数控机床：基本组成及功能特点

1.数控机床的定义

数控机床是指采用数字形式信息控制的机床。国际信息处理联合会第五技术委员会对数控机床做了如下定义：数控机床是一个装有数控系统的机床，该系统能逻辑地处理具有使用号码或其他符号编码指令规定的程序。数控机床是近代发展起来的、具有广阔发展空间的新型自动化机床，是高度机电一体化的产品，是体现现代机床制造水平的重要标志。

数控机床解决了形状复杂、高精度、生产批量不大且生产周期长及更换频繁的多品种、小批量产品的制造问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，是构成柔性制造系统、计算机集成制造系统的基础单元。常见的数控机床有数控车床、数控钻床、数控镗床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心等。

数控机床工作时，首先要将被加工零件图纸上的几何信息和工艺信息数字化，按规定的代码和格式编成加工程序，然后把加工程序输入机床数控装置，数控系统对程序进行译码、运算后向机床的各个坐标的伺服装置和辅助控制装置发出指令，驱动机床运动部件，并控制所需要的辅助动作，完成零件的加工。

2.数控机床的组成及分类

数控机床的基本组成包括加工程序、输入装置、数控系统、伺服电动机、辅助控制装置、检测反馈装置和机床本体，如图2-11所示。

图2-11　数控机床的基本组成

机床的数字控制是由数控系统完成的，数控系统包括数控装置、可编程控制器和检测反馈装置。数控装置是用于机床数字控制的特殊用途的计算机，其微处理器已开始采用简明指令集运算芯片作为主CPU，有些采用大规模和超大规模集成电路，配备多种遥控接口和智能接口，使数控功能根据用户要求进行任意组合和扩展，可实现几台数控机床之间的数据通信，并可以对几台数控机床进行控制。可编程控制器用于开关量控制，如主轴开停、刀具更换和冷却液开关等信号。检测反馈装置将位移的实际值检测出来，反馈给数控装置。它的检测精度决定了数控机床的加工精度。检测反馈装置普遍应用高分辨率的脉冲编码器。伺服驱动系统是以机床移动部件的位置和转速作为控制量的自动控制系统。它能快速响应数控装置发出的指令。现在普遍采用的数字驱动系统是交流数字伺服系统。程序编制是实现数控加工的主要环节，已由脱机编程发展到在线编程，并可同时进行机械加工过程中特殊工艺信息和几何信息的程序编制。新型数控机床的本体刚性强、热变形小、精度高，在外部造型、传动系统及刀具系统等方面有很大的改进，采用机电一体化的总体布局，机床主机和伺服系统实现了很好的机电匹配。

与普通机床相比，数控机床的机械结构，尤其是传动系统的结构大为简化，机床的功能扩展，机床的自身精度、加工精度和加工效率显著提高。

数控机床一般按以下几种方法分类。

1）按工艺用途分

（1）普通数控机床：在加工工艺过程中的一个工序上实现数字控制的自动化机床，自动化程度还不够完善，工艺可能性和通用机床相似，刀具更换、零件装夹仍需人工完成。

（2）数控加工中心机床：带有刀库和自动换刀装置的数控机床，又称多工序数控机床，简称加工中心。在一次装夹后，数控加工中心机床可进行多种工序加工，有效避免由于多次安装造成的定位误差，并提高加工生产率。

2）按运动轨迹分

（1）点位控制数控机床：这类机床的数控装置只能控制行程终点的坐标值，在移动过程中不能进行切削加工。

（2）点位直线控制数控机床：这类机床不仅要求具有准确的定位功能，还要求当机床的位移部件移动时，可沿平行于坐标轴的直线及与坐标轴成45°的斜线进行加工。

（3）轮廓控制数控机床：这类机床的控制装置不仅能准确定位，而且还能够控制加工过程中每点的速度和位置，以得到形状复杂的零件轮廓。

3）按伺服系统的控制方式分

（1）开环控制数控机床：如图2-12（a）所示，机床没有检测反馈装置，机床加工精度不高，且加工精度主要取决于伺服系统的性能。

（2）闭环控制数控机床：如图2-12（b）所示，闭环控制数控机床中增加了检测反馈装置，在加工过程中随时检测机床位移部件的位置，以达到很高的加工精度。

（3）半闭环控制数控机床：如图2-12（c）所示，半闭环控制数控机床对工作台实际不进行检查测量，而是测量伺服电动机的转角，推算工作台实际位移量，用此值与指令值比较，用差值来实现控制，以达到精确定位。这种控制方式工作台不包括在控制回路内，由此调整方便，目前大多数数控检查采用这种控制方式。

图2-12　开环、闭环和半闭环控制系统原理(www.xing528.com)

4）其他类型数控机床

（1）金属塑性成形类数控机床：如数控折弯机、数控弯管机、数控回转头压力机等。

（2）特种加工数控机床：如数控线（电极）切削机床、数控电火花加工机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床、数控三坐标测量机等。

此外，还有具有多坐标联动功能、显示功能、通信功能等功能的数控机床。

3.数控机床的传动特点

图2-13、图2-14所示分别为JCS-018A型立式加工中心的外形图和传动系统图。

数控机床具有以下传动特点。

（1）传动系统的各个运动部分一般均由各自独立的伺服电动机独立驱动。每一运动的传动链实现了最短的传动路线，为提高传动精度提供了有利条件。

（2）回转运动由伺服电动机实现无级调速，直线运动由滚珠丝杠来实现。

（3）机床中所有内联系传动链的传动都由数控系统完成。

4.数控机床的加工特点

数控机床具有以下加工特点。

图2-13　JCS-018A型立式加工中心的外形图

1—伺服电动机；2—换刀机械手；3—数控柜；4—刀库；5—主轴箱；6—操作面板；7—驱动电源柜；8—工作台；9—滑座；10—床身

图2-14　JCS-018A型立式加工中心的传动系统图

（1）数控机床能提高生产率3～5倍，使用数控加工中心机床可提高生产率5～10倍。

（2）数控机床可以获得比机床本身精度还高的加工精度。

（3）可以加工具有复杂形状的零件，且不需要复杂的专用夹具。

（4）可实现一机多用，减轻劳动强度且节省厂房面积。

（5）有利于向计算机控制和管理方面发展，有利于机械加工综合自动化的发展。

（6）数控机床的初期投资及维修技术等费用较高，要求管理及操作人员的素质也较高