1.1
数控机床的组成与分类

1.数控机床简介

数字控制（Numerical Control，NC）是近代发展起来的用数字化信息进行控制的自动控制技术。数字控制系统有以下特点：

可用不同的字长表示不同精度的信息，表达信息准确；

可进行逻辑、算术运算，也可以进行复杂的信息处理；

可不改动电路或机械机构，通过改变软件来改变信息处理的方式、过程，具有柔性化的特点。

由于数字控制系统具有上述特点，故被广泛应用于机械运动的轨迹控制，如数控机床、工业机器人、数控线切割机、数控火花切割机等。

数控机床（Numerical Control Machine Tools）是指采用数字形式信息控制的机床。也就是一种将数字计算技术应用于机床的控制技术，并把机械加工过程中的各种控制信息用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。代码化的数字经运算处理，由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。数控机床代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。

数控设备的一般形式如图1-1所示。图中：A为被加工工件的图纸，图纸上的数据大致分为两类，即几何数据和工艺数据，这些数据是指示给数控设备命令的原始依据（简称“指令”）；B为控制介质（或程序介质、输入介质），通常用纸带、磁带、磁盘等作为记载指令的控制介质；C为数据处理和控制的电路，通常是一台控制计算机，原始数据经它处理后，变成伺服机构能够接收的位置指令和速度指令；D为伺服机构（或伺服系统），我们可以把“控制计算机（C）”比拟为人的“头脑”，而“伺服机构（D）”相当于人的“手”和“足”，我们要求伺服机构无条件地执行“大脑”的意志；E为数控设备；F为加工后的物件。这就是一般数控设备的工作过程。整个数控机床的加工过程如图1-2所示。

数控机床较好地解决了复杂、精密、小批、多变的零件加工问题，是一种灵活的、高效能的自动化机床，尤其在约占机械加工总量80%的单件、小批量零件的加工方面，数控机床更显示出其特有的灵活性。概括起来，采用数控机床有以下几方面的好处：

提高加工精度，尤其提高了同批零件加工的一致性，使产品质量稳定；

提高生产效率，一般提高效率3～5倍，使用数控加工中心机床则可提高生产效率5～10倍；

可加工形状复杂的零件；

减轻了劳动强度，改善了劳动条件；

有利于生产管理和机械加工综合自动化的发展。

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组成。图1-3中实线所示为开环控制的数控机床框图。

为了提高机床的加工精度，在上述系统中再加入一个测量装置（即图1-3中的虚线部分），这样就构成了闭环控制的数控机床框图。开环控制系统的工作过程是这样的：将控制机床工作台运动的位移量、位移速度、位移方向、位移轨迹等参量通过控制介质输入给机床数控装置，数控装置根据这些参量指令计算得出进给脉冲序列（包含上述4个参量），然后经伺服系统转换放大，最后控制工作台按所要求的速度、轨迹、方向和距离移动。若为闭环系统，则在输入指令值的同时，反馈装置将检测机床工作台的实际位移值、反馈量与输入量在数控装置中进行比较，若有差值，说明有误差，则数控装置控制机床向着消除误差的方向运动。

结合数控机床的工作过程，数控机床各组成部分简述如下：

【控制介质】 数控机床工作时，不需要工人去摇手柄操作机床，但又要自动地执行人们的意图，这就必须在人和数控机床之间建立某种联系，这种联系的媒介物称为控制介质（也称程序介质、输入介质、信息载体）。常用的控制介质是8单位的标准穿孔带，且常用的穿孔带是纸质的，所以又称纸带。其宽为25.4mm，厚为0.108mm，每行必须有一个 φ 1.17mm的同步孔，另外最多可以有8个 φ 1.33mm的信息孔。用每行8个孔有无的排列组合来表示不同的代码（纸带上孔的排列规定，称为代码）。把穿孔带输入到数控装置的读带机，再由读带机把穿孔带上的代码转换为数控装置可以识别和处理的电信号，并传送到数控装置中去，便完成了指令信息的输入工作。

【数控装置】 数控装置是数控机床的中枢，在普通数控机床中一般由输入装置、存储器、控制器、运算器和输出装置组成。数控装置接收输入介质的信息，并将其代码加以识别、存储、运算，输出相应的指令脉冲以驱动伺服系统，进而控制机床动作。在计算机数控机床中，由于计算机本身即含有运算器、控制器等上述单元，因此其数控装置的作用由一台计算机来完成。

【伺服系统】 伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲信号转换为机床移动部件的运动，使工作台（或溜板）精确定位或按规定的轨迹做严格的相对运动，最后加工出符合图纸要求的零件。在数控机床的伺服系统中，常用的伺服驱动元件有功率步进电动机、电液脉冲马达、直流伺服电动机和交流伺服电动机等。

【机床】 数控机床中的机床，在开始阶段使用通用机床，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面有些改变。实践证明：数控机床由于切削用量大、连续加工发热多等影响工件精度，并且由于是自动控制，在加工中不能像通用机床那样可以随时由人工进行干预，所以其设计要求比通用机床更严格，其制造要求更精密。因此，后来在设计数控机床时，采用了许多新的加强刚性、减小热变形、提高精度等方面的措施，使得数控机床的外部造型、整体布局、传动系统以及刀具系统等方面都发生了很大的变化。

3.数控机床的分类

目前，数控机床品种已经基本齐全。数控机床规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格。数控机床可以按照多种原则进行分类，但常见的是以下4种分类方法。

