M05），冷卻啟動（M08）、停止（M09），刀架正轉（TL+）、反轉（TL-）等，用戶不能通過PLC程序對坐標軸、主軸及刀架進行其他控制。

綜上所述，盡管國產普及型數控系統的價格低、可靠性較高，部分產品也開發了多軸插補運算功能，但其位置控制的方式決定了這樣的系統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控機床。

（2）全功能型數控系統

全功能型數控系統的一般組成如圖1.1.7所示。

全功能型數控系統的閉環位置控制必須由數控裝置實現，閉環速度控制在不同系統上有所不同，早期系統通常由伺服驅動器實現，當前的系統多數由數控裝置控制。全功能型數控系統的各組成部件均需要在CNC的統一控制下運行，其功能強大、結構復雜、部件間的聯系緊密，伺服驅動器、主軸驅動器、PMC等通常都不能獨立使用。

當前的全功能型數控系統一般都采用網絡控制技術。在FANUC數控系統上，數控裝置與驅動器之間使用光纜連接的高速FANUC串行伺服總線（FANUC serial servo bus，FSSB）網絡控制，集成PMC與I/O單元之間采用了I/O-Link現場總線網絡控制，數控系統連接簡單、擴展性好、可靠性高。

全功能型數控系統的閉環位置控制通過數控裝置實現，伺服驅動器與數控裝置密不可分，驅動器參數設定、狀態監控、調試與優化等均需要通過數控裝置的MDI/LCD單元進行，驅動器無操作面板，也不能獨立使用。

全功能型數控裝置不但能實時監控運動軸的位置、速度及誤差等參數，而且所有坐標軸的運動都可作為整體進行統一控制，確保軌跡的準確無誤，這是一種真正意義上的閉環軌跡控制系統。在先進的數控系統上，還可通過“插補前加減速”“AI先行控制（advanced preview control）”等前瞻控制功能，進一步提高輪廓加工精度。這也是進口全功能型數控機床的定位精度、輪廓加工精度遠遠高于國產普及型數控機床的原因所在。

全功能型數控系統的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，后者多用于大型、復雜系統。

在使用集成PLC的數控系統上，PLC與數控裝置通常共用電源和CPU；用戶可根據實際控制需要，通過選擇所需的I/O單元或I/O模塊，構成相對簡單的PLC系統，數控裝置和I/O單元（模塊）間可通過網絡總線連接。集成PLC配套的I/O單元（模塊）結構緊湊、I/O點多，但模塊種類少，I/O連接要求固定，點數有一定的限制，通常也不能選配特殊功能模塊；此外，由數控系統生產廠家標準設計的機床操作面板等部件，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、實用，PLC一般設計有專門針對數控機床的回轉分度、自動換刀等特殊功能指令。集成PLC的程序編輯、調試與狀態監控，可直接通過數控裝置的MDI/LCD單元進行。

大型、復雜全功能型數控系統的功能強大、I/O點數眾多，因此，通常需要使用外置式大中型PLC。外置PLC具有獨立的CPU和電源、I/O模塊，其結構與模塊化結構的大中型通用PLC相同，因此，在SIEMENS、AB等既生產CNC又生產PLC的公司，通常直接使用帶CNC網絡總線通信接口的大中型通用PLC，這樣的數控系統，可使用通用PLC的全部模塊，其規格、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的軟件功能強大、指令豐富，PLC程序的設計方法與通用型PLC完全相同，但是其PLC程序的編輯、調試與狀態監控，同樣可通過數控裝置的MDI/LCD單元進行。