1.2　數控機床的組成、工作原理與分類

1.2.1　數控機床的組成

數控機床主要由輸入裝置、數控裝置、伺服裝置、強電控制柜、機床本體和檢測反饋裝置組成，如圖1-4所示。

（1）加工程序

加工程序是數控機床自動加工零件的工作指令。它是在對加工零件進行工藝分析的基礎上，確定零件坐標系在機床坐標系中的相對位置（即工件在機床上的安裝位置，刀具與工件的相對運動位置關系）、工件加工的工藝路線、切削加工的工藝參數以及輔助裝置的動作等。得到工件加工的所有運動、尺寸、工藝參數等信息后，用由字符、數字和符號組成的標準數控代碼，按規定的方法和格式，編制零件加工的數控程序單。編制程序的工作可由人工進行；對于形狀復雜的零件，則要在專用的編程機或通用計算機上進行自動編程（Automatically Programmed Tools，APT）或圖形交互式CAD/CAM編程。

編好的數控程序，存放在便于輸入到數控裝置的一種存儲載體上，它可以是穿孔紙帶、磁帶、磁盤、U盤等，采用哪一種存儲載體，取決于數控裝置的設計類型。

（2）輸入裝置

輸入裝置的作用是將程序載體（信息載體）上的數控代碼傳遞并存入數控裝置內。根據控制存儲介質的不同，輸入裝置可以是光電閱讀機、磁帶機或軟盤驅動器等。數控機床加工程序也可通過鍵盤用手工方式直接輸入數控裝置；數控加工程序還可由外部編程計算機通過RS-232C或網絡通信方式傳送到數控裝置中。

運行數控程序對零件進行加工的方式有兩種：一種是數控程序存儲于外部計算機中，通過數據線將外部計算機與數控裝置相連，運行加工時邊讀入邊加工（數控裝置內存較小時）；另一種是將數控程序全部讀入數控裝置內部的存儲器，加工時數控裝置直接從內部存儲器中逐段調出進行運行加工。

（3）數控裝置

數控裝置是機床實現自動加工的核心，主要由操作系統、主控制系統、可編程控制器、各類I/O接口等組成。它的主要功能有：多坐標控制和多種函數的插補；數控程序輸入、編輯和修改功能；信息轉換功能；刀具補償功能；加工方法選擇；顯示功能；自診斷功能；通信和聯網功能。其控制方式有兩類：數據運算處理控制和時序邏輯控制。其中主控制器內的插補運算模塊是通過譯碼、編譯等信息處理，進行相應的刀具軌跡插補運算，并通過與各坐標伺服系統位置、速度反饋信號比較，從而控制機床各個坐標軸的移動；而時序邏輯控制通常主要由可編程控制器PLC來完成，它根據機床加工過程中的各個動作要求進行協調，按各檢測信號進行邏輯判別，從而控制機床各個部件按次序工作。

（4）伺服裝置

它是數控系統的執行部分，主要由驅動控制裝置（含功率放大器）和執行機構等組成，并與機床的執行部件和機械傳動部件相連接組成進給系統。伺服裝置接收來自數控裝置發出的速度和位移信號，經功率放大后，控制執行部件的移動速度、方向和位移，以加工出符合圖紙要求的零件。

因此，它的伺服精度和動態響應性能是影響數控機床加工精度、表面質量和生產率的重要因素之一。驅動裝置包括控制器和執行機構兩大部分。目前大都采用直流或交流伺服電動機作為執行機構。

（5）輔助控制裝置

輔助控制裝置的主要作用是接收數控裝置輸出的開關量信號指令，經過編譯、邏輯判別和動作，再經功率放大后驅動相應的電氣元器件，驅動機床的機械、液壓、氣動等輔助裝置完成指令規定的開關量動作。這些控制包括主軸運動部件的變速、換向和啟停指令，刀具的選擇和交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟動停止，工件和機床部件的松開、夾緊，分度工作臺轉位分度等開關輔助動作。

由于可編程邏輯控制器（PLC）具有響應快，性能可靠，易于使用，可進行程序編輯和修改，并可直接啟動機床開關等特點，現已廣泛用作數控機床的輔助控制裝置。

（6）檢測反饋裝置

它用于檢測數控機床各坐標軸的實際位移量，經反饋裝置輸入到機床的數控裝置之中，數控裝置將反饋回來的實際位移量與指令位移進行比較，按閉環原理，將其誤差轉換放大后控制執行部件的進給運動。

（7）機床本體

它是指數控機床機械結構實體和液壓氣動系統（包括潤滑、冷卻系統），機床機械結構實體主要由主軸傳動裝置、進給傳動裝置、床身、工作臺以及輔助運動裝置等組成。但數控機床在整體布局、外觀造型、傳動系統、刀具系統的結構以及操作機構等方面均已發生了很大的變化。這種變化是為了滿足數控機床的性能要求和充分發揮數控機床的工藝特點。其主要變化有： 

