机床数控系统配置和功能选择系统

ZJT0228

　　数控系统的配置和功能选择系统是数控机床的重要组成部分，配置什麽样的数控系统及选择哪些数控功能，都是机床生产厂家和最终用户所关注的问题。
　　开环控制系统：采用步进电机作为驱动部件，没有位置和速度反馈器件，所以控制简单，价格低廉，但它们的负载能力小，位置控制精度较差，进给速度较低，主要用于经济型数控装置；
( |6 v" O( m4 ?: d, T　　半闭环和闭环位置控制系统：采用直流或交流伺服电机作为驱动部件，可以采用内装於电机内的脉冲编码器，旋转变压器作为位置/速度检测器件来构成半闭环位置控制系统，也可以采用直接安装在工作臺的光栅或感应同步器作为位置检测器件，来构成高精度的全闭环位置控制系统。
　　由于螺距误差的存在，使得从半闭环系统位置检测器反馈的丝杠旋转角度变化量，还不能精确地反映进给轴的直线运动位置。但是，经过数控系统对螺距误差的补偿後，它们也能达到相当高的位置控制精度。与全闭环系统相比，它们的价格较低，安装在电机内部的位置反馈器件的密封性好，工作更加稳定可靠，几乎无需维修，所以广泛地应用于各种类型的数控机床。
　　直流伺服电机的控制比较简单，价格也较低，其主要缺点是电机内部具有机械换向装置，碳刷容易磨损，维修工作量大。运行时易起火花，使电机的转速和功率的提高较为困难。
+ [, G, g- o/ Z$ N  D! I" i' T　　交流伺服电机是无刷结构，几乎不需维修，体积相对较小，有利于转速和功率的提高，目前已在很大範围内取代了直流伺服电机。
　　伺服控制单元的种类
　　分离型伺服控制单元，其特点是数控系统和伺服控制单元相对独立，也就是说，它们可以与多种数控系统配用，NC系统给出的指令是与轴运动速度相关的DC电压(例如0-10V)，而从机床返回的是与NC系统匹配的轴运动位置检测信号(例如编码器?感应同步器等输出信号)。伺服数据的设定和调整都在伺服控制单元侧进行(用电位器调节或通过数字方式输入)。
　　串行数据传输型伺服控制单元，其特点是NC系统与伺服控制单元之间的数据传送是双向。与轴运动相关的指令数据、伺服数据和报警信号是通过相应的时钟信号线、选通信号号、发送数据线、接收数据线、报警信号线传送。从位置编码器返回NC装置的有运动轴的实际位置和状态等信息。
　　网络数据传输型伺服控制单元，其特点是轴控制单元密集安装在一起，由一个公用的DC电源单元供电。NC装置通过FCP板上的网络数据处理模块的连接点SR、ST与各个轴控制单元(子站)的网络数据处理模块的SR、ST点串联，组成伺服控制环。各个轴的位置编码器与轴控制单元之间是通过二根高速通信线连接，反馈的信息有运动轴位置和相关的状态信息。
' w: C7 q; I( V; |" a( [　　串行数据传输型和网络数据传输型伺服控制单元的伺服参数在NC装置中用数字设定，开机初始化时装入伺服控制单元，修改和调整都十分方便。
/ M4 U8 E* d! A& ^/ ?7 t2 t. J　　网络数据传输型伺服控制单元(例如大隈OSP-U10/U100系统)在相应的控制软件配合下，具有实时的调整能力，例如在Hi-G型定位加减速功能中，可以根据电机的速度和扭矩特性求出相应的函数，再以其函数控制高速定位时的加减速度，从而抑制高速定位时可能引起的振动。定位速度的提高可以缩短非切削时间，提高加工效率。又如在Hi-Cut型进给速度控制功能中，系统可以在读入零件加工程序後，自动识别数控指令要求加工的零件形状(圆弧、棱边等)，自动调节加工速度，使之最佳化，进而实现高速高精度加工。
　　采用高速微处理器和专用数字信号处理机(DSP)的全数字化交流伺服系统出现後，硬件伺服控制变为软件伺服控制，一些现代控制理论的先进算法得到实现，进而大大地提高了伺服系统的控制性能。
