一、CNC机床与CNC系统
CNC，即计算机数值控制，是现代制造业中的核心技术。它通过计算机程序对机床运动进行精确控制，实现高效、高精度的加工需求。CNC系统不仅提升了机床的性能，还为制造业的数字化转型奠定了坚实基础。
1．CNC机床的应用
在金属切削领域，CNC机床能高效完成孔加工、攻丝、镗削、铣削、车削等多种工序。同时，它还能进行切螺纹、切平面、轮廓加工等精细操作，以及平面磨削、外圆磨削、内圆磨削等磨削作业。
（2）线电极切割机。
（3）冲床、步冲、冲压机床，以及金属成型和弯管等机床。
（4）产业机器人。
（5）注塑机。
（6）检测、测量机。
（7）木工机械。
（8）特殊材料加工机械，涵盖石材、玻璃、发射性矿料等多种材料的加工需求。
（9）特种加工机械。
这一类别涵盖了激光加工机、气体切割机、焊接机、制图机以及印刷机等多种设备。如今，随着电子技术、计算机技术以及IT技术的飞速发展，这些机床与加工设备都已实现了数值数据的精准控制，即所谓的CNC控制技术。
2．CNC系统
CNC系统，即计算机数值控制系统，是现代机床的核心控制技术。它融合了电子、计算机及IT等多学科知识，实现了对机床的高精度、高效率控制。一个完整的CNC系统通常包含以下几个核心组件：
⑴ CNC控制单元，也被称为数值控制器部分，是CNC系统的核心，负责接收并解析程序指令，输出控制信号给伺服驱动单元和主轴驱动单元。
⑵ 伺服驱动单元和进给伺服电动机，共同负责机床的精确运动控制。伺服驱动单元接收CNC控制单元的指令，并驱动进给伺服电动机进行高速、高精度的运动。
⑶ 主轴驱动单元和主轴电动机，则负责机床主轴的旋转控制。主轴驱动单元同样接收CNC控制单元的指令，通过驱动主轴电动机，实现主轴的精确旋转和切削力的控制。
⑷ PMC（PLC）控制器，即逻辑控制器，用于处理机床的逻辑控制信号，如机床的开关、报警等信号的处理。
⑸ 机床强电柜（包括刀库）控制信号的输入/输出（I/O）单元，负责机床与外部设备的信号交互，如刀库的选择、切换等操作的控制。
⑹ 机床的位置测量与反馈单元，这一功能通常被集成在伺服驱动单元之中。它负责实时监测机床的位置信息，并将这些数据反馈给CNC控制单元，以确保机床运动的精确性和稳定性。
⑺ 外部轴（机械）控制单元主要负责驱动如刀库、交换工作台以及上下料机械手等设备，确保这些机械部件能够协同工作，从而提升机床的整体性能。
⑻ 信息输入/输出设备，如电脑、磁盘机、存储卡、键盘，以及专为特定需求设计的专用信息设备等。
⑱．网络。这涵盖了诸如以太网、HSSB（高速数据传输口）、RS-232C口等网络技术，以及加工现场所采用的局域网。CNC单元，作为机床的控制核心，其硬件构成实际上是一台专为机床控制而设计的微型计算机。这张图详细展示了CNC设备的基本硬件模块、控制功能模块，以及一台实际控制器硬件的内部构造。
二．机床的运动坐标及进给轴
在机床执行加工切削任务时，会依赖多个运动轴来完成进给动作，这些轴被称为进给轴。机床启动后，会以机床零点为基准，建立起一个机械坐标系（直角坐标系），每个运动轴在这个坐标系中都有其对应的坐标。这些轴不仅包括直线运动的轴，还有回转运动的轴。国际标准ISO对坐标轴的方向和名称有着明确的规定，例如Z轴的正方向通常设定为机床主轴的方向。
在CNC控制中，程序员会使用特定的程序命令来控制这些坐标轴的运动，如X、Y、Z、U、V、W、A、B、C等指令。这些指令不仅规定了被控坐标轴的运动距离和方向，还设定了运动速度。例如，G01 X120 Y-300 F1000这条指令，就意味着X轴和Y轴需要协同运动，按照设定的路径和速度进行直线加工。
