数控机床的组成与结构分析

数控机床是典型的机电一体化设备，其组成如图1-1所示。从生产数控机床的角度来划分，数控机床包括两部分，即机械本体和电气部分。机械本体一般由数控机床生产厂家生产的机床床身和所购买的零部件组成，俗称光机；电气部分主要由数控装置、驱动装置及其它的一些电器元件等组成。

1.数控机床的机械本体

数控机床的机械本体由主轴传动装置、进给传动装置、床身、工作台以及辅助运动装置、液压气动系统、润滑系统、冷却装置等组成，是数控机床的躯干。在数控机床发展的最初阶段，与通用机床相比，数控机床的机械本体结构的变化主要体现在按钮代替了手柄（有些机床手柄还保留着）、手动刀架换成了自动回转刀架、简化了变速箱。

随着数控技术的发展和机械制造精度的提高，数控机床的机械本体结构也有了全面的改善，从而使数控机床的生产效率、加工精度和寿命达到了更高的要求。此时，数控机床机械本体的特点主要表现为：

图1-1 数控机床的组成

1—机械本体 2、3、4—电气部分

① 主传动装置多采用无级变速或分段无级变速方式，主传动具有较宽的调速范围，调速比可达1∶100，可分为2～4段的分段无级变速，能够更好地适应不同零件的加工需要。

高速加工的数控机床的主传动系统采用结构紧凑、性能优异的电主轴（如图1-2所示，机床的主轴就是电动机旋转的转子），从而使机床的主轴转速能达到每分钟数万转。

② 进给传动装置中广泛采用无间隙滚珠丝杠传动（图1-3）和无间隙齿轮传动，利用贴塑导轨或静压导轨来减少运动副的摩擦力，提高传动精度。有些数控机床的进给部件直接使用直线电动机驱动，从而实现了高速、高灵敏度伺服驱动。

数控机床在主轴与进给方面的传动链都大大缩短，机械的复杂程度降低，传动精度和效率更高。

图1-2 电主轴

图1-3 滚珠丝杠

③ 数控机床的主要支承件采用合理的截面形状，且采取一些补偿变形的措施，使其具有较高的结构刚度。近年来采用了钢板焊接结构的床身、立柱、横梁和工作台的数控机床，在保证静态刚度的前提下，还可以有效提高其动态刚度。

④ 加工中心备有刀库（图1-4）和自动换刀装置（图1-5为换刀机械手），可进行多工序、多面加工，进一步提高了零件的尺寸精度和位置精度，减少了在制品的数量。

图1-4 盘式刀库

2.数控机床的电气部分

在数控机床的电气部分中，数控装置是其工作的核心，是数控机床的大脑；驱动装置是其执行的动力源，是数控机床的心脏；其它电器元件组成的电路则是数控机床的血管。

（1）数控装置(www.xing528.com)

数控装置（Compute rized Numerical Control，CNC）习惯上称为数控系统，如图1-1中所示。数控系统本质上是一台专用的计算机控制装置，其组成和通用计算机一样，也包括输入/输出、运算器和控制器等，其软件部分包括系统程序和零件加工程序等。

图1-5 换刀机械手

1—刀库 2—放回刀库的刀具 3—机械手 4—新换的刀具 5—主轴

数控装置一般由专业制造商生产，目前较常见的国内产品有华中的世纪星（图1-6）、北京的凯恩帝（KND，见图1-7）、广州的广数（GSK，见图1-8）等系统。国外的发那科FANUC（也译为发拉科、发拉克，见图1-9）、西门子SIEMENS（SINUMERIK标志，见图1-10）的市场占有率非常高。

（2）驱动装置

数控机床的驱动装置一般包括主轴驱动装置和进给驱动装置两部分。

如图1-1中4所示，数控机床的主轴驱动装置提供机床的主运动，并能对其旋转速度进行控制，其形式和档次主要可分为三类：第一类是普通变频器加普通电动机的结构，该类型价格较低，调速的线性关系一般；第二类是变频器加变频电动机，或伺服驱动加伺服电动机（主轴能进行定位、定角度等控制），该类型一般应用于中档精度和全功能的数控机床；第三类是采用电主轴的装置，它们用于高速切削的数控机床。

图1-6 华中世纪星数控系统操作面板

图1-7 凯恩帝KND数控系统操作面板

图1-8 广数数控系统操作面板

图1-9 FANUC数控系统操作面板

如图1-1中3所示，数控机床的进给驱动装置用于控制机床的移动进给。目前进给驱动的方式也有三类：第一类是步进驱动加步进电动机的经济型驱动方式，该方式结构简单，精度一般，主要适用于功率较小的机床；第二类是伺服驱动加伺服电动机的方式（主要是交流伺服），其特点是可进行带测量反馈控制，其中以电动机带脉冲编码器进行半闭环控制和工作台上安装光栅尺形式的全闭环控制的结构被较多地采用；第三类是直线电动机，是高速切削数控机床采取的一种进给方式。

图1-10 西门子SIEMENS数控系统操作面板

（3）其它电器元件组成的电路

数控机床的电气部分包括主电源及机床I/O电路和装置，机床I/O电路和装置以PLC（Programmable Logic Controller）为核心，功能是实现对输入、输出的执行部件（按钮开关、继电器、电磁阀、行程开关、接触器等）进行逻辑处理。