数控系统的基本组成及作用

1.2.1　数控系统的基本组成及作用

数控系统是现代机械制造系统的基础设备之一 —— 数控机床的控制系统。数控系统一般由输入/输出装置、数控装置、伺服驱动装置和辅助控制装置四部分组成。有些数控系统还配有位置检测装置，如图1-1所示。

图1-1　数控系统组成框图

1．输入/输出装置

CNC机床在进行加工前，必须接受由操作人员输入的零件加工程序，然后才能根据输入的加工程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。在加工过程中，操作人员要向机床数控装置输入操作命令，数控装置要为操作人员显示必要的信息，如坐标值、报警信号等。此外，输入的程序并非全部正确，有时需要编辑、修改和调试。以上工作都是机床数控系统和操作人员进行信息交流的过程，要进行信息交流，CNC系统中必须具备必要的交互设备，即输入/输出装置。

键盘和显示器是数控系统不可缺少的人机交互设备，操作人员可通过键盘和显示器输入程序、编辑修改程序和发送操作命令，即进行手动数据输入（MDI，Manual Data Input），因而键盘是MDI中最主要的输入设备。数控系统通过显示器为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序，或是机床的加工信息。较简单的显示器只有若干个数码管，显示的信息也很有限；较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，显示的信息较丰富；低档的显示器或液晶显示器只能显示字符，中、高档的显示系统能显示图形。

数控加工程序编制好后，一般存放于便于输入到数控装置的一种控制介质上。传统的方式是将编制好的程序记录在穿孔纸带或磁带上，然后由纸带阅读机或磁带机输入数控系统，因此纸带阅读机和磁带机是数控机床的典型输入设备。

数控机床程序输入的方法除上述的键盘、磁盘、磁带和穿孔纸带外，还可以用串行通信的方式输入。随着CAD、CAM、CIMS技术的发展，机床数控系统和计算机的通信显得越来越重要。

2．数控装置

数控装置是数控系统的核心。它的主要功能是将输入装置传送的数控加工程序，经数控装置系统软件进行译码、插补运算和速度预处理等。系统进行数控加工程序译码时，将其区分成几何数据、工艺数据和开关功能。几何数据是刀具相对于工件运动路径的数据，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状；工艺数据是主轴转速S和进给速度F等功能的数据；开关功能是对机床电器的开关命令，如主轴启/停、刀具选择和交换、切削液的开/关、润滑液的启/停等。

数控装置的插补器根据曲线段已知的几何数据以及相应工艺数据中的速度信息，计算出曲线段起点、终点之间的一系列中间点，分别向机床各个坐标轴发出速度和位移信号，通过各个轴运动的合成，形成符合数控加工程序要求的工件轮廓的刀具运动轨迹。

由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和机床反馈信号一起被处理和转换为对机床开关设备的控制命令。现代数据系统中，绝大多数机床控制器都采用可编程逻辑控制器（PLC——Programmable Logical Control）实现开关控制。

3．伺服驱动装置

伺服驱动装置接受数控装置的指令，驱动机床执行机构运动的驱动部件（如主轴驱动、进给驱动）。它包括伺服控制电路、功率放大线路和伺服电机等，并与机床上的机械传动部件组成数控机床的进给系统。每个进给运动的执行部件都配有一套伺服驱动装置，伺服驱动装置有开环、半闭环和闭环之分。伺服电机常用的有步进电动机、电液马达、直流伺服电动机和交流伺服电机。一般来说，数控机床的伺服驱动，要求有好的快速响应性能，能够灵敏而准确地跟踪由数控装置发出的指令信号。

4．辅助控制装置

辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制装置，通过可编程逻辑控制器（PLC）来实现对机床辅助功能M、主轴速度功能S和换刀功能T的逻辑控制。

5．测量反馈装置

该装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成闭环控制系统。没有测量反馈装置的系统称为开环控制系统。常用的测量部件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅和磁尺等。

位置检测装置通过直接或间接测量将执行部件的实际进给位移检测出来，并反馈到数控装置并与指令位移进行比较，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动，以提高系统精度。