①采用高性能主傳動及主軸部件。

②進給傳動采用高效傳動件。一般采用滾珠絲杠螺母副、直線滾動導軌副等。

③具有較完善的刀具自動交換和管理系統。

④具有工件自動交換、工件夾緊與放松機構。

⑤床身機架具有很高的動、靜剛度。

⑥采用全封閉罩殼。

1.2.2　數控機床的工作原理

數控機床的工作原理如圖1-5所示。根據被加工零件的技術要求和工藝要求編寫的零件數控加工程序，通過輸入裝置輸入到數控裝置中，數控裝置對數控程序進行編譯、計算等處理后發出運動控制信號，伺服裝置根據接收到的信號驅動機床的主軸運動、進給運動、刀具更換，以及加工過程中的其他輔助動作（如：工件的夾緊與松開，冷卻、潤滑泵的開與關），從而使刀具、工件和其他輔助裝置嚴格按照加工程序規定的次序、運動軌跡和參數進行工作，加工出符合圖紙要求的零件。

零件的輪廓線一般由直線、圓弧或其他非圓弧曲線構成，刀具在加工過程中必須按零件形狀和尺寸要求進行運動。數控程序中只給定了零件加工輪廓線的起點和終點坐標值，無法滿足刀具切削加工運動的控制要求，數控裝置必須進行刀具運動軌跡的插補計算，即在線段的起點和終點之間，按照一定的擬合精度要求再插入一系列中間點，這種坐標點的“密化計算”稱作插補，如圖1-6所示。

在數控加工時，數控裝置需要對讀入的數控程序進行編譯和數據處理，然后還需進行插補計算，根據插補計算結果向相應運動軸發出脈沖信號，控制各運動軸（即進給運動的各執行元件）按給定的運動參數進行運動，從而保證各個運動軸之間的精密運動關系，這種控制方式就稱為聯動控制，如圖1-7所示。

1.2.3　數控機床的分類

數控機床的種類很多，為了便于了解和研究它們的特點，可以從不同的角度對其進行分類。

（1）按工藝用途劃分

1）金屬切削類數控機床

與傳統通用機床品種相對應，數控機床也有數控車床、數控銑床、數控鏜床、數控鉆床、數控磨床、數控齒輪加工機床等。裝有刀庫具有自動換刀功能的數控機床稱為數控加工中心，簡稱加工中心。加工中心目前主要有兩類：一類是在鏜、銑床基礎上發展起來的數控銑削加工中心；另一類是在車床基礎上發展起來的，稱為車削加工中心。圖1-8（a）所示為數控車床，圖1-8（b）所示為立式銑削加工中心示意圖。

2）金屬成型類數控機床

這類機床屬鈑金加工機床，機床的加工成型運動比較簡單。如數控折彎機、數控彎管機、數控轉頭壓力機等，如圖1-9和圖1-10所示。

3）數控特種加工機床

它主要指利用電能、化學能等能量進行加工的數控機床，這類機床適合加工難加工材料、復雜幾何形體等工件。如數控線切割機床（見圖1-11）、數控電火花加工機床（見圖1-12）等。

4）其他類型數控機床

除上述三類數控機床之外的數控機床，諸如：火焰切割機床（見圖1-13），數控三坐標測量機（見圖1-14）等。

（2）按運動方式劃分

1）點位控制數控機床

如圖1-15所示，點位控制系統是指數控裝置只控制刀具或機床工作臺，從一點準確地移動到另一點，而點與點之間運動的軌跡不需要嚴格控制的系統。為了減少移動部件的運動與定位時間，一般先以快速移動到終點附近位置，然后以低速準確移動到終點定位位置，以保證良好的定位精度。移動過程中刀具不進行切削。使用這類控制系統的數控機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床、數控沖床等。

2）點位直線控制數控機床

這類數控機床不僅要求具有準確的點定位功能，而且要求從一點到另一點按直線運動進行切削加工。其刀具運動路徑一般由和各運動軸線平行的直線段組成，如圖1-16所示。運動時的速度是可以控制的，對于不同的刀具和工件，可以選擇不同的切削用量。這類數控機床包括：數控車床、數控鏜銑床、加工中心等。一般情況下，這類機床有2～3個可控軸。但同時控制軸只有一個。

