数控机床的工作原理和分类

1.数控机床的组成和工作原理

数控机床加工时，应首先编制零件的加工程序，并将其输入到数控装置，数控装置对程序进行一系列的处理后输出给伺服系统，控制机床主运动和进给运动的方向、速度、移动位置以及辅助运动，从而使刀具和工件及其他辅助装置严格按照数控加工程序所规定的内容加工出符合要求的工件。数控机床的组成如图4－2所示。

图4－2 数控机床的组成

1）程序及程序载体

在数控机床上加工时，首先要编写加工程序。即根据加工零件的图纸和工艺方案，用规定的代码和程序格式编写程序单。编写的程序要制作在相应的程序载体上。

2）输入装置

程序载体上的加工信息要经过输入装置输送给数控装置。常用的程序载体有磁带和磁盘，相应的输入装置有磁盘驱动器和软盘驱动器等。对于微机控制的数控机床，也可以通过通信接口获取加工信息或通过操作面板和键盘将加工信息直接采用手动键盘输入。现代高级数控机床还包括自动编程装置或CAD／CAM系统，可以根据所加工零件的零件图信息自动生成数控加工程序，甚至还可以通过远程通信接口从上位机或其他计算机上获得数控加工程序。

3）数控装置及数据处理

数控装置是数控机床的核心，是由CPU、存储器、总线和相应的软件构成的专用计算机。它接受输入信息后，经过译码、轨迹计算、插补计算后，向各个坐标轴分配速度、位移指令，实现零件的加工。

4）输出装置

输出装置将处理后的信息输出给伺服系统，并通过机床部件实现机床的运动。

5）伺服驱动系统

伺服系统将来自数控装置的信号转化为机床移动部件的运动，使机床工作台精确定位或按照规定的轨迹做严格的相对运动，加工出符合图纸要求的零件。伺服系统的性能是决定数控机床加工精度、表面质量和生产率的重要因素之一。

伺服驱动系统由伺服驱动装置和伺服驱动电路构成。伺服驱动系统和机床的执行部件以及机床的传动部件构成了机床的进给系统。在数控机床上有几个成形运动即有几套相应的伺服系统。

6）位置检测装置

在闭环或半闭环数控机床中，使用位置检测装置直接或间接检测出机床执行部件的实际位移，并与指令位移相比较，将误差放大后控制执行部件向消除误差的方向运动。

7）机床的机械部件

与普通机床相同，数控机床也有相应的机床部件。包括：主运动部件、进给运动部件、冷却及润滑装置、转位及夹紧装置等。对于加工中心，还有刀具库、机械手等。随着数控技术的发展，数控机床在外部造型、整体布局、机械传动系统以及机床结构等方面的技术性能要求更高，机械传动更加简化，机械结构具有更高的刚度和耐磨性，采用高效率的传动部件，如：滚动导轨、滚动丝杠、静压导轨等。

2.数控机床的分类

1）按数控机床的加工功能来分

（1）点位控制数控机床。

点位控制的数控机床只控制刀具获得准确的定位点，而对定位移动的轨迹并无要求。在运动过程中不进行切削加工，如：钻床、镗床、冲床等。

机床部件在移动时以数控系统设定的最高进给速度运动，以提高生产率。在接近行程终点时，为保证定位精度，需进行分级或连续降速，趋近终点，从而减少运动部件因惯性前冲造成的越程定位误差。

（2）直线控制数控机床。

直线控制的数控机床能控制刀具或工件以程序中规定的速度，沿平行于坐标轴的方向进行直线移动或进行直线加工，或者控制两个坐标轴以同样的速度运动，沿45°斜线进行切削加工，如数控车床。

（3）轮廓控制数控机床。

轮廓控制数控机床又称连续控制数控机床或多坐标联动数控机床。该类机床能够同时控制2～5个坐标轴，使刀具和工件按平面直线、曲线或空间轮廓的规律进行相对运动，加工出形状复杂的零件，如：数控车床、数控铣床、加工中心等。这类机床能进行多坐标联动的运算控制，并有刀具长度补偿和半径补偿的功能。能够进行多坐标联动的数控机床往往也能进行点位、直线控制。

目前，除少数专用的数控机床，如数控钻床、数控冲床等以外，现代数控机床都具有轮廓控制的功能。

2）按所用进给伺服系统的不同分类

（1）开环控制系统。

开环控制系统通常采用步进电动机作为执行元件驱动滚珠丝杠螺母副，带动工作台移动。系统中没有检测装置和反馈控制，是最简单的位置控制方式，其控制原理如图4－3所示。

图4－3 开环系统控制原理

由于开环系统中没有检测反馈装置，系统中各组成部分的误差 （步进电动机的步距角误差、传动齿轮的反向间隙、滚珠丝杠的螺距误差等）将直接影响机床的精度，所以其加工精度较低，但机床结构简单、造价低、安装调试方便，常用于经济型数控。

（2）闭环控制系统。

闭环系统是采用直线位置测量装置对数控机床工作台的位移直接测量并反馈的位置伺服系统，其控制原理如图4－4所示。

图4－4 闭环系统控制原理

在闭环控制系统中，检测装置对机床移动部件的位移进行检测，并将测量的实际位移反馈到程序的输入端与指令位移进行比较。如果两者存在偏差，将此偏差信号进行放大，控制伺服电动机带动机床的移动部件向着消除偏差的方向进给，直到偏差为零。该系统将工作台本身也包括在位置控制环之内，因此机械系统的误差可由反馈控制得以消除，精度较高。但这类机床结构复杂，成本高，尤其是机床本身的固有频率、阻尼、间隙等都将成为系统的不稳定因素，从而增加了系统的设计和调试难度。该类控制系统常用于高精度的数控机床中。

（3）半闭环系统。

半闭环系统是采用间接测量工作台位移并构成反馈的伺服系统，其控制原理见图4－5。

图4－5 半闭环系统控制原理

检测装置可安装在滚珠丝杠的末端，也可安装在电动机的轴端，用于测量丝杠或电动机的转角。由于一部分传动机构 （齿轮、丝杠、螺母及工作台）没有包含在反馈环节之内，故称为半闭环系统。虽然半闭环系统的位置精度比闭环系统低，但因调试方便、系统的稳定性好、角位移检测装置结构简单 （甚至可以直接与伺服电动机做成一体）、成本低廉，因此得到广泛的应用。