數控系統是數字控制系統的簡稱,根據計算機儲存器中儲存的控制程式,執行部分或全部數值控制功能,並配有介面電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。計算機數控（CNC）系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。CNC系統根據計算機儲存器中儲存的控制程式，執行部分或全部數值控制功能，並配有介面電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。CNC系統由數控程式、輸入裝置、輸出裝置、計算機數控裝置（CNC裝置）、可程式設計邏輯控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統的核心是CNC裝置。由於使用了計算機，系統具有了軟體功能，又用PLC代替了傳統的機床電器邏輯控制裝置，使系統更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易於實現複雜的數控功能，使用、維護也方便，並具有與上位機連線及進行遠端通訊的功能。基本構成目前世界上的數控系統種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源於系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對於T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用於迴轉體零件加工，後者適合於異形非迴轉體的零件加工。對於不同的生產廠家來說，基於歷史發展因素以及各自因地而異的複雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋，使之有利於系統工作的可靠性，促使系統的平均無故障率不斷提高。 數控系統的基本原理和構成都是十分相似。 數控系統一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。 控制系統按加工工件程式進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，並反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。 控制系統主要由匯流排、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程式控制器邏輯控制單元以及資料輸入/輸出介面等組成。還包括一個通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部資料通訊和外部高次網路的連線。 伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統主要是採用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。 硬體結構：數控系統的硬體由數控裝置、輸入/輸出裝置、驅動裝置和機床電器邏輯控制裝置等組成，這四部分之間透過I/O介面互連。數控裝置是數控系統的核心，其軟體和硬體來控制各種數控功能的實現。數控裝置的硬體結構按CNC裝置中的印製電路板的插接方式可以分為大板結構和功能模組（小板）結構；按CNC裝置硬體的製造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。 （1）大板結構和功能模板結構 數控系統 1）大板結構 大板結構CNC系統的CNC裝置由主電路板、位置控制板、PC板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印製電路版，其它電路板是小板，插在大印製電路板上的插槽內。這種結構類似於微型計算機的結構。 2）功能模組結構 （2）單微處理器結構和多微處理器結構 1）單微處理器結構 在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。 2）多微處理器結構 隨著數控系統功能的增加、數控機床的加工速度的提高，單微處理器數控系統已不能滿足要求，因此，許多數控系統採用了多微處理器的結構。若在一個數控系統中有兩個或兩個以上的微處理器，每個微處理器透過資料匯流排或通訊方式進行連線，共享系統的公用儲存器與I/O介面，每個微處理器分擔系統的一部分工作，這就是多微處理器系統。 軟體結構：CNC軟體分為應用軟體和系統軟體。CNC系統軟體是為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟體，也叫控制軟體，存放在計算機EPROM記憶體中。各種CNC系統的功能設定和控制方案各不相同，它們的系統軟體在結構上和規模上差別很大，但是一般都包括輸入資料處理程式、插補運算程式、速度控制程式、管理程式和診斷程式。 （1）輸入資料處理程式：它接收輸入的零件加工程式，將標準程式碼表示的加工指令和資料進行譯碼、資料處理，並按規定的格式存放。有的系統還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入資料處理程式包括輸入、譯碼和資料處理三項內容。 （2）插補計算程式：CNC系統根據工件加工程式中提供的資料，如曲線的種類、起點、終點等進行運算。根據運算結果，分別向各座標軸發出進給脈衝。這個過程稱為插補運算。進給脈衝透過伺服系統驅動工作臺或刀具作相應的運動，完成程式規定的加工任務。CNC系統是一邊插補進行運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以，插補運算的快慢直接影響機床的進給速度，因此應該儘可能地縮短運算時間，這是編制插補運算程式的關鍵。 (3)速度控制程式：速度控制程式根據給定的速度值控制插補運算的頻率，以保預定的進給速度。在速度變化較大時，需要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成驅動系統失步。 (4)管理程式：管理程式負責對資料輸入、資料處理、插補運算等為加工過程服務的各種程式進行排程管理。管理程式還要對面板命令、時鐘訊號、故障訊號等引起的中斷進行處理。 (5)診斷程式 ：診斷程式的功能是在程式執行中及時發現系統的故障，並指出故障的型別。也可以在執行前或故障發生後，檢查系統各主要部件（CPU、儲存器、介面、開關、伺服系統等）的功能是否正常，並指出發生故障的部位。 基本分類運動軌跡分類： （1）點位控制數控系統 ： 數控系統控制工具相對工件從某一加工點移到另一個加工點之間的精確座標位置,而對於點與點之間移動的軌跡不進行控制，且移動過程中不作任何加工。這一類系統的裝置有數控鑽床、數控座標鏜床和數控衝床等。 （2）直線控制數控系統 ：不僅要控制點與點的精確位置，還要控制兩點之間的工具移動軌跡是一條直線，且在移動中工具能以給定的進給速度進行加工，其輔助功能要求也比點位控制數控系統多，如它可能被要求具有主軸轉數控制、進給速度控制和刀具自動交換等功能。此類控制方式的裝置主要有簡易數控車床、數控鏜銑床等。 （3）輪廓控制數控系統 ：這類系統能夠對兩個或兩個以上座標方向進行嚴格控制，即不僅控制每個座標的行程位置，同時還控制每個座標的運動速度。各座標的運動按規定的比例關係相互配合，精確地協調起來連續進行加工，以形成所需要的直線、斜線或曲線、曲面。採用此類控制方式的裝置有數控車床、銑床、加工中心、電加工機床和特種加工機床等。 伺服系統分類； 按照伺服系統的控制方式，可以把數控系統分為以下幾類： （1）開環控制數控系統 ：這類數控系統不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的指令進給脈衝經驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電／斷電的電流脈衝訊號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構(齒輪箱，絲槓等)帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，被廣泛應用於經濟型數控系統中。 （2）半閉環控制數控系統 ：位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲槓軸端，透過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際執行位置(直線位移)，並將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制，其控制框圖如圖4所示。由於閉環的環路內不包括絲槓、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節，由這些環節造成的誤差不能由環路所矯正，其控制精度不如閉環控制數控系統，但其除錯方便，可以獲得比較穩定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛採用。 （3）全閉環控制數控系統 ：位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際執行位置(直線位移)，並將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由於它將絲槓、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節放在閉環內，除錯時，其系統穩定狀態很難達到。 功能水平分類： （1）經濟型數控系統 ：又稱簡易數控系統，通常僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件，採用的微機系統為單板機或微控制器系統，如：經濟型數控線切割機床，數控鑽床，數控車床，數控銑床及數控磨床等。 （2）普及型數控系統 ：通常稱之為全功能數控系統，這類數控系統功能較多，但不追求過多，以實用為準。 （3）高檔型數控系統 ：指加工複雜形狀工件的多軸控制數控系統，且其工序集中、自動化程度高、功能強、具有高度柔性。用於具有5軸以上的數控銑床，大、中型數控機床、五面加工中心，車削中心和柔性加工單元等。 工作流程： 1、輸入：零件程式及控制引數、補償量等資料的輸入，可採用光電閱讀機、鍵盤、磁碟、連線上級計算機的DNC 介面、網路等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、程式碼校驗和程式碼轉換等工作。 2、譯碼：不論系統工作在MDI方式還是儲存器方式，都是將零件程式以一個程式段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓資訊(如起點、終點、直線或圓弧等)、加工速度資訊(F 程式碼)和其他輔助資訊(M、S、T程式碼等)按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的資料形式，並以一定的資料格式存放在指定的記憶體專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程式段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。 3、刀具補償：刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程式以零件輪廓軌跡程式設計，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補償的工件還包括程式段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。 4、進給速度處理： 程式設計所給的刀具移動速度，是在各座標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動座標的分速度。在有些CNC裝置中，對於機床允許的最低速度和最高速度的限制、軟體的自動加減速等也在這裡處理。 5、插補：插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 資料點的密化 ”。插補程式在每個插補週期執行一次，在每個插補週期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線資料段。通常，經過若干次插補週期後 ，插補加工完一個程式段軌跡，即完成從程式段起點到終點的“資料點密化”工作。 6、位置控制：位置控制處在伺服迴路的位置環上， 這部分工作可以由軟體實現， 也可以由硬體完成。它的主要任務是在每個取樣週期內，將理論位置與實際反饋位置相比較， 用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置迴路的增益調整、各座標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。 7、I/0 處理：I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關訊號，機床電氣訊號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋、冷卻等) 。 8、顯示：CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用於零件程式的顯示、引數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。 9、診斷： 對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和離線診斷。 數控系統所控制的是位置、角度、速度等機械量和開關量。
數控系統是數字控制系統的簡稱,根據計算機儲存器中儲存的控制程式,執行部分或全部數值控制功能,並配有介面電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。計算機數控（CNC）系統是用計算機控制加工功能，實現數值控制的系統。CNC系統根據計算機儲存器中儲存的控制程式，執行部分或全部數值控制功能，並配有介面電路和伺服驅動裝置的專用計算機系統。CNC系統由數控程式、輸入裝置、輸出裝置、計算機數控裝置（CNC裝置）、可程式設計邏輯控制器（PLC）、主軸驅動裝置和進給（伺服）驅動裝置（包括檢測裝置）等組成。CNC系統的核心是CNC裝置。由於使用了計算機，系統具有了軟體功能，又用PLC代替了傳統的機床電器邏輯控制裝置，使系統更小巧，其靈活性、通用性、可靠性更好，易於實現複雜的數控功能，使用、維護也方便，並具有與上位機連線及進行遠端通訊的功能。