1 數(shù)控車床及其數(shù)控技術概述

　　數(shù)控技術的典型應用就是在數(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國家機械制造業(yè)的生產能力。簡單來說，數(shù)控車床主要是指采用數(shù)控技術的車床，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，基本已經是實現(xiàn)了加工的自動化。

　　數(shù)控車床的加工性能要顯著高于普通的自動車床。它具有良好的加工適應性，更換加工對象時，通常只需要一起更換相應的程序命令即可。不僅如此，數(shù)控車床擁有加工精確、加工復雜零部件的能力，所以特別適合于目前流行的小批量生產模式，能夠滿足該生產模式對于精度要求高、形狀復雜以及改型頻繁的相關要求。目前數(shù)控車床主要包括三個大部分：數(shù)控系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)和車床主體。其中數(shù)控系統(tǒng)相當于人類的大腦，負責各種邏輯運算，它主要包括程序讀入設備以及由各種電子電路構成的輸入腧出設備、運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)等三個大類。伺服系統(tǒng)也是數(shù)控車床的重要構成部分之一，它主要包括開環(huán)伺服結構、半閉環(huán)伺服結構和閉環(huán)伺服結構。開環(huán)伺服結構沒有安裝位置監(jiān)測設備，無法進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，但是這種伺服結構形式最為筒單。半閉環(huán)伺服結構的主要由位置監(jiān)測設備、速度檢測設備、伺服電機和伺服放大電路以及比較電路等構成，該結構形式由于具有位置檢測設備，可以間接地檢測出工作臺的位置，所以，半閉環(huán)伺服結構的加工速度、加工精度以及動態(tài)特性方面均要顯著與開環(huán)伺服結構形式，中小型數(shù)控車床都采用了半閉環(huán)伺服結構，目前應用范圍較廣。閉環(huán)伺服結構和半閉環(huán)伺服結構具有基本上一樣的結構形式和工作原理，但是該結構下的位置檢測設備(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)伺服結構。數(shù)控機床的車床主體結構設計充分考慮了剛度、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性能，尤其是連續(xù)穩(wěn)定工作的能力。

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

2 開放式結構

　　數(shù)控技術進行半個多世紀的發(fā)展，已經逐步地完善和成熟。隨著數(shù)控系統(tǒng)當中越來越多地融入加工工藝、操作技能以及管理經驗等信息，目前的數(shù)控系統(tǒng)已經具備了相當程度的智能化水平：同時，故障自我診斷、圖形交互功能的開發(fā)和應用更是在很大程度上促進了數(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現(xiàn)上述目標的重要基礎，借助于該基礎——開放式結構的數(shù)控系統(tǒng)，人們才能夠更加自由地表達并執(zhí)行自己的思路。當前，開放式結構的數(shù)控系統(tǒng)主要表現(xiàn)為以下兩種形式：第一種，CNC+PC主板的結構形式。即將PC主板插入到CNC設備中：第二種，PC+運動控制板的結構形式，即將運動控制板插入PC機的標準插槽中。對于熟悉PC計算機的系統(tǒng)開發(fā)廠家而言，選擇第二種結構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實踐當中得到長久應用，因此，類似Pc計算機的死機問題是完全不能發(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構會影響那些已經生產出大量數(shù)控系統(tǒng)廠家，這些廠家會因為采用開放性結構而影響到原有系統(tǒng)的可靠性和維護服務質量。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)進行任何變動，并在此基礎上為其增加一塊PC板，用戶通過鼠標和鍵盤便實現(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 軟件伺服驅動技術

　　上文中已經論述，伺服系統(tǒng)(技術)是整個數(shù)控系統(tǒng)的關鍵性構成部分。軟件伺服驅動技術主要是指在計算機的控制下，利用控制算法軟件進行驅動控制的伺服設備的相關技術。該技術的優(yōu)點比較突出，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)對設定，減少了調整次數(shù)；第三，以數(shù)值計算作為基礎，擁有很高的精度；第四，做成ASIC電路的難度相對比較小。在上個世紀的七十年代，直流力矩伺服電機在美國首先誕生，直流電機驅動并獲得了大量應用，同時，閉環(huán)伺服系統(tǒng)結構逐漸取代了開環(huán)伺服系統(tǒng)結構。但是，生產實踐顯示直流電機存在若下述兩個不足：第一，電刷維護和換向器維護難度較大，不方便；第二，電機的工作環(huán)境、最高轉速以及電機容量均受到了嚴重地限制。雖然交流電機結構簡單、成本低廉，但是其控制性要顯著低于直流電機，這是在相當長的時間內直流電機獲得應用而交流電機備受冷落的一個重要因素。

