1.2 數控機床的組成、工作過程和分類
知識導圖
1.2.1 數控機床的組成
數控機床主要由以下幾個部分組成，如圖1-3所示。圖中點畫線框部分為計算機數控系統(tǒng)，即CNC系統(tǒng)，其中各方框為其組成模塊，帶箭頭的連線表示各模塊間的信息流向。點畫線框右邊的實線框部分為計算機數控系統(tǒng)的控制對象——機床。下面將分別介紹各模塊的功能。
圖1-3 數控機床的組成
1.操作面板（控制面板）
它是操作人員與數控機床（系統(tǒng)）進行交互的工具，一方面，操作人員可以通過它對數控機床（系統(tǒng)）進行操作、編程、調試或對機床參數進行設定和修改；另一方面，操作人員也可以通過它了解或查詢數控機床（系統(tǒng)）的運行狀態(tài)。它是數控機床的一個輸入輸出部件，是數控機床的特有部件。它主要由按鈕站、狀態(tài)燈、按鍵陣列（功能與計算機鍵盤一樣）和顯示器等部分組成。
2.控制介質和輸入輸出設備
控制介質是記錄零件加工程序的媒介。輸入輸出設備是CNC系統(tǒng)與外部設備進行信息交互的裝置。零件加工程序是交互的主要信息。它們的作用是將編制好的記錄在控制介質上的零件加工程序輸入CNC系統(tǒng)，或將CNC系統(tǒng)中已調試好了的零件加工程序通過輸出設備存放或記錄在相應的控制介質上。數控機床常用的控制介質有穿孔紙帶（對應的輸入輸出設備分別是紙帶閱讀機和紙帶穿孔機）、磁帶（對應的輸入輸出設備是錄音機）、磁盤（對應的輸入輸出設備是磁盤驅動器）。
除此之外，還可采用通信方式進行信息交換，現代數控系統(tǒng)一般都具有利用通信方式進行信息交換的能力。這種方式是實現CAD/CAM集成、柔性制造系統(tǒng)（FMS）和現代集成制造系統(tǒng)（CIMS）的基本技術。目前在數控機床上常采用的方式有：串行通信（RS-232等接口）、自動控制專用接口和規(guī)范（DNC方式、MAP協議等）、網絡技術（互聯網、局域網等）。
3.計算機數控（CNC）裝置（或CNC單元）
計算機數控（CNC）裝置是計算機數控系統(tǒng)的核心。其主要作用是根據輸入的零件加工程序或操作者命令進行相應的處理（如運動軌跡處理、機床輸入輸出處理等），然后輸出控制命令到相應的執(zhí)行部件（伺服單元、驅動裝置和PLC等），完成零件加工程序或操作者命令所要求的工作。所有這些都是由CNC裝置協調配合、合理組織進行的，從而使整個系統(tǒng)能有條不紊地工作。它主要由計算機系統(tǒng)、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、擴展功能模塊以及相應的控制軟件等模塊組成。
4.伺服單元、驅動裝置和測量裝置
伺服單元和驅動裝置是指主軸伺服驅動裝置和主軸電動機、進給伺服驅動裝置和進給電動機。測量裝置是指位置和速度測量裝置，它是實現速度閉環(huán)控制（主軸、進給）和位置閉環(huán)控制（進給）的必要裝置。主軸伺服系統(tǒng)的主要作用是實現零件加工的切削運動，其控制對象為速度。進給伺服系統(tǒng)的主要作用是實現零件加工的成形運動，其控制量為速度和位置。能靈敏、準確地跟蹤CNC裝置的位置和速度指令是它們的共同特征。
5.PLC、機床I/O電路和裝置
PLC（Programmable Logic Controller）用于完成與邏輯運算、順序動作有關的I/O控制，它由硬件和軟件組成。機床I/O電路和裝置實現I/O控制的執(zhí)行部件（由繼電器、電磁閥、行程開關、接觸器等組成的邏輯電路）。它們共同完成以下任務：接受CNC的M、S、T指令，對其進行譯碼并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；接收操作面板和機床側的I/O信號，送給CNC裝置，經其處理后，輸出指令控制CNC系統(tǒng)的工作。
