1.数控系统组成

数控系统的基本组成如图1.3-2所示。

数控系统以运动轨迹的控制作为主要控制对象，它需要对设备各运动轴的移动速度和位置等进行联合控制，其控制指令来自数控加工程序。因此，作为数控系统的最基本组成，它必须有数据输入/显示装置、轨迹控制装置（数控装置）、运动轴驱动装置（伺服驱动）等硬件和配套的软件。

（1）数据输入/显示装置

数据输入/显示装置用于加工程序、控制参数等的输入和程序、位置、工作状态的显示。键盘和显示器是任何CNC都必备的基本数据输入/显示装置。键盘用于数据的手动输入，故称手动数据输入单元，简称MDI；液晶显示器简称LCD；两者通常制成一体，这样的单元称为MDI/LCD单元。作为数据输入/显示装置的扩展，早期的CNC曾经采用光电阅读机、磁带机、软盘驱动器和CRT等外部设备，这些设备目前已经淘汰，而计算机则成为了目前最常用的数据输入/显示扩展设备。

图1.3-2 数控系统的组成

（2）数控装置

数控装置是数控系统的核心部件，它包括输入/输出接口、控制器、运算器和存储器等。数控装置的作用是将外部输入的加工程序命令转换为控制信号，以控制设备各部分的运动。

坐标轴的运动速度、方向和位移决定了刀具运动轨迹，它是数控装置最为主要的功能。坐标轴的运动控制信号（位置指令脉冲）可通过数控装置的插补运算生成，指令脉冲经伺服驱动系统的放大，驱动坐标轴的运动。计算机技术发展到今天，数控装置的控制轴数、运算精度、处理速度等已不再是制约数控系统性能的主要问题，因此，衡量数控装置的性能和水平，必须从其位置控制的能力上进行区分。国产普及型CNC目前只具备位置指令脉冲的生成功能，它不能进行位置的实时监控和闭环控制；进口全功能CNC不仅具有位置指令脉冲生成功能，而且其坐标轴的闭环位置控制也通过数控装置实现，因此，其技术先进、结构复杂、价格高，但其位置控制精度、轮廓加工性能大大优于国产普及型CNC。

（3）伺服驱动

伺服驱动（Servo Drive，SV）装置由驱动器（又称放大器）和伺服电动机等组成，按日本JIS标准，它是“以物体的位置、方向、状态等作为控制量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。伺服驱动装置不仅可和数控装置配套使用，且还可构成独立的位置随动系统，故又称伺服系统。交流伺服驱动是当前最为常用的驱动装置；在先进的高速加工机床上，已开始使用直线电动机；早期的数控机床也有采用直流伺服驱动的情况；简易数控设备有时也可采用步进驱动。

伺服驱动系统的结构与数控装置的性能密切相关，因此，它是区分经济型、普及型与全功能型数控的标准。经济型CNC使用的是步进驱动；国产普及型CNC由于数控装置不能进行闭环位置控制，故需要使用具有位置控制功能的通用型伺服驱动；进口全功能CNC本身具有闭环位置控制功能，故使用的是无位置控制功能的专用型伺服驱动。

（4）PLC

PLC是可编程序逻辑控制器（Programmable Logic Controller）的简称，专门用于机床控制的PLC又称PMC（Programmable Machine Controller），它用于数控设备除坐标轴（运动轨迹）外的其他动作控制，例如，数控机床的主轴转速、转向和起/停；刀具的自动交换；冷却、润滑的控制；工件的松开、夹紧控制等。

在简单数控系统上，辅助控制命令在经过数控装置的编译后，一般以电平或脉冲信号的形式，直接输出到外部，由强电控制电路或外部PLC进行处理；在全功能CNC上，为了便于用户使用，PLC（PMC）一般作为CNC的基本组件，直接集成在CNC上；或通过网络链接，使两者成为统一的整体。

（5）其他

随着数控技术的发展和机床控制要求的提高，数控系统的功能在日益增强。例如，在金属切削机床上，为了控制切削速度，主轴是其必需部件；特别是随着车铣复合等先进CNC机床的出现，主轴不仅需要进行速度控制，而且还需要参与坐标轴的插补运算（Cs轴控制），因此，在全功能CNC上，主轴驱动装置也是数控系统的基本组件之一。

此外，在全闭环控制的数控机床上，用于直接位置测量的光栅、编码器等也是数控系统的基本部件。为了方便用户使用，机床操作面板等也是数控系统常用的配套装置；在先进的数控系统上，还可以直接选择集成有个人计算机的人机界面，进行文件的管理和数据预处理，数控系统的功能更强、性能更完善。(www.daowen.com)

2.数控系统分类

目前，我国数控机床所使用的数控系统有国产经济型、普及型和进口全功能型之分，它不是单纯就CNC软件功能进行的分类，而是应从数控机床的控制要求和CNC实际具备的控制性能的角度来理解不同CNC所存在的区别。数控机床是一种加工设备，既快又好地完成加工，是人们对它的最大期望，因此，机床实际能够达到的加工精度和效率，是衡量其性能水平最重要的技术指标，而CNC控制轴数、联动轴数等虽代表了CNC的轮廓加工能力，但它们只是CNC软件功能的区别，并不代表机床实际能达到的精度和效率。

