1.1.1 数控机床认知

1．数控技术

数控是数字控制（Numerical Control）的简称。数控技术是用数字化信息进行控制的自动控制技术，它是近代发展起来的，其含义是使用以数值和符号构成的数字信息自动控制机床的运转。

2．数控机床

数字控制机床（Numerical Control Machine Tool），也称NC机床，是利用数控技术，准确地按照事先安排好的工艺流程实现加工动作的金属切削机床，如图1-1所示。

3．数控机床的产生与发展

1948年，美国帕森斯公司（Parsons Corporation）在研制直升机螺旋桨叶片轮廓样板的加工设备（机床）时，由于样板形状复杂多样，精度要求高，一般加工设备难以适应，于是提出了应用计算机控制机床来加工样板曲线的设想。后来在美国空军的资助下，1949年，帕森斯公司在麻省理工学院（MIT）伺服机构研究室的协助下开展了数控机床的研制工作，并于1952年研制出世界上第一台三坐标立式数控铣床。从此机床行业，乃至整个制造业和相关产业进入了一个新的发展阶段。

数控机床的产生和发展概括为五代两个阶段。

第一阶段为硬线数控阶段（1952年～1970年），第二阶段为计算机数控阶段（1970年至今）。

第一代时间节点为1952年，出现了由电子管控制的第一台三坐标联动的铣床。

第二代时间节点为1959年，出现了晶体管控制的“加工中心”。

第三代时间节点为1965年，出现了小规模集成电路，使数控系统的可靠性得到了进一步的提高。

以上三代数控系统都是采用专用控制硬件逻辑的数控系统，称为普通数控系统，即NC系统。

第四代时间节点为1967年，以计算机作为控制单元的数控系统出现，称之为柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）。

第五代时间节点为1970年，美国英特尔公司开发使用了微处理器，从此数控机床真正成为CNC系统。

4．常见数控机床的种类

目前，数控机床的种类很多，通常可按下面三种方法进行分类。

（1）按运动方式分类

1）点位控制数控机床。点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。为了减少移动部件的运动与定位时间，一般先将移动部件快速移动到终点附件位置，然后再低速准确地移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度。移动过程中刀具不进行切削。使用这类控制系统的数控机床称为点位控制数控机床，主要有数控坐标镗床、数控钻床和数控压力机等。图1-2所示是点位控制钻孔加工示意图。

2）轮廓控制数控机床。轮廓控制系统也称连续切削控制系统，是指数控系统能够对两个或两个以上的坐标轴同时进行严格连续控制的系统。它不仅能够控制移动部件从一个点准确地移动到另一点，而且还能控制整个加工过程中每一点的速度与位移量，将零件加工成一定的轮廓形状。使用这类控制系统的数控机床称为轮廓控制数控机床，主要有数控铣床、数控车床和加工中心等。图1-3所示是轮廓控制加工示意图。

（2）按控制系统运动方式分类

1）开环数控机床。开环控制的系统框图如图1-4所示。这类数控机床采用开环进给伺服系统。其数控装置发出的指令信号是单向的，没有检测反馈装置对运动部件的实际位移量进行检测，不能进行运动误差的校正，因此步进电动机的步距角误差、齿轮和丝杠组成的传动链误差都将直接影响加工零件的精度。

这类机床具有结构简单、价格低廉及调试方便等优点，但通常输出的扭矩值大小受到限制，而且当输入的频率较高时，容易产生失步，难以实现运动部件的控制，因此已不能充分满足数控机床功率、运动速度和加工精度日益提高的控制要求。

2）半闭环数控机床。半闭环控制的系统框图如图1-5所示。这类机床的检测元件装在驱动电动机或传动丝杠的端部，可间接测量执行部件的实际位置或位移。

这种系统的闭环环路内不包括机械传动环节，控制系统的调试十分方便，因此可以获得稳定的控制特性。由于采用高分辨率的测量元件，如脉冲编码器，因此可以获得比较满意的精度与速度。半闭环数控机床可以获得比开环数控机床更高的精度，但由于机械传动链的误差无法得到消除或校正，因此它的位移精度比闭环系统的要低。大多数数控机床采用半闭环控制系统。