基本構成目前世界上的數控系統種類繁多，形式各異，組成結構上都有各自的特點。這些結構特點來源於系統初始設計的基本要求和工程設計的思路。例如對點位控制系統和連續軌跡控制系統就有截然不同的要求。對於T系統和M系統，同樣也有很大的區別，前者適用於迴轉體零件加工，後者適合於異形非迴轉體的零件加工。對於不同的生產廠家來說，基於歷史發展因素以及各自因地而異的複雜因素的影響，在設計思想上也可能各有千秋，使之有利於系統工作的可靠性，促使系統的平均無故障率不斷提高。 數控系統的基本原理和構成都是十分相似。 數控系統一般整個數控系統由三大部分組成，即控制系統，伺服系統和位置測量系統。 控制系統按加工工件程式進行插補運算，發出控制指令到伺服驅動系統；伺服驅動系統將控制指令放大，由伺服電機驅動機械按要求運動；測量系統檢測機械的運動位置或速度，並反饋到控制系統，來修正控制指令。這三部分有機結合，組成完整的閉環控制的數控系統。 控制系統主要由匯流排、CPU、電源、存貯器、操作面板和顯示屏、位控單元、可編程式控制器邏輯控制單元以及資料輸入/輸出介面等組成。還包括一個通訊單元，它可完成CNC、PLC的內部資料通訊和外部高次網路的連線。 伺服驅動系統主要包括伺服驅動裝置和電機。位置測量系統主要是採用長光柵或圓光柵的增量式位移編碼器。 硬體結構：數控系統的硬體由數控裝置、輸入/輸出裝置、驅動裝置和機床電器邏輯控制裝置等組成，這四部分之間透過I/O介面互連。數控裝置是數控系統的核心，其軟體和硬體來控制各種數控功能的實現。數控裝置的硬體結構按CNC裝置中的印製電路板的插接方式可以分為大板結構和功能模組（小板）結構；按CNC裝置硬體的製造方式，可以分為專用型結構和個人計算機式結構；按CNC裝置中微處理器的個數可以分為單微處理器結構和多微處理器結構。 （1）大板結構和功能模板結構 數控系統 1）大板結構 大板結構CNC系統的CNC裝置由主電路板、位置控制板、PC板、圖形控制板、附加I/O板和電源單元等組成。主電路板是大印製電路版，其它電路板是小板，插在大印製電路板上的插槽內。這種結構類似於微型計算機的結構。 2）功能模組結構 （2）單微處理器結構和多微處理器結構 1）單微處理器結構 在單微處理器結構中，只有一個微處理器，以集中控制、分時處理數控裝置的各個任務。 2）多微處理器結構 隨著數控系統功能的增加、數控機床的加工速度的提高，單微處理器數控系統已不能滿足要求，因此，許多數控系統採用了多微處理器的結構。若在一個數控系統中有兩個或兩個以上的微處理器，每個微處理器透過資料匯流排或通訊方式進行連線，共享系統的公用儲存器與I/O介面，每個微處理器分擔系統的一部分工作，這就是多微處理器系統。 軟體結構：CNC軟體分為應用軟體和系統軟體。CNC系統軟體是為實現CNC系統各項功能所編制的專用軟體，也叫控制軟體，存放在計算機EPROM記憶體中。各種CNC系統的功能設定和控制方案各不相同，它們的系統軟體在結構上和規模上差別很大，但是一般都包括輸入資料處理程式、插補運算程式、速度控制程式、管理程式和診斷程式。 （1）輸入資料處理程式：它接收輸入的零件加工程式，將標準程式碼表示的加工指令和資料進行譯碼、資料處理，並按規定的格式存放。有的系統還要進行補償計算，或為插補運算和速度控制等進行預計算。通常，輸入資料處理程式包括輸入、譯碼和資料處理三項內容。 （2）插補計算程式：CNC系統根據工件加工程式中提供的資料，如曲線的種類、起點、終點等進行運算。根據運算結果，分別向各座標軸發出進給脈衝。這個過程稱為插補運算。進給脈衝透過伺服系統驅動工作臺或刀具作相應的運動，完成程式規定的加工任務。CNC系統是一邊插補進行運算，一邊進行加工，是一種典型的實時控制方式，所以，插補運算的快慢直接影響機床的進給速度，因此應該儘可能地縮短運算時間，這是編制插補運算程式的關鍵。 (3)速度控制程式：速度控制程式根據給定的速度值控制插補運算的頻率，以保預定的進給速度。在速度變化較大時，需要進行自動加減速控制，以避免因速度突變而造成驅動系統失步。 (4)管理程式：管理程式負責對資料輸入、資料處理、插補運算等為加工過程服務的各種程式進行排程管理。管理程式還要對面板命令、時鐘訊號、故障訊號等引起的中斷進行處理。 (5)診斷程式 ：診斷程式的功能是在程式執行中及時發現系統的故障，並指出故障的型別。也可以在執行前或故障發生後，檢查系統各主要部件（CPU、儲存器、介面、開關、伺服系統等）的功能是否正常，並指出發生故障的部位。 基本分類運動軌跡分類： （1）點位控制數控系統 ： 數控系統控制工具相對工件從某一加工點移到另一個加工點之間的精確座標位置,而對於點與點之間移動的軌跡不進行控制，且移動過程中不作任何加工。這一類系統的裝置有數控鑽床、數控座標鏜床和數控衝床等。 （2）直線控制數控系統 ：不僅要控制點與點的精確位置，還要控制兩點之間的工具移動軌跡是一條直線，且在移動中工具能以給定的進給速度進行加工，其輔助功能要求也比點位控制數控系統多，如它可能被要求具有主軸轉數控制、進給速度控制和刀具自動交換等功能。