伺服驱动的结构和性能，是决定机床定位精度和轮廓加工精度的关键部件，也是判定经济型、普及型和全功能型CNC最简单的方法。使用开环步进驱动的CNC属于经济型数控；配套的通用伺服驱动装置的CNC属于普及型数控；而全功能型CNC则需要配套专用伺服驱动器。目前，国内对于经济型CNC的定义，人们已经形成了普遍的共识，但对于普及型CNC和全功能CNC的区别，目前还存在较大的误区，以至于在购买、使用数控机床时出现了这样那样的问题，现说明如下。

（1）普及型CNC

普及型CNC的一般结构如图1.3-3所示，它通常由CNC/MDI/LCD集成单元（简称CNC单元）、通用型伺服驱动器、主轴驱动器（一般为变频器）、机床操作面板和I/O设备等硬件组成，CNC对配套的驱动器、变频器的厂家和型号无要求。

图1.3-3 普及型CNC的结构

普及型CNC的数控装置只能输出指令脉冲，它不具备闭环位置控制功能。因此，它只能配套具有闭环位置控制功能的通用型交流伺服器，这是它和于全功能CNC的最大区别。由于普及型CNC的位置测量信号不能反馈到CNC上，故CNC不能对坐标轴的实际位置、速度进行实时监控，也不能实时修正运动轨迹与速度，从这一意义上说，对CNC而言，它仍属于开环系统的范畴。

国产普及型CNC所使用的伺服驱动器是一种本身带有闭环位置控制功能、通过指令脉冲控制伺服电动机位置和速度的通用控制器，它对上级位置控制器（指令脉冲的提供者）无要求，故也可用于PLC控制。为了进行驱动器和CNC指令脉冲、机床移动量的匹配，驱动器必须带有用于数据设定与显示的操作面板。

由于普及型CNC不具备闭环速度、位置控制功能，这样的CNC实际上只是一个具有插补运算功能的指令脉冲发生器，实际坐标轴的运动都是在各自的驱动器控制下独立进行的。正因为如此，普及型CNC不能实时监控位置误差、速度等重要参数，也不能实际位置来调整指令脉冲输出，因此，刀具运动轨迹精确控制，只存在理论上的可能。从这一意义上说，通用伺服驱动的作用类似于步进驱动，只是它可实现连续、任意位置的定位，也不存在步进电动机的失步而已。

综上所述，尽管国产普及型CNC的价格低、可靠性也较好，部分产品也开发了多轴联动功能，但其结构决定了它的定位精度、轮廓控制性能等都与全功能型CNC存在较大的差距。此外，普及型CNC的PLC性能、主轴控制性能也都无法与全功能CNC相比，它不能实现主轴的位置插补控制（Cs轴控制），因此，也不能够用于车削中心、车铣复合加工机床的控制。

（2）全功能型CNC

全功能型CNC是一种通过CNC实现闭环位置控制、需要配套专用伺服驱动器，并带有内置PLC或PMC的完整系统，其功能强、结构复杂、组成部件多。全功能型CNC的各组成部件均需要在CNC的统一控制下运行，部件间的联系紧密，伺服驱动器、主轴驱动器、PMC等都不能独立使用，因此，在控制系统设计、连接、调试时必须将其作为一个统一的整体来考虑。全功能型CNC一般都采用了网络控制技术，这里以FS-0iD为例，其结构如图1.3-4所示。

图1.3-4 FS-0iD的系统组成

与早期的CNC比较，采用了网络控制的CNC，以I/O-Link、PROFIBUS、FSSB等现场总线替代了传统的I/O单元、伺服驱动器的连接电缆；以工业以太网替代了传统的通信连接，故CNC的连接简单、扩展性好、可靠性高。

全功能型CNC的闭环位置控制通过CNC实现，故必须配套专用的伺服驱动器，伺服驱动器与CNC之间一般通过总线连接，如FANUC的FSSB总线、SIEMENS的PROFIBUS总线等，总线通信使用专用协议，对外部无开放性，驱动器不能独立使用。驱动器参数设定、状态监控、调试与优化等均可通过CNC的MDI/LCD单元进行，驱动器无操作面板。

通过CNC进行位置控制的全功能型CNC不但能实时监控运动部件的位置误差、速度等，而且所有坐标轴的运动都可以作为整体进行统一控制，它可根据机床的实际运动来调整CNC的指令脉冲输出、确保刀具运动轨迹的准确无误，因此，这是一种真正意义上的闭环位置控制系统。在先进的CNC上，还可通过“插补前加减速”、“AI先行控制（Advanced Preview Control）”等前瞻控制功能，进一步提高轮廓加工精度。这就是配套全功能型CNC的数控机床，其定位精度、轮廓加工精度要远远高于普及型CNC的原因所在。