三．CNC插补与位置控制指令的输出
接下来，我们将探讨CNC系统中的插补技术以及位置控制指令的输出方式。这些技术对于确保机床能够精确、高效地完成加工任务至关重要。
1．轨迹运动的插补计算——插补器
CNC系统负责对机床的坐标运动进行精确控制，其控制原理基于位置量控制系统。在加工过程中，需要同步控制多个轴的联动，计算运动轨迹（即加工轮廓），并确保高精度的运动和定位，包括动态轮廓几何精度和静态位置几何精度。此外，还需考虑各轴的移动量、速度、方向，以及起/制动过程（加速/降速）和移动分辨率。
现代CNC系统采用纯电气控制系统，其中进给轴的移动由伺服电动机驱动，并通过伺服放大器获得动力。伺服放大器的工作受到CNC插补器的分配输出信号的精准控制。
在执行加工任务时，CNC系统会依据事先编制的加工程序指令来控制机床进给轴的运动。这些程序指令是根据零件轮廓分段编制的，每段指令对应一段特定形状的轮廓。不同的轮廓形状需要使用不同的程序指令，例如G01用于直线运动，G02和G03分别用于顺时针和逆时针圆弧运动，而G32（或G33）则用于螺纹加工等。
然而，在一段加工指令中，我们通常只编写该段走刀的终点信息。例如，对于X-Y平面上的圆弧加工，我们仅需在程序中指定终点的坐标值，如X100和Y-200，并辅以相应的轮廓指令G02。由于起点通常在前一段指令中已给出，即前段的终点，因此，在加工过程中，CNC控制器或计算机处理器仅需知道起点和终点的坐标值。
为了确定刀具在加工过程中的精确轨迹，处理器必须计算出起点和终点之间的各个中间点的坐标值。这涉及到依据轮廓指令和已知的起点、终点坐标进行复杂的数学计算。处理器将计算出在执行该段指令时，刀具沿X轴和Y轴同时移动的各个中间点的位置，从而形成期望的工件轮廓。
此外，程序中还需指定运动速度，即加工速度，如F500（mm/min）。在位置计算时，处理器会根据轮廓位置算出对应点的刀具运动方向速度。例如，对于圆弧加工，处理器会分别计算出沿X轴和Y轴各点的对应速度。
完成上述运算的机构被称为插补器。插补器每次运算称为一个插补周期，通常为8ms。对于复杂型面的加工，插补器会使用高速CPU来缩短插补周期，目前可达2ms。一个程序段可能会分多个插补周期来执行，这取决于轮廓的形状和尺寸。
在执行上例中的程序段指令时，插补器会进行顺时针圆弧的插补运算。这是通过执行以圆弧计算公式为基础的插补子程序来实现的。在计算过程中，插补器会不断地判断刀具是否已到达终点或是否存在超差情况。同时，它还会根据进给当量和速度指令来控制刀具的进给速度和方向。
CNC系统控制软件中包含了众多插补子程序，这些子程序与工件形状的几何元素一一对应，从而确保了刀具能够进行精确的几何运动。这些运动通过G代码进行控制，如G01、G02、G03等，它们分别代表不同的运动指令。此外，还有一些子程序是根据加工工艺需求来控制刀具运动的。G代码的丰富程度直接决定了CNC系统的功能强弱。在CNC系统控制软件的编译方面，通常会使用汇编语言来确保程序的精确性和效率。值得注意的是，不同类型的机床可能会采用不同的CNC系统，其控制软件也会因此而有所不同。而插补器的硬件，作为CNC的主CPU，其性能直接影响着系统的插补运算速度和精度。当然，也存在纯硬件的插补器，其设计更为精简，但在高性能的CNC系统中，主CPU仍然是插补运算的核心。
2．插补脉冲的分配输出
