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数控技术：一次全面洞察
数控技术与数控
什么是数控技术？ 简称为数控（Numerical Control—NC），它是利用数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的先进方法。如今，计算机广泛应用于数控的控制，因此也被称为计算机数控（Computerized Numerical Control—CNC）。
要实现基于数字化信息的机械运动和加工过程控制，必须配备相应的硬件和软件。这些硬件和软件共同构成了数控系统（Numerical Control System），其中数控装置（Numerical Controller）是核心。
采用数控技术控制的机床被称为数控机床（NC机床）。它是综合了计算机技术、自动控制技术、精密测量技术和机床设计的尖端机电一体化产品，是现代制造技术的基石。数控机床在机床控制领域得到了最早且最广泛的应用。数控机床的水平体现了当今数控技术的性能、水平和发展趋势。
数控机床种类繁多，包括钻铣镗床、车削机床、磨床、电加工机床、锻压设备、激光加工机床以及其他特殊用途的专用数控机床。凡是采用数控技术进行控制的机床统称为NC机床。
配备了自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer—ATC）的数控机床（不包括带有旋转刀架的数控车床）称为加工中心（Machine Center—MC）。MC通过自动更换刀具，工件可一次装卸完成多工序加工，实现工序集中化和工艺复合化，从而缩短辅助加工时间，提高机床效率。减少了工件安装、定位次数，提高了加工精度。加工中心是目前数控机床中产量最高、应用最广的机床。
在加工中心的框架上，通过增加多工作台（托盘）自动交换装置（Auto Pallet Changer—APC）以及其他相关设备，形成的加工单元称为柔性加工单元（Flexible Manufacturing Cell—FMC）。FMC不仅实现了工序集中化和工艺复合化，而且通过工作台（托盘）自动交换和成熟的自动监测、监控功能，可实现一定时间的无人化加工，有效提高了设备的加工效率。FMC既是柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）的基础，又可作为独立的自动化加工设备使用，因此发展速度较快。
在FMC和加工中心的体系之上，通过添加物流系统、工业机器人以及相关设备，并由中央控制系统进行集中、统一控制和管理，构成了柔性制造系统FMS（Flexible Manufacturing System）。FMS不仅可进行长时间的无人化加工，还可实现多品种零件的全集加工和部件装配，实现车间制造过程的自动化，是一种高度自动化的高级制造系统。
随着科技的进步，为了满足市场需求的变化，现代制造业不仅需要推进车间制造过程的自动化，还须实现从市场预测、生产决策、产品设计、产品制造到产品销售的全方位自动化。将这些要求集成构成的完整生产制造体系被称为计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System-—CIMS）。CIMS涵盖了更广泛的生产、运营活动，实现了更高效益、更高柔性的智能化生产，是当下自动化制造技术发展的最高阶段。在CIMS中，不仅是生产设备的集成，更有以信息为核心的技术集成和功能集成。计算机充当集成工具，计算机辅助自动化单元技术是集成的基础，信息和数据的交换及共享是集成的桥梁，最终形成的产品可视为信息和数据的物质体现。
数控系统及其构成
数控系统的基本组成
数控系统是所有数控设备的核心。数控系统的控制对象主要是坐标轴的位移（包括位移速度、方向、位置等），其控制信息主要来自数控加工或运动控制程序。数控系统的最基本组成应包括：程序输入/输出设备、数控装置、伺服驱动三部分。
输入/输出设备 输入/输出设备用于接收或发送数控加工或运动控制程序、加工和控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据。键盘和显示器是任何数控设备的基本输入/输出设备。根据数控系统的特点，还可配备光电阅读器、磁带机或软盘驱动器等。计算机作为外围设备，是目前常用的输入/输出设备之一。 数控装置 数控装置是数控系统的核心。它由输入/输出接口线路、控制器、运算器和存储器等组件构成。数控装置的作用是将输入设备输入的数据通过内部逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理，并输出各种信息和指令，以控制机床各部分执行规定动作。 在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令。它在经过插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大，最终控制坐标轴的位移。它直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。 根据系统和设备的不同，例如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和启、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的启、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。它们在数控系统中通过接口以信号形式提供给外部辅助控制装置，由辅助控制装置对这些信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相关的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令所规定的动作。 伺服驱动 伺服驱动通常由伺服放大器（也称为驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。在数控机床上，目前普遍采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，直线电动机已开始投入使用。在20世纪80年代以前生产的数控机床上，也有使用直流伺服电动机的；对于简易数控机床，步进电动机也作为执行元件被采用。伺服放大器的形式取决于执行元件，它必须与驱动电动机相匹配。 以上是数控系统最基本的构成部分。随着数控技术的发展和机床性能水平的提高，对系统的功能要求也不断增强。为了满足不同机床的控制需求，保证数控系统的完整性和统一性，并方便用户使用，通常会采用更为先进的数控系统，普遍内置可编程控制器作为机床的辅助控制装置。在金属切削机床上，主轴驱动装置也可以成为数控系统的一部分；在闭环数控机床上，测量、检测装置也是数控系统不可或缺的组成部分。对于先进的数控系统，甚至有时会采用计算机作为系统的用户界面和数据的管理、输入/输出设备，从而使数控系统的功能更加强大，性能更加完善。 数控系统与数控机床
