第二节 数控机床
数控机床是一种以数字量作为指令信息形式，通过数字逻辑电路或计算机控制的机床。它综合应用了计算机、 自动控制、精密测量、伺服驱动和先进机械结构等方面的新技术成果而发展的一种高效、柔性加工的机电一体化产品，是实现自动加工的设备。数控机床自20世纪50年代问世以来，已取得了飞速发展，几乎所有类型的机床均已实现数控化，在发达国家的机床工业产值中占到很大比重，应用领域已从小批量生产扩展到大批大量生产。
一、数控机床的组成
数控机床是由机床主体、伺服系统和数控装置三大部分组成，若加上测量装置就成为闭环系统（如图10-2所示）。
图10-2 数控机床组成
1.控制介质 控制介质是人与机床之间建立联系的中间媒介物。常用的控制介质有磁盘、电子盘和外接计算机等。控制介质上存储着加工零件所需的全部操作信息和刀具相对工件位移的信息。
2.数控装置 数控装置是由输入部分、主控制器和输出部分组成。它的作用是接受各种指令信息，经过运算、处理后，将其结果送到相应的伺服驱动机构中去，以指挥机床主体各部分的正确运动。
数控装置的核心是主控制器，它的作用是指挥输入控制、运算器及输出控制等部分按一定顺序协调地工作，同时产生工作脉冲和各种控制信号；输入部分的作用是进行译码转换，将数字信息（与运动轨迹有关的数字）送入运算器进行插补运算，将开关信息（主轴启、停、变速；切削液电机启、停；换刀指令）送入控制器；运算器（插补器）主要进行数据运算（四则运算、各进制数间的换算及加工程序执行中的插补运算）。输出部分的作用是将运算器计算出的刀具运动轨迹信息，以脉冲或电压模拟量的形式顺序地输出给伺服装置，驱动刀具按计算的刀位轨迹运动，并将指令的开关量输出给相应的装置，以控制机床的工作状态。
目前，几乎所有的数控系统都是以微型计算机作为数控装置的，称为计算机数控（CNC）。其具有较强的灵活性和通用性，并且使用性能和可靠性正在不断提高。
3.伺服系统 伺服系统是数控系统的执行部分，它由伺服驱动部件和传动装置（齿轮减速齿轮箱、滚珠丝杠）组成。它的作用是接受数控装置送来的指令脉冲信号，使机床执行件（工作台或刀架）作相应的运动，并对其定位精度和速度进行控制。数控机床常用的伺服驱动部件有步进电机、宽调速直流或交流伺服电动机。
4.机床主体 数控机床是一个系统，机床主体、数控装置和伺服系统等部分是有机联系在一起的。机床主体的设计一般比通用机床简单、但在精度、刚度、热变形、抗振性和低速运动平稳性等方面的要求较高，特别对主轴部件和导轨副的要求更高，目的是保证数控装置和伺服系统的功能更好地实现。
当前，数控机床主体的结构有以下特点：
（1）由于采用了高性能的主轴及伺服系统，数控机床的机械传动机构大为简化，传动链缩短；
（2）为适应连续地自动化加工，数控机床机械机构具有较高的动态刚度和阻尼精度，较高的耐磨性，且热变形小；
（3）为减少摩擦，提高传动精度，更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠副和直线滚动导轨等。
5.测量装置 测量装置是用测速发电机、光电编码盘等检测伺服电机的转角，间接测量移动部件的实际位移量，用此值与指令值比较，以通过差值补偿来实现精确控制。
移动部件不完全包括在测量回路内，称为半闭环控制系统。如果测量装置用感应同步器、光栅尺等检测机床工作台或刀具的位移量，然后进行控制，称为闭环控制系统。如果不采用测量装置对机床移动部件进行间接或直接的位移检测，称为开环控制系统。开环、半闭环、闭环控制系统的控制精度依次递增。
二、数控机床的分类
1.按工艺特征分类
（1）一般数控机床 这类数控机床与通用机床一样，有数控车、铣、钻、镗、磨和齿轮加工机床等。其加工方法、工艺范围与同类型通用机床相似，不同的是，除装卸工件外，加工过程是完全自动的，并且还可以加工复杂形状的表面。
（2）数控加工中心 这类数控机床配有刀库和自动换刀装置，工件一次装夹能完成大部分或全部机械加工工序。它比一般数控机床更能实现高精度、高效率、高度自动化及低成本的加工。
（3）多坐标数控机床 这类数控机床一般在五轴以上，机床结构复杂。主要用于特殊形状复杂零件的加工。
