1.3 數控機床的組成及分類

1.3.1 數控機床的組成

數控機床是典型的機電一體化產品，主要由程序載體、輸入/輸出裝置、計算機數控裝置（CNC裝置）、伺服系統（位置反饋系統）和機床本體等五部分組成。數控機床組成框圖如圖1.2所示。

數控機床各組成部分的功能簡介如下。

1．程序載體

數控機床是按照輸入的零件加工程序運行的。零件加工程序中，包括機床上刀具和工件的相對運動軌跡、工藝參數（進給量、主軸轉數等）和輔助運動等，用一定的格式和代碼，存儲在一種載體上，被稱為程序載體。如穿孔紙帶、盒式磁帶或軟磁盤等，通過數控機床的輸入裝置，將程序信息輸入到CNC單元內。

2．輸入/輸出裝置

輸入裝置的作用是將信息載體中的數控加工信息讀入數控系統的內存。根據程序載體的不同，相應有三種輸入方式。

（1）控制介質輸入。主要有兩種輸入方法：一種方法是通過紙帶輸入，即在特制的紙帶上穿孔，用孔的不同位置的組合構成不同的數控代碼，通過紙帶閱讀機將指令輸入。另一種方法是對于配置有計算機軟驅動器的數控機床，可以將存儲在磁盤上的程序通過軟驅輸入系統。

（2）手動輸入。操作者可以利用機床上的顯示屏及鍵盤輸入加工程序指令，控制機床的運動，具體說來有三種情況。

① 手動數據輸入（Manual Data Input, MDI）：即通過機床面板上的鍵，把數控程序指令逐條輸入到存儲器中。這種方法只適用于一些比較短的程序，只能使用一次，機床動作后程序就消失。

② 在控制裝置的程序編輯界面（EDIT）狀態下，用按鍵輸入加工程序，存入控制裝置的內存中。用這種方式可以對程序進行編輯，程序可重復使用。

③ 在具有會話編程功能的數控裝置上，可以按照顯示屏上提示的問題，選擇不同的菜單，將圖樣上指定的有關尺寸數字等輸入，就可自動生成加工程序存入內存。這種方法雖然是手工輸入，但卻是自動編程。

圖形交互自動編程是現在廣泛采用的另一種自動編程方式。利用CAD軟件的圖形編輯功能將零件的幾何圖形繪制到計算機上，形成零件的圖形文件，然后調用數控編程模塊，采用人機交互的方式在計算機屏幕上指定被加工的部位，通過鍵盤手工輸入相應的加工參數后，計算機自動編制出數控加工程序。

（3）直接輸入存儲器。這種方式是數控系統利用通信方式進行信息交互，即通過對有關參數的設定和相關軟件，直接讀入在自動編程機上及其他計算機上或網絡上編制好的加工程序。目前，在數控機床上常用的通信方式有：

① 串行接口。

② 自動控制專用接口。

③ 網絡技術。

輸出裝置的作用是為操作人員提供必要的信息，如程序代碼、切削用量、刀具位置、各種故障信息和操作指示等。常用的輸出裝置有顯示器和打印機等，高檔數控系統還可以用圖形方式直觀地顯示輸出信息。

3．數控裝置

數控裝置是數控機床最重要的組成部分，數控機床功能的強弱取決于數控裝置。主要由信息的輸入、處理和輸出三個部分組成。程序載體通過輸入裝置將加工信息給CNC單元，編譯成計算機能識別的信息，由信息處理部分按照控制程序的規定，逐步存儲并進行處理后，通過輸出單元發出位置和速度指令給伺服系統，以控制機床主運動機構和進給傳動機構。

數控機床的輔助動作，如刀具的選擇與更換、切削液的啟停等能夠用可編程序控制器（PLC）進行控制。PLC是用于進行與邏輯運算、順序動作有關的I/O控制，它由硬件和軟件組成。應用于數控機床的PLC分兩類：一類是CNC生產廠家為實現數控機床順序控制，而將CNC和PLC綜合設計的內裝型（或集成型），這種PLC是CNC裝置的一部分；另一類是由專門生產廠家開發的PLC系列產品，即獨立型（或外裝型）的PLC。