在经过插补运算后，我们得到了加工所需工件形状在每个插补周期内各坐标轴的移动距离，这些数据以脉冲数形式呈现。例如，某个插补周期内X轴需进给25个脉冲，而Y轴则进给50个脉冲。这些脉冲序列被分别送至相应的坐标轴，作为其位置移动的指令。脉冲序列的正负号代表了指令轴的运动方向，而脉冲的频率则决定了轴的运动速度。这一分配过程由脉冲分配器完成。
为了减少加工冲击、提升加工精度和表面光洁度，在脉冲分配给进给轴之前，会对其进行加/减速处理。CNC系统提供了两种加/减速控制方式：插补前加/减速和插补后加/减速。插补后通常采用直线型或指数型加减速方法。指数型加减速的速度变化较为平稳，冲击较小，但速度指令可能存在滞后。而直线型加减速的速度变化迅速，若时间常数设置过小，可能造成冲击，影响机床稳定性，但加工出的零件轮廓可能与编程轮廓更为接近。插补前则多采用直线型加减速，以减小加工形状误差。
此外，为了进一步提高加工精度和速度，CNC软件还开发了预读/预处理多个程序段、精细加减速等功能。
3．刀具偏置及补偿
在上述插补运算中，我们计算的是工件轮廓所需的位置脉冲，这些脉冲代表了刀具中心点的理想运行轨迹。然而，由于实际使用的刀具具有半径和长度，刀具中心点无法直接按照理想轨迹进行加工。因此，我们需要根据实际刀具的尺寸，通过CNC系统进行偏置及补偿计算，得出实际刀具中心的运行轨迹。这样，我们就能更精确地控制刀具的移动，确保加工出符合工件轮廓要求的形状。这一功能被称为“刀具的偏置及补偿”。
⑴．刀具半径偏置与补偿
在CNC加工中，由于刀具的实际尺寸与理想轨迹存在差异，因此需要进行刀具半径的偏置与补偿计算。通过G指令（如G41和G42），我们告诉CNC插补器执行这一计算。插补器会根据刀具的实际半径，计算出刀具中心的实际轨迹，从而精确控制刀具的移动。在编程时，我们还会将每个轴的补偿脉冲发送给相应的进给轴。同时，必须将实际刀具的半径值预先输入至刀具补偿存储器中。
此外，对于刀具长度的补偿也是非常重要的。在加工前，我们需要以一把刀具为基准，测量其他使用刀具与基准刀具的长度差异，并将这些差异值按刀号输入刀具补偿存储器。在加工程序中，我们只需编入相应的刀具号，CNC系统便能根据刀号找到对应的长度差值进行补偿。
四．运动误差的补偿
在CNC加工中，由于各种因素可能导致运动误差的产生。为了确保加工精度，我们需要对运动误差进行补偿。具体方法包括对各坐标轴的误差进行测量和补偿值的输入等步骤。通过这些措施，我们可以有效地减小运动误差对加工精度的影响。
1．运动轴反向时的间隙补偿（失动量补偿）
在机床工作台的运动过程中，当从某一方向转变为相反方向时，由于滚珠丝杠与螺母之间的间隙或丝杠的变形，可能会丢失一些脉冲，这就是我们所说的失动量。为了补偿这种失动量，我们需要在机床上实际测量各轴在反向移动时的间隙量。然后，根据这些实测的间隙值，通过参数设定来确定补偿量，即补偿脉冲数（每脉冲代表1μm的移动）。这样，在工作台进行反向移动、执行CNC程序指令之前，CNC系统会将补偿脉冲通过脉冲分配器，以预先设定的速率输出到相应轴的伺服放大器中，从而实现对失动量的补偿。值得注意的是，反向间隙值与工作台的移动速度密切相关，因此，系统可以针对G00快速移动指令和进给速度（F）下的间隙进行分别补偿。
2．螺距误差补偿
由于机床使用的滚珠丝杠螺距存在误差，CNC系统具备对其进行的补偿功能。实际测量中，通常采用激光干涉仪来测定各进给轴滚珠丝杠的螺距误差，以机床零点为基准。系统会根据设定的参数，在特定间隔距离（如X轴每50mm或Z轴每20mm）设置补偿点。补偿值依据实际测量结果确定，以补偿脉冲个数表示，并存储在CNC的螺距误差补偿存储器中。补偿时，CNC实时检测进给轴的移动距离，并按照预设参数在相应补偿点输出补偿值，从而实现对螺距误差的精确补偿。此外，现代CNC系统还提供了双向螺距误差补偿功能，进一步提升了进给轴的移动精度。