3）輪廓控制數控機床

圖1-17為兩坐標輪廓控制數控加工示意圖。這類數控機床能夠對兩個或兩個以上坐標軸同時進行控制加工，它不僅能嚴格控制機床運動件的起點與終點坐標，還能嚴格控制刀具的運動軌跡，以便加工工件的任意曲線輪廓或曲面。幾個坐標軸按嚴格的函數關系同時協調運動，稱為坐標聯動。按聯動軸數可以分為2軸聯動、2.5軸聯動、3軸聯動、4軸聯動、5軸聯動等數控機床。2.5軸聯動是三個主要坐標控制軸（X、Y、Z）中，任意兩個軸聯動，而另一軸是點位或點位直線控制。

（3）按伺服控制方式劃分

1）開環控制數控機床

這類數控機床不帶位置檢測反饋裝置，數控裝置發出的指令信號流是單向的。這種系統一般采用步進電動機做伺服驅動元件，當需要某個軸運動一個單位長度（即一個脈沖當量）時，向該軸伺服電路輸出一個脈沖，經環形分配和功率放大后驅動步進電動機轉動一步，通過滾珠絲桿-螺母副使機床運動部件運動一個單位長度（步距）。圖1-18所示是開環伺服系統圖。

開環數控裝置具有工作穩定、調試方便、維修簡單等優點。廣泛應用于精度和速度要求不高、驅動力矩不大的場合。在我國，經濟型數控機床一般都采用開環數控裝置。

2）閉環控制數控機床

這類數控機床的特點是裝有位置測量反饋裝置。位移測量裝置安裝在機床移動部件上，它會對加工過程中機床移動部件的實際位移進行實時檢測，并將測量到的實際位移值反饋給位置控制單元。插補指令位移與反饋實際位移相比較，根據其差值控制電動機的轉速，進行誤差修正，直到位移誤差消除，圖1-19為其閉環伺服控制系統圖。

采用閉環系統可以消除由于機械部件的傳動誤差給加工精度帶來的影響，所以可以獲得很高的精度。從理論上講，閉環系統的運動精度主要取決于測量裝置的位移測量精度，而與傳動鏈的誤差無關。閉環系統主要用于精度要求很高的數控鏜銑床、數控車床、數控磨床等。

閉環控制系統一般采用直流或交流伺服電動機做伺服驅動元件。由于交流伺服電動機具有結構簡單、動態響應好、輸出功率大、價格低等優點，同時近年來新型功率開關器件、專用集成電路和新的控制算法的發展，使交流伺服電動機在閉環控制系統中得到了廣泛的應用，交流伺服電動機正在逐步取代直流伺服電動機。

閉環控制系統的工作特點對機床的結構及傳動鏈提出了比較嚴格的要求，傳動系統的剛性不足及間隙的存在、導軌的爬行等各種因素將增加調試的困難，甚至會使數控機床的伺服系統工作時產生振蕩。

3）半閉環控制數控機床

為了排除機械傳動環節的非線性誤差對系統穩定性的影響，一般將位置測量裝置安裝在伺服電動機主軸上或絲桿的端部，也就是說反饋信號取自電動機軸或絲桿上，而不是機床的最終運動部件，如圖1-20所示。

這種伺服系統閉環環路內剔除了機械傳動環節，即機械傳動誤差將反映到被加工工件上去。這種系統就稱為“半閉環伺服系統”。半閉環伺服控制系統的特點是：可獲得穩定的控制，而機械傳動環節的誤差，采用補償的方法消除，仍可獲得滿意的精度。因此，大多數數控機床采用半閉環系統。

（4）按數控機床性能劃分

數控機床的性能水平大致可由機床的主要技術參數、數控裝置和伺服系統功能及關鍵部件的性能水平決定。數控機床按其性能水平一般分為高、中、低（經濟型）三個檔次，這種分類并沒有十分確切的定義，但可以給出一個大概的參考指標，具體如表1-1所示。

1.2.4　數控加工的特點與使用要求

（1）數控加工的特點

1） 高精度

數控機床由于采用高性能功能部件，以及采用運動誤差的閉環修正措施，使其加工零件尺寸的一致性好，加工精度更高，中小型數控機床的定位精度可達0.005mm，重復定位精度可達0.002mm。數控機床按預定的零件加工程序自動加工，加工過程不需要人工干預，加之數控機床本身的剛性好，精度高，而且可利用軟件進行精度校正和補償，因此可以獲得比機床本身精度還要高的移動精度和重復定位精度。

2） 高柔性

所謂“柔性”是指數控機床隨加工對象變化而變化的適應能力。數控機床的高柔性包含兩方面的含義：一是可以方便地加工具有復雜型面的工件；二是可以靈活地適應多品種、小批量產品的加工。

由于采用聯動控制，對傳統機床很難加工或根本無法加工的精密復雜零件，數控機床也能實現精密自動加工。對具有復雜型面的零件，可以采用CAD/CAM進行零件的三維造型，然后自動生成數控加工程序，最后由數控機床進行加工。