此類控制方式的裝置主要有簡易數控車床、數控鏜銑床等。 （3）輪廓控制數控系統 ：這類系統能夠對兩個或兩個以上座標方向進行嚴格控制，即不僅控制每個座標的行程位置，同時還控制每個座標的運動速度。各座標的運動按規定的比例關係相互配合，精確地協調起來連續進行加工，以形成所需要的直線、斜線或曲線、曲面。採用此類控制方式的裝置有數控車床、銑床、加工中心、電加工機床和特種加工機床等。 伺服系統分類； 按照伺服系統的控制方式，可以把數控系統分為以下幾類： （1）開環控制數控系統 ：這類數控系統不帶檢測裝置，也無反饋電路，以步進電動機為驅動元件。CNC裝置輸出的指令進給脈衝經驅動電路進行功率放大，轉換為控制步進電動機各定子繞組依此通電／斷電的電流脈衝訊號，驅動步進電動機轉動，再經機床傳動機構(齒輪箱，絲槓等)帶動工作臺移動。這種方式控制簡單，價格比較低廉，被廣泛應用於經濟型數控系統中。 （2）半閉環控制數控系統 ：位置檢測元件被安裝在電動機軸端或絲槓軸端，透過角位移的測量間接計算出機床工作臺的實際執行位置(直線位移)，並將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制，其控制框圖如圖4所示。由於閉環的環路內不包括絲槓、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節，由這些環節造成的誤差不能由環路所矯正，其控制精度不如閉環控制數控系統，但其除錯方便，可以獲得比較穩定的控制特性，因此在實際應用中，這種方式被廣泛採用。 （3）全閉環控制數控系統 ：位置檢測裝置安裝在機床工作臺上，用以檢測機床工作臺的實際執行位置(直線位移)，並將其與CNC裝置計算出的指令位置(或位移)相比較，用差值進行控制。這類控制方式的位置控制精度很高，但由於它將絲槓、螺母副及機床工作臺這些大慣性環節放在閉環內，除錯時，其系統穩定狀態很難達到。 功能水平分類： （1）經濟型數控系統 ：又稱簡易數控系統，通常僅能滿足一般精度要求的加工，能加工形狀較簡單的直線、斜線、圓弧及帶螺紋類的零件，採用的微機系統為單板機或微控制器系統，如：經濟型數控線切割機床，數控鑽床，數控車床，數控銑床及數控磨床等。 （2）普及型數控系統 ：通常稱之為全功能數控系統，這類數控系統功能較多，但不追求過多，以實用為準。 （3）高檔型數控系統 ：指加工複雜形狀工件的多軸控制數控系統，且其工序集中、自動化程度高、功能強、具有高度柔性。用於具有5軸以上的數控銑床，大、中型數控機床、五面加工中心，車削中心和柔性加工單元等。 工作流程： 1、輸入：零件程式及控制引數、補償量等資料的輸入，可採用光電閱讀機、鍵盤、磁碟、連線上級計算機的DNC 介面、網路等多種形式。CNC裝置在輸入過程中通常還要完成無效碼刪除、程式碼校驗和程式碼轉換等工作。 2、譯碼：不論系統工作在MDI方式還是儲存器方式，都是將零件程式以一個程式段為單位進行處理，把其中的各種零件輪廓資訊(如起點、終點、直線或圓弧等)、加工速度資訊(F 程式碼)和其他輔助資訊(M、S、T程式碼等)按照一定的語法規則解釋成計算機能夠識別的資料形式，並以一定的資料格式存放在指定的記憶體專用單元。在譯碼過程中，還要完成對程式段的語法檢查，若發現語法錯誤便立即報警。 3、刀具補償：刀具補償包括刀具長度補償和刀具半徑補償。通常CNC裝置的零件程式以零件輪廓軌跡程式設計，刀具補償作用是把零件輪廓軌跡轉換成刀具中心軌跡。目前在比較好的CNC裝置中，刀具補償的工件還包括程式段之間的自動轉接和過切削判別，這就是所謂的C刀具補償。 4、進給速度處理： 程式設計所給的刀具移動速度，是在各座標的合成方向上的速度。速度處理首先要做的工作是根據合成速度來計算各運動座標的分速度。在有些CNC裝置中，對於機床允許的最低速度和最高速度的限制、軟體的自動加減速等也在這裡處理。 5、插補：插補的任務是在一條給定起點和終點的曲線上進行“ 資料點的密化 ”。插補程式在每個插補週期執行一次，在每個插補週期內，根據指令進給速度計算出一個微小的直線資料段。通常，經過若干次插補週期後 ，插補加工完一個程式段軌跡，即完成從程式段起點到終點的“資料點密化”工作。 6、位置控制：位置控制處在伺服迴路的位置環上， 這部分工作可以由軟體實現， 也可以由硬體完成。它的主要任務是在每個取樣週期內，將理論位置與實際反饋位置相比較， 用其差值去控制伺服電動機。在位置控制中通常還要完成位置迴路的增益調整、各座標方向的螺距誤差補償和反向間隙補償，以提高機床的定位精度。 7、I/0 處理：I/O 處理主要處理CNC裝置面板開關訊號，機床電氣訊號的輸入、輸出和控制(如換刀、換擋、冷卻等) 。 8、顯示：CNC裝置的顯示主要為操作者提供方便，通常用於零件程式的顯示、引數顯示、刀具位置顯示、機床狀態顯示、報警顯示等。有些CNC裝置中還有刀具加工軌跡的靜態和動態圖形顯示。 9、診斷： 對系統中出現的不正常情況進行檢查、定位，包括聯機診斷和離線診斷。 數控系統所控制的是位置、角度、速度等機械量和開關量。