五．信息、数据的输入、输出控制
CNC系统的信息与数据输入输出涉及多个方面，包括加工程序、功能参数、系统参数等。这些信息与数据通过专用的信息输入/输出操作设备进行传输与处理，确保了机床的高效与精准运行。
1．数据输入输出设备
CNC系统在数据输入输出方面，主要依赖于多种专用设备。这些设备包括：⑴键盘，通常为专为CNC设计的MDI键盘，用于向系统输入信息和数据，操控CNC单元；⑵机床操作面板，供操作人员直接操控机床的各种动作；⑶PC机，作为外部数据处理的桥梁；⑷软磁盘驱动器（Handyfile），以及⑸Panel-i和⑹Flash存储卡等，均为FANUC系统专用的数据存储与传输设备。每一种设备都配备了相应的驱动与控制程序，以确保数据的准确无误传输与处理。
2．数据传输接口
CNC控制器配备了多种数据传输接口，这些接口专为与外部数据设备连接而设计。通过这些接口，CNC系统能够高效地输入和输出数据，确保加工过程的顺畅进行。
（1）RS-232C接口：用于连接配备串行通讯口的设备，如PC机和软磁盘驱动器等。
（2）HSSB（高速串行数据总线）：它是一种高速数据传输技术，专为与PC机或Panel-i等设备连接而设计，能够高效地传输大量数据。
（3）I/O Link：这是一种基于RS-485的数据接口，源自日本的工业企业标准。它专为传输机床强电控制的I/O信号信息而设计，确保高效且稳定的数据传输。
（4）以太网。
（5）现场局部网络。接下来，我们将详细探讨（4）和（5）的内容。
3．显示器
显示器在数控系统中扮演着至关重要的角色，它负责实时显示系统的操作状态、运行结果以及加工仿真图形。如今，FANUC系统已全面采用LCD显示器，其小巧的体积和丰富的色彩显示能力使得加工件的仿真效果极为逼真，为操作人员提供了直观、生动的视觉体验。
六．网络及CNC加工的集中控制
机械加工厂的网络架构通常分为三个层级：厂级网、加工单元级网和现场网。厂级和加工单元级网目前多采用以太网技术，以确保数据的高效传输和处理的实时性。而对于加工现场网络，FANUC系统则提供了多种选择，包括Profibus-DP、Devicenet和FL-Net，具体选用哪种网络需根据实际情况搭配相应的网络板卡。
1．以太网在FANUC系统中的应用
FANUC的CNC-16i/18i/21i以及0i-C型号，均配备了三个不同功能的以太网接口：CNC主板内嵌的以太网口，外加网板和网卡。其中，网卡设计为即插即用，非常适合临时需求，例如调试梯形图或机床的进给伺服及主轴特性。网板则作为系统扩展板，配备了大量半导体存储器（最大可达1GB），可替代硬盘，主要用于与大型数据设备（如个人电脑）连接，进行大量数据的批量传输，这在模具加工等领域尤为适用。而CNC主板内嵌的以太网口，则主要用于单元控制，与单元控制主机相连。
2．现场网络的应用
现场网络主要负责与其他设备进行I/O控制信号信息的批量传送。在自动化生产线上，它发挥着至关重要的作用，与专用加工机械、装料/卸料机械、物料搬运机械以及清洗机械等设备进行信息（信号）的交互与联系。为了满足不同的需求和适应不同的地域环境，现场网络可选的技术标准包括Profibus-DP、Device-net和FL-net。FANUC为此提供了相应的网路板，并配备了专业的配套软件，以确保高效、稳定的网络通信。
