數控機床數控系統的配置和功能選擇

　　數控系統是數控機床的重要組成部分，配置什麼樣的數控系統及選擇哪些數控功能，都是機床生產廠家和最終用戶所關注的問題。
　　數控統的配置 伺服控制單元的選擇 數控系統的位置控制方式
　　開環控制系統:采用步進電機作為驅動部件，沒有位置和速度反饋器件，所以控制簡單，價格低廉，但它們的負載能力小，位置控制精度較差，進給速度較低，主要用于經濟型數控裝置；半閉環和閉環位置控制系統：采用直流或交流伺服電機作為驅動部件，可以采用內裝於電機內的脈沖編碼器，旋轉變壓器作為位置/速度檢測器件來構成半閉環位置控制系統，也可以采用直接安裝在工作臺的光柵或感應同步器作為位置檢測器件，來構成高精度的全閉環位置控制系統。
　　由于螺距誤差的存在，使得從半閉環系統位置檢測器反饋的絲杠旋轉角度變化量，還不能精確地反映進給軸的直線運動位置。但是，經過數控系統對螺距誤差的補償後，它們也能達到相當高的位置控制精度。與全閉環系統相比，它們的價格較低，安裝在電機內部的位置反饋器件的密封性好，工作更加穩定可靠，幾乎無需維修，所以廣泛地應用于各種類型的數控機床。
　　直流伺服電機的控制比較簡單，價格也較低，其主要缺點是電機內部具有機械換向裝置，碳刷容易磨損，維修工作量大。運行時易起火花，使電機的轉速和功率的提高較為困難。
　　交流伺服電機是無刷結構，幾乎不需維修，體積相對較小，有利于轉速和功率的提高，目前已在很大範圍內取代了直流伺服電機。
　　伺服控制單元的種類
　　分離型伺服控制單元，其特點是數控系統和伺服控制單元相對獨立，也就是說，它們可以與多種數控系統配用，NC系統給出的指令是與軸運動速度相關的DC電壓（例如0?10V），而從機床返回的是與NC系統匹配的軸運動位置檢測信號（例如編碼器?感應同步器等輸出信號）。伺服數據的設定和調整都在伺服控制單元側進行（用電位器調節或通過數字方式輸入）。
　　串行數據傳輸型伺服控制單元，其特點是NC系統與伺服控制單元之間的數據傳送是雙向。與軸運動相關的指令數據、伺服數據和報警信號是通過相應的時鐘信號線、選通信號號、發送數據線、接收數據線、報警信號線傳送。從位置編碼器返回NC裝置的有運動軸的實際位置和狀態等信息。
　　網絡數據傳輸型伺服控制單元，其特點是軸控制單元密集安裝在一起，由一個公用的DC電源單元供電。NC裝置通過FCP板上的網絡數據處理模塊的連接點SR、ST與各個軸控制單元（子站）的網絡數據處理模塊的SR、ST點串聯，組成伺服控制環。各個軸的位置編碼器與軸控制單元之間是通過二根高速通信線連接，反饋的信息有運動軸位置和相關的狀態信息。
　　串行數據傳輸型和網絡數據傳輸型伺服控制單元的伺服參數在NC裝置中用數字設定，開機初始化時裝入伺服控制單元，修改和調整都十分方便。
　　網絡數據傳輸型伺服控制單元（例如大隈OSP-U10/U100系統）在相應的控制軟件配合下，具有實時的調整能力，例如在Hi-G型定位加減速功能中，可以根據電機的速度和扭矩特性求出相應的函數，再以其函數控制高速定位時的加減速度，從而抑制高速定位時可能引起的振動。定位速度的提高可以縮短非切削時間，提高加工效率。又如在Hi-Cut型進給速度控制功能中，系統可以在讀入零件加工程序後，自動識別數控指令要求加工的零件形狀（圓虎棱邊等），自動調節加工速度，使之最佳化，進而實現高速高精度加工。
　　采用高速微處理器和專用數字信號處理機（DSP）的全數字化交流伺服系統出現後，硬件伺服控制變為軟件伺服控制，一些現代控制理論的先進算法得到實現，進而大大地提高了伺服系統的控制性能。
　　伺服控制單元是數控系統中與機械直接相關聯的部件，它們的性能與機床的切削速度和位置精度關系很大，其價格也占數控系統的很大部分。相對來說，伺服部件的故障率也較高，約占電氣故障的70%以上，所以選配伺服控制單元十分重要。
　　伺服故障除了與伺服控制單元的可靠性有關外，還與機床的使用環境、機械狀況和切削條件密切相關。例如環境溫度過高，易引起器件過熱而損壞；防護不嚴可能引起電機進水，造成短路；導軌和絲杠潤滑不好或切削負荷過重會引起電機過流。機械傳動機構卡死更會引起功率器件的損壞，雖然伺服控制單元本身有一定的過載保護能力，但是故障情況嚴重或者多次發生時，仍然會使器件損壞。有些數控系統具有主軸和進給軸的實時負載顯示功能（例如大隈OSP系統的“當前位置”頁面上不僅可以顯示軸運動的實時位置數據，而且還同時顯示各軸的實時負載百分比，用戶可以利用這些信息，采取措施來防止事故的發生。
　　進給伺服電機的選擇
　　輸出扭矩是進給電機負載能力的指標。從圖2可見，在連續操作狀態下，輸出扭矩是隨轉速的升高而減少的，電機的性能愈好，這種減少值就愈校為進給軸配置電機時應滿足最高切削速度時的輸出扭矩。雖然在快速進給時不作切削，負載較小，但也應考慮最高快速進給速度下的起動扭矩。高速時的輸出扭矩下降過多也會影響進給軸的控制特性。
　　主軸伺服電機的選擇
　　輸出功率是主軸電機負載能力的指標。從圖3可見主軸電機的額定功率是指在恒功率區（速度N1到N2）內運行時的輸出功率，低于基本速度N1時達不到額定功率，速度愈低，輸出功率就愈校為了滿足主軸低速時的功率要求，一般采用齒輪箱變速，使主軸低速時的電機速度也在基本速度N1以上，此時，機械結構較為復雜，成本也會相應增加。在主軸與伺服電機直接連接的數控機床中，有兩種方法來滿足主軸低速時的功率要求，其一是選擇基本速度較低或額定功率高一檔的主軸電機，其二是采用特種的繞組切換式主軸伺服電機（例如日本大隈的YMF型主軸電機），這種電機的三相繞組在低速運行時接成星形，而在高速運行時接成三角形，從而提高了主軸電機的低速功率特性，降低主軸機械部件的成本。
　　這兒要特別指出的是，雖然高速加工是提高數控機床生產效率的有效途徑，但高速、高精度切削會給伺服驅動和計算機部件帶來更高的要求，必然增加數控系統的成本，而高速加工的另一個重要應用領域是輕金屬和薄壁零件的加工，所以，應該按機床的實際需要選擇主軸和進給電機的速度．