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1簡介：

數字控制系統簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是與計算機并行發展演化的，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，稱為計算機數控系統。

計算機數控（Computerized numerical control，簡稱CNC）系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。CNC系統根據計算機存儲器中存儲的控制程序，執行部分或全部數值控制功能，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。

CNC系統由數控程序存儲裝置（從早期的紙帶到磁環，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，數控系統日趨具有了軟件為主的色彩，又用PLC代替了傳統的機床電器邏輯控制裝置，使系統更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易于實現復雜的數控功能，使用、維護也方便，并具有與網絡連接及進行遠程通信的功能。

2發展：

我國數控系統雖取得了較大發展，但是我國數控機床配套的數控系統90%以上的都是國外產品，特別是對于國防工業急需的數控機床，數控系統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，成為制約我國數控機床發展的瓶頸。為加快數控技術行業的發展，國家出臺了一系列政策，包括國務院批準實施《裝備制造業調整和振興計劃》和《數控機床與基礎制造裝備》國家科技重大專項計劃，為我國數控技術行業創造了良好的外部環境，《裝備制造業調整和振興規劃》明確提出:"堅持裝備自主化與重點建設工程相結合，堅持自主開發與引進消化吸收相結合，堅持發展整機與提高基礎配套水平相結合的基本原則"，提升數控系統等基礎配套件的*，是落實裝備自主化的重要內容。國家科技重大專項《數控機床與基礎制造裝備》也提出，到2020年，國產數控機床的*要實現較大程度的提高。

目前我國正處于工業化中期，即從解決短缺為主逐步向建設經濟強國轉變，煤炭、汽車、鋼鐵、房地產、建材、機械、電子、化工等一批以重工業為基礎的高增長行業發展勢頭強勁，構成了對機床市場尤其是數控機床的巨大需求。根據《2013-2017年中國數控系統行業發展前景與投資預測分析報告》 所統計的數據顯示，我國機床消費額從2002年起已經連續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。據國家發展改革委副主任張國寶于《在數控系統產業發展座談會上的講話》介紹，未來若干年內，我國數控機床市場需求量將繼續以年均10-15%的速度增長，市場潛力巨大。隨著中國制造業升級，中國現有普通機床也亟需改造升級，因此，數控系統行業市場空間廣闊，具備進一步發展的巨大潛力。

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

3基本構成：

世界上的數控系統種類繁多，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。對于不同的生產廠家來說，基于歷史發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系統則趨向大板結構，減少板間插接件，使之有利于系統工作的可靠性。然而無論哪種系統，它們的基本原理和構成是十分相似的。一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。控制系統硬件是一個具有輸入輸出功能的專用計算機系統，按加工工件程序進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統;測量系統檢測機械的直線和回轉運動位置、速度，并反饋到控制系統和伺服驅動系統，來修正控制指令;伺服驅動系統將來自控制系統的控制指令和測量系統的反饋信息進行比較和控制調節，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，組成完整的閉環控制的數控系統。

控制系統硬件是具有人際交互功能，具有包括現場總線接口輸入輸出能力的專用計算機。伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統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，數控系統到目前為止可分為兩個階段共六代，階段為數值邏輯控制階段，其特征是不具有CPU，依靠數值邏輯實現數控所需的數值計算和邏輯控制，包括代是電子管數控系統，第二代是晶體管數控系統，第三代是集成電路數控系統;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控的主要功能，包括第四代是小型計算機數控系統，第五代是微型計算機數控系統，第六代是PC數控系統。

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構架數控系統日趨成為主流的數控系統結構體系。PC數控系統的發展，形成了"NC+PC"過渡型結構，既保留傳統NC硬件結構，僅將PC作為HMI。代表性的產品包括FANUC的160i，180i,310i,840D等。還有一類即將數控功能集中以運動控制卡的形式實現，通過增擴NC控制板卡（如基于DSP的運動控制卡等）來發展PC數控系統。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。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場總線接口，從而實現非常簡潔硬件體系結構。

軟件結構

（1）輸入數據處理程序

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據進行譯碼、數據處理，并按規定的格式存放。有的系統還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入數據處理程序包括輸入、譯碼和數據處理三項內容。

（2）插補計算程序

CNC系統根據工件加工程序中提供的數據，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平穩運動加減速的要求。根據運算結果，分別向各坐標軸發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內或伺服系統內的位置閉環、速度環、電流環控制調節，輸出電流驅動電機帶動工作臺或刀具作相應的運動，完成程序規定的加工任務。

CNC系統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

管理程序負責對數據輸入、數據處理、插補運算等為加工過程服務的各種程序進行調度管理。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的支持下實現。

