数控机床的构造组成及原理解析

数控机床是典型的数控设备，它的产生和发展是数控技术产生和发展的重要标志。数控机床采用计算机数控（Computerized Numerical Control，CNC）系统作为控制系统，一般由输入／输出设备、数控系统、伺服驱动系统、可编程控制器（PLC）、电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量反馈装置组成。图0－1 为数控机床的组成结构。

图0－1　数控机床的组成结构

1）输入／输出设备

输入／输出设备是CNC 系统与外部设备进行交互的装置。输入装置的作用是将控制介质（信息载体）上的数控代码转换成相应的电脉冲信号，传送并存入CNC 系统内。根据存储介质不同，输入装置可以是光电阅读机、录音机、软盘驱动器、U 盘和CF（Compact Flash）卡等。有些数控机床，不用任何程序存储载体，数控程序的内容通过键盘直接输入或者由编程计算机传送到CNC 系统。输出装置根据控制器的指令将计算结果传送到伺服系统，经过功率放大后驱动相应的伺服电动机，使机床完成刀具相对工件的运动。

2）数控系统

数控系统是一种位置控制系统，是机床自动化加工的核心，由主控制系统、运算器、存储器、输入端口和输出端口五大部分组成。数控系统接收输入装置送来的脉冲信息，经过数控装置的逻辑电路或系统软件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令来控制机床完成规定的、有序的动作。这些控制信号中最基本的信号是经插补运算确定的各坐标轴（即作进给运动的各执行部件）的进给速度、进给方向和位移量信号，其作用是送往伺服驱动系统驱动执行部件进行进给运动。此外，还有主运动部件的变速、换向和启停信号；选择交换刀具的刀具指令信号；控制冷却、润滑的启停信号；工件和机床部件的松开、夹紧信号；分度工作台的转位信号等。图0－2 为FANUC 0i－MD 软件的数控机床的操作面板。

图0－2　FANUC 0i－MD 软件的数控机床的操作面板

3）伺服驱动系统

伺服驱动系统是数控系统和机床本体之间的电传动联系环节，主要由伺服控制系统、伺服电动机和位置检测与反馈装置组成，具体如图0－3 所示。其中，伺服电动机是系统的执行元件，伺服控制系统是伺服电动机的动力源。

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图0－3　伺服电动机及伺服驱动系统

伺服驱动系统根据数控装置发来的指令控制执行部件的进给速度、方向和位移。每个进行进给运动的执行部件，都配有一套伺服驱动系统，根据需求可采用开环、半闭环或闭环伺服驱动系统。在半闭环和闭环伺服驱动系统中，要使用位置检测装置，直接或间接测量执行部件的实际进给位移，使其与指令位移进行比较，按闭环原理，将其误差放大后转化为伺服电动机的转动，从而带动机床工作台移动。

4）机床本体

数控机床本体的机械部件包括主运动部件、进给运动执行部件、工作台和床身立柱等支承部件，以及冷却、润滑、转位和工件夹紧等辅助装置。对于加工中心类的数控机床，还有存放刀具的刀库、自动换刀装置等。

数控机床本体机械部件的组成与普通机床相似，但其传动结构在精度、刚度、抗振性、简单化等方面有更高的要求，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。为了适应这种要求，数控机床在以下5 个方面做了很大的改进。

（1）进给运动采用高效传动件，具有结构简单、传动链短、传动精度高的特点，一般有滚珠丝杠、直线导轨等。

（2）采用高性能主传动件及主轴部件，具有传递功率大、刚度高、抗振性好、热变形小的特点。

（3）具有完善的刀具自动交换和管理系统。

（4）在加工中心一般有工件自动交换、工件夹紧和放松机构。

（5）采用全封闭罩，对机床的加工部件进行全封闭。

5）辅助控制装置

辅助控制装置是介于数控装置和机床机械、液压部件之间的控制系统，其主要作用是接收数控装置发出的主运动变速、刀具选择交换、切削液打开等指令信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的电器、液压、气动和机械部件，以完成指令所规定的动作。此外，开关信号也由辅助控制装置送往数控装置进行处理。