4．伺服系統

伺服系統由伺服驅動電路和伺服驅動電動機組成，包括主軸伺服系統和進給伺服系統。主軸伺服系統的主要作用是實現零件加工的切削運動，其控制量為速度。進給伺服系統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，特點是能靈敏、準確地實現CNC裝置的位置和速度指令。每個做進給運動的執行部件都配有一套伺服驅動系統。

伺服系統直接影響數控機床加工的速度、位置、精度、表面粗糙度等。數控機床性能的好壞就取決于伺服驅動系統。

5．位置反饋系統

位置反饋分為伺服電動機的轉角位移反饋和數控機床執行機構（工作臺）的位移反饋兩種，運動部分通過傳感器將上述角位移或直線位移轉換成電信號，輸送給CNC單元，與指令位置進行比較，并由CNC單元發出指令，糾正所產生的誤差，適時控制機床的運動位置。

6．機床的機械部件

數控機床的機械結構，除了主運動部件、進給運動部件（如工作臺、刀架）、輔助部分（如液壓、氣動、冷卻和潤滑部分等）和支撐部件（如床身、立柱）等一般部件外，尚有些特殊部件，如儲備刀具的刀庫、自動換刀裝置（ATC）、自動托盤交換裝置等。與普通機床相比，數控機床結構發生了很大的變化，普遍采用了滾珠絲杠、滾動導軌（如圖1.3所示），傳動輕巧精密，效率更高；用滾動導軌或貼塑導軌消除爬行；采用主軸電機和變速齒輪的變速機構，實現無級變速的同時還減少了變速齒輪的級數，使數控機床的傳動系統更為簡單；機床的工作臺可裝有位置反饋裝置，傳動裝置的間隙要盡可能小；由于數控機床的運行速度和加工速度一般都比普通機床高，所以對機床的靜態和動態剛度、振動頻率等方面要求更高，以適應對數控機床高定位精度和良好控制性能的要求。

1.3.2 數控機床的分類及應用范圍

目前，為了研究數控機床，可從不同的角度對數控機床進行分類。

1．按機床運動軌跡分類

（1）點位控制數控機床。點位控制又稱為點到點控制。該系統的特點是只控制機床運動部件（刀具對工件）運動起點和終點坐標點的精確定位。移動過程中不進行切削，對它們定位過程中的運動軌跡及移動速度沒有嚴格要求，各坐標軸之間的運動是不相關的（如圖1.4所示）。為了確保準確的定位，點位控制系統在高速運行后，一般采用3級減速，以實現慢速接近定位點并最后準確定位。

點位控制的數控機床主要用于平面內的孔系，主要有數控鉆床、數控坐標鏜床、數控彎管機、數控沖剪床、三坐標測量機等，其采用的數控系統稱為點位數控系統。隨著數控技術的發展和數控系統價格的降低，單純用于點位控制的數控系統已不多見。

（2）直線控制數控機床。直線切削控制又稱為平行切削控制。這類數控機床不僅要求機床運動部件運動起點和終點之間具有準確定位的功能，而且要求實現平行坐標軸的直線切削加工，并且可以設定直線切削加工的進給速度。該系統也可以控制刀具或工作臺同時在兩個軸向以相同的速度運動，從而沿著與坐標軸成45°的斜線進行加工，如圖1.5所示。因此，一般只能加工矩形、臺階形零件。這類數控機床主要有比較簡單的數控鏜銑床、數控車床、加工中心和數控磨床等。這種機床的數控系統也稱為直線控制數控系統。同樣，單純用于直線控制的數控機床也不多見。

