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1發(fā)展

我國數(shù)控系統(tǒng)雖取得了較大發(fā)展，但是我國數(shù)控機床配套的數(shù)控系統(tǒng)90%以上的都是國外產(chǎn)品，特別是對于國防工業(yè)急需的數(shù)控機床，數(shù)控系統(tǒng)是決定機床裝備的性能、功能、可靠性和成本的關鍵因素，而國外對我國至今仍進行封鎖限制，成為制約我國數(shù)控機床發(fā)展的瓶頸。為加快數(shù)控技術行業(yè)的發(fā)展，國家出臺了一系列政策，包括國務院批準實施《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興計劃》和《數(shù)控機床與基礎制造裝備》國家科技重大專項計劃，為我國數(shù)控技術行業(yè)創(chuàng)造了良好的外部環(huán)境，《裝備制造業(yè)調(diào)整和振興規(guī)劃》明確提出：“堅持裝備自主化與重點建設工程相結合，堅持自主開發(fā)與引進消化吸收相結合，堅持發(fā)展整機與提高基礎配套水平相結合的基本原則”，提升數(shù)控系統(tǒng)等基礎配套件的*，是落實裝備自主化的重要內(nèi)容。國家科技重大專項《數(shù)控機床與基礎制造裝備》也提出，到2020年，國產(chǎn)數(shù)控機床的*要實現(xiàn)較大程度的提高。

目前我國正處于工業(yè)化中期，即從解決短缺為主逐步向建設經(jīng)濟強國轉變，煤炭、汽車、鋼鐵、房地產(chǎn)、建材、機械、電子、化工等一批以重工業(yè)為基礎的高增長行業(yè)發(fā)展勢頭強勁，構成了對機床市場尤其是數(shù)控機床的巨大需求。根據(jù)《2013-2017年中國數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)發(fā)展前景與投資預測分析報告》所統(tǒng)計的數(shù)據(jù)顯示，我國機床消費額從2002年起已經(jīng)連續(xù)8年排名世界。2009年，中國機床消費額大于世界*二位的日本和第三位的德國消費額之和。據(jù)國家發(fā)展改革委副主任張國寶于《在數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展座談會上的講話》介紹，未來若干年內(nèi)，我國數(shù)控機床市場需求量將繼續(xù)以年均10-15%的速度增長，市場潛力巨大。隨著中國制造業(yè)升級，中國現(xiàn)有普通機床也亟需改造升級，因此，數(shù)控系統(tǒng)行業(yè)市場空間廣闊，具備進一步發(fā)展的巨大潛力。

“十二五”期間，隨著國民經(jīng)濟快速的發(fā)展，汽車、船舶、工程機械、航天航空等行業(yè)將為我國機床行業(yè)提供巨大的需求，預計到2015年我國各類數(shù)控機床及數(shù)字化機械所需數(shù)控系統(tǒng)需求將達到25萬臺套以上（不包含進口機床所配套的數(shù)控系統(tǒng)），產(chǎn)品結構也逐漸向中、轉化，其中數(shù)控系統(tǒng)所占比率將提升至10%左右，中檔數(shù)控系統(tǒng)所占比重提升至50%左右。而根據(jù)國家科技重大專項之一《數(shù)控機床與基礎制造裝備》要求，到2020年，國產(chǎn)中、數(shù)控機床用的國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)*達到60%以上;國內(nèi)中數(shù)控系統(tǒng)市場有12萬臺的替代空間，未來行業(yè)空間巨大。

2簡介

數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是與計算機并行發(fā)展演化的，用于控制自動化加工設備的，由電子管和繼電器等硬件構成具有計算能力的專用控制器的稱為硬件數(shù)控（Hard NC）。20世紀70年代以后，分離的硬件電子元件逐步由集成度更高的計算機處理器代替，稱為計算機數(shù)控系統(tǒng)。

計算機數(shù)控（Computerized numerical control，簡稱CNC）系統(tǒng)是用計算機控制加工功能，實現(xiàn)數(shù)值控制的系統(tǒng)。CNC系統(tǒng)根據(jù)計算機存儲器中存儲的控制程序，執(zhí)行部分或全部數(shù)值控制功能，并配有接口電路和伺服驅動裝置，用于控制自動化加工設備的專用計算機系統(tǒng)。

CNC系統(tǒng)由數(shù)控程序存儲裝置（從早期的紙帶到磁環(huán)，到磁帶、磁盤到計算機通用的硬盤）、計算機控制主機（從專用計算機進化到PC體系結構的計算機）、可編程邏輯控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。

由于逐步使用通用計算機，數(shù)控系統(tǒng)日趨具有了軟件為主的色彩，又用PLC代替了傳統(tǒng)的機床電器邏輯控制裝置，使系統(tǒng)更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現(xiàn)復雜的數(shù)控功能，使用、維護也方便，并具有與網(wǎng)絡連接及進行遠程通信的功能。

