1.2　數控機床的組成及工作原理

1.2.1　數控機床的組成

數控機床一般由輸入/輸出裝置、數控裝置、伺服系統、機床本體和檢測反饋裝置組成，如圖1-3所示。圖中實線箭頭所指部分為開環系統，虛線箭頭所指部分包含檢測反饋裝置，構成閉環系統。

1.輸入/輸出裝置

輸入/輸出裝置是CNC系統與外部設備進行信息交互的“橋梁”，主要用于零件數控程序的編譯、存儲、打印和顯示等。早期的數控機床常用的信息（程序）載體有標準穿孔帶（見圖1-4）、磁盤和U盤等。現代數控機床常用的信息載體有硬盤和CF卡等，信息載體上記載的加工信息由按一定規則排列的文字、數字和代碼所組成。目前，國際上通常使用EIA（Electronic Industries Association）代碼以及ISO（International Organization For Standardization）代碼，這些代碼經輸入裝置（MDI鍵盤和CF卡接口等）輸送到數控裝置。現代數控機床一般都具有利用通信方式進行信息交換的能力，這種通信方式是實現 CAD/CAM、FMS和CIMS的基本技術。在CAD/CAM集成系統中，加工程序可不需要任何載體而直接由個人計算機通過機床傳輸線輸入數控系統。目前，在數控機床上常采用的通信方式有以下幾種。

（1）串行通信（RS232、RS422、RS485等通信接口）。

（2）自動控制專用接口和規范（DNC接口，MAP協議等）。

（3）網絡通信（Internet、LAN等）。

（4）無線通信（無線AP和智能終端等）。

2.數控裝置

數控裝置是數控機床的核心，也是區別于普通機床的最重要特征之一。數控裝置通常由一臺通用或專用微型計算機組成，包括輸入裝置、內部處理器、中央處理器、輸出接口和控制電路等，如圖1-5所示。數控裝置用來接收并處理控制介質的信息，將代碼加以識別、存儲、運算，輸出相應的命令脈沖，經過功率放大驅動伺服機構，使數控機床按規定要求動作。它能完成加工程序的輸入、編輯及修改，實現信息存儲、數據交換、代碼轉換、插補運算及各種控制功能。因此，數控機床功能的強弱主要取決于數控裝置。圖1-6所示的車床、銑床/加工中心數控裝置是我國自主研發生產的華中8型數控裝置（中高端系列產品）。

3.伺服系統

伺服系統是數控機床工作的動力裝置，主要由伺服單元和驅動裝置兩部分組成。伺服單元是CNC和機床本體的聯系環節，它把來自數控裝置的微弱信號放大成控制驅動裝置的大功率信號。根據接收指令的不同，伺服單元分脈沖式伺服單元和模擬式伺服單元，而模擬式伺服單元按電源種類又可分為直流伺服單元和交流伺服單元。

驅動裝置是把經伺服單元放大的指令信號變為機械運動的部件，通過簡單的機械連接部件驅動機床，使工作臺（或刀架）精確定位或按規定的軌跡作嚴格的相對運動，最后加工出圖樣所要求的零件。和伺服單元向對應，常用的驅動裝置有步進電動機、直流伺服電動機和交流伺服電動機等。

伺服系統是數控系統的執行部分，數控裝置發出的指令依靠伺服系統實施，因此伺服系統是數控機床的重要組成部分。伺服系統分開環伺服系統、半閉環伺服系統和閉環伺服系統。在半閉環伺服系統和閉環伺服系統中，需要使用位置檢測反饋裝置，間接或直接測量執行部件的實際位移值，并與指令位移值進行比較，按閉環原理，將其誤差轉換并放大后控制運動部件的進給。伺服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，因此要求伺服系統具有良好的快速響應性能，能準確而迅速地跟蹤數控裝置的指令信號。

4.檢測反饋裝置

檢測反饋裝置由檢測元件和相應的檢測與反饋電路組成，其作用是檢測運動部件的位移、速度和方向，并將其轉化為電信號反饋給數控裝置，構成閉環控制系統。常用的檢測元件有脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵和磁尺等。開環控制系統沒有檢測反饋裝置。