七．3．CNC加工的集中控制
在现代化的机械加工工厂中，如汽车发动机制造厂，CNC机床不仅仅被用于单机运行，而是被集成到流水生产线中。这些生产线通常包括多台CNC机床，以及上/下料装置、物料传送机械、清洗机、翻转机、测量机、专用加工机等专用设备。这些机械通过网路连接，实现计算机集中管理。整个工厂的生产管理都基于加工单元的集中控制。
加工单元控制器由一台主计算机担任，负责集中控制多台CNC机床的运行。主计算机与CNC系统通过以太网连接，实现对多台CNC机床的集中控制。为了有效获取各CNC机床的信息与数据，主计算机需要具备多项功能，包括实时监视机床的运行状态、获取CNC与机床的信息与数据等。同时，主计算机还需要对各机床进行必要的控制，如下达加工运行指令、控制机床的暂停和急停等操作。此外，主计算机还需要负责信息与数据的下传，如加工程序、刀具信息等，并提供CNC机床的维护与维修指导信息。
最终用户可以在主计算机上自行开发集中控制软件，以实现生产管理、计划调度、加工现场监控和故障诊断等功能。这些软件的开发需要使用CNC系统的生产厂家提供的CNC信息库与通讯软件包作为基础。为了简化开发过程，FANUC提供了专门的工具软件FOCAS，以及单元控制器i-CELL作为商品。其中，i-CELL的功能框图展示了其强大的功能。如果CNC使用的PMC是SB7，还可以实现被控机床梯形图的传送与显示功能。
七．PMC与机床的强电控制
在CNC机床上，开机、停机，主轴的起动与停止，以及加工的开始、结束、中途停止等关键动作，都由接触器、继电器和阀等电气元件精确执行。这些控制信号之间有着严格的顺序和时序要求，彼此互锁，确保机床动作的精准与安全。与普通机床不同，CNC机床采用了更为先进的PMC（可编程机床控制器）逻辑控制。PMC实质上是PLC（可编程逻辑控制器）的一种，但FANUC的机床控制PLC经过专门优化，适用于机床控制，并配备了多条专用指令，因此被称为PMC。其程序采用梯形图格式，这种格式直观易懂，编程和操作都相对简便。一旦CNC启动，PMC程序便会随之运行，并与加工程序并行工作，实时监控机床状态和操作者输入信号，以确保各种动作的准确执行。在加工程序中，控制指令如M（辅助功能）、T（换刀）和B（第二辅助功能）的编制，也是PMC逻辑控制的重要组成部分。
信号及其地址
PMC将信号分为四种，根据其作用部位及方向进行区分：
X：机床输入至PMC的信号，如操作员通过机床操作面板上的按钮、按键或开关输入的信号。
Y：PMC输出至机床，使机床产生强电动作的信号，例如主轴的正反向转动，以及润滑和冷却功能的开启与关闭。PMC通过处理梯形图程序来输出这些信号，从而控制机床的动作。
G：PMC输出至CNC的信号，这些信号中有些用于启动CNC的子程序，这些子程序是CNC控制软件的一部分，根据机床的实际动作设计。例如，急停信号（G8.4）、自动加工程序启动信号（G7.2）以及工作方式选择信号（G43.0~2）。此外，还有一些信号用于通知CNC改变或执行某种运行，例如辅助功能M或换刀功能T执行结束的通知信号（FIN）。
F：CNC输出至PMC的信号，这些信号反映CNC的运行状态，如报警状态（AL）和进给轴移动中的状态（MV）。另外，还有一些信号是CNC响应X（经过G）后的执行结果，用于通知PMC。PMC根据这些信号的具体情况做出相应处理。
在梯形图程序中，这些信号都必须被赋予地址。G和F信号的地址由CNC的系统软件预先设定，而X和Y信号的地址则可由PMC设计人员自行指定。X和Y信号通过CNC的I/O Link口与CNC单元连接，另一端则与电器元件的电缆线相连。