　　伺服控制单元是数控系统中与机械直接相关联的部件，它们的性能与机床的切削速度和位置精度关系很大，其价格也占数控系统的很大部分。相对来说，伺服部件的故障率也较高，约占电气故障的70%以上，所以选配伺服控制单元十分重要。
　　伺服故障除了与伺服控制单元的可靠性有关外，还与机床的使用环境、机械状况和切削条件密切相关。例如环境温度过高，易引起器件过热而损坏；防护不严可能引起电机进水，造成短路；导轨和丝杠润滑不好或切削负荷过重会引起电机过流。机械传动机构卡死更会引起功率器件的损坏，虽然伺服控制单元本身有一定的过载保护能力，但是故障情况严重或者多次发生时，仍然会使器件损坏。有些数控系统具有主轴和进给轴的实时负载显示功能(例如大隈OSP系统的“当前位置”页面上不仅可以显示轴运动的实时位置数据，而且还同时显示各轴的实时负载百分比，用户可以利用这些信息，采取措施来防止事故的发生。
8 p* ~; f3 w* b, o- ~& r) h　　进给伺服电机的选择
　　输出扭矩是进给电机负载能力的指标。从图2可见，在连续操作状态下，输出扭矩是随转速的升高而减少的，电机的性能愈好，这种减少值就愈小。为进给轴配置电机时应满足最高切削速度时的输出扭矩。虽然在快速进给时不作切削，负载较小，但也应考虑最高快速进给速度下的起动扭矩。高速时的输出扭矩下降过多也会影响进给轴的控制特性。
　　主轴伺服电机的选择
　　输出功率是主轴电机负载能力的指标。从图3可见主轴电机的额定功率是指在恒功率区(速度N1到N2)内运行时的输出功率，低于基本速度N1时达不到额定功率，速度愈低，输出功率就愈小。为了满足主轴低速时的功率要求，一般采用齿轮箱变速，使主轴低速时的电机速度也在基本速度N1以上，此时，机械结构较为复杂，成本也会相应增加。在主轴与伺服电机直接连接的数控机床中，有两种方法来满足主轴低速时的功率要求，其一是选择基本速度较低或额定功率高一档的主轴电机，其二是采用特种的绕组切换式主轴伺服电机(例如日本大隈的YMF型主轴电机)，这种电机的三相绕组在低速运行时接成星形，而在高速运行时接成三角形，从而提高了主轴电机的低速功率特性，降低主轴机械部件的成本。
* @* O  W1 C* [8 _% Y　　这儿要特别指出的是，虽然高速加工是提高数控机床生产效率的有效途径，但高速、高精度切削会给伺服驱动和计算机部件带来更高的要求，必然增加数控系统的成本，而高速加工的另一个重要应用领域是轻金属和薄壁零件的加工，所以，应该按机床的实际需要选择主轴和进给电机的速度。
　　位置检测器件的选择
1 M$ y) E& K5 x# Y8 ~9 ]$ O& F* o　　机械原点是数控机床所有座标系的基准点，机械原点的稳定性是数控机床极为重要的技术指标，也是稳定加工精度的基本保证，机械原点的建立方法有两种：
　　在采用相对位置编码器、感应同步器或光栅作为位置反馈器件的数控机床中，数控系统将各进给轴的回零减速开关(或标记)之後由位置反馈器件产生的第一个零点标记信号作为基准点。这类机床在每次断电或紧急停机後都必须重新作各进给轴的回零操作，否则，实际位置可能发生偏移，回零减速开关与其撞块的相对位置调整不妥，也会引起机械原点位置的不稳定，这些都是应该重视的；
  S% u/ x. ~0 l' }. v　　在采用绝对位置编码器作为位置反馈器件的数控机床中，绝对位置编码器能够自动记忆各进给轴全行程内的每一点位置，不需回零开关，每次断电或紧急停机後，都不必重新作基准点的设定操作。基准点位置设定後永久不变，并由专供绝对位置编码器使用的存储器记忆，特别适用于鼠牙盘定位的旋转工作臺零点位置的设定，不仅稳定性好，而且给操作和调整带来极大方便。
8 b) `3 \# K) [% T; i　　机械设计方案的选择