3基本構成

世界上的數(shù)控系統(tǒng)種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源于系統(tǒng)初始設計的基本要求和硬件和軟件的工程設計思路。對于不同的生產(chǎn)廠家來說，基于歷史發(fā)展因素以及各自因地而異的復雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋。例如，在上世界90年代，美國Dynapath系統(tǒng)采用小板結構，熱變形小，便于板子更換和靈活結合，而日本FANUC系統(tǒng)則趨向大板結構，減少板間插接件，使之有利于系統(tǒng)工作的可靠性。然而無論哪種系統(tǒng)，它們的基本原理和構成是十分相似的。一般整個數(shù)控系統(tǒng)由三大部分組成，即控制系統(tǒng)，伺服系統(tǒng)和位置測量系統(tǒng)?？刂葡到y(tǒng)硬件是一個具有輸入輸出功能的專用計算機系統(tǒng)，按加工工件程序進行插補運算，發(fā)出控制指令到伺服驅動系統(tǒng)；測量系統(tǒng)檢測機械的直線和回轉運動位置、速度，并反饋到控制系統(tǒng)和伺服驅動系統(tǒng)，來修正控制指令；伺服驅動系統(tǒng)將來自控制系統(tǒng)的控制指令和測量系統(tǒng)的反饋信息進行比較和控制調(diào)節(jié)，控制PWM電流驅動伺服電機，由伺服電機驅動機械按要求運動。這三部分有機結合，組成完整的閉環(huán)控制的數(shù)控系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)硬件是具有人際交互功能，具有包括現(xiàn)場總線接口輸入輸出能力的專用計算機。伺服驅動系統(tǒng)主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統(tǒng)主要是采用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。

硬件結構

從硬件結構上的角度，數(shù)控系統(tǒng)到目前為止可分為兩個階段共六代，階段為數(shù)值邏輯控制階段，其特征是不具有CPU，依靠數(shù)值邏輯實現(xiàn)數(shù)控所需的數(shù)值計算和邏輯控制，包括代是電子管數(shù)控系統(tǒng)，第二代是晶體管數(shù)控系統(tǒng)，第三代是集成電路數(shù)控系統(tǒng)；第二個階段為計算機控制階段，其特征是直接引入計算機控制，依靠軟件計算完成數(shù)控的主要功能，包括第四代是小型計算機數(shù)控系統(tǒng)，第五代是微型計算機數(shù)控系統(tǒng)，第六代是PC數(shù)控系統(tǒng)。

由于上世紀90年代開始，PC結構的計算機應用的普及推廣，PC構架下計算機CPU及外圍存儲、顯示、通訊技術的高速進步，制造成本的大幅降低，導致PC構架數(shù)控系統(tǒng)日趨成為主流的數(shù)控系統(tǒng)結構體系。PC數(shù)控系統(tǒng)的發(fā)展，形成了“NC+PC”過渡型結構，既保留傳統(tǒng)NC硬件結構，僅將PC作為HMI。代表性的產(chǎn)品包括FANUC的160i，180i,310i,840D等。還有一類即將數(shù)控功能集中以運動控制卡的形式實現(xiàn)，通過增擴NC控制板卡（如基于DSP的運動控制卡等）來發(fā)展PC數(shù)控系統(tǒng)。典型代表有美國DELTA TAU公司用PMAC多軸運動控制卡構造的PMAC-NC系統(tǒng)。另一種更加革命性的結構是全部采用PC平臺的軟硬件資源,僅增加與伺服驅動及I/O設備通信所必需的現(xiàn)場總線接口，從而實現(xiàn)非常簡潔硬件體系結構。

軟件結構

（1）輸入數(shù)據(jù)處理程序

它接收輸入的零件加工程序，將標準代碼表示的加工指令和數(shù)據(jù)進行譯碼、數(shù)據(jù)處理，并按規(guī)定的格式存放。有的系統(tǒng)還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入數(shù)據(jù)處理程序包括輸入、譯碼和數(shù)據(jù)處理三項內(nèi)容。

（2）插補計算程序

CNC系統(tǒng)根據(jù)工件加工程序中提供的數(shù)據(jù)，如曲線的種類、起點、終點、既定速度等進行中間輸出點的插值密化運算。上述密化計算不僅要嚴格遵循給定軌跡要求還要符合機械系統(tǒng)平穩(wěn)運動加減速的要求。根據(jù)運算結果，分別向各坐標軸發(fā)出形成進給運動的位置指令。這個過程稱為插補運算。計算得到進給運動的位置指令通過CNC內(nèi)或伺服系統(tǒng)內(nèi)的位置閉環(huán)、速度環(huán)、電流環(huán)控制調(diào)節(jié)，輸出電流驅動電機帶動工作臺或刀具作相應的運動，完成程序規(guī)定的加工任務。

CNC系統(tǒng)是一邊插補進行運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式。

（3）管理程序

管理程序負責對數(shù)據(jù)輸入、數(shù)據(jù)處理、插補運算等為加工過程服務的各種程序進行調(diào)度管理。管理程序還要對面板命令、時鐘信號、故障信號等引起的中斷進行處理。在PC化的硬件結構下，管理程序通常在實時操作系統(tǒng)的支持下實現(xiàn)。

（4）診斷程序

診斷程序的功能是在程序運行中及時發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的故障，并指出故障的類型。也可以在運行前或故障發(fā)生后，檢查系統(tǒng)各主要部件（CPU、存儲器、接口、開關、伺服系統(tǒng)等）的功能是否正常，并指出發(fā)生故障的部位。

4基本分類

運動軌跡

（1）點位控制數(shù)控系統(tǒng)

控制工具相對工件從某一加工點移到另一個加工點之間的坐標位置,而對于點與點之間移動的軌跡不進行控制，且移動過程中不作任何加工。這一類系統(tǒng)的設備有數(shù)控鉆床、數(shù)控坐標鏜床和數(shù)控沖床等。