5.機床本體

機床本體是指數控機床的機械結構實體部分。和普通機床相比，數控機床同樣包括機床的主運動部件、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）、滑鞍和導軌等，不同的是數控機床的主運動和進給運動都是由單獨的伺服電動機驅動的，因此其傳動鏈短、結構比較簡單。圖1-7所示為數控車床的本體結構。為了保證數控機床的快速響應特性，在數控機床上普遍采用精密滾珠絲杠副和直線滾動導軌副；為了保證數控機床的高精度、高效率和高自動化加工，數控機床的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。除此之外，數控機床還配套一些良好的輔助控制裝置，如自動換刀裝置（ATC）、工件自動交換裝置（APC）、冷卻裝置、潤滑裝置、排屑裝置、防護裝置及對刀/測量裝置等，以便最大限度地發揮數控機床的功能。由于可編程序控制器（PLC）具有響應快、性能可靠、易于編程和修改等優點，并可直接驅動機床電器。因此，目前輔助控制裝置普遍采用PLC進行控制。

1.2.2　數控機床的工作原理

數控機床在加工工藝與表面成形方法上與普通機床基本相同，但在實現自動控制的原理和方法上區別很大。數控機床是用數字化信息實現自動控制的。在數控機床上加工零件時，要事先根據加工圖樣的要求確定零件的加工路線、工藝參數和刀具數據，再按數控機床編程手冊的有關規定編寫零件數控加工程序，然后通過輸入裝置將數控加工程序輸入數控系統。在數控系統控制軟件的支持下，這些加工程序經過處理與計算后，發出相應的控制指令，通過伺服系統使數控機床按預定的軌跡運動，從而進行零件的切削加工。數控機床加工零件的過程如圖1-8所示。

（1）加工程序編制。首先，根據圖樣對工件的形狀、尺寸、位置關系、技術要求等進行工藝分析。然后，確定合理的加工方案、加工路線、裝夾方式、刀具及切削參數和圖形輪廓的坐標值計算（數學處理）等。最后，根據加工路線、工藝參數、圖形輪廓的坐標值及數控系統規定的功能指令代碼及程序段格式，編寫加工程序。對編寫好的加工程序進行程序仿真檢驗。

（2）加工程序輸入。加工程序通過輸入裝置輸入數控系統。目前，采用的輸入方式主要有軟驅、USB接口、RS232C通信接口、分布式數字控制（Direct Numerical Control，DNC）接口、網絡接口等。數控系統一般有兩種不同的輸入方式：一種是邊輸入邊加工，DNC屬于此類輸入方式；另一種是一次性把零件加工程序輸入數控系統內部的存儲器，加工時再由存儲器一段一段地讀出，軟驅、USB接口屬于此類輸入方式。

（3）譯碼。數控系統接收的程序是由程序段組成的，程序段中包含零件輪廓信息、進給速度等加工工藝信息和其他輔助信息，計算機不能直接識別這些信息。譯碼就是按照一定的語法規則將上述信息解釋成計算機能夠識別的數據形式，并按一定的數據格式存放在指定的內存專用區域。在譯碼過程中對程序段還要進行語法檢查，發現錯誤立即報警。

（4）數據處理。數據處理一般包括刀具補償、速度計算及輔助功能的處理。刀具補償包括刀具半徑補償和刀具長度補償。刀具半徑補償的任務是根據刀具半徑補償值和零件輪廓軌跡計算出刀具中心軌跡。刀具長度補償的任務是根據刀具長度補償值和程序值計算出刀具軸向實際移動值。速度計算是指根據程序中所給的合成進給速度，計算出各坐標軸運動方向的分速度。輔助功能的處理主要指完成指令的識別、存儲和設定標志，這些指令大都是開關量信號，現代數控機床可由PLC控制。

（5）插補計算。加工程序提供了刀具運動的起始點、終點和運動軌跡，而刀具從起始點沿直線或圓弧運動軌跡走向終點的過程則要通過數控系統的插補軟件控制。插補軟件的任務就是通過插補計算程序，根據程序規定的進給速度要求，完成在輪廓起始點和終點之間的中間點的坐標值計算，即數據點的密化工作。

（6）伺服控制和零件加工。伺服系統接收插補計算后的脈沖指令信號或插補周期內的位置增量信號，這些信號經放大器放大后驅動伺服電動機，帶動機床的執行部件運動，從而將毛坯加工成零件。