2. 内部寄存器的应用
在编写PMC程序时，为了有效管理和存储数据或信号，PMC利用了多种内部寄存器，包括R、K、D、T、C和A。这些寄存器各有其特定的功能：
R：中间寄存器，可灵活使用，用于暂存数据。
K：保持型寄存器，其存储的内容由电池备份，常用于存储关键数据。
D：数据存储器，如用于存储刀具信息、主轴变速信息等。
T：定时器，专门用于存储定时时间。
C：计数器，存储计数器的预设值和实际计数值。
A：显示信息寄存器，用于存储需要显示的信息字符。
3. 功能指令
在编制机床的PMC（PLC）控制逻辑时，我们必须深入理解所控制的机床动作及其各个细节的时序。这意味着，我们需要将实现该动作的每一个子步骤（或细微动作）按照先后顺序列出，并估算出必要的执行时间。同时，还需考虑各动作间的相互关系、互锁和解锁条件，以及执行PMC指令的电器元件。PMC逻辑正是通过PMC指令（或语言）将这些细微动作的执行顺序直观地表示出来。
不同的系统制造厂可能采用不同的PMC逻辑程序格式，但常用的主要有两种：语句表和梯形图。例如，FANUC的PMC逻辑程序就采用了梯形图格式，这种格式直观易懂，与机床的继电器逻辑图相似，因此非常便于理解。此外，PMC语言还包含了许多专用指令，即功能指令，这些指令使得逻辑图的编制更加简洁。虽然FANUC PMC的功能指令多达50余条，但实际常用的大约只有20条左右，如定时器、计数器、回转指令以及译码器等。接下来，我们将展示功能指令的格式和部分功能指令集。
4. 梯形图
5. PMC的执行
在CNC开机后，CNC与PMC会同时开始运行。当PMC接收到机床操作者发出的X信号，要求CNC执行某项操作，例如启动自动加工程序时，这个X信号会被送到梯形图中的G7.2。一旦CNC接收到这个指令，它就会知道需要执行的是自动循环启动子程序，并立即开始执行。在执行过程中，CNC会输出F0.5来通知PMC，它正处于运行加工程序的状态。
如果CNC在执行加工程序时遇到了M、T等指令，它会将这些指令译码后，以F信号地址的形式送往PMC。例如，M代码会被送到F10~F13。PMC在处理这些指令时（包括译码、顺序和互锁），会通过某个Y地址将指令送到强电柜，由执行元件（如继电器）来执行所需的控制动作。
在执行M、T等指令时，PMC必须返回一个完成信号FIN给CNC。这是因为，如果M指令所在的零件加工程序的程序段中包含了进给轴运动指令，那么在被控轴完成要求的移动量后，CNC需要判断PMC是否已经完成了CNC赋予的动作。因此，PMC在执行这些指令时必须提供反馈信号。当CNC收到这个完成信号时，它就可以继续读取下一段程序并执行下一个程序段。
接下来，我们将探讨进给伺服轴的控制。
机床工作台（包括转台）的进给由伺服机构驱动，目前普遍采用电气化方式，即通过伺服电动机，多数情况下为同步电动机，进行驱动。电动机与滚珠丝杠直接相连（如上图所示），从而缩短了传动链，减少了运动损失，并实现了迅速响应，确保了高精度。机床的进给伺服系统属于位置控制类型。其输入端接收来自CNC插补器的位置脉冲，这些脉冲在每个插补周期内串行输出，表示位置的移动量（通常为1μm）、进给速度以及进给方向。脉冲直接送往各伺服轴的指令输入口。虽然上图只展示了一个进给轴，但实际机床可能包含多个轴，其控制原理相同。当几个轴在同一插补周期内接收插补指令时，由于进给量、速度和方向的不同，它们的合成运动将形成曲线，刀具将遵循此曲线轨迹，从而加工出所需的工件轮廓。进给伺服系统的要求不仅限于静态特性，如停止时的定位精度和稳定性，更重要的是其伺服刚性、响应性、运动稳定性和高分辨率。只有这样，才能实现高速、高精度的加工，并产出表面光滑、质量上乘的工件。