图10-3 点位控制
2.按控制运动的方式分类
（1）点位控制数控机床 点位控制是控制刀具与工件之间相对运动的一种最简单的控制方式。这类机床只对加工点的位置进行准确控制（如图10-3所示）。其数控装置只控制机床执行件（工作台）从一个位置（点）准确地移动到另一个位置（点），至于两点之间的运动轨迹和运动速度可根据简单、可靠的原则自行确定，移动中不加工。这类机床有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。
（2）直线控制数控机床 这类机床不仅要控制点的准确位置，而且还要保证两点之间的运动轨迹为一直线，并按指定的进给速度进行切削。其数控装置在同一时间只控制一个执行件沿一个坐标轴方向运动，但也可以控制一个执行件沿两个坐标轴以形成45°斜线的方向运动（如图10-4所示），移动中可以切削加工。这类机床有简易数控车床、数控铣镗床和自动换刀数控铣床等。
将点位控制和直线控制结合在一起，就成为点位—直线控制系统，数控车床、数控铣镗床及某些加工中心等大都采用这种控制系统。
（3）轮廓控制数控机床 轮廓控制是数控系统中最复杂、最灵活和成本最高的机床控制形式。它最显著的特点是能同时控制对两个或两个以上的坐标轴进行连续切削，加工出复杂轮廓形状的零件（如图10-5所示）。这类机床具有主轴速度选择功能、传动系统误差补偿功能、刀具半径或长度补偿功能和自动换刀功能等，可加工出任何方向的直线、平面、曲线和圆、圆锥曲线以及能用数学方式定义的图形。 目前，该类机床有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心机床等。
图10-4 直线控制
图10-5 轮廓控制
3.按伺服系统的类型分类
（1）开环控制数控机床 这类机床对其执行件的实际位移量不作检测，也不进行误差校正，工作台的进给速度和位移量是由数控装置输出指令脉冲的频率和数量所决定（如图10-6所示）。伺服电机常采用步进电机。它的特点是结构简单、成本较低和性能稳定，但加工精度受到限制，一般适用于中、小型经济型数控机床。
图10-6 开环伺服系统
（2）闭环控制数控机床 这类机床带有直线位移检测装置，在加工中随时对工作台的实际位移量进行检测并反馈到数控装置的比较器，与指令信息进行比较，用其差值（误差）对执行件发出补偿运动指令，直至差值为零，从而使工作台实现高的位置精度（如图10-7所示）。它的特点是定位精度高，但调试和维修都较困难，系统复杂、成本高，一般适用于精度要求较高的大型和精密数控机床。
图10-7 闭环伺服系统
（3）半闭环控制数控机床 这类机床采用角位移检测元件，检测伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值补偿来实现控制（如图10-8所示）。伺服电机常采用宽调速直流伺服电机。它的性能介于开环和闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便，应用较普遍。
图10-8 半闭环伺服系统
（4）混合控制数控机床 这类机床将以上三类控制的特点有选择地集中起来，在开环或半开环控制系统的基础上。附加一个校正伺服电路，通过装在工作台上直线位移检测装置的反馈信号来校正机械系统的误差。它特别适用于大型数控机床。
4.按数控机床的功能水平分类
（1）多功能数控机床 这类机床数控系统的功能比较齐全，能对机床的大部分动作进行控制，并具有各种便于编程、操作和监视的功能（如能进行自动编程、 自动测量和自动故障诊断等）。
（2）简易数控机床 这类机床数控系统的功能仅具备自动化加工所必需的基本功能，并采用直观的拨盘、插销或按键进行程序输入，具有结构简单、性能可靠、操作简便、价格低廉等优点。
（3）经济型数控机床 这类机床的数控装置由单板（片）微型计算机组成，其功能虽不及全功能数控机床齐全，但具有直线和点位插补、刀具和间隙补偿等功能，有的还有位置显示、零件程序存储和编辑、程序段检索等功能。它的特点是性能可靠、操作简便、成本低廉，为通用机床的改造开辟了一条新的途径。