1.2　数控机床的工作原理、组成与分类

1.2.1　数控机床的工作原理

数控机床是一种高度自动化的机床，在加工工艺与加工表面形成方法上和普通机床基本相同，最根本的不同在于实现自动化控制的原理与方法上：数控机床是用数字化的信息来实现自动控制的。

在普通机床上加工零件是由操作者根据零件图的要求，不断改变刀具与工件之间相对运动轨迹，由刀具对工件进行切削而加工出来的。而在数控机床上加工零件时，首先将被加工零件图上的几何信息和工艺信息数字化。先根据零件加工图样的要求确定零件加工的工艺过程、工艺参数、刀具参数；再按数控机床规定采用的代码和程序格式，将与加工零件有关的信息，如工件的尺寸、刀具运动中心轨迹、位移量、切削参数（主轴转速、切削进给量、背吃刀量）以及辅助操作（换刀、主轴的正转与反转、切削液的开与关）等编制成数控加工程序；然后将程序输入到数控装置中，经数控装置分析处理后，向伺服系统发出执行指令，由伺服系统驱动机床移动部件运动，从而自动完成零件的加工。图1-1所示为数控机床的工作过程。

1.2.2　数控机床的基本组成

数控机床是典型的机电一体化产品，是集现代制造技术、自动控制技术、检测技术、计算机信息技术于一体的高效率、高精度、高柔性和高自动化的现代机械加工设备。数控机床的基本组成包括加工程序载体、数控装置、伺服驱动装置、机床主体和其他辅助装置。

1.加工程序载体 数控机床工作时不需要工人直接去操作机床。要对数控机床进行控制，必须编制加工程序。零件加工程序包含机床上刀具和工件的相对运动轨迹，工艺参数（如进给量、主轴转速等），以及辅助运动等内容。将零件加工程序用一定的格式和代码存储在一种程序载体上，如穿孔纸带、盒式磁带、软磁盘等，并通过数控机床的输入装置将程序信息输入到数控装置。

2.数控装置 数控装置是数控机床的核心。现代数控装置均采用计算机数字控制（ComputerNumericalControl,CNC）形式，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能，因此又称为软件数控（SoftwareNC）。CNC系统是一种位置控制系统，它根据输入数据插补出理想的运动轨迹，输出到执行部件，从而加工出所需要的零件。因此，数控装置主要由输入、处理和输出三个基本部分构成。

（1）输入装置：根据程序载体的不同，相应地有不同的输入装置。目前，数控加工程序输入形式主要有键盘输入、磁盘输入、CAD/CAM系统直接通信方式输入和连接上级计算机的DNC（直接数控）输入，以及部分数控系统仍保留的光电阅读机纸带输入。

1）纸带输入方式：可用纸带光电阅读机读入零件加工程序，直接控制机床运动；也可以将纸带内容读入存储器，用存储器中储存的零件加工程序控制机床运动。

2）MDI手动数据输入方式：操作者可利用操作面板上的键盘输入加工程序的指令，它适用于比较简短的加工程序。

在控制装置编辑状态下，用软盘输入加工程序，并存入控制装置的存储器中。这种输入方法可重复使用程序。一般手工编程均采用这种方法。

在具有会话编程功能的数控装置上，可按照显示器上提示的问题选择不同的菜单，用人机对话的方法输入有关的尺寸数字就可自动生成加工程序。

3）直接数控（DirectNumericalControl, DNC）输入方式：把零件加工程序保存在上级计算机中，CNC系统一边加工一边接收来自计算机的后续程序段。DNC输入方式多用于采用CAD/CAM软件设计的复杂工件并直接生成零件加工程序的场合。

（2）信息处理：输入装置将加工信息传递给CNC单元，编译成计算机能识别的信息，由信息处理部分按照控制程序的规定逐步存储并进行处理，并通过输出单元发出位置和速度指令给伺服系统和主运动控制部分。CNC系统的输入信息包括零件的轮廓信息（起点、终点、直线、圆弧等）、加工速度及其他辅助加工信息（如换刀、变速、冷却液开关等），还包括刀具半径补偿、速度计算及辅助功能的处理等。信息处理的目的是完成插补运算前的准备工作。

