浅谈 什么是数控系统？

1、数控系统的构成

数控机床是集机（械）、电（气）、液（压气动）、光（学器件）为一体的自动化设备。

在机械传动链上，采用滚珠丝杠与直线导轨，以及镶钢贴塑导轨。

与普通机床不同，作为数控加工中心它采用刀库、换刀机械手、数控分度旋转台或连续数控转台、交换工作台等。

在电气结构上采用CNC—Computer Numerical Control 即计算机数字控制系统、内置PLC及接口电路、主轴及伺服驱动等。

以及继电器电路、电磁阀、接近开关等外围设备电路。

在光学器件上采用光栅尺（作为全闭环反馈元件）、旋转编码器（作为速度反馈或者半闭环的位置反馈）。

联系上述数控机床的结构特点，我们简单归纳数控机床的工作流程如下：

以上是针对数控机床的一个简要的描述，下面将讨论几个具体的问题，加深对数控机床机械电气结构的了解。

问题①：滚珠丝杠与梯形丝杠的特点是什么？为什么数控机床大都采用滚珠丝杠？双螺母丝杠和单螺母丝杠的区别是什么？

在我们的日常加工中经常会发现机床在换向时有“让刀”现象发生，即程序已经指令导轨改变轨迹方向，但是刀具与工件的相对运动并没有像我们预期的那样移动，而是滞后一步，有经验的工程师首先会想到“丝杠间隙”。那么丝杠间隙是怎样产生的呢？有没有办法消除丝杠间隙呢？下面我们稍加详细地给与分析：

下面的示图形象地描绘了滚珠丝杠与梯形丝杠的不同结构。

从图中可以看出，滚珠丝杠是滚动摩擦，而梯形丝杠则是滑动摩擦。在实际应用中由于滚珠丝杠是滚动摩擦，摩擦系数小，所以动态响应快，易于控制，精度高。另外滚珠丝杠在生产过程中，在滚道和珠子之间施加预紧力，可以消除间隙，所以滚珠丝杠可以达到无间隙配合。基于这些特点，数控机床广泛采用滚珠丝杠，并配合伺服电机达到高动态响应和高定位精度。

而梯形丝杠是依靠丝母和丝杠之间的油膜产生相对滑动工作的，从机械原理上讲，滑动摩擦的两物体之间必然会有间隙，包括渐开线齿轮、齿轮齿条等，所以梯形丝杠用于普通机床和对动态响应要求不很高的场合。

滚珠丝杠分为单螺母和双螺母，单螺母丝杠即使在出厂时预紧消除间隙，但是使用若干年后很容易产生间隙，并且很难通过调整消除间隙。但是双螺母丝杠的间隙可以通过调整垫片的厚度（如下图），控制丝杠预紧力，消除丝杠间隙。

除了机械调整外，现在数控制造商也提供电气上的辅助补救措施—背隙补偿功能（也称之为“反向间隙补偿”），英文为Backlash compensation。FANUC 16/18以及0i系列可以通过1851和1852号参数对各轴的反向间隙进行补偿。

问题②：机床的导轨主要有几种形式？数控机床导轨有几种形式？它们的各自特点是什么？

问题③伺服电机与步进电机在数控机床应用中的最大区别是什么？同步电机与异步电机的特性是什么？在数控机床中分别用在什么场合？

● 步进电机在数控系统中是根据指令脉冲转换成相应的步距角旋转的，指令发出后不读取反馈信号，为开环控制。从程序指令到电机旋转，如果中途有丢失脉冲现象，系统无法感知与校正。所以步进电机开环控制用于精度要求不很高的经济性数控。

● 完整的伺服控制通过位置环、速度环、电流环对伺服电机进行实时的调整控制，伺服控制回路有全闭环或者半闭环两种形式，一般用于高精度、高动态响应的中高档数控机床。

关于变频调速与伺服控制，异步电机与同步电机区别以及适用场合见下表。

2、新技术的应用

前面我们提到，数控机床是数控机床是集机（械）、电（气）、液（压气动）、光（学器件）为一体的自动化设备。而这些分支、领域必然也受技术进步的影响，新的技术、新的工艺、新的产品不断被装备到数控机床上，所以了解这些新技术的应用对于我们今后的学习，也是非常重要的。

① 直线电机（Linear Motor）的应用

上一节我们讨论了数控机床结构，并在问题①中讨论了滚珠丝杠的结构特征。就传统数控机床而言，工作台的移动是通过伺服电机的旋转→联轴节→滚珠丝杠→滚珠丝母带动工作台移动。但是上个世纪末，直线电机逐渐在数控机床中使用，从图1-26直线电机结构图中我们看到，直线电机的数控机床已经不再需要滚珠丝杠。它已不再是由电机旋转运动通过机械传动链转变为直线运动，取而代之是直线电机直接完成直线运动传递。机械传动链中又少了一个传动链，结构更加简洁。

我们将传统机床与现在的数控机床以及将来的数控机床的线性轴的驱动做一个简单的结构比较。

② 力矩电机（Synchronous Built-in Servo Motor）的应用

传统的转台，特别是高精度数控转台是由图1-31中描述的蜗轮、蜗杆以及轴承、箱体等组成。传统的机构要求是既要让电机在最佳速度工作区工作，又要让工件低速大扭矩转动，承受大的切削力。而蜗轮蜗杆大速比、自锁性、力矩放大等特点正好满足了这一要求。但是蜗轮、蜗杆是属于齿轮类机构，工作过程中齿轮面必然存在磨损和间隙，一旦齿面齿型、节距磨损严重，将会导致整个蜗轮副精度降低、机床转台定位精度降低。另外蜗轮副磨损后的修复和调整非常困难，修复成本非常高。

而现代技术水平，已经可以通过电气直接控制、驱动负载低速大扭矩转动，这种直接驱动低速大扭矩转台的电机在数控机床应用中被称为“力矩电机”，见图1-30它是由转子和定子线圈组成。这种技术大大降低了数控转台的制造成本，并且转台精度保持时间长，维护成本低。

③ 高速电主轴（High Speed Spindle）

传统的机械主轴如图1-34，是由主轴电机以及齿轮箱组成的。这是因为转台的主轴电机大都采用异步交流电机变频调速，它的最佳工作速度范围是在500rpm~2000rpm,而加工工艺要求铣刀的工作范围（机械主轴转速范围）在20rpm~6000rpm，那么如何满足工艺速度要求的？通过不同的齿轮比切换，扩大机械主轴变速范围，即可以是电机在理想的速度区间工作，又能满足工艺上的速度和扭矩范围要求。它的弊端是机械结构复杂，成本高。

而电主轴调速范围宽，特别是高速特性好，可以省去主轴齿轮箱，直接将刀柄插入电主轴转子中（参见图1-33），机床结构简洁，主轴及立柱受力好。目前电主轴采用陶瓷或油雾润滑，主轴转速可达20000~5000rpm以上，特别适宜磨具加工。

从上面几种典型的新技术应用中我们可以总结出：数控机床的机构越来越简单，传动链越来越少，电到机的转换、旋转运动转换为直线运动的装换越来越直接，电机与拖动以及控制技术的进步带动数控机床整体技术进步。