数控机床组成及原理分析

数控机床是典型的数控设备，其基本组成包括程序载体、数控装置、伺服系统、测量反馈装置、机床本体、辅助装置等。

1.程序载体

程序载体又称为控制介质，用于记录数控机床加工零件所必需的各种信息，如穿孔纸带、穿孔卡、磁带、磁盘等。

2.数控装置

数控装置是数控机床的核心，现代数控装置均采用CNC装置，这种CNC装置一般使用多个微处理器，以程序化的软件形式实现数控功能。数控装置由硬件和软件组成。

硬件（除计算机外）的外围设备主要包括光电阅读机、CRT、键盘、操作面板、输入/输出接口等。光电阅读机用于输入系统程序和零件加工程序；CRT用于显示和监控；键盘用于输入操作命令及输入、编辑和修改零件加工程序；操作面板可供操作人员改变操作方式；伺服驱动接口主要进行数/模转化，以及对反馈元件的输出进行数字化处理并作记录，以供计算机采样；输入/输出接口用于数控装置与外部交换信息。

软件由管理软件和控制软件组成。管理软件主要包括输入/输出、显示、诊断等程序；控制软件主要包括译码、刀具补偿、速度控制、插补运算、位置控制等程序。

数控装置对机床的控制主要包括以下几个方面：

1）机床主运动，包括主轴的起动、停止，主轴的转动方向和速度，以及多坐标联动等。

2）机床的进给运动，包括运动形式（点位、直线、圆弧等）、运动方向和运动速度等。

3）刀具的选择和刀具补偿（偏置补偿、半径补偿）。

4）其他辅助动作，包括工作台的锁紧和松开、工作台的旋转和分度、冷却泵的开/停等辅助动作。

5）显示功能，用CRT可以显示字符、轨迹、平面图形及动态三维图形等。

6）故障自诊断，数控装置中配置各种诊断软件，可以及时发现故障并查明其类型和部位，发出报警。

7）通信和联网功能。

3.伺服系统

伺服系统是数控机床的执行部件，它接受来自数控装置的指令信息，经转换、放大后驱动伺服电动机，带动机床移动部件运动。伺服系统主要包括主轴驱动单元、进给驱动单元、伺服电动机。常用的伺服电动机有步进电动机、交流伺服电动机和直流伺服电动机。由于交流伺服电动机具有精度高、动态响应好、输出功率大、调速范围宽、价格低等优点，因此得到了广泛应用。

4.测量反馈装置

测量反馈装置包括速度、位移检测元件及相应电路，它通常被安装在丝杠或伺服电动机上，或者直接安装在机床移动部件上，能将测量信息及时反馈回数控装置，构成半闭环或闭环控制系统。常用测量元件有旋转变压器、感应同步器、脉冲编码器、光栅、磁栅（磁尺）等。

5.机床主体

机床主体主要包括机床的主传动系统、进给传动系统和基础部件（底座、床身、立柱、工作台、导轨等）。

普通机床的主运动传动链与进给运动传动链是由许多齿轮副组成的，传动链的结构复杂；数控机床的主运动和各个坐标轴的进给运动由单独的电动机驱动，传动链短，结构简单，由数控系统进行主运动与进给运动之间的协调。(www.xing528.com)

（1）数控机床的主传动系统 为了满足数控机床加工精度高、加工柔性好、自动化程度高等要求，数控机床主传动系统具有如下特点：

1）精度高。由于数控机床主轴部件本身的精度高、传动链短，故数控机床的主传动系统的精度高。

2）转速高、功率大。它能使数控机床进行大功率切削和高速切削，从而提高生产率。

3）调速范围宽。数控机床的主传动系统有较宽的调速范围，以保证加工时能选用合理的切削用量，获得最佳的生产率、加工精度和表面质量。

4）主轴组件的耐磨性高。有机械摩擦的部位如轴承、锥孔等都有较高的硬度，轴承处润滑良好，因此耐磨性高，精度保持性好。

（2）数控机床的进给传动系统 数控机床进给传动装置的精度、灵敏度和稳定性，将直接影响工件的加工精度。为此，数控机床的进给传动系统必须满足下列要求：

1）传动精度高。从机械结构方面考虑，进给传动系统的传动精度主要取决于传动间隙和传动件的精度。传动间隙主要来自于传动齿轮副、丝杠螺母副之间，因此在进给传动系统中广泛采用施加预紧力或其他消除间隙的措施。此外，缩短传动链及采用高精度的传动装置，也可提高传动精度。

2）摩擦阻力小。为了提高数控机床进给系统的快速响应性能，必须减小运动部件之间的摩擦阻力和动、静摩擦力之差。欲满足上述要求，数控机床进给系统普遍采用滚珠丝杠螺母副、静压丝杠螺母副、滚动导轨、静压导轨和塑料导轨等。

3）运动部件转动惯量小。在满足运动部件强度和刚度的前提下，应尽可能减小运动部件的质量和旋转部件的直径，以降低其转动惯量，从而改善伺服机构的起动和制动特性。

在数控机床上，将伺服电动机的回转运动转变为机床移动部件的直线运动一般采用滚珠丝杠螺母副。滚珠丝杠螺母副的特点是：传动效率高，一般为η=0.92～0.96；传动灵敏，不易产生爬行；使用寿命长；具有可逆性，不仅可以将旋转运动转变为直线运动，而且可以将直线运动转变为旋转运动；施加预紧力后，可消除轴向间隙，反向时无空行程。

滚珠丝杠螺母副的结构有内循环与外循环两种方式，如图1-2所示。

图1-2 滚珠丝杠螺母副的结构

a）外循环滚珠丝杠螺母副 b）内循环滚珠丝杠螺母副

1—滚珠 2—回珠管 3—螺母 4—丝杠 5—反向器

6.辅助装置

为了充分发挥设备的性能，数控机床还配置有许多辅助装置，如冷却、润滑、防护、自动排屑等装置，对刀仪，刀库和自动换刀机械手等。图1-3为用于数控车床的几种辅助装置。

图1-3 数控车床的几种辅助装置

a）电动（或液压）回转刀架 b）跟刀架 c）对刀仪