1）按工艺用途分类

【一般数控机床】 这类机床和传统的通用机床一样，有数控的车、铣、镗、钻、磨床等，而且每一种又包含很多品种，例如，数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。

【数控加工中心机床】 这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它在一般数控机床上加装了一个刀库（可容纳10～100把刀具）和自动换刀装置。数控加工中心机床又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，一般称其为加工中心（Machining Center），这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。

数控加工中心机床和一般数控机床的区别是：工件经一次装夹后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工表面自动地完成铣（车）、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主的，主要用来加工箱体零件。它和一般数控机床相比具有以下优点：

完成同样的工作量可减少机床台数，便于管理，对于多工序的零件，只要一台机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量；

由于工件只要一次装夹，因此减小了多次安装造成的定位误差，可以依靠机床精度来保证加工质量；

工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；

由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道工序加工，所以大大减少了专用工夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。

由于数控加工中心机床的优点很多，深受用户欢迎，因此在数控机床生产中占有很重要的地位。

另外还有一类加工中心，是在车床基础上发展起来的，以轴类零件为主要加工对象。除可进行车削、镗削外，它还可以进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加工中心也设有刀库，可安装4～12把刀具，一般称此类机床为车削中心（Turning Center，TC）。

【多坐标数控机床】 有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出零件所需形状。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求。现在常用的是4、5、6坐标的数控机床。图1-4所示为五轴联动的数控加工方式。这时， x 、 y 、 z 三个坐标与转台的回转、刀具的摆动可同时联动，以加工机翼等零件。

2）按数控机床的运动轨迹分类 按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控机床分为点位控制数控机床、点位直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。

【点位控制数控机床】 这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），即仅控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进行任何切削加工，至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率，两相关点之间先快速移动到接近新目标的位置，然后降速1～3级，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。数控系统的点位控制方式如图1-5（a）所示。这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等，其相应的数控装置称为点位控制装置。

【点位直线控制数控机床】 这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置（即距离），还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹）。其路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于：当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向（也可以沿45°斜线进行切削，但不能沿任意斜率的直线切削）进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制数控机床多，例如，要增加主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。数控系统的点位直线控制方式如图1-5（b）所示。这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。相应的数控装置称为点位直线控制装置。

【轮廓控制数控机床】 对一些数控机床，如数控铣床、加工中心等，要求能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续控制，使刀具与工件间的相对运动符合工件加工轮廓要求。数控系统的轮廓控制方式如图1-5（c）所示。具有这种运动控制的机床称为轮廓控制数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行控制。轮廓控制数控机床根据同时控制坐标轴的数目可分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴或五轴联动。两轴联动同时控制两个坐标轴实现二维直线、圆弧、曲线的轨迹控制。两轴半联动除了控制两个坐标轴联动，还同时控制第三坐标轴做周期性进给运动，可以实现简单曲面的轨迹控制。三轴联动同时控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴联动，实现曲面的轨迹控制。四轴或五轴联动除了控制 X 、 Y 、 Z 三个直线坐标轴，还能同时控制一个或两个回转坐标轴，如工作台的旋转、刀具的摆动等，从而实现复杂曲面的轨迹控制。

由于加工中心具有同时控制点位和轮廓的功能，直线控制的数控机床又很少，因此按上述运动控制方式的分类方法，很难明确划分目前已有数控机床的类型。

3）按伺服系统的控制方式分类 数控机床按照对被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可以将其分为全闭环和半闭环两种。在开环系统的基础上，还发展出一种开环补偿型数控系统。

【开环控制数控机床】 在开环控制中，机床没有检测反馈装置（见图1-6）。数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不做检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。工作过程是：输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲，通过伺服机构（伺服元件常为步进电动机）使被控工作台移动。这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。它适用于精度要求不高的中、小型数控机床。

【闭环控制数控机床】 由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到很高的加工精度。闭环控制系统框图如图1-7所示。图中A为速度测量元件，C为位置测量元件。当指令值发送到位置比较电路时，若此时工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使得伺服电动机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直至差值消除为止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的优点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂，其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。

【半闭环控制数控机床】 半闭环控制系统的组成如图1-8所示。这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电动机有联系的测量元件，如测速发电动机A和光电编码盘B（或旋转变压器）等间接检测出伺服电动机的转角，推算出工作台的实际位移量，位置比较电路用此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。从图1-8可以看出，由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称之为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。

【开环补偿型数控机床】 将上述3种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案。这在大型数控机床中是人们研究多年的课题，现在已成为现实。因为大型数控机床需要高得多的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果只采用全闭环的控制，机床传动链和工作台全部置于控制环节中，因素十分复杂，尽管安装调试多经周折，仍然困难重重。为了避开这些矛盾，可以采用混合控制方式。在具体方案中它又可分为两种形式：一是开环补偿型；一是半闭环补偿型。这里仅介绍开环补偿型控制数控机床。图1-9所示为开环补偿型控制框图。它的特点是：基本控制选用步进电动机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路。通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号来校正机械系统的误差。

4）按数控装置分类 数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。

【硬线数控】 又称普通数控，即NC。这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，系统的通用性较差，因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在20世纪70年代以前应用得比较广泛。

【软线数控】 又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC。这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成CNC装置，或由微机与专用集成电路组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只需编制不同的软件就可以实现其功能，而硬件几乎可以通用，因而灵活性和适应性强，也便于批量生产。模块化的软、硬件提高了系统的质量和可靠性。所以，现代数控机床都采用CNC装置。 8aapXnn3isDghXixCNDTVb124EFDyhsG2RoUufSer4JstXES6oP+YwTc8MS+LIw2