数控系统的构成
数控系统的构成并非一成不变，而是会根据系统性能和设备的具体控制需求而有所差异。除了加工程序输入/输出装置、数控装置和伺服驱动这三个核心组件外，还可以根据需要集成其他控制装置。例如，计算机数控系统（CNC）就是在传统数控系统的基础上，集成了计算机技术，实现了更强大的功能和更灵活的控制。
图1-1的虚线框部分表示计算机数控系统。
常用术语解析
在数控领域，NC、CNC、SV和PLC等英文缩写十分常见，了解它们的含义对于理解数控技术至关重要。
NC（CNC）: NC代表数控（Numerical Control），而CNC代表计算机数控（Computerized Numerical Control）。由于现代数控系统普遍采用计算机控制，因此NC和CNC在实际应用中含义基本相同。根据语境，NC（CNC）可以指代数控技术、数控系统或数控装置。
SV: SV是伺服驱动（Servo Drive）的缩写，也被称为伺服系统。伺服驱动能够精确地控制物体的位置、方向和状态，使其跟随目标值的变化。在数控机床上，伺服驱动主要用于控制坐标轴的运动速度和位置。伺服驱动通常由伺服放大器和执行机构组成，其中伺服放大器是核心部件，负责对输入指令信号进行控制和功率放大。
PLC（PC、PMC）: PLC是可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的缩写，常用于数控机床的辅助控制。为了避免与个人电脑（PC）混淆，现在更多地使用PLC或可编程机床控制器（Programmable Machine Controller，PMC）来指代可编程逻辑控制器。PLC具有响应速度快、性能可靠、编程和调试方便等优点，可以驱动机床的辅助设备，例如冷却系统、润滑系统和刀具交换系统等。
数控机床的构成
数控机床是数控技术最典型的应用之一。
工作原理:
1. 程序编制: 根据零件图纸和加工工艺，使用特定的代码和程序格式编写加工程序，程序中包含刀具的运动轨迹、加工工艺参数、切削用量等信息。
2. 程序输入: 将编制好的加工程序输入数控装置。
3. 程序执行: 数控装置对程序进行译码和运算处理，并向伺服驱动装置和辅助控制装置发出相应的控制信号，控制机床各部件的运动。
4. 实时监控: 数控系统实时检测机床的坐标轴位置、行程开关状态等信息，并与程序要求进行比较，以决定下一步动作。
5. 人工干预: 操作人员可以随时观察和检查机床的加工情况和工作状态，并在必要时对机床动作和加工程序进行调整，确保机床安全可靠地运行。
主要组成部分:
输入/输出装置: 用于程序的输入和输出，以及人机交互。
数控装置: 数控系统的核心，负责程序的存储、译码、运算处理和控制信号的发出。
伺服驱动和反馈装置: 接收数控装置发出的控制信号，驱动机床各坐标轴运动，并通过反馈装置将实际位置信息反馈给数控装置，形成闭环控制。
辅助控制装置: 接收数控装置的指令，控制机床的辅助功能，例如冷却、润滑、刀具交换等。
机床本体: 包括床身、立柱、工作台、主轴、进给机构等机械部件，是数控机床进行加工的物理基础。
图1—1数控机床的组成图1—1中的虚线框部分统称为数控系统，实现对机床主机的加工控制。目前数控系统大部分采用计算机数控（即CNC），图中的输入/输出装置、数控装置、伺服驱动和反馈装置构成的机床数控系统，作用在上面已经叙述。下面再简要介绍其他组成部分。
测量反馈装置: 在闭环和半闭环数控机床中，测量反馈装置是必不可少的检测环节。它利用各种传感器，例如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等，将执行元件（如刀架）或工作台的实际位移和速度检测出来，并反馈给伺服驱动装置或数控装置。这些反馈信息用于补偿进给速度和运动误差，从而提高加工精度。
辅助控制机构、进给传动机构: 它是连接数控装置与机床机械和液压部件之间的桥梁。它接收数控装置输出的主轴转速、转向、启停指令，以及刀具选择交换、冷却润滑装置启停、工件夹紧松开、工作台转位等辅助指令信号，并根据机床上的检测开关状态进行相应的逻辑判断和功率放大，最终驱动执行元件，控制机床机械部件、液压气动等辅助装置完成规定动作。
机床本体: 指构成数控机床的机械结构件，包括主传动系统、进给传动系统、床身、工作台、辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑系统、防护系统等。
数控加工原理
与传统机床依靠操作人员手动控制不同，数控机床采用“微分”原理进行加工。
1. 轨迹微分: 数控装置根据加工程序中刀具轨迹的要求，将其按照机床坐标轴以最小移动量（脉冲当量）进行微分，并计算出各坐标轴需要移动的脉冲数。
2. 轨迹拟合: 通过数控装置中的“插补”软件或“插补”运算器，将要求的轨迹用以“最小移动单位”为单位的等效折线进行拟合，找到最接近理论轨迹的拟合折线。
通过以上步骤，数控机床可以实现高精度、高效率的自动加工。
数控机床如何实现精确轨迹控制？
数控机床的核心在于其能够根据预设的轨迹进行精确加工。那么，它是如何实现的呢？
简单来说，数控装置会将理想曲线转化为一段段微小的拟合折线。它根据这些折线，不断地向各个坐标轴发送进给脉冲，驱动伺服电机精确控制机床的运动。
这种方法之所以有效，是因为：
高精度: 只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，拟合折线就能非常接近理论曲线，达到极高的加工精度。
灵活性: 通过改变坐标轴脉冲分配的方式，可以灵活调整拟合折线的形状，从而实现对加工轨迹的精确控制。
速度可控: 只需改变分配脉冲的频率，就能轻松控制坐标轴（刀具）的运动速度。
这种根据数学函数，在理想轨迹的关键点之间，通过增加数据点来确定中间点的方法，被称为插补。参与插补的坐标轴越多，意味着机床能够完成更复杂的加工任务， 联动轴数也成为衡量数控机床性能的重要指标。
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