（2）直線控制數(shù)控系統(tǒng)

不僅要控制點與點的位置，還要控制兩點之間的工具移動軌跡是一條直線，且在移動中工具能以給定的進給速度進行加工，其輔助功能要求也比點位控制數(shù)控系統(tǒng)多，如它可能被要求具有主軸轉數(shù)控制、進給速度控制和刀具自動交換等功能。此類控制方式的設備主要有簡易數(shù)控車床、數(shù)控鏜銑床等。

（3）輪廓控制數(shù)控系統(tǒng)
　　這類系統(tǒng)能夠對兩個或兩個以上坐標方向進行嚴格控制，即不僅控制每個坐標的行程位置，同時還控制每個坐標的運動速度。各坐標的運動按規(guī)定的比例關系相互配合，地協(xié)調(diào)起來連續(xù)進行加工，以形成所需要的直線、斜線或曲線、曲面。采用此類控制方式的設備有數(shù)控車床、銑床、加工中心、電加工機床和特種加工機床等。

加工工藝

⑴車削、銑削類數(shù)控系統(tǒng)

針對數(shù)控車床控制的數(shù)控系統(tǒng)和針對加工中心控制數(shù)控系統(tǒng)。這一類數(shù)控系統(tǒng)屬于常見的數(shù)控系統(tǒng)。FANUC用T，M來區(qū)別這兩大類型號。西門子則是在統(tǒng)一的數(shù)控內(nèi)核上配置不同的編程工具：Shopmill,shopturn來區(qū)別。兩者大的區(qū)別在于：車削系統(tǒng)要求能夠隨時反映刀尖點相對于車床軸線的距離，以表達當前加工工件的半徑，或乘以2表達為直徑；車削系統(tǒng)有各種車削螺紋的固定循環(huán)；車削系統(tǒng)支持主軸與C軸的切換，支持端面直角坐標系或回轉體圓柱面坐標系編程，而數(shù)控系統(tǒng)要變換為極坐標進行控制；而對于銑削數(shù)控系統(tǒng)更多地要求復雜曲線、曲面的編程加工能力，包括五軸和斜面的加工等。隨著車銑復合化工藝的日益普及，要求數(shù)控系統(tǒng)兼具車削、銑削功能，例如大連光洋公司的GNC60/61系列數(shù)控系統(tǒng)。

⑵磨削數(shù)控系統(tǒng)

針對磨床控制的專用數(shù)控系統(tǒng)。FANUC用G代號區(qū)別，西門子須配置功能。與其他數(shù)控系統(tǒng)的區(qū)別主要在于要支持工件在線量儀的接入，量儀主要監(jiān)測尺寸是否到位，并通知數(shù)控系統(tǒng)退出磨削循環(huán)。磨削數(shù)控系統(tǒng)還要支持砂輪修整，并將修正后的砂輪數(shù)據(jù)作為刀具數(shù)據(jù)計入數(shù)控系統(tǒng)。此外，磨削數(shù)控系統(tǒng)的PLC還要具有較強的溫度監(jiān)測和控制回路，還要求具有與振動監(jiān)測、超聲砂輪切入監(jiān)測儀器接入，協(xié)同工作的能力。對于非圓磨削，數(shù)控系統(tǒng)及伺服驅動在進給軸上需要更高的動態(tài)性能。有些非圓加工（例如凸輪）由于被加工表面高精度和高光潔度要求，數(shù)控系統(tǒng)對曲線平滑技術方面也要有特殊處理。

⑶面向特種加工數(shù)控系統(tǒng)

這類系統(tǒng)為了適應特種加工往往需要有特殊的運動控制處理和加工作動器控制。例如，并聯(lián)機床控制需要在常規(guī)數(shù)控運動控制算法加入相應并聯(lián)結構解耦算法；線切割加工中需要支持沿路徑回退；沖裁切割類機床控制需要C軸保持沖裁頭處于運動軌跡切線姿態(tài)；齒輪加工則要求數(shù)控系統(tǒng)能夠實現(xiàn)符合齒輪范成規(guī)律的電子齒輪速比關系或表達式關系；激光加工則要保證激光頭與板材距離恒定；電加工則要數(shù)控系統(tǒng)控制放電電源；激光加工則需要數(shù)控系統(tǒng)控制激光能量。

伺服系統(tǒng)

按照伺服系統(tǒng)的控制方式，可以把數(shù)控系統(tǒng)分為以下幾類：

⑴開環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

這類數(shù)控系統(tǒng)不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的進給指令（多為脈沖接口）經(jīng)驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電/斷電的電流脈沖信號，驅動步進電動機轉動，再經(jīng)機床傳動機構（齒輪箱，絲杠等）帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，從70年代開始，被廣泛應用于經(jīng)濟型數(shù)控機床中。

⑵半閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲杠軸端，通過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際運行位置（直線位移），由于閉環(huán)的環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環(huán)節(jié)，由這些環(huán)節(jié)造成的誤差不能由環(huán)路所矯正，其控制精度不如全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)，但其調(diào)試方便，成本適中，可以獲得比較穩(wěn)定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛采用。

⑶全閉環(huán)控制數(shù)控系統(tǒng)