（3）输出装置：输出装置与伺服机构相连接。输出装置根据控制器的命令接受运算器的输出脉冲，并把它们送到各坐标的伺服控制系统，经过功率放大驱动伺服系统，从而控制机床按规定要求运动。

3.伺服系统和测量反馈系统伺服系统是数控机床的重要组成部分，用于实现数控机床的进给伺服控制和主轴伺服控制。伺服系统接受来自数控装置的指令信息，经功率放大、整形处理后转换成机床执行部件的直线位移或角位移运动。由于伺服系统是数控机床的最后环节，其性能将直接影响数控机床的精度和速度等技术指标。因此，数控机床的伺服驱动装置要求具有良好的快速反应性能，准确而灵敏地跟踪执行数控装置发出的数字指令信号，提高系统的动态跟随特性和静态跟踪精度。

伺服系统包括驱动装置和执行机构两大部分。驱动装置由主轴驱动单元、进给驱动单元和主轴伺服电动机、进给伺服电动机组成。步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机是常用的驱动装置。

测量元件将数控机床各坐标轴的实际位移值检测出来并经反馈系统输入到机床的数控装置中，数控装置对反馈的实际位移值与指令值进行比较，并向伺服系统输出达到设定值所需的位移量指令。

4.机床主体机床主机是数控机床的主体。它包括床身、底座、立柱、横梁、滑座、工作台、主轴箱、进给机构、刀架及自动换刀装置等机械部件。它是在数控机床上自动地完成各种切削加工的机械部分。

5.数控机床的辅助装置辅助装置是保证充分发挥数控机床功能所必需的配套装置。常用的辅助装置包括气动、液压装置，排屑装置，冷却、润滑装置，回转工作台和数控分度头，防护、照明装置等。

1.2.3　数控机床的分类

目前，数控机床品种已经基本齐全，规格繁多，可以按照多种原则来进行分类。但归纳起来，常见的是按下面几种方法来分类的。

1.按数控机床的运动轨迹分类 按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，数控机床可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床。(www.daowen.com)

（1）点位控制数控机床：它在刀具相对工件的移动过程中只控制从一点到另一点位置的精确定位，而不控制移动轨迹，在移动和定位过程中不进行任何加工。因此，为了减少定位时间，通常先以高速移动接近定位点，然后以低速准确移动到定位点，以保证定位精度。

这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机、数控折弯机等。图1-2所示为点位控制钻孔加工。由图可知，从第一个孔到第二个孔，刀具不同的运动轨迹都能满足钻孔的要求。

（2）直线控制数控机床：也称为点位直线控制机床，其特点是机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确定位，而且要控制工作台以给定的速度沿平行坐标轴方向进行直线切削加工运动（有些还可以进行45°斜率直线加工）。这类机床主要有简易数控车床、数控磨床、数控镗铣床等。图1-3所示为直线控制铣削加工。

（3）轮廓控制数控机床：轮廓控制机床同时对两个或两个以上坐标轴进行控制。它不仅要控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且要控制加工过程中每一点的速度、方向和位移量，其运动轨迹是任意的直线、圆弧、螺旋线等。因此，轮廓控制也称连续控制，大多数数控机床都具有轮廓控制功能，如数控车床、数控铣床、加工中心等。图1-4所示为轮廓控制铣削加工。

2.按伺服系统的控制方式分类 按照机床伺服系统的控制方式，数控机床可分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床、半闭环控制数控机床。

（1）开环控制数控机床：其控制系统不带反馈装置，执行机构常采用功率步进电动机或液脉冲电动机。数控装置发出的脉冲指令通过步进驱动电路，使步进电动机转过相应的步距角，再经过传动系统带动工作台或刀架移动。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和数量决定的。这类机床的控制精度主要取决于传动链及步进电动机本身，故控制精度不高。但由于结构简单、工作稳定可靠、调试维修方便、价格低廉，它仍被广泛应用在经济型数控机床及旧机床的数控化改造上。图1-5所示为开环数控系统的结构。

