1.2　数控机床的工作原理及组成

1.2.1　数控机床的工作原理

用数控机床加工零件时，首先应将加工零件的几何信息和工艺信息编制成加工程序，由输入部分送入数控装置，经过数控装置的处理、运算，按各坐标轴的分量送到各轴的驱动电路，经过转换、放大去驱动伺服电动机，带动各轴运动，并进行反馈控制，使刀具与工件及其他辅助装置严格地按照加工程序规定的顺序、轨迹和参数有条不紊地工作，从而加工出零件的全部轮廓。

数控机床具有很好的柔性，当加工对象变换时，只需重新编制加工程序即可，原来的程序可存储备用，这比存储工装夹具方便得多，也不必像组合机床那样需要针对新加工零件重新设计组合机床，致使生产准备时间过长。

1.2.2　数控机床的组成

数控机床一般由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体所组成，如图1-2所示中实线部分为开环系统，虚线部分包含位置反馈构成了闭环系统，各部分简述如下。

（1）控制介质

数控机床工作时，不需人参与直接操作，但人的意图又必须参与，所以人和数控机床之间必须建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质或输入介质。

控制介质上存储着加工零件所需要的全部操作信息和刀具相对工件的移动信息，控制介质按数控装置的类型而异，可以是穿孔纸带、穿孔卡片、磁带或其他可以存储代码的载体。采用哪一种控制介质取决于数控装置的类型。随着微型计算机的广泛应用，磁盘正在成为最主要的控制介质。

零件的加工工艺过程以数字化代码的形式存储在控制介质上，通过安装在数控装置中的纸带阅读机或磁带阅读机，将零件加工的工艺信息输入数控装置中。

（2）数控装置

数控装置是数控机床的中枢，用来接受并处理输入介质的信息，并将代码加以识别、存储、运算，并输出相应的命令脉冲，经过功率放大驱动伺服系统，使机床按规定要求动作。通常由一台通用或专用微型计算机构成，有输入接口、存储器、运算器、输出接口和控制电路等，如图1-3所示。

输入接口接受控制介质或操作面板上的信息，并将其信息代码加以识别，经译码后送入相应的存储器，存储器中的代码或数据是控制和运算的原始依据。

控制器根据输入的指令控制运算器和输出接口，以实现对机床各种操作的执行，例如控制主轴变速和启动、控制刀架或工作台移动等，同时控制机床的整个工作循环。运算器主要是对输入的数据进行某种运算，按运算结果不断地由输出接口输出脉冲信号，驱动伺服机构按规定要求运动。

数控装置中的译码、处理、计算公式和控制的步骤都是预先安排好的，这种“安排”可以用专用计算机的刚性结构来实现（称为硬件数控或简称NC），也可用小型通用计算机或微型计算机的系统控制程序来实现（称为软件数控），目前均采用专用的微型计算机来实现控制（CNC）。用微型机构成数控装置，其CPU实现控制和运算，内部存储器中只读存储器（ROM）存放系统控制程序，读写存储器（RAM）存放零件的加工程序和系统运行时的工作参数。I/O接口实现输入输出的功能。数控机床的功能强弱主要由数控装置的功能来决定，所以它是数控机床的核心部分。

（3）伺服系统

伺服系统包括驱动部分和执行机构两大部分，伺服系统把数控装置输出的脉冲信号通过放大和驱动元件使机床移动部件运动或使执行机构动作，以加工出符合要求的零件。每一脉冲使机床移动部件产生的位移量称为脉冲当量，常用的脉冲当量为0.01mm/脉冲、0.005mm/脉冲、0.001mm/脉冲等。因此，伺服系统的精度、快速性及动态响应是影响加工精度、表面质量与生产率的主要因素。

目前在数控机床的伺服系统中，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机，后两种都带有感应同步器、光电编码器等位置测量元件。所以，伺服机构的性能决定了数控机床的精度与快速性。

（4）机床本体

机床本体也称主机，包括机床的主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、滑鞍、工作台（刀架）、导轨等。由于数控机床的主运动、各个坐标轴的进给运动都由单独的伺服电动机驱动，因此，它的传动链短、结构比较简单，各个坐标轴之间的运动关系通过计算机来进行协调。为了保证数控机床的快速响应特性，数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠和直线运动导轨副。为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，数控机床的机械结构应具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性和抗热变形性能。在加工中心上还具备有刀库和自动交换刀具的机械手。同时还有一些良好的配套措施，如冷却、自动排屑、防护、润滑、编程机和对刀仪等，以充分发挥数控机床的功能。