1.2 数控机床的组成、工作过程和分类

知识导图

1.2.1 数控机床的组成

数控机床主要由以下几个部分组成，如图1-3所示。图中点画线框部分为计算机数控系统，即CNC系统，其中各方框为其组成模块，带箭头的连线表示各模块间的信息流向。点画线框右边的实线框部分为计算机数控系统的控制对象——机床。下面将分别介绍各模块的功能。

1.操作面板（控制面板）

它是操作人员与数控机床（系统）进行交互的工具，一方面，操作人员可以通过它对数控机床（系统）进行操作、编程、调试或对机床参数进行设定和修改；另一方面，操作人员也可以通过它了解或查询数控机床（系统）的运行状态。它是数控机床的一个输入输出部件，是数控机床的特有部件。它主要由按钮站、状态灯、按键阵列（功能与计算机键盘一样）和显示器等部分组成。

2.控制介质和输入输出设备

控制介质是记录零件加工程序的媒介。输入输出设备是CNC系统与外部设备进行信息交互的装置。零件加工程序是交互的主要信息。它们的作用是将编制好的记录在控制介质上的零件加工程序输入CNC系统，或将CNC系统中已调试好了的零件加工程序通过输出设备存放或记录在相应的控制介质上。数控机床常用的控制介质有穿孔纸带（对应的输入输出设备分别是纸带阅读机和纸带穿孔机）、磁带（对应的输入输出设备是录音机）、磁盘（对应的输入输出设备是磁盘驱动器）。

除此之外，还可采用通信方式进行信息交换，现代数控系统一般都具有利用通信方式进行信息交换的能力。这种方式是实现CAD/CAM集成、柔性制造系统（FMS）和现代集成制造系统（CIMS）的基本技术。目前在数控机床上常采用的方式有：串行通信（RS-232等接口）、自动控制专用接口和规范（DNC方式、MAP协议等）、网络技术（互联网、局域网等）。

3.计算机数控（CNC）装置（或CNC单元）

计算机数控（CNC）装置是计算机数控系统的核心。其主要作用是根据输入的零件加工程序或操作者命令进行相应的处理（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（伺服单元、驱动装置和PLC等），完成零件加工程序或操作者命令所要求的工作。所有这些都是由CNC装置协调配合、合理组织进行的，从而使整个系统能有条不紊地工作。它主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、扩展功能模块以及相应的控制软件等模块组成。

4.伺服单元、驱动装置和测量装置

伺服单元和驱动装置是指主轴伺服驱动装置和主轴电动机、进给伺服驱动装置和进给电动机。测量装置是指位置和速度测量装置，它是实现速度闭环控制（主轴、进给）和位置闭环控制（进给）的必要装置。主轴伺服系统的主要作用是实现零件加工的切削运动，其控制对象为速度。进给伺服系统的主要作用是实现零件加工的成形运动，其控制量为速度和位置。能灵敏、准确地跟踪CNC装置的位置和速度指令是它们的共同特征。

5.PLC、机床I/O电路和装置

PLC（Programmable Logic Controller）用于完成与逻辑运算、顺序动作有关的I/O控制，它由硬件和软件组成。机床I/O电路和装置实现I/O控制的执行部件（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）。它们共同完成以下任务：接受CNC的M、S、T指令，对其进行译码并转换成对应的控制信号，控制辅助装置完成机床相应的开关动作；接收操作面板和机床侧的I/O信号，送给CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作。

6.机床本体

机床本体是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主传动机构、进给传动机构（工作台、拖板以及相应的传动机构）、支承件（立柱、床身等）以及特殊装置（刀具自动交换系统、工件自动交换系统）和辅助控制机构（如冷却、润滑、排屑、转位和夹紧装置等）组成。数控机床机械部件的组成与普通机床相似，但传动机构和变速系统较为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求较高。

1.2.2 数控机床的工作过程

下面以数控车床为例说明数控机床的工作过程，如图1-4所示。

1）首先根据零件加工图样进行工艺分析，确定加工方案、工艺参数和位移数据。

2）用规定的程序代码和格式规则编写零件加工程序单；或用自动编程软件进行CAD/CAM工作，直接生成零件的加工程序文件。

3）将加工程序的内容以代码形式完整记录在信息介质（如磁带）上。

4）通过阅读机把信息介质上的代码转变为电信号，并输送给数控装置。由手工编写的程序，可以通过数控机床的操作面板输入程序；由编程软件生成的程序，通过计算机的串行通信接口直接传输到数控机床的数控单元（MCU）。