6.機床本體
機床本體是數控機床的主體，是數控系統(tǒng)的被控對象，是實現制造加工的執(zhí)行部件。它主要由主傳動機構、進給傳動機構（工作臺、拖板以及相應的傳動機構）、支承件（立柱、床身等）以及特殊裝置（刀具自動交換系統(tǒng)、工件自動交換系統(tǒng)）和輔助控制機構（如冷卻、潤滑、排屑、轉位和夾緊裝置等）組成。數控機床機械部件的組成與普通機床相似，但傳動機構和變速系統(tǒng)較為簡單，在精度、剛度、抗振性等方面要求較高。
1.2.2 數控機床的工作過程
下面以數控車床為例說明數控機床的工作過程，如圖1-4所示。
圖1-4 數控車床的工作過程
1）首先根據零件加工圖樣進行工藝分析，確定加工方案、工藝參數和位移數據。
2）用規(guī)定的程序代碼和格式規(guī)則編寫零件加工程序單；或用自動編程軟件進行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。
3）將加工程序的內容以代碼形式完整記錄在信息介質（如磁帶）上。
4）通過閱讀機把信息介質上的代碼轉變?yōu)殡娦盘枺⑤斔徒o數控裝置。由手工編寫的程序，可以通過數控機床的操作面板輸入程序；由編程軟件生成的程序，通過計算機的串行通信接口直接傳輸到數控機床的數控單元（MCU）。
5）數控裝置對所接收的信號進行一系列處理后，再將處理結果以脈沖信號形式向伺服系統(tǒng)發(fā)出執(zhí)行的命令。
6）伺服系統(tǒng)接到執(zhí)行的信息指令后，立即驅動車床進給機構嚴格按照指令的要求進行位移，使車床自動完成相應零件的加工。
1.2.3 數控機床的分類
當前數控機床的品種很多，結構、功能各不相同，通?？梢园聪率龇椒ㄟM行分類。
1.按機床運動軌跡分類
按機床運動軌跡不同，數控機床可分為點位控制數控機床、直線控制數控機床和輪廓控制數控機床。
（1）點位控制數控機床 點位控制又稱為點到點控制。刀具從某一位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要刀具最后能正確到達目標位置，就稱為點位控制。
點位控制機床的特點是只控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們的運動過程中的軌跡沒有嚴格要求，在移動和定位過程中不進行任何加工。因此，為了盡可能地減少移動部件的運動時間和定位時間，兩相關點之間的移動先快速移動到接近新點位的位置，然后進行連續(xù)降速或分級降速，使之慢速趨近定位點，以保證其定位精度。點位控制加工示意圖如圖1-5所示。采用這種控制方案的有數控鉆床、數控鏜床、數控沖床等。其相應的數控裝置稱為點位控制數控裝置。
（2）直線控制數控機床 直線控制又稱平行控制。這類控制除了控制點到點的準確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也有控制，因為這類機床在兩點之間移動時要進行切削加工。
直線控制數控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩相關點的準確位置（距離），還要控制兩相關點之間移動的速度和軌跡，其軌跡一般由與各軸線平行的直線段組成。它和點位控制數控機床的區(qū)別在于當機床移動部件移動時，可以沿一個坐標軸的方向進行切削加工，而且其輔助功能比點位控制的數控機床多。直線控制加工示意圖如圖1-6所示。
圖1-5 點位控制加工示意圖
