普及型和全功能型CNC机的比较

2023-06-25 理论教育版权反馈

【摘要】：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[2]。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。

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，来进行的分类，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^[2]。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的一般组成如图1.2-4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。

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。

图1.2-4 普及型CNC的组成

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。

目前，全功能型CNC一般都采用了网络控制技术，以FS-0iD为例，其组成如图1.2-5所示。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。

图1.2-5 FS-0iD的系统组成

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进行位置控制是全功能型CNC的最大特点，因此，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，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。

普及型和全功能型CNC机的比较

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