（3）輪廓控制數控機床。輪廓控制又稱為連續軌跡控制。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，不僅能夠控制機床移動部件的起點與終點坐標，而且能夠精確控制整個加工過程中每一點的速度與位移量，也即控制移動軌跡，將零件加工成一定的輪廓形狀，見圖1.6所示。

兩坐標及兩坐標以上的數控銑床（加工中心）、可加工曲面的數控車床、數控磨床、數控齒輪加工機床和各類數控切割機床等均采用輪廓控制方式，它們可以取代各種類型的仿形加工，同時提高了加工精度和加工效率，其相應的數控裝置稱為輪廓控制數控系統。按同時控制且相互獨立的軸數，可以有2軸控制、2.5軸控制和3、4、5軸控制等形式。

① 2軸控制：指的是可以同時控制2軸，但機床軸數也可能多于2軸。主要用于數控車床加工回轉曲面或數控銑床加工曲線柱面。如在數控銑床上的X、Y、Z 三個坐標同時控制 X、Y 兩個坐標時，可以進行圖1.7（a）所示的曲線形狀加工。同時控制 X、Z 坐標和Y、Z坐標時，可以加工圖1.7（b）所示形狀的零件。

② 2.5軸控制：主要用于三軸以上機床的控制，即指兩個軸連續控制、第3個軸作周期性的點位或直線控制，從而實現三個坐標軸 X、Y、Z 內的二維控制。如圖1.8所示就是采用這種方式用行切法加工的三維空間曲面。

③ 3軸控制：一般分為兩類，一類是指同時控制 X、Y、Z 三個直線坐標軸聯動，這樣，刀具在空間的任意方向都可移動，因而能夠進行三維的立體加工，比較多的用于數控銑床、加工中心等。如圖1.9所示為用球頭銑刀銑切三維空間曲面。另一類是除了同時控制X、Y、Z 其中兩個直線坐標軸外，還同時控制圍繞其中某一直線坐標軸旋轉的旋轉坐標軸。如車削加工中心，它除了縱向（Z軸）、橫向（X軸）兩個直線坐標軸聯動外，還需同時控制圍繞Z軸旋轉的主軸（C軸）聯動，見圖5.6所示。

④ 4軸控制：是指同時控制四個坐標運動，即在X、Y、Z三個直角坐標軸之外，再加一個旋轉坐標軸。同時控制四個坐標的數控機床如圖1.10所示，它可以用來加工葉輪或圓柱凸輪。

⑤ 5軸控制：五軸是指在直線坐標X、Y、Z以外，再加上圍繞這些直線坐標旋轉的旋轉坐標 A、B、C中的兩個坐標，形成同時控制五個軸聯動。這時，刀具可以給定在空間的任意方向，如圖1.11所示，它特別適合加工透平葉片、機翼等更為復雜的空間曲面（如圖1.12所示）。

2．伺服系統類型的分類

這種分類方法是根據伺服系統測量反饋形式來劃分的。

（1）開環伺服系統數控機床。開環伺服系統是不帶測量反饋裝置的控制系統，如圖1.13所示。開環伺服系統的數控機床，采用步進電動機作為伺服驅動執行元件，數控裝置將工件加工程序處理后，輸出脈沖信號給伺服驅動系統步進驅動器的環形分配器和功率放大器，最終控制相應坐標軸的步進電動機的角位移，再經機械傳動鏈，實現機床運動部件的直線位移，但不檢測運動的實際位置，即指令信息單方向傳送，并且指令發出后不再反饋回來，故稱開環控制。

由此可見，因無位置反饋，開環系統精度（相對閉環系統）不高，其精度主要取決于伺服驅動系統和機械傳動機構的性能和精度。但由于開環控制結構簡單，調試方便，容易維修，成本較低，仍被廣泛應用于精度和速度要求不高的經濟型數控和對舊機床的改造上。