位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際運行位置（直線位移），并將其與CNC裝置計算出的指令位置（或位移）相比較，用差值進行調(diào)節(jié)控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由于它將絲杠、螺母副及機床工作臺這些連接環(huán)節(jié)放在閉環(huán)內(nèi)，導致整個系統(tǒng)連接剛度變差，因此調(diào)試時，其系統(tǒng)較難達到高增益，即容易產(chǎn)生振蕩。

功能水平

⑴經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)

又稱簡易數(shù)控系統(tǒng)，通常采用步進電機或脈沖串接口的伺服驅動，不具有位置反饋或位置反饋不參與位置控制；僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件，采用的微機系統(tǒng)為單板機或單片機系統(tǒng)；通常不具有用戶可編程的PLC功能。通常裝備的機床定位精度在0.02mm以上。

⑵普及型數(shù)控系統(tǒng)

介于簡式型數(shù)控系統(tǒng)和高性能型數(shù)控系統(tǒng)之間的數(shù)控系統(tǒng)，其特點聯(lián)動軸數(shù)4軸以下（含4軸），閉環(huán)控制（伺服電機反饋信息參與控制），具有螺距誤差補償和刀具管理功能，支持用戶開發(fā)PLC功能。

⑶型數(shù)控系統(tǒng)

一般是指具有多通道（兩個及以上）數(shù)控設備控制能力，具有雙驅控制、5軸及以上的插補聯(lián)動功能、斜面加工、樣條插補、雙向螺距誤差補償、直線度和垂直度誤差補償、刀具管理及刀具長度和半徑補償功能、高靜態(tài)精度（分辨率0.001μm即小分辨率為1nm）和高動態(tài)精度（隨動*.01mm以內(nèi)）、高速度及完備的PLC控制功能數(shù)控系統(tǒng)。

5選型因素

數(shù)控系統(tǒng)的功能適用性對于數(shù)控機床的設計選型無疑是重要的限制性因索。以下因素是在選擇數(shù)控系統(tǒng)中必須考慮的重要因素。

⑴驅動能力

不同的數(shù)控供應商的解決方案中伺服的功率范圍和配套電機范圍也是不同的。首先應該從可匹配的電機類型，功率范圍來初步篩選。特別是要注意數(shù)控機床方案中是否包括力矩電機、直線電機、電主軸屬于同步電主軸還是異步電主軸，上述電機的額定電流需求和過載電流需求，電主軸的高轉速需求等。

⑵全閉環(huán)需求與雙驅需求

數(shù)控機床，特別是大型、重型數(shù)控機床大多數(shù)都有全閉環(huán)和雙驅需求。在全閉環(huán)控制方案中，要在距離編碼光柵、值式光柵、普通增量光柵間進行選擇，同時數(shù)控系統(tǒng)也要支持相應的反饋信號接入。

⑶五軸控制需求

五軸機床需要明確是否五軸聯(lián)動還是僅要求五面加工，相應選擇數(shù)控系統(tǒng)功能也不同。比如針對五面箱體類加工，通常不需要RTCP，選擇余地就比較大。同時針對五軸功能可能涉及數(shù)控系統(tǒng)供貨商在出口許可證、售后服務、技術支持等也必須認真考慮。

⑷生產(chǎn)系統(tǒng)需求

數(shù)控系統(tǒng)網(wǎng)絡化支持成為生產(chǎn)系統(tǒng)集成的必要條件。對于要納入自動化程度很高的生產(chǎn)系統(tǒng)的數(shù)控機床，必須明確數(shù)控系統(tǒng)具有相應的接入解決方案，包括低級的依靠PLC輸入輸出點直接接入到的數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)置OPC服務器，依照OPC標準向用戶開放數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部數(shù)據(jù)。此外面向生產(chǎn)系統(tǒng)，自動化的在線工件檢測和刀具檢測也是必須支持的功能。

6五軸數(shù)控

具有五軸功能的數(shù)控機床可以以多種姿態(tài)實現(xiàn)工件與刀具間的相對運動，一方面可以保持刀具更好的加工姿 態(tài)，避免刀具中心極低的切削速度，也可以避免刀具和工件、卡具間的干涉，實現(xiàn)有限行程內(nèi)更大加工范圍。 五軸功能也是衡量數(shù)控系統(tǒng)能力的重要指標。

工件坐標旋轉

對于具有轉臺結構的五軸機床，工件與回轉工作臺固結，即工件坐標系（WCS）與回轉工作臺固結。當工作臺旋轉后，工件坐標系（WCS）必須相應的旋轉。此后工件坐標系的X,Y,Z與原機床坐標系（MCS）XYZ方向不再一致，五軸插補算法需要隨時自動完成工件坐標系的旋轉，保證正確的刀具運行軌跡，如下圖所示。

由于工件坐標系隨轉臺一起旋轉，數(shù)控系統(tǒng)在手動操作模式下給用戶提供了選擇機床坐標系MCS還是工件坐標系WCS的機會。如果用戶選擇了WCS下的手動操作，而且WCS已經(jīng)旋轉，則手動操作將按照旋轉后的坐標軸方向運動，以C軸轉臺為例：如果C軸已由初始的0度，CCW旋轉45度后，用戶選擇WCS下手動X軸，數(shù)控機床的會XY軸聯(lián)動，走X-Y平面45度斜線，如圖1所示。上述行為對于工件的尋邊和手動定位加工很方便，不需要顧及轉臺轉了多少度，只要依據(jù)圖紙上工件坐標系所示的方向操作即可。在自動加工模式下，所有的G92,G54-G59,G52都是在WCS下設定的，都會跟隨WCS旋轉而旋轉。

