1.2　数控机床的组成、工作原理与分类

1.2.1　数控机床的组成

数控机床主要由输入装置、数控装置、伺服装置、强电控制柜、机床本体和检测反馈装置组成，如图1-4所示。

（1）加工程序

加工程序是数控机床自动加工零件的工作指令。它是在对加工零件进行工艺分析的基础上，确定零件坐标系在机床坐标系中的相对位置（即工件在机床上的安装位置，刀具与工件的相对运动位置关系）、工件加工的工艺路线、切削加工的工艺参数以及辅助装置的动作等。得到工件加工的所有运动、尺寸、工艺参数等信息后，用由字符、数字和符号组成的标准数控代码，按规定的方法和格式，编制零件加工的数控程序单。编制程序的工作可由人工进行；对于形状复杂的零件，则要在专用的编程机或通用计算机上进行自动编程（Automatically Programmed Tools，APT）或图形交互式CAD/CAM编程。

编好的数控程序，存放在便于输入到数控装置的一种存储载体上，它可以是穿孔纸带、磁带、磁盘、U盘等，采用哪一种存储载体，取决于数控装置的设计类型。

（2）输入装置

输入装置的作用是将程序载体（信息载体）上的数控代码传递并存入数控装置内。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序也可通过键盘用手工方式直接输入数控装置；数控加工程序还可由外部编程计算机通过RS-232C或网络通信方式传送到数控装置中。

运行数控程序对零件进行加工的方式有两种：一种是数控程序存储于外部计算机中，通过数据线将外部计算机与数控装置相连，运行加工时边读入边加工（数控装置内存较小时）；另一种是将数控程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时数控装置直接从内部存储器中逐段调出进行运行加工。

（3）数控装置

数控装置是机床实现自动加工的核心，主要由操作系统、主控制系统、可编程控制器、各类I/O接口等组成。它的主要功能有：多坐标控制和多种函数的插补；数控程序输入、编辑和修改功能；信息转换功能；刀具补偿功能；加工方法选择；显示功能；自诊断功能；通信和联网功能。其控制方式有两类：数据运算处理控制和时序逻辑控制。其中主控制器内的插补运算模块是通过译码、编译等信息处理，进行相应的刀具轨迹插补运算，并通过与各坐标伺服系统位置、速度反馈信号比较，从而控制机床各个坐标轴的移动；而时序逻辑控制通常主要由可编程控制器PLC来完成，它根据机床加工过程中的各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判别，从而控制机床各个部件按次序工作。

（4）伺服装置

它是数控系统的执行部分，主要由驱动控制装置（含功率放大器）和执行机构等组成，并与机床的执行部件和机械传动部件相连接组成进给系统。伺服装置接收来自数控装置发出的速度和位移信号，经功率放大后，控制执行部件的移动速度、方向和位移，以加工出符合图纸要求的零件。

因此，它的伺服精度和动态响应性能是影响数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。驱动装置包括控制器和执行机构两大部分。目前大都采用直流或交流伺服电动机作为执行机构。

（5）辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的开关量信号指令，经过编译、逻辑判别和动作，再经功率放大后驱动相应的电气元器件，驱动机床的机械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关量动作。这些控制包括主轴运动部件的变速、换向和启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动停止，工件和机床部件的松开、夹紧，分度工作台转位分度等开关辅助动作。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快，性能可靠，易于使用，可进行程序编辑和修改，并可直接启动机床开关等特点，现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

（6）检测反馈装置

它用于检测数控机床各坐标轴的实际位移量，经反馈装置输入到机床的数控装置之中，数控装置将反馈回来的实际位移量与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差转换放大后控制执行部件的进给运动。

（7）机床本体

它是指数控机床机械结构实体和液压气动系统（包括润滑、冷却系统），机床机械结构实体主要由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置等组成。但数控机床在整体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构以及操作机构等方面均已发生了很大的变化。这种变化是为了满足数控机床的性能要求和充分发挥数控机床的工艺特点。其主要变化有： 