圖1-6 直線控制加工示意圖
這類機床主要有經濟型數控車床、數控磨床和數控鏜銑床等，其相應的數控裝置稱為直線控制數控裝置。
（3）輪廓控制數控機床 輪廓控制又稱連續(xù)控制，大多數數控機床具有輪廓控制功能。輪廓控制數控機床的特點是能同時控制兩個以上的軸聯動，具有插補功能。它不僅要控制加工過程中每一點的位置和刀具移動速度，還要加工出任意形狀的曲線或曲面。輪廓控制加工示意圖如圖1-7所示。
屬于輪廓控制機床的有數控坐標車床、數控銑床、加工中心等。其相應的數控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓控制裝置比點位、直線控制裝置結構復雜，但其功能齊全。
2.按機床控制的聯動軸數分類
若根據機床控制的聯動軸數可細分為兩軸聯動、兩軸半聯動、三軸聯動、四軸聯動、五軸聯動等。
（1）兩軸聯動 主要用于數控車床加工旋轉曲面或數控銑床加工曲線柱面，如圖1-8所示。
圖1-7 輪廓控制加工示意圖
圖1-8 兩軸聯動加工
（2）兩軸半聯動 主要用于三軸以上機床的控制，其中任意兩根軸聯動，第三軸做周期性進給。圖1-9所示為兩軸半數控機床加工三維空間曲面。
（3）三軸聯動 三個坐標軸X、Y、Z都同時插補，是三維連續(xù)控制，如圖1-10所示。
（4）四軸聯動 同時控制X、Y、Z三個直線坐標軸與某一旋轉坐標軸聯動，如圖1-11所示為四軸聯動加工。
（5）五軸聯動 五軸聯動是一種很重要的加工形式（圖1-12），三個坐標軸X、Y、Z與工作臺的回轉、刀具的擺動同時聯動（也可以是與兩軸的數控轉臺聯動，或刀具做兩個方向的擺動）。由于刀尖可以按數學規(guī)律導向，使之垂直于任何雙倍曲線平面，因此特別適合于加工汽輪機葉片、機翼等。
圖1-9 兩軸半數控機床加工三維空間曲面
圖1-10 三軸聯動加工
圖1-11 四軸聯動加工
圖1-12 五軸聯動加工
3.按伺服系統(tǒng)的控制原理分類
按數控系統(tǒng)的進給伺服系統(tǒng)有無位置測量裝置，數控機床可分為開環(huán)數控機床和閉環(huán)數控機床。在閉環(huán)數控機床中根據位置測量裝置安裝的位置，又可分為全閉環(huán)和半閉環(huán)兩種，詳細內容在以后學習情境中講述。
4.按功能水平分類
數控機床按數控系統(tǒng)的功能水平可分為低、中、高三檔。這種分類方式，在我國用得很多。低、中、高檔的界限是相對的，不同時期的劃分標準有所不同。就目前的發(fā)展水平來看，一般開環(huán)、步進電動機系統(tǒng)，兩軸聯動機床多為低檔；采用半閉環(huán)直流或交流伺服系統(tǒng)，聯動軸數在3～5軸的機床多為中檔；采用閉環(huán)直流或交流伺服系統(tǒng)，聯動軸數在3～5軸且分辨力為0.1μm的多為高檔。
5.按工藝用途分類
數控機床按不同工藝用途分類，可分成數控金屬切削機床、數控金屬成形機床以及特種加工機床等。其中金屬切削機床有數控的車床、銑床、磨床與齒輪加工機床等；在數控金屬成形機床中，有數控的沖壓機、彎管機、裁剪機等；在特種加工機床中，有數控的電火花切割機、火焰切割機、點焊機、激光加工機等。近年來在非加工設備中也大量采用數控技術，如數控測量機、自動繪圖機、裝配機、工業(yè)機器人等。
任務實踐
1.帶領學生到實訓車間，讓學生認真觀察各種類型的數控機床，并掌握數控機床的組成。
2.由教師加工一個簡單的階梯軸，讓學生認真觀察數控機床的加工過程。
3.借助于數控實訓車間，講練結合以提高學生學習的興趣，加深對所學內容的理解。
4.數控機床控制面板的每一個功能都體現著以人為本的個性化設計，理論結合實際，掌握控制面板各個按鍵的功能。