自動加工中值得注意：如果用戶在工件坐標系下編程，推刀前建議用戶使用G53回到MCS下，再按照MCS坐標系執(zhí)行退刀動作；否則就要想清楚當前WCS與MCS的角度關系，例如：C軸為0度時與180度時WCS坐標系正好方向相反，進刀起始位置C為0度，XY為WCS值正值的話，退刀位置時C為180度，再向回到起始點就要回到WCS值負值了。

對于具有擺頭結構的機床而言，五軸數(shù)控系統(tǒng)在機床坐標系MCS中只關注控制點（擺頭回轉中心）的坐標， 而在工件坐標系WCS中五軸數(shù)控系統(tǒng)控制刀尖點坐標，如圖所示。結合WCS隨轉臺旋轉，數(shù)控系統(tǒng)這樣控制行為使WCS下始終正確地反映刀具與工件間的相對位置關系，用戶可以安心對照工件圖紙，考慮WCS下工件編程即可，無須考慮機床結構。

RTCP

五軸加工中，不論是刀具旋轉還是轉臺轉動，都使刀尖點產(chǎn)生了XYZ的附加運動。五軸數(shù)控系統(tǒng)可以自動對這些轉動和擺動產(chǎn)生的工件與刀尖點間產(chǎn)生的位移進行補償，稱之為RTCP（圍繞刀尖點旋轉）控制功能。例如，大連光洋的GNC61采用G203起動該功能；在西門子840D中，使用TRAORI開啟RTCP；海德漢TNC530中，使用M128開啟RTCP。這樣用戶可以在五軸機床上，如同3坐標一樣的編程，可以適時加入調(diào)整刀具與工件間姿態(tài)調(diào)整的旋轉指令，而不需要考慮這些旋轉指令帶來的附加運動。

刀具矢量編程

五軸編程中，推薦采用刀具相對于工件坐標系（WCS）的姿態(tài)矢量來表達工件與刀具的姿態(tài)關系。這樣處理的結果是用戶不必考慮五軸機床的具體類型和結構，相同的工件程序可以在不同類型的五軸機床上加工，所有與機床結構相關的坐標處理*由五軸數(shù)控系統(tǒng)自動完成。

例如，840D采用（A3，B3，C3）來表達刀具矢量；大連光洋的GNC61采用（VX，VY，VZ）表示刀具在WCS下刀尖點指向控制點的姿態(tài)，對（VX，VY，VZ）向量長度無特殊要求。

五軸斜面加工

據(jù)統(tǒng)計，世界范圍內(nèi)，五軸機床真正用于五軸聯(lián)動加工僅占5%，

如葉輪、葉片、航空結構件等特殊零件；73% 用于五軸定向加工，如V型發(fā)動機缸體、模具制造等；五面體加工占22%，例如機床上的箱體結構零件。

840D中采用Frames的概念，描述空間斜面和坐標系。

TNC530中采用PLANE功能定義加工作業(yè)斜面。例如：采用空間角定義斜面：

N50 plane spatial spa+27 spb+0 spc+45 ... 空間角A：旋轉角SPA是圍繞機床固定X軸旋轉；空間角B：旋轉角SPB是圍繞機床固定Y軸旋轉；空間角C：旋轉角SPC是圍繞機床固定Z軸旋轉。除了空間角定義外，TNC530還支持投影角、歐拉角、三點等多種空間斜面定義。

GNC61在工件坐標系WCS下，設有G92坐標系，該坐標系負責對其上的用戶定義的坐標系整體偏移， 可以用來表達卡具的基準。在G92坐標系內(nèi)，用戶可以定義G54, G55, G56, G57, G58, G59坐標系，可以用來表達同一卡具基準下的多個工件各自的坐標系。GNC61設計了程序局部坐標系G52，該坐標系位于G54-G59下，可以任意旋轉傾斜。在設定的加工程序中有效，一旦新加載程序，G52會自動清0。GNC61支持用戶在程序中直接定義G52（空間角）來*一個傾斜的坐標系。此外GNC61還提供其他傾斜的坐標系定義的內(nèi)建函數(shù)，包括：SG52_EULER，通過歐拉角的方式來*G52旋轉坐標系；；SG52_2VEC，通過使用兩個矢量來定義加工面；SG52_3PT，通過三點的方式來*G52旋轉坐標系。

此外在定義斜面的基礎上，五軸數(shù)控系 統(tǒng)還需要支持刀具自動定向到垂直于斜面的姿態(tài)。海德漢的TNC530有3種處理方式MOVE、TRUN、STAY。其MOVE模式在開啟RTCP的情況下，實現(xiàn)刀具自動定向，即保持刀尖點不動；TRUN模式下刀具自動定向，但不開啟RTCP，即刀具只擺動，不進行RTCP補償運動；STAY則表示不產(chǎn)生任何運動，但相應的所需的運動量被系統(tǒng)變量保存。大連光洋GNC61在自動加工模式下，GNC61支持兩種自動刀具定向指令：G200刀具自動垂直斜面非RTCP；G201 刀具自動垂直斜面帶RTCP。

