一、數控機床工作原理及組成

1. 數控機床工作原理

數控機床是采用了數控技術的機床，它用數字信號控制機床運動及其加工過程。具體地說，是將刀具移動軌跡等加工信息用數字化的代碼記錄在程序介質上，然后輸入數控裝置，經過譯碼、運算，發出指令，經伺服放大、伺服驅動和反饋，自動控制機床上的刀具與工件之間的相對運動，從而加工出形狀、尺寸與精度符合要求的零件。

2. 數控機床的組成

數控機床一般由輸入/輸出設備、數控裝置（CNC）、可編程邏輯控制器（PLC）、伺服單元、驅動裝置（或稱執行機構）、電氣控制裝置、輔助裝置、機床本體及測量裝置組成。圖0-1所示為數控機床的組成。

（1）輸入/輸出設備。輸入/輸出設備是機床數控系統和操作人員進行信息交流、實現人機對話的交互設備。

輸入設備的作用是將程序載體上的數控代碼變成相應的電脈沖信號，傳送并存入數控裝置內。目前，數控機床的輸入設備有鍵盤、磁盤驅動器、光電閱讀機等。

輸出設備是顯示器，有CRT顯示器和彩色液晶顯示器兩種。它為操作人員顯示加工程序、坐標值以及報警信號等必要的信息。

（2）數控裝置（CNC裝置）。數控裝置是計算機數控系統的核心，它是由硬件和軟件兩部分組成的。硬件主要包括微處理器（CPU）、存儲器、局部總線、外圍邏輯電路以及與CNC系統其他組成部分聯系的接口等，軟件包括管理軟件和控制軟件。

CNC裝置的作用如下。它接收輸入裝置送來的脈沖信號，信號經過數控裝置的系統軟件或邏輯電路進行編譯、運算和邏輯處理后，輸出各種信號和指令，控制機床的各個部分，使其進行規定的、有序的動作。通過CNC裝置內硬件和軟件的合理組織與協調配合，實現各種數控功能，使數控機床按照操作者的要求，有條不紊地進行加工。

（3）可編程邏輯控制器（PLC）。數控機床通過CNC和PLC共同完成控制功能。CNC主要完成與數字運算和管理等有關的功能，如零件程序的編輯、插補運算、譯碼、刀具運動位置的伺服控制等。PLC主要完成與邏輯運算有關的一些動作，它接收CNC的控制代碼M（輔助功能）、S（主軸轉速）、T（選刀、換刀）等開關量動作信息，然后進行譯碼，轉換成對應的控制信號，控制輔助裝置完成機床相應的開關動作，如工件的裝夾、刀具的更換、切削液的開關等一些輔助動作；它還接收機床操作面板的指令，一方面直接控制機床的動作（如手動操作機床），另一方面將一部分指令送往數控裝置用于控制加工過程。

（4）伺服單元。伺服單元的作用是將來自數控裝置的速度和位移指令，經伺服單元變換和放大后，通過驅動裝置轉變成機床進給運動的速度、方向和位移。因此，伺服單元是數控裝置與機床本體的聯系環節，它把來自數控裝置的微弱指令信號放大成控制驅動裝置的大功率信號。伺服單元分為主軸單元和進給單元等，伺服單元按其反饋裝置和反饋信號不同又有開環系統、半閉環系統和閉環系統之分。

（5）驅動裝置。驅動裝置把經過伺服單元放大的指令信號變為機械運動。目前，常用的驅動裝置有直流伺服電動機和交流伺服電動機，且交流伺服電動機正逐漸取代直流伺服電動機。

伺服單元和驅動裝置合稱為伺服驅動系統，它是機床工作的動力裝置，計算機數控裝置的指令要靠伺服驅動系統付諸實施，伺服驅動裝置包括主軸驅動單元（主要控制主軸的速度）和進給驅動單元（主要控制進給系統的速度和位置）。伺服驅動系統是數控機床的重要組成部分，從某種意義上說，數控機床的功能主要取決于數控裝置，而數控機床的性能主要取決于伺服驅動系統。伺服驅動系統性能的好壞直接影響數控機床的加工精度和生產效率，因此要求伺服驅動系統具有良好的快速響應性能，能準確、迅速地跟蹤數控裝置的數字指令信號。

（6）機床本體。機床本體即數控機床的機械部件，包括主運動部件、進給運動部件、執行部件和基礎部件，如底座、立柱、工作臺（刀架）、床鞍、導軌等。為了保證數控機床的快速響應特性，數控機床上普遍采用精密滾珠絲杠和直線運動導軌副。為了保證數控機床的高精度、高效率和高自動化加工，要求其機械結構具有較高的動態特性、動態剛度、阻尼精度、耐磨性和抗熱變形等性能。