数控系统

针对磨床控制的专用数控系统。FANUC用G代号区别，西门子须配置功能。与其他数控系统的区别主要在于要支持工件在线量仪的接入，量仪主要监测尺寸是否到位，并通知数控系统退出磨削循环。磨削数控系统还要支持砂轮修整，并将修正后的砂轮数据作为刀具数据计入数控系统。此外，磨削数控系统的PLC还要具有较强的温度监测和控制回路，还要求具有与振动监测、超声砂轮切入监测仪器接入，协同工作的能力。对于非圆磨削，数控系统及伺服驱动在进给轴上需要更高的动态性能。有些非圆加工（例如凸轮）由于被加工表面高精度和高光洁度要求，数控系统对曲线平滑技术方面也要有特殊处理。

⑶面向特种加工数控系统

这类系统为了适应特种加工往往需要有特殊的运动控制处理和加工作动器控制。例如，并联机床控制需要在常规数控运动控制算法加入相应并联结构解耦算法；线切割加工中需要支持沿路径回退；冲裁切割类机床控制需要C轴保持冲裁头处于运动轨迹切线姿态；齿轮加工则要求数控系统能够实现符合齿轮范成规律的电子齿轮速比关系或表达式关系；激光加工则要保证激光头与板材距离恒定；电加工则要数控系统控制放电电源；激光加工则需要数控系统控制激光能量。

伺服系统

按照伺服系统的控制方式，可以把数控系统分为以下几类： ⑴开环控制数控系统

这类数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机为驱动元件。CNC装置输出的进给指令（多为脉冲接口）经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依此通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱，丝杠等）带动工作台移动。这种方式控制简单，价格比较低廉，从70年代开始，被广泛应用于经济型数控机床中。

⑵半闭环控制数控系统

位置检测元件被安装在电动机轴端或丝杠轴端，通过角位移的测量间接计算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差不能由环路所矫正，其控制精度不如全闭环控制数控系统，但其调试方便，成本适中，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中，这种方式被广泛采用。

⑶全闭环控制数控系统

位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行调节控制。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些连接环节

放在闭环内，导致整个系统连接刚度变差，因此调试时，其系统较难达到高增益，即容易产生振荡。

功能水平

⑴经济型数控系统

又称简易数控系统，通常采用步进电机或脉冲串接口的伺服驱动，不具有位置反馈或位置反馈不参与位置控制；仅能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹类的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统；通常不具有用户可编程的PLC功能。通常装备的机床定位精度在0.02mm以上。

⑵普及型数控系统

介于简式型数控系统和高性能型数控系统之间的数控系统，其特点联动轴数4轴以下（含4轴），闭环控制（伺服电机反馈信息参与控制），具有螺距误差补偿和刀具管理功能，支持用户开发PLC功能。

⑶高档型数控系统

一般是指具有多通道（两个及以上）数控设备控制能力，具有双驱控制、5轴及以上的插补联动功能、斜面加工、样条插补、双向螺距误差补偿、直线度和垂直度误差补偿、刀具管理及刀具长度和半径补偿功能、高静态精度（分辨率0.001μm即最小分辨率为1nm）和高动态精度（随动误差0.01mm以内）、高速度及完备的PLC控制功能数控系统。

选型因素

数控系统的功能适用性对于数控机床的设计选型无疑是重要的限制性因索。以下因素是在选择数控系统中必须考虑的重要因素。

⑴驱动能力

不同的数控供应商的解决方案中伺服的功率范围和配套电机范围也是不同的。首先应该从可匹配的电机类型，功率范围来初步筛选。特别是要注意数控机床方案中是否包括力矩电机、直线电机、电主轴属于同步电主轴还是异步电主轴，上述电机的额定电流需求和过载电流需求，电主轴的最高转速需求等。

⑵全闭环需求与双驱需求

数控机床，特别是大型、重型数控机床大多数都有全闭环和双驱需求。在全闭环控制方案中，要在距离编码光栅、绝对值式光栅、普通增量光栅间进行选择，同时数控系统也要支持相应的反馈信号接入。

⑶五轴控制需求

五轴机床需要明确是否五轴联动还是仅要求五面加工，相应选择数控系统功能也不同。比如针对五面箱体类加工，通常不需要RTCP，选择余地就比较大。同时针对五轴功能可能涉及数控系统供货商在出口许可证、售后服务、技术支持等也必须认真考虑。

⑷生产系统需求

数控系统网络化支持成为生产系统集成的必要条件。对于要纳入自动化程度很高的生产系统的数控机床，必须明确数控系统具有相应的接入解决方案，包括低级的依靠PLC输入输出点直接接入到高级的数控系统内置OPC服务器，依照OPC标准向用户开放数控系统内部数据。此外面向生产系统，自动化的在线工件检测和刀具检测也是必须支持的功能。

五轴数控

具有五轴功能的数控机床可以以多种姿态实现工件与刀具间的相对运动，一方面可以保持刀具更好的加工姿 态，避免刀具中心极低的切削速度，也可以避免刀具和工件、卡具间的干涉，实现有限行程内更大加工范围。 五轴功能也是衡量数控系统能力的重要指标。

工件坐标旋转

对于具有转台结构的五轴机床，工件与回转工作台固结，即工件坐标系（WCS）与回转工作台固结。当工作台旋转后，工件坐标系（WCS）必须相应的旋转。此后工件坐标系的X,Y,Z与原机床坐标系(MCS)XYZ方向不再一致，五轴插补算法需要随时自动完成工件坐标系的旋转，保证正确的刀具运行轨迹，如下图所示。

随转台旋转的WCS

与转台固结的WCS

由于工件坐标系随转台一起旋转，数控系统在手动操作模式下给用户提供了选择机床坐标系MCS还是工件坐标系WCS的机会。如果用户选择了WCS下的手动操作，而且WCS已经旋转，则手动操作将按照旋转后的坐标轴方向运动，以C轴转台为例：如果C轴已由初始的0度，CCW旋转45度后，用户选择WCS下手动X轴，数控机床的会XY轴联动，走X-Y平面45度斜线，如图1所示。上述行为对于工件的寻边和手动定位加工很方便，不需要顾及转台转了多少度，只要依据图纸上工件坐标系所示的方向操作即可。在自动加工模式下，所有的G92,G54-G59,G52都是在WCS下设定的，都会跟随WCS旋转而旋转。

自动加工中值得注意：如果用户在工件坐标系下编程，推刀前建议用户使用G53回到MCS下，再按照MCS坐标系执行退刀动作；否则就要想清楚当前WCS与MCS的角度关系，例如：C轴为0度时与180度时WCS坐标系正好方向相反，进刀起始位置C为0度，XY为WCS绝对值正值的话，退刀位置时C为180度，再向回到起始点就要回到WCS绝对值负值了。如图所示。

对于具有摆头结构的机床而言，五轴数控系统在机床坐标系MCS中只关注控制点（摆头回转中心）的坐标， 而在工件坐标系WCS中五轴数控系统控制刀尖点坐标，如图所示。结合WCS随转台旋转，数控系统这样控制行为使WCS下始终正确地反映刀具与工件间的相对位置关系，用户可以安心对照工件图纸，考虑WCS下工件编程即可，无须考虑机床结构。