在數控機床上加工零件，當零件改變時，只需重新編制、輸入新的程序就可以對新零件進行加工。這就為單件、小批量生產以及新產品試制提供了極大的方便。

3） 高自動化

數控機床按事先編好的程序對工件進行自動加工，操作者除裝卸工件、編寫程序、加工運行控制、關鍵工步中間檢測以及觀察機床運行外，其他的工作都是由機床自動連續完成，不需要進行繁雜的重復性手工操作，勞動強度與緊張程度均可大為減輕。另外數控機床一般具有較好的安全防護、自動排屑、自動冷卻和自動潤滑等裝置，操作者的勞動條件也大為改善。

4） 高效率

由于數控機床加工的切削速度和進給量變化范圍比普通機床大，且可以在數控程序中隨時改變切削用量，因此數控加工的每個工步都可選用最優的切削用量；另外，由于數控機床的結構剛性好，因此允許進行大切削用量的強力切削，這就提高了數控機床的切削效率，節約了機動時間；數控機床的移動部件空行程運動速度快，工件裝夾時間短，刀具可自動更換，輔助時間比一般機床大為減少。

5） 高投入、高效益

數控機床設備昂貴，加工工時分攤到每個零件上的設備折舊費較高。但在單件、小批量生產的情況下，使用數控機床加工可節省畫線工時，減少調整、加工和檢驗時間，節省直接生產費用。數控機床加工零件一般不需制作專用工夾具，節省了工藝裝備費用。數控機床加工精度穩定，減少了廢品率，使生產成本進一步下降。此外，數控機床可實現一機多用，節省廠房面積和建廠投資。因此使用數控機床一次投入較大，但可獲得良好的經濟效益。

6） 有利于現代化管理

采用數控機床加工，能準確地計算出零件加工工時和費用，有效地簡化檢驗工夾具、半成品的管理工作，這些都有利于使生產管理現代化。

數控機床使用數字化信息與標準代碼輸入，適合與計算機聯網，是計算機輔助設計、制造及管理一體化的基礎。

基于上述特點，數控機床主要適用于多品種小批量、高精度或高附加值、復雜結構和形狀的零件加工，而不適合大批量、低精度、簡單結構零件的加工。

（2）數控機床的使用要求

1） 對操作維修人員的要求

數控機床是集機械與液壓技術、計算機與軟件技術、精密檢測技術、現代控制技術等于一體的高科技產品。其驅動裝置的技術復雜，機床的精度高。因此，數控機床的使用與維修不是一個簡單技術問題，而是多學科高新技術的綜合應用工程，這就要求數控機床的操作、維修及管理人員具有較高的文化水平和技術素質。

數控機床加工是按程序進行，程序質量的好壞，直接影響到加工零件的生產率、成本和質量。數控程序可采用人工編制，也可采用自動編制，這就要求編程人員要有一定的數學計算能力、良好的工藝技術基礎、良好的數控編程理論和技能，還要有熟練的計算機操作和自動編程軟件應用能力。因此，數控機床的操作人員除應具有一定的工藝知識和普通機床的操作經驗外，還應對數控機床的結構特點、工作原理非常了解，須在程序編制方面進行專門的培訓，經考核合格才能上機操作。事實上，數控機床使用過程中的許多問題都是由編程錯誤和操作不當引起的。

當零件的形狀比較復雜時，手工編程就很困難，而且往往無法實現。因此必須借助CAD/CAM技術進行編程，一般需配備專門的程序設計人員。

正確的維護和有效的維修也是數控機床使用的一個重要問題。數控機床的維修人員應具有較高的理論知識和維修技術，不但要了解數控機床的結構，懂得數控機床的電氣原理，還應有機、電、氣、液專業知識，這樣才能綜合分析，判斷故障根源，正確維修，從而盡可能地縮短停機時間。因此，數控機床的維修人員和操作人員一樣，必須進行專門的培訓。

2） 對夾具和刀具的要求

單件生產時一般采用通用夾具或直接在機床工作臺上進行裝夾。當批量生產時，為了節省加工工時，一般多采用組合夾具。只有在大批量生產中才使用專用夾具。

刀具的選擇應與數控機床的性能特點相適應。數控加工刀具必須適應數控機床高速、高效和自動化程度高的特點，一般應包括通用刀具、通用連接刀柄及少量專用刀柄。刀柄要連接刀具并裝在機床動力頭上，因此已逐漸標準化和系列化。數控刀具一般應具有以下特點：

①切削性能穩定可靠；

②可靠的斷屑和卷屑；

③應具有高的精度；

④精確而迅速的調整，快速或自動更換；

⑤各種必要的刀具工作狀態檢測裝置；

⑥標準化、系列化和通用化。