数控机床的组成和工作原理详解

1.数控机床的组成

数控机床是利用数控技术，准确地按照事先编制好的程序，自动加工出所需工件的机电一体化设备。数控机床在现代机械制造中，特别是在航空、造船、国防、汽车模具及计算机工业中得到了广泛应用。

数控机床一般由程序载体、数控装置、伺服系统和机械部件组成，如图2-1所示，其中实线部分表示开环系统。为了提高加工精度，再加入测量装置，由虚线构成反馈，称闭环系统。

图2-1　数控机床的组成

（1）程序载体

数控机床加工时，所需的各种控制信息要靠某种中间载体携带和传输，这种载体称作“程序载体”。程序载体是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置信息的媒介物，它记载着零件的加工程序。

程序载体可以是磁盘、磁带、硬盘和闪存卡等，也可通过通信接口直接输入所需各种信息，采用何种程序载体则取决于数控装置的类型。高级的数控系统可能还包含一套自动编程机或者CAD/CAM系统。由这些设备实现编制程序、输入程序、输入数据以及显示、模拟仿真、存储和打印等功能。

（2）数控装置

数控装置可分为普通数控系统（NC）和计算机数控系统（CNC）两大类。前者利用专用的控制计算机，又称硬件数控；后者利用通用的小型计算机或微型计算机加软件，又称软件数控。数控装置是数控机床的核心，一般由输入装置、控制器、运算器和输出装置等组成。它根据输入的程序和数据，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令控制机床的各个部分，进行规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是：经插补运算决定的各坐标轴（即做进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位移量指令，送伺服驱动系统驱动执行部件做进给运动的信号；主运动部件的变速、换向和启停信号；选择和交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停、工件和机床部件松开、夹紧、分度工作台转位等补助指令信号等。

（3）伺服系统

伺服驱动系统由伺服驱动电路和伺服驱动装置组成，并与机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统。它根据数控装置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个做进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统，而相对于每一个脉冲信号，执行部件都有一个相应的位移量（又称脉冲当量），其值越小，加工精度越高。数控装置可以以很高的速度和精度进行计算并发出很小的脉冲信号，关键在于伺服系统能以多高的速度与精度去响应执行，所以整个系统的精度与速度主要取决于伺服系统。

在伺服系统中，伺服驱动电路要把数控装置发出的微弱电信号（5V左右，毫安级）放大成强电的驱动电信号（几十至上百伏，安培级）去驱动伺服电动机。

伺服驱动系统有开环、半闭环和闭环之分。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，使用了位置检测装置，间接或直接测量执行部件的实际进给位移，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。

（4）机械部件

数控机床的机械部件包括：主运动部件，进给运动执行部件（如工作台、拖板）及其传动部件，床身、立柱等支承部件，以及冷却、润滑、转位和夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、交换刀具的机械手等部件。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动结构要求更为简单，在精度、刚度、抗震性等方面要求更高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。

2.数控机床的工作原理

（1）数控机床加工过程(www.xing528.com)

用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大进行伺服电动机的驱动，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他补助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。如图2-2所示为数控加工中数据转化的工作原理。

图2-2　数控加工中数据转换的原理图

数控机床的加工，是把刀具与工件的运动坐标分割成一些最小的单位量，即最小位移量，由数控系统按照零件程序的要求，使坐标移动若干个最小位移量，从而实现刀具与工件的相对运动，完成对零件的加工。

当走刀轨迹为直线或圆弧时，数控装置则在线段的起点和终点坐标值之间进行“数据点的密化”，求出一系列中间点的坐标值，然后按中间的坐标值，向各坐标输出脉冲数，保证加工出需要的直线或圆弧轮廓。

数控装置进行的这种“数据点的密化”称作插补，一般数控装置都具有对基本函数进行插补的功能。

对任意曲面零件的加工，必须使刀具运动的轨迹与该曲面完全吻合，才能加工出所需的零件。

数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计机床，致使生产准备时间过长。

（2）数控系统的主要工作过程

数控系统的主要任务是进行刀具和工件之间相对运动的控制。机床接通电源后，微机数控装置和可编程控制器部将对数控系统各组成部分的工作状态进行检查和诊断，并设置初态。当数控系统具备了正常工作的条件时，将开始进行加工控制信息的输入。

工件在数控机床上的加工过程由数控加工程序来描述。按管理形式不同，编程工作可以在专门的编程场所进行，也可在机床前进行。对前一种情况，数控加工程序在加工准备阶段利用专门的编程系统产生，保存到控制介质上，再输入到数控装置，或者釆用通信方式直接传输到数控装置，操作员可按需要，通过数控面板对读入的数控加工程序进行修改。对后一种情况，操作员直接利用数控装置本身的编辑器进行数控加工程序的编写和修改。

输入给数控装置的加工程序是按工件坐标系来编程的，而机床刀具相对于工件是按机床坐标系运动的，同时加工所使用的刀具参数也各不一样，因此在加工前还要输入刀具的参数及工件编程原点相对机床原点的坐标位置。

输入加工控制信息后，可选择一种加工方式（手动方式或自动方式的单段方式和连续方式），启动加工运行，此时，数控装置在系统控制程序的作用下对输入的加工控制信息进行预处理，即进行译码和刀具半径补偿及刀具长度补偿计算。系统进行数控加工程序译码（或解释）时，将其区分成几何的、工艺的数据和开关功能。几何数据是刀具相对工件的运动路径数据，如有关G功能和坐标指定等，利用这些数据可加工出要求的工件几何形状；工艺数据是主轴转速和进给速度等功能，即F功能、S功能和部分G功能；开关功能是对机床电器的开关命令，如主轴启/停、刀具选择和交换、冷却液的启/停、润滑液的启/停等补助M功能指令等。

由于在编写数控加工程序时，一般不考虑刀具的实际几何数据，因此，数控装置根据工件几何数据和在加工前输入的实际刀具参数，要进行相应的刀具补偿计算，简称刀补计算。在数控系统中存在着多种坐标系，根据输入的实际工件原点，加工过程所采用的各种坐标系等几何信息，数控装置还要进行相应的坐标变换。

数控装置对加工控制信息预处理完毕后开始逐段运行数控加工程序。要产生的运动轨迹在几何数据中由各曲线段起、终点及其连接方式（如直线和圆弧）等主要几何数据给出，数控装置中的插补器能根据已知的几何数据计算出刀具一系列的加工点，完成所谓的数据“密化”工作，即完成插补处理。插补后的位置信号与检测到的位置信号进行位置处理，处理后的信号控制伺服装置，由伺服装置驱动电动机运动，从而带动机床运动件运动。

由数控装置发出的开关命令在系统程序的控制下，在各加工程序段插补处理开始前或完成后，适时输出给机床控制器。在机床控制器中，开关命令和由机床反馈的回答信号一起被处理和转换为机床开关设备的控制命令。在现代控制系统中，大多数机床控制电路都用PLC中可靠的开关功能来实现。

在机床的运行过程中，数控系统要随时监视数控机床的工作状态，通过显示部件及时向操作者提供系统的工作状态和故障情况。此外，数控系统还要对机床操作面板进行监控，因为机床操作面板的开关状态可以影响加工状态，需及时处理有关信号。