　　電力電子技術的進一步發(fā)展催生了交流異步機的矢量控制以及后續(xù)的基于微處理器的矢量控制，實現(xiàn)了矢量控制的能夠實際應用的目標。永磁無刷電機因為良好的伺服性能在上個世紀的八十年代開始成為了數(shù)控系統(tǒng)的重要驅動設備之一。所謂的永磁無刷電機就是對直流電機進行了里翻外的處理，具體而言，將轉子視為永磁部分，同時把電驅繞組裝在定子之上，由電機轉子軸上的編碼器測出磁極位置。直線電機的誕生使數(shù)控車床的加工速度和加工精度更上一層樓。直線電機主要由線卷滑座和磁板這兩個非接觸元件構成。因為電磁力在不需要機械連接的情況下可以直接對移動元件進行作用，所以不存在螺距周期誤差以及機械滯后等問題，加工精度完全取決于直線反饋系統(tǒng)和分級的支承，同時采用了全數(shù)字式的伺服驅動方式，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)的伺服技術的重大突破體現(xiàn)在：直流驅動向交流驅動的轉變、模擬控制向數(shù)字化控制的轉變、硬件控制向軟件控制的轉變。例如，交流數(shù)字驅動系統(tǒng)是目前應用于數(shù)控機床伺服進給和主軸裝置上面的重要控制系統(tǒng)之一。微電子技術、現(xiàn)代控制理論、電力電子技術的發(fā)展尤其是計算機處理能力和邏輯運算能力的提升推動了軟件伺服驅動技術的完善和優(yōu)化。例如，DSP的應用在減少采樣時間的同時，也提高了系統(tǒng)的計算速度。這些技術增強了伺服系統(tǒng)的柔性、方便了系統(tǒng)調試、提高了系統(tǒng)可靠性、改善了系統(tǒng)性能。

4 網絡通信能力

　　適應工廠自動化需要，支持標準FA網絡及DNC的連接。①工廠干線或控制層通信網絡：由Pc機通過以太網控制多臺15i／150i組成的加工單元，可以傳送數(shù)據(jù)、參數(shù)等。②設備層通信網絡：15i／150i采用I／O LINK與日本標準JPCN-1相對應的一種現(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標準ENS0170)以12Mbps進行高速通信。

5 CNC系統(tǒng)的聯(lián)網

　　數(shù)控系統(tǒng)從控制單臺機床到控制多臺機床的分級式控制需要網絡進行通信，網絡的主要任務是進行通信，共享信息。這種通信通常分四級：首先，企業(yè)(公司)管理級，一般由以太網組成，負責總的協(xié)調，安排總生產計劃，進行企業(yè)(公司)經營方向的決策等。其次，一般由以太網組成，負責全廠各車間生產調度，包括安排生產計劃、備品備件等。再次，車間單元控制級。一般由DNC功能進行控制。通過DNC功能形成網絡可以實現(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)采集和遠程控制等。更高檔次的DNC還可以對CAD／CAM／CAPP以及CNC的程序進行傳送和分級管理。CNC與通信網絡聯(lián)系在一起還可以傳遞維修數(shù)據(jù)，使用戶與NC生產廠直接通信，進而，把制造廠家聯(lián)系在一起。構成虛擬制造網絡。最后，現(xiàn)場設備級。現(xiàn)場級與車間單元控制級及信息集成系統(tǒng)主要完成底層設備單機及I/O控制、連線控制、通信連網、在線設備狀態(tài)監(jiān)測及現(xiàn)場設備生產、運行數(shù)據(jù)的采集、存儲、統(tǒng)計等功能，保證現(xiàn)場設備高質量完成生產任務，并將現(xiàn)場設備生產運行數(shù)據(jù)信息傳送到工廠管理層，向工廠級提供數(shù)據(jù)。同時也可接受工廠管理層下達的生產管理及調度命令并執(zhí)行之。因此，現(xiàn)場級與車間級是實現(xiàn)工廠自動化及CIMS系統(tǒng)的基礎。

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，這種結構可進行快速大規(guī)模順序控制。

　　第二，基本PNC指令執(zhí)行時間為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時多任務運行：它與梯形圖計算的PMC處理器并行工作。第四，可在PC機上進行程序開發(fā)。

7 良好的操作維修

　　第一，具有觸摸面板，容易操作。　　

第二，可采用存儲卡改變輸入輸出數(shù)控技術的發(fā)展趨勢。智能化、網絡化、集成化、微機電控制系統(tǒng)及數(shù)字化。

　　數(shù)控機床是以數(shù)控系統(tǒng)為代表的新技術對傳統(tǒng)機械制造產業(yè)的滲透形成的機電一體化產品。其技術范圍覆蓋很多領域：伺服驅動技術；傳感器技術；機械制造技術；信息處理、加工、傳輸技術：自動控制技術：軟件技術等。計算機對傳統(tǒng)機械制造產業(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，而且由于信息技術的滲透，使制造業(yè)猶如朝陽產業(yè)具有廣闊的發(fā)展天地。