+ b0 S% }. q/ o5 `$ h: K' u　　机床是由机械和电气两部分组成，在设计总体方案时应从机电两方面来考虑机床各种功能的实施方案，数控机床的机械要求和数控系统的功能都很复杂，所以更应机电沟通，扬长避短。下面举例说明。
　　例一主轴转速的调节有采用伺服电机或变频电机实现自动无级调速和用普通三相异步电机驱动、机械齿轮分级变速、进行人工换档两类方法。
- A" H# n7 m) m$ r7 S3 {　　加工中心机床使用多种刀具进行连续的不同种类(铣、钻、镗和攻丝等)的切削加工，所以主轴的转速是经常变化的，而且必须由加工程序的S指令自动实现，自动换刀时还必须进行主轴定向，所以必须采用带有定向功能的自动无级调速方式。
　　对于主轴转速要求不高的普通数控铣床来说，刀具的更换都是用手动方式进行，而且在加工过程中，同一把刀具选择不同转速的机会并不多见，在手动换刀的同时进行手动变速对生产效率的影响并不大，所以经常采用机械齿轮分级变速、人工换档的控制方式。与采用伺服电机进行无级调速的方案相比，可以显着地降低生产成本，节省能源，维修也简单，是很实用的选择。
) u1 A! C. G( O! P　　例二使用卧式加工中心对零件进行多面加工时，往往需要更换夹具并多次装卡，必须占用可贵的机床运行时间，选用有双工位自动托板交换(APC)装置的卧式加工中心，可以大大地节省零件装卡的占机时间，从而提高机床的生产效率，而且该功能的控制是由PLC控制程序来完成，除了多用几个输入/输出控制点外，数控系统的成本增加不多，是个功能/价格比很高的选择。
　　例三加工中心机床的换刀时间对生产效率有很大影响，而换刀速度与机械结构有很大的关系。例如，由油缸控制的机械手换刀时间一般在10秒以上，在2~3秒内能完成换刀动作的机械手一般采用伺服电机驱动，配有凸轮和内外油缸松刀机构。与机构不相当的换刀速度，可能使故障率增加。选择合理的切削路径、采用高质量的刀具、切削条件的最佳化也是提高生产效率的重要手段，应综合考虑。
8 D" |# N$ F+ v" k) a) G　　数控功能的选择
1 Q  I" @' E% q9 U　　除基本功能以外，数控系统还为用户提供多种可选功能，各知名品牌的数控系统的基本功能差别不大，所以，合理地选择适合机床的可选功能，放弃可有可无或不实用的可选功能，对提高产品的功能/价格比大有好处，下面列举几个例子供参考。
# G4 N6 |! f/ i+ b" \; [　　动画/轨迹显示功能
; |; N- L" a3 ?/ i% u# |　　该功能用于模拟零件加工过程，显示真实刀具在毛坯上的切削路径，可以选择直角座标系中的两个不同平面的同时显示，也可选择不同视角的三维立体显示。可以在加工的同时作实时的显示，也可在机械锁定的方式下作加工过程的快速描绘。这是一种检验零件加工程序、提高编程效率和实时监视的有效工具。
6 c" ?; ~2 X, N4 ^0 I　　软盘驱动器
4 w; S; }- o0 r0 ]0 k1 S5 f　　通过这种数据传送工具可以将系统中已经调试完毕的加工程序存入软盘後存档，也可以通过它将在其它计算机生成的加工程序存入NC系统，从而减少加工程序的输入占机时间，更可以用它作各种机床数据的备份或存储，给程编和操作人员带来很大方便。
　　DNC-B通信功能
　　众所周知，由非圆曲线或曲面组成的零件加工程序的编制十分困难，通常的办法是借助于通用计算机，将它们细分为微小的三维直线段後再编写加工程序，所以程序容量极大。在模具加工中，这种长达几百K字节(4K字节约等于10米纸带长度)的加工程序经常遇到，而一般数控系统提供的基本程序存储容量为64?128K字节，这给模具加工带来很大困难。
　　DNC-B通信功能具有两种工作方式，其一是在个人计算机和数控系统的加工程序存储区之间进行双向的程序传送，其二是将个人计算机的加工程序一段一段地传送到数控系统的缓冲运行存储器，边加工边传送，直到加工结束。这就彻底解决了大容量程序零件的加工问题。虽然选用这项功能需要增加一定的费用，但它确实是功能/价格比很高的选项。