五軸插補

通常在默認狀態(tài)下所謂五軸數(shù)控系統(tǒng)采用五軸直線插補，即將ABC增量等同直線增量進行插補。不論是否開啟RTCP五軸直線插補在都沒有直接約束刀具的側刃，可能造成側刃形成的零件尺寸和形貌不符合要求。為此，數(shù)控廠商往往還支持其他約束側刃的特殊的五軸插補。

5.1平面刀矢插補

在沖裁模具中，存在大量側壁保持平面的要求；航 空薄壁結構件也存在大量側壁傾斜要求的型腔銑削加工；焊接零件焊接坡口也有銑傾斜面的要求。840D提供ORIVECT，以及GNC61的G213都是上述功能。通常該功能自動啟動RTCP。

5.2雙樣條約束插補

即*刀尖點的樣條曲線，再另一條約束刀具的樣條曲線，數(shù)控系統(tǒng)將完成兩樣條曲線約束的直紋面的插補。840D提供ORICURVE，以及GNC61提供的G6.3X都實現(xiàn)上述功能。

5.3圓錐插補

*刀具矢量沿特定圓錐表面運行。

該插補功能適合加工圓錐及空間斜面間圓錐過渡曲面。840D提供的ORICONCW\ORICONCCW\ORICONIO\ORICONTO即完成上述功能。

空間刀具半徑補償

對于五軸加工，RTCP起到了刀具長度補償?shù)淖饔谩６遢S的刀具半徑的補償可以在不修改五軸加工程序中工件表面坐標點的情況下，調(diào)整各種類型的刀具，均能保證工件表面形狀的正確。在FANUC的30i系列數(shù)控系統(tǒng)和西門子的840D系統(tǒng)都支持上述功能。

五軸速度平滑

在五軸加工中，由于開啟RTCP，以及各種特殊的五 軸算法，例如平面矢量插補、雙樣條約束插補等，都可能造成各直線進給軸速度的波動，這些波動有時會造成機床振動，影響零件表面加工質(zhì)量，超過機床允許范圍。為此五軸數(shù)控系統(tǒng)需要對各軸速度進行平滑調(diào)整。目前FANUC的30i系列數(shù)控系統(tǒng)和西門子的840D系統(tǒng)都支持上述功能。

7工作流程

1、輸入：零件程序及控制參數(shù)、補償量等數(shù)據(jù)的輸入，可采用光電閱讀機、鍵盤、磁盤、連接上級計算機的DNC 接口、網(wǎng)絡等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、代碼校驗和代碼轉換等工作。

2、譯碼：不論系統(tǒng)工作在MDI方式還是存儲器方式，都是將零件程序以一個程序段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓信息（如起點、終點、直線或圓弧等）、加工速度信息（F 代碼）和其他輔助信息（M、S、T代碼等）按照一定的語法規(guī)則解釋成計算機能夠識別的數(shù)據(jù)形式，并以一定的數(shù)據(jù)格式存放在*的內(nèi)存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發(fā)現(xiàn)語法錯誤便立即報警。

3、刀具補償：刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程序以零件輪廓軌跡編程，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。在比較好的CNC裝置中，刀具補償?shù)墓ぜ€包括程序段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。

4、進給速度處理：編程所給的刀具移動速度，是在各坐標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據(jù)合成速度來計算各運動坐標的分速度。在有些CNC裝置中，對于機床允許的低速度和高速度的限制、軟件的自動加減速等也在這里處理。

5、插補：插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 數(shù)據(jù)點的密化 ”。插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內(nèi)，根據(jù)指令進給速度計算出一個微小的直線數(shù)據(jù)段。通常，經(jīng)過若干次插補周期后 ，插補加工完一個程序段軌跡，即完成從程序段起點到終點的“數(shù)據(jù)點密化”工作。

6、位置控制：位置控制處在伺服回路的位置環(huán)上， 這部分工作可以由軟件實現(xiàn)， 也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內(nèi)，將理論位置與實際反饋位置相比較， 用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置回路的增益調(diào)整、各坐標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。

7、I/0 處理：I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關信號，機床電氣信號的輸入、輸出和控制（如換刀、換擋、冷卻等）。

8、顯示：CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用于零件程序的顯示、參數(shù)顯示、刀具位置顯示、機床狀態(tài)顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態(tài)和動態(tài)圖形顯示。

9、診斷：對系統(tǒng)中出現(xiàn)的不正常情況進行檢查、定位，包括聯(lián)機診斷和脫機診斷。

8發(fā)展

數(shù)控系統(tǒng)及相關的自動化產(chǎn)品主要是為數(shù)控機床配套。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(chǎn)業(yè)的滲透而形成的機電一體化產(chǎn)品：數(shù)控系統(tǒng)裝備的機床大大提高了零件加工的精度、速度和效率。這種數(shù)控的工作母機是國家工業(yè)現(xiàn)代化的重要物質(zhì)基礎之一。

數(shù)值控制（簡稱“數(shù)控”或“NC”）的概念是把被加工的機械零件的要求，如形狀、尺寸等信息轉換成數(shù)值數(shù)據(jù)指令信號傳送到電子控制裝置，由該裝置控制驅動 機床刀具的運動而加工出零件。而在傳統(tǒng)的手動機械加工中，這些過程都需要經(jīng)過人工操縱機械而實現(xiàn)，很難滿足復雜零件對加工的要求，特別對于多品種、小批量 的零件，加工效率低、精度差。