伺服系统的结构类型
伺服系统主要分为开环和闭环两种结构。
开环伺服系统：这种系统没有位置反馈，通常由步进电动机驱动。由于缺乏速度和位置反馈，其跟随精度和响应性相对较差，导致加工精度和效率不高。
闭环伺服系统：与开环系统不同，闭环系统具备被控元件的位置反馈。它由伺服电动机（常与滚珠丝杠直接相连）作为执行元件，并配备速度控制器和位置控制器。位置控制器负责接收CNC插补器的输出指令，从而实现对机床进给的精确控制。
2. 同步电动机
在闭环伺服系统中，目前普遍采用交流伺服电动机进行驱动，其中永磁式同步电动机占据多数。其结构特点在于转子由高导磁率的永久磁钢制成，通过轴承固定于机壳上，而轴的两端则支撑着编码器。定子则是由矽钢片叠成的导磁体，内表面设有齿槽，以嵌入三相绕组线圈。当定子通入三相交流电流时，产生的空间旋转磁场会吸引转子磁极同步旋转。
为了控制同步电动机的速度和电功率，系统使用逆变器进行驱动。逆变器中的功率驱动电路元件会根据转子磁场的位置实时换向，这一机制与直流电动机的转子绕组电流换向原理相似。因此，在电动机轴上（后端）安装的编码器至关重要，它能够实时检测转子磁场的位置，并将该位置信息反馈给控制电路。控制器根据这些信息实时控制逆变器的换向，从而实现伺服驱动器的自控换向功能。正因如此，这种同步电动机的驱动控制器与电动机常被合称为自换向同步电动机。同时，由于其控制特性类似于直流电动机，因此也被称为无整流子式直流电动机。
此外，为了进一步提高工作台的运动速度、加速度以及传动精度，近年来还出现了直线电动机。这种电动机直接安装在直线运动的工作台上，简化了传动链，实现了更高效的驱动方式。
3. 位置传感器和速度传感器
光电编码器：作为回转运动的测量元件，光电编码器常被安装在电动机轴或滚珠丝杠上，其直接测量的物理量是电动机或丝杠的旋转角度。这类编码器可分为增量式和绝对量式两种测量方式。
直线光栅尺：在测量直线运动部件的位置或位移时，直线光栅尺被广泛采用。它利用玻璃透射尺或金属基板反射尺工作，其原理与光电编码器相似。特别是透射式光栅尺，因其安装简便，可直接贴装在工作台侧面，因此得到广泛应用。
4. 伺服驱动器
控制同步伺服电动机运行的核心部件是交流逆变器，也被称为伺服驱动器。在FANUC系统中，这种驱动器被精心设计为两个模块：负责整流供电的PSM模块，以及负责伺服控制的SVM模块。这样的模块化设计，使得系统更加灵活可靠，便于维护和升级。
主轴的驱动控制
主轴的驱动控制是整个机床性能的关键因素之一。通过精确的驱动控制系统，可以实现对主轴转速、转向以及输出扭矩的精确控制，从而确保机床在加工过程中的稳定性和精度。这一环节对于提高产品质量、降低废品率具有重要意义。
控制框图
主轴的控制核心在于其速度和电动机转速的精准把控。在编程过程中，我们通过指令如S和五位数值来设定主轴的转数。例如，指令S1200意味着主轴需以1200转的速度旋转。而M03和M04指令则分别用于控制主轴的正转和反转。为了实时监测主轴的转速，我们会在主轴或其电动机上安装速度传感器。主轴速度与位置传感器
在主轴的速度控制中，我们使用安装在主轴电动机轴上的磁性传感器来进行速度测量和反馈。随着电动机的转动，传感器会发出一定数量的脉冲，这些脉冲的数量取决于电动机的型号，可能是128、256、384或512个。通过计算这些脉冲，我们可以得出主轴电动机的转数。然而，如果电动机与主轴之间不是1:1的耦合关系，那么我们必须在主轴上安装位置编码器来测量主轴的转数。这种编码器通常是光电式的，每转发出1024个脉冲，同时还发出一个一转信号。利用这种编码器，我们可以实现螺纹加工、刚性攻丝以及加工中心机床换刀时的主轴定向功能。主轴电动机