3）闭环数控机床。闭环控制的系统框图如图1-6所示。这类机床的位置检测装置安装在进给系统末端的执行部件上，该位置检测装置可实测进给系统的位移量或位置。数控装置将位移指令与工作台端测得的实际位置反馈信号进行比较，根据其差值不断控制运动，使运动部件严格按照实际需要的位移量运动。还可利用测速元器件随时测得驱动电动机的转速，将速度反馈信号与速度指令信号相比较，对驱动电动机的转速随时进行修正。这类机床的运动精度主要取决于检测装置的精度，与机械传动链的误差无关，因此可以消除由于传动部件制造过程中存在的精度误差给工件加工带来的影响。

相比于半开环数控机床，闭环数控机床精度更高，速度更快，驱动功率更大，但是，这类机床价格昂贵，对机床结构及传动链依然提出了严格的要求。传动链的刚度、间隙，导轨的低速运动特性，机床结构的抗振性等因素都会增加系统调试的难度。闭环系统设计和调整得不好，很容易造成系统的不稳定。

（3）按工艺用途分类

按工艺用途分类，数控机床可分为金属切削类数控机床，如数控钻床、数控车床、数控铣床、数控镗床及加工中心等；金属成形类数控机床，这类机床包括数控压床、数控压力机及数控弯管机等；特种加工类数控机床，这类机床包括数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机及数控激光切割机等；其他类型的数控设备，即非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。

5．数控机床的组成

数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，与同类普通机床在结构上具有相似性，但在控制上数控机床与普通机床有一定的区别。普通机床一般采用模拟量控制，数控机床采用数字信号进行控制，因此需要有数字信号的发出装置（即数控装置）；既然有数字信号发出装置，就必须有数字信号的接收装置，因此有了伺服放大器及伺服电动机（称为伺服系统）；为了检测数控机床指令位置和实际位置的一致性，一般数控机床都装有反馈装置。数控机床的控制系统如图1-7所示。

由于数控机床的控制系统比较复杂，因此发生故障时，难以确定故障发生的原因和部位，只有对数控机床的组成及各部分功能有较深入的了解才能快速又准确地做出故障判断。

数控机床一般由输入/输出设备、数控装置、伺服驱动系统、测量反馈装置和机械部件组成。数控机床的组成如图1-8所示。

（1）输入/输出设备

1）操作面板。是操作人员与数控装置进行信息交流的工具，主要由按钮、状态灯、按键阵列等组成，如图1-9所示。

2）人机交互设备。数控机床在加工运行时，通常都需要操作人员对数控系统进行状态干预，对输入的加工程序进行编辑、修改和调试，同时，数控机床要将各部分的运行状态在显示装置上显示出来，也就是说，数控机床具有人机联系的功能。具有人机联系功能的设备统称为人机交互设备。常用的人机交互设备有键盘、显示器等。

（2）数控装置

数控装置（简称CNC装置）是数控机床的控制核心，主要由CPU、存储器、数字伺服控制卡、主板（包括I/O LINK、数字主轴、模拟主轴、通信接口、MDI接口等）、显示控制卡以及相应的控制软件等组成，如图1-10所示。

数控装置的作用是根据输入的零件加工程序进行相应的运算、处理（如运动轨迹处理、机床输入/输出处理等），然后输出控制命令到相应的执行部件（如伺服单元、驱动装置和PLC等），如图1-11所示。

（3）伺服驱动系统

伺服驱动系统由控制单元、测量反馈单元和驱动执行单元组成，如图1-12所示。伺服驱动系统的作用是把来自数控装置的位置控制移动指令转变成机床工作部件的运动，使工作台按规定轨迹移动或精确定位，从而加工出符合图样要求的工件。简言之，伺服驱动系统的作用就是把数控装置送来的微弱指令信号，放大成能驱动伺服电动机的大功率信号。

常用的伺服电动机有步进电动机、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。步进电动机采用脉冲驱动方式，交、直流伺服电动机采用模拟式驱动方式。

（4）PLC、机床I/O电路和装置

它们是数控机床的一些配套部件，包括液压装置、气动装置、冷却系统、润滑系统和自动清屑器等。