几种数控系统的分析与研究

Abstract: NC system, which controls the performance and machine accuracy of machine tool is an important part. In this paper, several typical NC systems are discussed, especially close-loop and whole-close-loop NC system. The results can provide some theoretical basis for machine tool industry.

Key words: NC machine toolclose-loop NC systemwhole-close-loopmachine accuracy

摘要：数控系统作为数控机床的重要组成部分，决定了机床的性能和加工精度。本文针对几种典型的数控系统进行了理论分析与研究，重点介绍了闭环和全闭环数控系统，该研究结果为机床行业的发展提供了一些理论基础。

关键词：数控机床 闭环数控系统 全闭环 加工精度

中图分类号：[F287.2]文献标识码：A 文章编号：

引言

任何国家、工业和国民经济的发展，最基本的是依靠人员素质、装备精良和资源充足三者，而工业发展所不可缺少的装备就是机床。机床的优质先进、机床工业的实力强大，对一国工业和国民经济的加速发展具有极其重大的战略意义。数控机床作为其先进代表，代表了机床行业发展的方向和未来。所以对机床数控系统进行分析与研究相当重要，具有深远的意义。

机床数控系统的检测装置和反馈元件，通常安装在机床的工作台或丝杠上，相当于普通机床的刻度和人的眼睛。它把机床工作台的实际位移转变成电信号反馈给数控装置，供数控装置与指令值比较产生误差信号，以控制机床向消除该误差的方向移动。

按有无检测装置，数控系统可以分为开环与闭环数控系统，而按检测装置的安装位置又可以分为闭环与半闭环数控系统。下面对几种数控系统分别进行分析与研究：

1 开环数控系统

开环数控系统结构简单，没有检测和反馈装置，数控装置发出的指令信号是单向的，所以不存在系统稳定性问题。因为无位置反馈装置，所以精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环数控系统具有工作稳定，反应迅速，调试方便，维修简单，价格低廉等优点，在精度和速度要求不高，驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但是长期运行或启动及结束时易产生丢步和超步的现象，很难提高加工精度。在我国，经济型数控机床一般都采用开环数控系统。

2 半闭环数控系统

半闭环数控系统的位置采样点是从驱动装置（常用伺服电机）或丝杠引出，通过采样旋转角度而不是采样运动部件的实际位置进行检测。因此，由丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的误差难以消除。半闭环数控系统闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可以获得稳定的控制性能，而机械传动环节带来的误差可用误差补偿的方法消除，因此仍可以获得比较满意的精度。这种系统结构简单，测试方便，精度也较高，因而在现代数控机床中得到了广泛的应用。

3 闭环数控系统

由于机械传动装置的刚性、摩擦阻尼等非线性因素和传动间隙等都不包括在半闭环伺服系统环内，因而其大部分传动间隙， 弹性变形，滚珠丝杠螺母的误差及滞后都对机床精度产生影响。为了解决这些问题，闭环数控系统应运而生。闭环数控系统的位置采样点如图1所示，是从机床运动部件上直接引出，通过采样运动部件的实际位置进行检测，可以消除整个放大和传动环节的误差、间隙和失动，因而具有很高的位置控制精度。但是由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环数控系统的设计、安装和调试都相当困难。闭环数控系统主要应用于精度要求很高的精镗床、超精车床、超精磨床等。

4 包含工件在内的全闭环数控系统

检测装置采样工作台的实际位置的闭环数控系统，无法在现场环境下根据外部干扰和随机因素实时动态调整加工余量，从而影响加工精度，尺寸分散性大。包含工件在内的全闭环数控系统，在线检测技术使在线检测系统与机床、刀具、工件组成一个全闭环系统，在线检测系统将测得的工件尺寸信号与反馈给数控机床，控制刀具进给，从而保证工件加工精度。如图2所示，数控系统在线检测系统由传感器、调理电路、驱动系统和单片机控制系统组成。研究设计此系统重点是解决检测装置，要求检测装置要有较好的动态性能，而动态性能主要是它的频率特性。

在线检测技术有着很明显的优点：

1）采用在线检测系统前，在机床正常情况下，加工尺寸的保证主要靠工人的技术及经验和机床的性能，工件的尺寸变化范围较大，不稳定，容易出现不合格品；采用在线检测系统后，通过在线检测系统控制机床加工，提高了产品精度，从而使得不合格率大大降低，有效地保证产品质量，并降低了成本。

2）实现了加工中的自动测量，大大减少了测量时间，同时避免了由多次装夹所引起的误差，可使自动化程度提高，劳动生产率提高，并大大降低了操作人员的劳动强度。

3）节约了资金，提高了效益。

包含工件在内的全闭环数控系统有着广阔的发展前景，但是应用范围迄今为止仍以磨削为主，在其他切削加工中应用还是有限。

5 结束语

中国的制造业要实现从大国到强国，从低端到高端，数控技术是关键技术，具有高精度、高效率、柔性自动化等特点，对制造业实现柔性自动化、集成化、智能化起着举足轻重的作用。我国的数控技术的发展呈现出前所未有的广阔前景，但与国外发达国家相比水平还较低，所以，大力发展数控技术，振兴机床行业，具有重大的现实意义和深远意义。

参考文献

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注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。