　　当然，选择扩充内存容量也是解决曲面模具加工的有效方法，例如大隈OSP系统的最大运行缓冲存储器容量为512K字节。程序存储器容量可以扩充到4096K字节，这样就可以满足极大部分模具加工的需要，与采用DNC-B方式相比，它的优点是省去了个人计算机这个环节，使运行更加可靠，操作也比较方便。
　　简化编程的功能
　　为了提高编程的效率，缩短加工程序的长度，发挥程序存储器的潜力，数控系统提供了一些简化程序编制的方法。
　　固定循环
% H; I) K+ t, Q! d5 Z　　将常用的加工工序(例如钻孔、镗孔、攻丝及腔体和周边加工等)编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据(如基面、孔深、每次切入量以及主轴转速和进给速度等)就可完成预定的加工工序，并可多次重复使用。
　　座标计算功能
. E$ D8 Y; }" Z3 R7 J, R/ ^　　利用数控系统的实时计算能力，将以各种规则分布的孔加工工序(例如斜线、圆周和网格等)编写成参数式的固定循环程序，编程时由用户填入相应的数据(如角度、半径、孔数、行数和列数等)就可完成预定的加工工序。
　　子程序功能
0 @$ o' }: w' o# T4 W9 ?　　用户可以将零件中多处用到的同一加工工序编成子程序，在相应的部位调用，从而缩短加工程序的长度。
- c1 _8 c# ~  T9 C3 B　　用户宏程序
　　用户可以利用系统提供的各种算术、逻辑和函数运算符以及各种分支语句，来组成描述加工零件形状的数学表达式，在程序执行过程中，数控系统边运算，边输出结果，用很短的程序就可以实现特种曲线和曲面的加工。
　　刚性攻丝功能
% D  ]! n7 }6 @" `" i8 r1 A　　刚性攻丝功能必须采用伺服电机来驱动主轴，不仅要求在主轴上增加位置传感器，而且对主轴传动机构的间隙和惯量都有严格的要求，所以不能忽略这个功能的成本。对用户来说，如果没有特殊的要求(例如高速高精度、特种材料或大直径孔加工等)，可以采用弹性伸缩卡头，在一般主轴上进行柔性攻丝来满足加工要求，就不必选用刚性攻丝功能。
　　刀具寿命管理功能
　　在加工中心上是否要选用刀具寿命管理功能，必须考虑加工零件的批量、刀具和毛坯质量的一致性以及刀库的容量等因素，否则，不仅会造成许多人为的错误，影响生产的正常进行，而且备用刀具占用的刀位也将大大减少刀库的有效容量，使一些复杂零件因刀位不足而无法加工。
　　自动刀具半径/长度和工件测量功能
　　加工程序中的刀具运动轨迹通常按刀具中心和刀尖编写，所以在程序执行前必须输入相应的刀具半径和长度，这对加工中心尤其重要。
/ R( D$ Y& s, ]; d　　刀具半径和长度可以用普通的量具手工测量，也可用专门的刀具测量仪测量。操作者可以通过每把刀的刀尖在Z轴方向相对于机床上同一“对刀面”的位置差来作为长度偏移值进行补偿，采用数控系统本身提供的“半自动刀具长度测量”功能，输入相对于“标准刀具”的长度补偿值。
' ]* U, ^, [/ Z! U6 D　　自动刀具半径/长度和工件测量功能，需要配备专用的接触式传感器及激光测头和信号接收器。选用此功能时应明确以下几点：
　　接触式传感器和信号接收器安装在机床工作区内，它的防护十分重要，切削量大，使用喷淋冲洗的机床不宜安装；
　　进行上述测量需要占用机床加工时间，可能影响机床的效率；
　　工件测量功能的一般用途是测量工件毛坯上作为程编原点的基准孔中心或其它基准点的位置，代替人工“对刀”，它的精度不会高于机床本身的定位精度。【MechNet】
; v8 F4 K2 }, C& g& Z2 y3 X  V, h文章关键词： 数控系统