1952年，美國麻省理工學院與帕森斯公司進行合作，發(fā)明了世界上臺三坐標數(shù)控銑床?？刂蒲b置由2000多個電子管組成，約一個普通實驗室大小。伺服機構采用一臺小伺服馬達改變液壓馬達斜盤角度以控制液動機速度。其插補裝置采用脈沖乘法器。這臺NC機床的研制成功標志著NC技術的開創(chuàng)和機械制造的一個新的、數(shù)值控制時代的開始。

軟件的應用

在1970年的芝加哥展覽會上，展出了由小型機組成的CNC數(shù)控系統(tǒng)。大約在同時，英特爾公司發(fā)明了微處理器。1974年，美、日等國相繼研制出以微處理器為核 心的CNC，有時也稱為MNC。它運用計算機存貯器里的程序完成數(shù)控要求的功能。其全部或部分控制功能由軟件實現(xiàn)，包括譯碼、刀具補償、速度處理、插補、 位置控制等。采用半導體存貯器存貯零件加工程序，可以代替打孔的零件紙帶程序進行加工，這種程序便于顯示、檢查、修改和編輯，因而可以減少系統(tǒng)的硬件配 置，提高系統(tǒng)的可靠性。采用軟件控制大大增加了系統(tǒng)的柔性，降低了系統(tǒng)的制造成本。

數(shù)控標準的引入

隨著NC成為機械自動化加工的重要設備，在管理和操作之間，都需要有統(tǒng)一的術語、技術要求、符號和圖形，即有統(tǒng)一的標準，以便進行世界性的技術交流和貿(mào) 易。NC技術的發(fā)展，形成了多個國際通用的標準：即ISO國際標準化組織標準、IEC國際電工委員會標準和EIA美國電子工業(yè)協(xié)會標準等。早制訂的標準 有NC機床的坐標軸和運動方向、NC機床的編碼字符、NC機床的程序段格式、準備功能和輔助功能、數(shù)控紙帶的尺寸、數(shù)控的名詞術語等。這些標準的建立，對 NC技術的發(fā)展起到了規(guī)范和推動作用。ISO基于用戶的需要和對下一個5年間信息技術的預測，又在醞釀推出新標準“CNC控制器的數(shù)據(jù)結構”。它把 AMT（*制造技術）的內(nèi)容集中在兩個主要的級別和它們之間的連接上：級CAM，為車間和它的生產(chǎn)機械：第二級是上一級，為數(shù)據(jù)生成系統(tǒng)，由 CAD、CAP、 CAE和NC編程系統(tǒng)及相關的數(shù)據(jù)庫組成。

伺服技術的發(fā)展

伺服裝置是數(shù)控系統(tǒng)的重要組成部分。20世紀50年代初，世界臺NC機床的進給驅動采用液壓驅動。由于液壓系統(tǒng)單位面積產(chǎn)生的力大于電氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的 力（約為20:1），慣性小、反應快，因此當時很多NC系統(tǒng)的進給伺服為液壓系統(tǒng)。70年代初期，由于石油危機，加上液壓對環(huán)境的污染以及系統(tǒng)笨重、效率低等原因，美國GETTYS公司開發(fā)出直流大慣量伺 服電動機，靜力矩和起動力矩大，性能良好，F(xiàn)ANUC公司很快于1974年引進并在NC機床上得到了應用。從此，開環(huán)的系統(tǒng)逐漸被閉環(huán)的系統(tǒng)取代，液壓伺 服系統(tǒng)逐漸被電氣伺服系統(tǒng)取代。

電伺服技術的初期階段為模擬控制，這種控制方法噪聲大、漂移大。隨著微處理器的采用，引入了數(shù)字控制。它有以下優(yōu)點：①無溫漂，穩(wěn)定性好。②基于數(shù)值計 算，精度高。③通過參數(shù)對系統(tǒng)設定，調(diào)整減少。④容易做成ASIC電路。對現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)，伺服技術取得的大突破可以歸結為：交流驅動取代直流驅動、數(shù)字 控制取代模擬控制、或者稱為軟件控制取代硬件控制。20世紀90年代，許多公司又研制了直線電動機，由全數(shù)字伺服驅動，剛性高，頻響好，因而可獲得高速 度。

自動編程的采用

編程的方法有手工編程和自動編程兩種。據(jù)統(tǒng)計分析，采用手工編程，一個零件的編程時間與機床加工之比，平均約為30:1。為了提率，必須采用計算機或 程編機代替手工編程。自動編程需要有自動化編程語言，其中麻省理工學院研制的APT語言是典型的一種數(shù)控語言，它大大地提高了編程效率。從70年代開始 出現(xiàn)的圖象數(shù)控編程技術有效地解決了幾何造型、零件幾何形狀的顯示、交互設計、修改及刀具軌跡生成、走刀過程的仿真顯示、驗證等，從而推動了CAD和 CAM向一體化方向發(fā)展。

DNC概念的引入及發(fā)展

DNC概念從“直接數(shù)控”到“分布式數(shù)控”的變化，其內(nèi)涵也發(fā)生了變化。“分布式數(shù)控”表明可用一臺計算機控制多臺數(shù)控機床。這樣，機械加工從單機自動化的模式 擴展到柔性生產(chǎn)線及計算機集成制造系統(tǒng)。從通信功能而言，可以在CNC系統(tǒng)中增加DNC接口，形成制造通信網(wǎng)絡。網(wǎng)絡的大特點是資源共享，通過DNC功 能形成網(wǎng)絡可以實現(xiàn)：①對零件程序的上傳或下傳。②讀、寫CNC的數(shù)據(jù)。③PLC數(shù)據(jù)的傳送。④存貯器操作控制。⑤系統(tǒng)狀態(tài)采集和遠程控制等。

