1.1.2 数控机床的组成

一般来说，数控机床由机床主体、数控系统、驱动系统三大部分构成。其具体结构以如图1-14所示的VDL600E立式加工中心为例来加以具体说明。

1．机床本体

数控机床本体部分主要由床身、主轴、工作台、导轨、刀库、自动换刀装置、冷却装置等组成。

数控机床机械结构的设计与制造要适应数控技术的发展，具有刚度大、精度高、抗震性强、热变形小等特点。由于普遍采用伺服电动机无级调速技术，机床进给运动和多数数控机床的主运动的变速机构被极大地简化甚至取消，广泛采用滚珠丝杠、滚动导轨等高效率、高精度的传动部件。数控机床采用机电一体化设计与布局，机床布局主要考虑有利于提高生产率，而不像传统机床那样，主要考虑方便操作。

2．数控系统

数控系统由程序的输入/输出装置、数控装置等组成，其作用是接收加工程序等各种外来信息，经处理和分配后，向驱动机构发出执行的命令。数控系统分为两大部分：一是NC装置部分，二是数控机床操作面板部分。

1）NC装置

CNC装置是CNC系统的核心，由中央处理单元（CPU）、存储器、各种接口及外围逻辑电路等组成，其主要作用是对输入的数控程序及有关数据进行存储与处理，通过运算等，形成运动轨迹指令，控制伺服单元和驱动装置实现刀具与工件的相对运动。

CNC装置有单CPU和多CPU两种基本结构形式。随着CPU性能的不断提离，CNC装置的功能越来越丰富，性能越来越高，除了上述基本控制功能外，还有图形功能、通信功能、诊断功能、生产统计和管理功能等。

2）数控机床操作面板

数控机床的操作是通过人机操作面板实现的，人机操作面板由数控面板和机床面板组成。

数控面板是数控系统的操作面板，由显示器和手动数据输入（Manual Data Input，MDI）键盘组成，又称为MDI面板。显示器的下部常设有菜单选择键，用于选择菜单。键盘除各种符号键、数字健和功能键外，还可以设置用户定义键等。操作人员可以通过键盘和显示器来实现系统管理，对数控程序及有关数据进行输入、存储和编辑修改。在加工过程中，屏幕可以动态显示系统状态和故障诊断报告等。

此外，数控程序及数据还可以通过磁盘或通信接口输入。机床操作面板主要用于在手动方式下对机床进行操作，以及自动方式下对机床进行操作或干预。其上有各种按钮与选择开关，用于机床及辅助装置的启/停、加工方式选择、速度倍率选择等；还有数码管及信号显示等。中、小型数控机床的操作面板常和数控面板做成一个整体，但二者之间有明显界限。数控系统的通信接口，如串行接口，常设置在机床操作面板上。

3．驱动系统

1）进给伺服系统

伺服系统位于数控装置与机床主体之间，主要由伺服电动机、伺服电路等装置组成。它的作用是：根据数控装置输出信号，经放大转换后驱动执行电动机，带动机床运动部件按一定的速度和位置进行运动。

进给伺服系统主要由进给伺服单元和伺服进给电动机组成。对于闭环控制或半闭环控制的进给伺服系统，还应包括位置检测反馈装置。进给伺服单元接收来自CNC装置的运动指令，经变换和放大后，驱动伺服电动机运转，实现刀架或工作台的运动。CNC装置每发出一个控制脉冲，机床刀架或工作台的移动距离称为数控机床的脉冲当量或最小设定单位，脉冲当量或最小设定单位的大小将直接影响数控机床的加工精度。

在闭环控制（如图1-15所示）或半闭环控制（如图1-16所示）的伺服进给系统中．位置检测装置被安装在机床（闭环控制）或伺服电动机（半闭环控制）上，其作用是将机床或伺服电动机的实际位置信号反馈给CNC系统，以便与指令位移信号进行比较，再用其差值控制机床运动，达到消除运动误差、提高定位精度的目的。

一般来说，数控机床功能的强弱主要取决于CNC装置，而数控机床性能的优劣，如运动速度与精度等，则主要取决于伺服驱动系统。

随着数控技术的不断发展，对伺服进给驱动系统的要求也越来越高。一般要求定位精度为1～10μm，高精设备要求达到0.1μm。为了保证系统的跟踪精度，一般要求动态过程在200μs甚至几十微秒内，同时要求超调要小。为了保证加工效率，一般要求其进给速度为0～24m/min。此外，要求在低速时，能输出较大的转矩。

2）主轴驱动系统

数控机床的主轴驱动与进给驱动的区别很大，电动机输出功率较大，一般应为2.2～250kW。进给电动机一般是恒转矩调速，而主电动机除了有较大范围的恒转矩调速外，还要有较大范围的恒功率调速。对于数控车床，为了能够加工螺纹和实现恒线速控制，要求主轴和进给驱动能同步控制；对于数控铣床与数控加工中心，还要求主轴进行高精度准停和分度功能。因此，中、高档数控机床的主轴驱动都采用电动机无级调速或伺服驱动；经济型数控机床的主传动系统与普通机床类似，仍需要手工机械变速，CNC系统仅对主轴进行简单的启动或停止控制。