主轴驱动的电动机主要分为异步电动机和同步电动机两种类型。异步电动机以其制造简便、可靠性高以及出色的高速运转性能而受到广泛使用，例如，FANUC系统就采用了这种电动机。而同步电动机在低速状态下表现出色，具有优异的控制性能和大力矩特性，同时还能实现宽范围的恒功率调速。在加工铝件和轻金属件时，由于主轴转数要求较高，异步电动机通常是首选。但在加工铸铁或钢件时，由于主轴转速较低，且某些加工方式如Cs轴方式在低速时需要大力矩，因此同步电动机则更为合适。近年来，随着机械设计的发展，为了提升加工精度，驱动电动机已直接与机床主轴相连，这使得同步电动机在主轴驱动领域的应用日益广泛，特别是在内装主轴电动机方面，同步电动机已成为主流选择。主轴电动机驱动放大器
主轴电动机的控制方式与伺服电动机类似，但通常仅涉及速度控制，无需位置环。以下为FANUC主轴电动机驱动器的结构示意图，它包含两个主要模块：PSM和SPM。PSM作为电源模块，其功能是将输入的交流电源转换为直流电源，为逆变器提供供电。而SPM逆变器模块则负责将直流电源进一步转换为三相交流电，为电动机的定子供电。外部轴的控制
伺服电动机不仅用于驱动主轴，还可控制机床或其他辅助机械设备的动作，如换刀机械手、交换工作台等。PowerMate i是一种常用的位置运动控制器，它能够独立或协调地控制各个轴的运动，使某一轴以特定速度到达指定位置或移动特定距离。此外，FANUC的PowerMate i D还提供了两轴连动的插补功能，以满足不同的应用需求。
OpenCNC
为了增强CNC的开放性，FANUC开发了OpenCNC系统。它通过在普通CNC基础上增加通用微计算机的功能来实现这一目标。OpenCNC的结构包括普通PC机与CNC的结合，以及Panel i与CNC的集成。这种设计使得CNC系统更加灵活且易于升级。
操作向导
为了协助机床操作员编写加工程序，CNC控制器通常配备了在机编程功能。这种功能根据所配软件包的不同而有所差异，但大多数都采用图形化引导方式。例如，FANUC的Manualguider i就提供了强大的功能，包括图形化界面和直观的操作引导。
图像引导的固定加工循环编程；
图像引导的任意轮廓线形状工件程序编制；
G代码提示功能；
M代码提示功能；
计算功能。
十三. CNC的显示画面
CNC的显示画面与MDI键盘上的功能键一一对应，包括：
POS：位置显示，实时展示机床当前位置；
PROG：程序画面，用于查看和编辑加工程序；
OFFSET/SETTING：刀具偏置补偿与设置，方便进行刀具调整；
SYSTEM：系统参数、PMC、软硬件配置及功能调试的综合画面；
MESSAGE：报警、操作信息及履历查看，及时了解机床状态；
GRAPH：刀具轨迹与工件形状的图形模拟，直观展示加工过程。
十四. 机床的工作方式
CNC系统为机床操作提供了多种工作方式，包括：
MDI：手动数据输入，适用于无需程序控制的机床手动操作和参数输入/输出；
EDIT：程序编辑，用于创建和修改加工程序；
MEM：程序运行，执行存储在存储器中的加工程序；
JOG：手动摇柄或开关操作，精确控制机床工作台和刀具的移动；
HANDLE：电子手轮操作，实现机床工作台和刀具的精细移动；
REF：参考点回归，确保机床回到预设的参考位置。