可編程控制器的采用

在20世紀70年代以前，NC控制器與機床強電順序控制主要靠繼電器進行。60年代出現(xiàn)了半導體邏輯元件，1969年美國DEC公司研制出世界上臺可編程序 控制器PLC。PLC很快就顯示出*性：設計的圖形與繼電器電路相似，形象直觀，可以方便地實現(xiàn)程序的顯示、編輯、診斷、存貯和傳送：PLC沒有繼電器 電路那種接觸不良，觸點熔焊、磨損、線圈燒斷等缺點。因此很快在NC機床上得到應用。在NC機床上指令執(zhí)行時間可達到0.085µs/步，大步數(shù) 為32000步。而且，使用PLC還可以大大減少系統(tǒng)的占用空間，提高系統(tǒng)的快速性和可靠性。

傳感器技術的發(fā)展

一臺NC系統(tǒng)與機械連結在一起時，它能控制的幾何精度除受機械因素的影響外，閉環(huán)系統(tǒng)還主要取決于所采用的傳感器，特別是位置和速度傳感器，如可測量直線 位移和旋轉角度的直線感應同步器和圓感應同步器、直線和圓光柵、磁尺、利用磁阻的傳感器等。這些傳感器由光學、精密機械、電子部件組成，一般分辨率為0.01～0.001mm，測量精度為±0.02～0.002mm/m，機床工作臺速度為20m/min以下。隨著機床精度的不斷提高，對傳感器的分辨率 和精度也提出了更高的要求。于是出現(xiàn)了具有“細分”電路的高分辨率傳感器，比如FANUC公司研制的編碼器通過細分可做到分辨率為10-7r。利用它構成 的高精度數(shù)控系統(tǒng)為超精控制及加工創(chuàng)造了條件。

開放技術的產(chǎn)生

1987年美國空軍發(fā)表了的“NGC（下一代控制器）”計劃，首先提出了開放體系結構的控制器概念。這個計劃的重要內(nèi)容之一便是提出了“開放系統(tǒng)體系結構標準 規(guī)格（SOSAS）”。美國空軍把開放的體系結構定義為：在競爭的環(huán)境中允許多個制造商銷售可相互交換和相互操作的模塊。機床制造商可以在開放系統(tǒng)的平臺 上增加一定的硬件和軟件構成自己的系統(tǒng)。當前在市場上開放系統(tǒng)基本上有兩種結構：①CNC+PC主板：把一塊PC主板插入傳統(tǒng)的CNC機器中，PC板主要 運行非實時控制，CNC主要運行以坐標軸運動為主的實時控制。②PC+運動控制板：把運動控制板插入PC機的標準插槽中作實時控制用，而PC機主要作非實 時控制。為了增加開放性，主流數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠家往往采用方案①，即在不改變原系統(tǒng)基本結構的基礎上增加一塊PC板，提供鍵盤使用戶能把PC和CNC聯(lián)系在 一起，大大提高了人機界面的功能。典型的如FANUC公司的150/160/180/210系統(tǒng)。有些廠家也把這種裝置稱為融合系統(tǒng)（fus*tem），由于它工作可靠，界面開放，越來越受到機床制造商的歡迎，成為NC技術的發(fā)展趨勢之一。

9常見故障

位置環(huán)

這是數(shù)控系統(tǒng)發(fā)出控制指令，并與位置檢測系統(tǒng)的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環(huán)節(jié)。它具有很高的工作頻度，并與外設相聯(lián)接，所以容易發(fā)生故障。

常見的故障有：①位控環(huán)報警：可能是測量回路開路；測量系統(tǒng)損壞，位控單元內(nèi)部損壞。②不發(fā)指令就運動，可能是漂移過高，正反饋，位控單元故障；測量元件損壞。③測量元件故障，一般表現(xiàn)為無反饋值；機床回不了基準點；高速時漏脈沖產(chǎn)生報警可能的原因是光柵或讀頭臟了；光柵壞了。

伺服驅動系統(tǒng)

伺服驅動系統(tǒng)與電源電網(wǎng)，機械系統(tǒng)等相關聯(lián)，而且在工作中一直處于頻繁的啟動和運行狀態(tài)，因而這也是故障較多的部分。

電源部分

電源是維持系統(tǒng)正常工作的能源支持部分，它失效或故障的直接結果是造成系統(tǒng)的停機或毀壞整個系統(tǒng)。一般在歐美國家，這類問題比較少，在設計上這方面的因素考慮的不多，但在中國由于電源波動較大，質(zhì)量差，還隱藏有如高頻脈沖這一類的干擾，加上人為的因素（如突然拉閘斷電等）。這些原因可造成電源故障監(jiān)控或損壞。另外，數(shù)控系統(tǒng)部分運行數(shù)據(jù)，設定數(shù)據(jù)以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內(nèi)，系統(tǒng)斷電后，靠電源的后備蓄電池或鋰電池來保持。因而，停機時間比較長，拔插電源或存貯器都可能造成數(shù)據(jù)丟失，使系統(tǒng)不能運行。