①采用高性能主传动及主轴部件。

②进给传动采用高效传动件。一般采用滚珠丝杠螺母副、直线滚动导轨副等。

③具有较完善的刀具自动交换和管理系统。

④具有工件自动交换、工件夹紧与放松机构。

⑤床身机架具有很高的动、静刚度。

⑥采用全封闭罩壳。

1.2.2　数控机床的工作原理

数控机床的工作原理如图1-5所示。根据被加工零件的技术要求和工艺要求编写的零件数控加工程序，通过输入装置输入到数控装置中，数控装置对数控程序进行编译、计算等处理后发出运动控制信号，伺服装置根据接收到的信号驱动机床的主轴运动、进给运动、刀具更换，以及加工过程中的其他辅助动作（如：工件的夹紧与松开，冷却、润滑泵的开与关），从而使刀具、工件和其他辅助装置严格按照加工程序规定的次序、运动轨迹和参数进行工作，加工出符合图纸要求的零件。

零件的轮廓线一般由直线、圆弧或其他非圆弧曲线构成，刀具在加工过程中必须按零件形状和尺寸要求进行运动。数控程序中只给定了零件加工轮廓线的起点和终点坐标值，无法满足刀具切削加工运动的控制要求，数控装置必须进行刀具运动轨迹的插补计算，即在线段的起点和终点之间，按照一定的拟合精度要求再插入一系列中间点，这种坐标点的“密化计算”称作插补，如图1-6所示。

在数控加工时，数控装置需要对读入的数控程序进行编译和数据处理，然后还需进行插补计算，根据插补计算结果向相应运动轴发出脉冲信号，控制各运动轴（即进给运动的各执行元件）按给定的运动参数进行运动，从而保证各个运动轴之间的精密运动关系，这种控制方式就称为联动控制，如图1-7所示。

1.2.3　数控机床的分类

数控机床的种类很多，为了便于了解和研究它们的特点，可以从不同的角度对其进行分类。

（1）按工艺用途划分

1）金属切削类数控机床

与传统通用机床品种相对应，数控机床也有数控车床、数控铣床、数控镗床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。装有刀库具有自动换刀功能的数控机床称为数控加工中心，简称加工中心。加工中心目前主要有两类：一类是在镗、铣床基础上发展起来的数控铣削加工中心；另一类是在车床基础上发展起来的，称为车削加工中心。图1-8（a）所示为数控车床，图1-8（b）所示为立式铣削加工中心示意图。

2）金属成型类数控机床

这类机床属钣金加工机床，机床的加工成型运动比较简单。如数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机等，如图1-9和图1-10所示。

3）数控特种加工机床

它主要指利用电能、化学能等能量进行加工的数控机床，这类机床适合加工难加工材料、复杂几何形体等工件。如数控线切割机床（见图1-11）、数控电火花加工机床（见图1-12）等。

4）其他类型数控机床

除上述三类数控机床之外的数控机床，诸如：火焰切割机床（见图1-13），数控三坐标测量机（见图1-14）等。

（2）按运动方式划分

1）点位控制数控机床

如图1-15所示，点位控制系统是指数控装置只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先以快速移动到终点附近位置，然后以低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。使用这类控制系统的数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床等。

2）点位直线控制数控机床

这类数控机床不仅要求具有准确的点定位功能，而且要求从一点到另一点按直线运动进行切削加工。其刀具运动路径一般由和各运动轴线平行的直线段组成，如图1-16所示。运动时的速度是可以控制的，对于不同的刀具和工件，可以选择不同的切削用量。这类数控机床包括：数控车床、数控镗铣床、加工中心等。一般情况下，这类机床有2～3个可控轴。但同时控制轴只有一个。

3）轮廓控制数控机床

图1-17为两坐标轮廓控制数控加工示意图。这类数控机床能够对两个或两个以上坐标轴同时进行控制加工，它不仅能严格控制机床运动件的起点与终点坐标，还能严格控制刀具的运动轨迹，以便加工工件的任意曲线轮廓或曲面。几个坐标轴按严格的函数关系同时协调运动，称为坐标联动。按联动轴数可以分为2轴联动、2.5轴联动、3轴联动、4轴联动、5轴联动等数控机床。2.5轴联动是三个主要坐标控制轴（X、Y、Z）中，任意两个轴联动，而另一轴是点位或点位直线控制。