（4）診斷程序

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

4基本分類：

加工工藝

⑴車削、銑削類數控系統

針對數控車床控制的數控系統和針對加工中心控制數控系統。這一類數控系統屬于常見的數控系統。FANUC用T，M來區別這兩大類型號。西門子則是在統一的數控內核上配典型的車銑復合型數控系統置不同的編程工具:Shopmill,shopturn來區別。兩者大的區別在于:車削系統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;車削系統有各種車削螺紋的固定循環;車削系統支持主軸與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，而數控系統要變換為極坐標進行控制;而對于銑削數控系統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，要求數控系統兼具車削、銑削功能，例如大連光洋公司的GNC60/61系列數控系統。

⑵磨削數控系統

針對磨床控制的專用數控系統。FANUC用G代號區別，西門子須配置功能。與其他數控系統的區別主要在于要支持工件在線量儀的接入，量儀主要監測尺寸是否到位，并通知數控系統退出磨削循環。磨削數控系統還要支持砂輪修整，并將修正后的砂輪數據作為刀具數據計入數控系統。此外，磨削數控系統的PLC還要具有較強的溫度監測和控制回路，還要求具有與振動監測、超聲砂輪切入監測儀器接入，協同工作的能力。對于非圓磨削，數控系統及伺服驅動在進給軸上需要更高的動態性能。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，數控系統對曲線平滑技術方面也要有特殊處理。

⑶面向特種加工數控系統

這類系統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，并聯機床控制需要在常規數控運動控制算法加入相應并聯結構解耦算法;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;齒輪加工則要求數控系統能夠實現符合齒輪范成規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;電加工則要數控系統控制放電電源;激光加工則需要數控系統控制激光能量。

伺服系統

按照伺服系統的控制方式，可以把數控系統分為以下幾類:

⑴開環控制數控系統

這類數控系統不帶檢測裝置，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，被廣泛應用于經濟型數控機床中。

⑵半閉環控制數控系統

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），由于閉環的環路內不包括絲杠、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節，由這些環節造成的誤差不能由環路所矯正，其控制精度不如全閉環控制數控系統，但其調試方便，成本適中，可以獲得比較穩定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛采用。

⑶全閉環控制數控系統

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，用差值進行調節控制。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節放在閉環內，導致整個系統連接剛度變差，因此調試時，其系統較難達到高增益，即容易產生振蕩。

功能水平

⑴經濟型數控系統

又稱簡易數控系統，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，采用的微機系統為單板機或單片機系統;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普及型數控系統

介于簡式型數控系統和高性能型數控系統之間的數控系統，其特點聯動軸數4軸以下（含4軸），閉環控制（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PLC功能。

⑶型數控系統

一般是指具有多通道（兩個及以上）數控設備控制能力，具有雙驅控制、5軸及以上的插補聯動功能、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、高靜態精度（分辨率0.001μm即小分辨率為1nm）和高動態精度（隨動*.01mm以內）、高速度及完備的PLC控制功能數控系統。

5選型因素：

數控系統的功能適用性對于數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控系統中必須考慮的重要因素。

⑴驅動能力

不同的數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全閉環需求與雙驅需求

數控機床，特別是大型、重型數控機床大多數都有全閉環和雙驅需求。在全閉環控制方案中，要在距離編碼光柵、值式光柵、普通增量光柵間進行選擇，同時數控系統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動還是僅要求五面加工，相應選擇數控系統功能也不同。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控系統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生產系統需求

數控系統網絡化支持成為生產系統集成的必要條件。對于要納入自動化程度很高的生產系統的數控機床，必須明確數控系統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控系統內置OPC服務器，依照OPC標準向用戶開放數控系統內部數據。此外面向生產系統，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工作流程：

1、輸入：零件程序及控制參數、補償量等數據的輸入，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）按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的數據形式，并以一定的數據格式存放在*的內存專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程序段的語法檢查，若發現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，刀具補償的工件還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" 數據點的密化 "。插補程序在每個插補周期運行一次，在每個插補周期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線數據段。通常，經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"數據點密化"工作。

6、位置控制：位置控制處在伺服回路的位置環上， 這部分工作可以由軟件實現， 也可以由硬件完成。它的主要任務是在每個采樣周期內，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、參數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。

9、診斷：對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和脫機診斷。

7常見故障：

位置環

這是數控系統發出控制指令，并與位置檢測系統的反饋值相比較，進一步完成控制任務的關鍵環節。它具有很高的工作頻度，并與外設相聯接，所以容易發生故障。

常見的故障有：①位控環報警:可能是測量回路開路;測量系統損壞，位控單元內部損壞。②不發指令就運動，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，一般表現為無反饋值;機床回不了基準點;高速時漏脈沖產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

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

電源部分

電源是維持系統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的停機或毀壞整個系統。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控或損壞。另外，數控系統部分運行數據，設定數據以及加工程序等一般存貯在RAM存貯器內，系統斷電后，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據丟失，使系統不能運行。