（2）闭环控制数控机床：在其移动部件上直接安装直线位移检测装置（如直线光栅等），将测量的实际位移量反馈到数控机床信息处理部分，与输入的指定位移量进行比较，用比较的差值对机床移动部件进行控制，直到差值消除为止，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位，从而使加工精度大大提高。图1-6所示为闭环数控系统的结构。

闭环控制系统能达到的精度很高，但其电动机的控制电路比较复杂，直线位移检测元器件价格昂贵，调试维修工作比较复杂，价格也较高，主要用于一些精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精铣床和大型的精密加工中心等。

（3）半闭环控制数控机床：其伺服电动机轴或数控机床的传动丝杠上装有角度检测装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的角位移间接地检测移动部件的实际位移量，并反馈到数控装置中，与输入的指定位移量进行比较，用比较的差值对机床进行控制。由于反馈环内没有包含传动丝杠，其传动误差照样会影响工作台的位移精度，故称为半闭环控制。图1-7所示为半闭环数控系统的结构。

半闭环控制系统的精度没有闭环控制系统高，但调试比较方便、稳定性较好、价格较低，兼顾了开环控制和闭环控制两者的特点，因此应用比较普遍。

3.按联动轴数分类 数控系统控制几个坐标轴按需要的函数关系同时协调运动称为坐标联动。数控机床按照联动轴数可以分为以下几大类。

（1）两轴联动数控机床：能同时控制两个坐标轴联动，适用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床铣削平面轮廓。

（2）两轴半联动数控机床：在两个坐标轴的基础上增加了Z轴的移动，当机床坐标系的X、Y轴固定时Z轴可以作周期性进给。两轴半联动数控机床可以实现分层加工。

（3）三轴联动数控机床：能同时控制三个坐标轴的联动，适用于一般曲面的加工。一般的型腔模具均可以用三轴联动数控机床加工完成。

（4）多轴联动数控机床：能同时控制四个以上坐标轴的联动。多坐标轴联动数控机床结构复杂、精度要求高、程序编制复杂，适用于加工形状复杂的零件，如叶轮、叶片类零件。通常三轴联动数控机床可以实现两轴、两轴半、三轴加工，五轴联动数控机床也可以只用到三轴联动加工而其他两轴不联动。

4.按加工工艺类型分类 根据机床加工工艺类型的不同，数控机床可以分为以下几类。

（1）金属切削类数控机床

1）普通型数控机床：这类数控机床和普通机床一样，采用了车、铣、钻、镗、磨等各种切削工艺，如数控车床、数控铣床、数控磨床和数控齿轮加工机床等。这类机床有很多品种，如数控铣床有立铣、卧铣、龙门铣等品种。这类数控机床在自动化程度上还不够完善，刀具的更换与零件的装夹仍需要人工来完成。

2）加工中心：带有刀库和自动换刀装置，它将数控铣床、数控镗床、数控钻床的功能组合在一起。加工中心的数控系统能控制机床自动更换刀具，连续自动地对工件各加工面进行铣、镗、钻、扩、铰及攻螺纹等多工序加工。因此，在有些资料上也称它为多工序数控机床。由于加工中心能有效地避免多次安装造成的定位误差，所以它适用于产品更换频繁、零件形状复杂、精度要求高、生产批量不大而生产周期短的产品。

（2）金属成形类数控机床：指采用挤、冲、压、拉等成形工艺方法加工零件的数控机床，如数控冲床、数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

（3）数控特种加工机床：指采用电加工加工零件的数控机床，即电加工类数控机床，如数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控激光加工机床等。

（4）其他非加工类数控机床：如数控装配机、数控三坐标测量机、数控对刀仪、数控绘图仪等。