（3）按伺服控制方式划分

1）开环控制数控机床

这类数控机床不带位置检测反馈装置，数控装置发出的指令信号流是单向的。这种系统一般采用步进电动机做伺服驱动元件，当需要某个轴运动一个单位长度（即一个脉冲当量）时，向该轴伺服电路输出一个脉冲，经环形分配和功率放大后驱动步进电动机转动一步，通过滚珠丝杆-螺母副使机床运动部件运动一个单位长度（步距）。图1-18所示是开环伺服系统图。

开环数控装置具有工作稳定、调试方便、维修简单等优点。广泛应用于精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合。在我国，经济型数控机床一般都采用开环数控装置。

2）闭环控制数控机床

这类数控机床的特点是装有位置测量反馈装置。位移测量装置安装在机床移动部件上，它会对加工过程中机床移动部件的实际位移进行实时检测，并将测量到的实际位移值反馈给位置控制单元。插补指令位移与反馈实际位移相比较，根据其差值控制电动机的转速，进行误差修正，直到位移误差消除，图1-19为其闭环伺服控制系统图。

采用闭环系统可以消除由于机械部件的传动误差给加工精度带来的影响，所以可以获得很高的精度。从理论上讲，闭环系统的运动精度主要取决于测量装置的位移测量精度，而与传动链的误差无关。闭环系统主要用于精度要求很高的数控镗铣床、数控车床、数控磨床等。

闭环控制系统一般采用直流或交流伺服电动机做伺服驱动元件。由于交流伺服电动机具有结构简单、动态响应好、输出功率大、价格低等优点，同时近年来新型功率开关器件、专用集成电路和新的控制算法的发展，使交流伺服电动机在闭环控制系统中得到了广泛的应用，交流伺服电动机正在逐步取代直流伺服电动机。

闭环控制系统的工作特点对机床的结构及传动链提出了比较严格的要求，传动系统的刚性不足及间隙的存在、导轨的爬行等各种因素将增加调试的困难，甚至会使数控机床的伺服系统工作时产生振荡。

3）半闭环控制数控机床

为了排除机械传动环节的非线性误差对系统稳定性的影响，一般将位置测量装置安装在伺服电动机主轴上或丝杆的端部，也就是说反馈信号取自电动机轴或丝杆上，而不是机床的最终运动部件，如图1-20所示。

这种伺服系统闭环环路内剔除了机械传动环节，即机械传动误差将反映到被加工工件上去。这种系统就称为“半闭环伺服系统”。半闭环伺服控制系统的特点是：可获得稳定的控制，而机械传动环节的误差，采用补偿的方法消除，仍可获得满意的精度。因此，大多数数控机床采用半闭环系统。

（4）按数控机床性能划分

数控机床的性能水平大致可由机床的主要技术参数、数控装置和伺服系统功能及关键部件的性能水平决定。数控机床按其性能水平一般分为高、中、低（经济型）三个档次，这种分类并没有十分确切的定义，但可以给出一个大概的参考指标，具体如表1-1所示。

1.2.4　数控加工的特点与使用要求

（1）数控加工的特点

1） 高精度

数控机床由于采用高性能功能部件，以及采用运动误差的闭环修正措施，使其加工零件尺寸的一致性好，加工精度更高，中小型数控机床的定位精度可达0.005mm，重复定位精度可达0.002mm。数控机床按预定的零件加工程序自动加工，加工过程不需要人工干预，加之数控机床本身的刚性好，精度高，而且可利用软件进行精度校正和补偿，因此可以获得比机床本身精度还要高的移动精度和重复定位精度。

2） 高柔性

所谓“柔性”是指数控机床随加工对象变化而变化的适应能力。数控机床的高柔性包含两方面的含义：一是可以方便地加工具有复杂型面的工件；二是可以灵活地适应多品种、小批量产品的加工。

由于采用联动控制，对传统机床很难加工或根本无法加工的精密复杂零件，数控机床也能实现精密自动加工。对具有复杂型面的零件，可以采用CAD/CAM进行零件的三维造型，然后自动生成数控加工程序，最后由数控机床进行加工。