（2）閉環伺服系統數控機床。閉環控制系統如圖1.14所示，它在機床移動部件的位置上直接裝有直線位置檢測裝置，檢測刀具或工作臺的實際位移值并將檢測到的位移值及時反饋到CNC裝置的比較器中，與所要求的位移指令值進行比較，用比較的差值進行控制，直到差值消除為止。可見，閉環控制系統將機械傳動鏈的全部環節都包括在反饋環路之內，其控制精度高。從理論上講，閉環控制方式的運動精度和定位精度，僅取決于檢測裝置的精度，而與機械傳動的誤差無關。但由于位置環內的許多機械傳動環節的摩擦特性、剛性、間隙、導軌的低速運動特性及系統的抗振性等都是非線性的，很容易造成系統不穩定，嚴重時甚至會使伺服系統產生振蕩而使機床無法正常進行加工。因此閉環系統的設計、安裝和調試都有相當的難度，其對機床的結構剛性、傳動部件的間隙及導軌移動的靈敏性等都提出了更高的要求，價格昂貴。

閉環伺服系統數控機床主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精磨床以及較大型的數控機床等。閉環控制數控機床的伺服機構采用直流伺服電動機或交流伺服電動機驅動。

（3）半閉環伺服系統數控機床。半閉環控制系統如圖1.15所示，它在開環控制系統的絲杠端頭或電動機端頭上裝有檢測裝置，通過檢測絲杠的角位移（轉角）和轉速，間接地檢測移動部件的實際位移量，然后反饋到CNC裝置中進行位置比較，用比較的差值進行控制。由于反饋環內沒有包含工作臺，故稱半閉環控制。半閉環控制精度較閉環控制差，但穩定性好，且由于角位移檢測裝置比直線位移檢測裝置的結構更為簡單，造價較低，同時由于滾珠絲杠制造精度的提高，絲杠、螺母之間側隙采用了補償方法，因此，配備精密滾珠絲杠的半閉環控制系統得到廣泛采用。

目前采用直線電動機作為伺服驅動元件的數控機床，取消了傳動系統中將旋轉運動變為直線運動的環節，實現了“零傳動”。該傳動方式從根本上消除了機械傳動環節對精度、剛度、快速性及穩定性的影響，使機床獲得更高的定位精度、進給精度和加速度。

3．加工工藝類型的分類

（1）金屬切削類數控機床。

① 普通型數控機床。這類數控機床和傳統的通用機床一樣，指采用車、銑、鉆、鉸、鏜、磨、刨等各種切削工藝的數控機床，如數控車床、數控銑床、數控磨床和數控齒輪加工機床等。而且每一類中又有很多品種，例如數控銑床中就有立銑、臥銑、工具銑、龍門銑等。這類機床的工藝性能和通用機床相似，所不同的是它能加工具有復雜形狀的零件。

② 加工中心。這是一種在普通數控機床上加裝一個刀具庫和自動換刀裝置而構成的數控機床。它和普通數控機床的區別是：工件經一次裝夾后，數控系統能控制機床自動地更換刀具，連續自動地對工件各加工面進行銑（車）、鏜、鉆、鉸、攻螺紋等多工序加工，故此，有些資料上又稱它為多工序數控機床，如（鏜銑類）加工中心、車削中心、鉆削中心等。

（2）金屬成形類數控機床。這類機床指采用擠、沖、壓、拉等成形工藝方法加工零件的數控機床，如數控沖床、數控折彎機、數控彎管機、數控回轉頭壓力機等。

（3）數控特種加工機床。數控特種加工機床是指采用電加工技術加工零件的數控機床，即電加工類數控機床。這類機床有數控線（電極）切割機床、數控電火花加工機床、數控火焰切割機、數控激光加工機床等。

（4）其他非加工類型的數控機床。這類機床有數控裝配機、數控三坐標測量機、數控對刀儀、數控繪圖儀等。

4．數控系統功能水平的分類

數控機床按數控系統功能水平可分為低、中、高三檔。就目前的發展水平來看大體可從以下幾方面區分，見表l-1。

這種分類方法，目前在我國用得很多，但沒有一個確切的定義。