在数控机床上加工零件，当零件改变时，只需重新编制、输入新的程序就可以对新零件进行加工。这就为单件、小批量生产以及新产品试制提供了极大的方便。

3） 高自动化

数控机床按事先编好的程序对工件进行自动加工，操作者除装卸工件、编写程序、加工运行控制、关键工步中间检测以及观察机床运行外，其他的工作都是由机床自动连续完成，不需要进行繁杂的重复性手工操作，劳动强度与紧张程度均可大为减轻。另外数控机床一般具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑等装置，操作者的劳动条件也大为改善。

4） 高效率

由于数控机床加工的切削速度和进给量变化范围比普通机床大，且可以在数控程序中随时改变切削用量，因此数控加工的每个工步都可选用最优的切削用量；另外，由于数控机床的结构刚性好，因此允许进行大切削用量的强力切削，这就提高了数控机床的切削效率，节约了机动时间；数控机床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，刀具可自动更换，辅助时间比一般机床大为减少。

5） 高投入、高效益

数控机床设备昂贵，加工工时分摊到每个零件上的设备折旧费较高。但在单件、小批量生产的情况下，使用数控机床加工可节省画线工时，减少调整、加工和检验时间，节省直接生产费用。数控机床加工零件一般不需制作专用工夹具，节省了工艺装备费用。数控机床加工精度稳定，减少了废品率，使生产成本进一步下降。此外，数控机床可实现一机多用，节省厂房面积和建厂投资。因此使用数控机床一次投入较大，但可获得良好的经济效益。

6） 有利于现代化管理

采用数控机床加工，能准确地计算出零件加工工时和费用，有效地简化检验工夹具、半成品的管理工作，这些都有利于使生产管理现代化。

数控机床使用数字化信息与标准代码输入，适合与计算机联网，是计算机辅助设计、制造及管理一体化的基础。

基于上述特点，数控机床主要适用于多品种小批量、高精度或高附加值、复杂结构和形状的零件加工，而不适合大批量、低精度、简单结构零件的加工。

（2）数控机床的使用要求

1） 对操作维修人员的要求

数控机床是集机械与液压技术、计算机与软件技术、精密检测技术、现代控制技术等于一体的高科技产品。其驱动装置的技术复杂，机床的精度高。因此，数控机床的使用与维修不是一个简单技术问题，而是多学科高新技术的综合应用工程，这就要求数控机床的操作、维修及管理人员具有较高的文化水平和技术素质。

数控机床加工是按程序进行，程序质量的好坏，直接影响到加工零件的生产率、成本和质量。数控程序可采用人工编制，也可采用自动编制，这就要求编程人员要有一定的数学计算能力、良好的工艺技术基础、良好的数控编程理论和技能，还要有熟练的计算机操作和自动编程软件应用能力。因此，数控机床的操作人员除应具有一定的工艺知识和普通机床的操作经验外，还应对数控机床的结构特点、工作原理非常了解，须在程序编制方面进行专门的培训，经考核合格才能上机操作。事实上，数控机床使用过程中的许多问题都是由编程错误和操作不当引起的。

当零件的形状比较复杂时，手工编程就很困难，而且往往无法实现。因此必须借助CAD/CAM技术进行编程，一般需配备专门的程序设计人员。

正确的维护和有效的维修也是数控机床使用的一个重要问题。数控机床的维修人员应具有较高的理论知识和维修技术，不但要了解数控机床的结构，懂得数控机床的电气原理，还应有机、电、气、液专业知识，这样才能综合分析，判断故障根源，正确维修，从而尽可能地缩短停机时间。因此，数控机床的维修人员和操作人员一样，必须进行专门的培训。

2） 对夹具和刀具的要求

单件生产时一般采用通用夹具或直接在机床工作台上进行装夹。当批量生产时，为了节省加工工时，一般多采用组合夹具。只有在大批量生产中才使用专用夹具。

刀具的选择应与数控机床的性能特点相适应。数控加工刀具必须适应数控机床高速、高效和自动化程度高的特点，一般应包括通用刀具、通用连接刀柄及少量专用刀柄。刀柄要连接刀具并装在机床动力头上，因此已逐渐标准化和系列化。数控刀具一般应具有以下特点：

①切削性能稳定可靠；

②可靠的断屑和卷屑；

③应具有高的精度；

④精确而迅速的调整，快速或自动更换；

⑤各种必要的刀具工作状态检测装置；

⑥标准化、系列化和通用化。