5）数控装置对所接收的信号进行一系列处理后，再将处理结果以脉冲信号形式向伺服系统发出执行的命令。

6）伺服系统接到执行的信息指令后，立即驱动车床进给机构严格按照指令的要求进行位移，使车床自动完成相应零件的加工。

1.2.3 数控机床的分类

当前数控机床的品种很多，结构、功能各不相同，通常可以按下述方法进行分类。

1.按机床运动轨迹分类

按机床运动轨迹不同，数控机床可分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。

（1）点位控制数控机床 点位控制又称为点到点控制。刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置，就称为点位控制。

点位控制机床的特点是只控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们的运动过程中的轨迹没有严格要求，在移动和定位过程中不进行任何加工。因此，为了尽可能地减少移动部件的运动时间和定位时间，两相关点之间的移动先快速移动到接近新点位的位置，然后进行连续降速或分级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。点位控制加工示意图如图1-5所示。采用这种控制方案的有数控钻床、数控镗床、数控冲床等。其相应的数控装置称为点位控制数控装置。

（2）直线控制数控机床 直线控制又称平行控制。这类控制除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也有控制，因为这类机床在两点之间移动时要进行切削加工。

直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两相关点的准确位置（距离），还要控制两相关点之间移动的速度和轨迹，其轨迹一般由与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移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多。直线控制加工示意图如图1-6所示。

这类机床主要有经济型数控车床、数控磨床和数控镗铣床等，其相应的数控装置称为直线控制数控装置。

（3）轮廓控制数控机床 轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。轮廓控制数控机床的特点是能同时控制两个以上的轴联动，具有插补功能。它不仅要控制加工过程中每一点的位置和刀具移动速度，还要加工出任意形状的曲线或曲面。轮廓控制加工示意图如图1-7所示。

属于轮廓控制机床的有数控坐标车床、数控铣床、加工中心等。其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓控制装置比点位、直线控制装置结构复杂，但其功能齐全。

2.按机床控制的联动轴数分类

若根据机床控制的联动轴数可细分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等。

（1）两轴联动 主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面，如图1-8所示。

（2）两轴半联动 主要用于三轴以上机床的控制，其中任意两根轴联动，第三轴做周期性进给。图1-9所示为两轴半数控机床加工三维空间曲面。

（3）三轴联动 三个坐标轴X、Y、Z都同时插补，是三维连续控制，如图1-10所示。

（4）四轴联动 同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动，如图1-11所示为四轴联动加工。

（5）五轴联动 五轴联动是一种很重要的加工形式（图1-12），三个坐标轴X、Y、Z与工作台的回转、刀具的摆动同时联动（也可以是与两轴的数控转台联动，或刀具做两个方向的摆动）。由于刀尖可以按数学规律导向，使之垂直于任何双倍曲线平面，因此特别适合于加工汽轮机叶片、机翼等。

3.按伺服系统的控制原理分类

按数控系统的进给伺服系统有无位置测量装置，数控机床可分为开环数控机床和闭环数控机床。在闭环数控机床中根据位置测量装置安装的位置，又可分为全闭环和半闭环两种，详细内容在以后学习情境中讲述。

4.按功能水平分类

数控机床按数控系统的功能水平可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国用得很多。低、中、高档的界限是相对的，不同时期的划分标准有所不同。就目前的发展水平来看，一般开环、步进电动机系统，两轴联动机床多为低档；采用半闭环直流或交流伺服系统，联动轴数在3～5轴的机床多为中档；采用闭环直流或交流伺服系统，联动轴数在3～5轴且分辨力为0.1μm的多为高档。

5.按工艺用途分类

数控机床按不同工艺用途分类，可分成数控金属切削机床、数控金属成形机床以及特种加工机床等。其中金属切削机床有数控的车床、铣床、磨床与齿轮加工机床等；在数控金属成形机床中，有数控的冲压机、弯管机、裁剪机等；在特种加工机床中，有数控的电火花切割机、火焰切割机、点焊机、激光加工机等。近年来在非加工设备中也大量采用数控技术，如数控测量机、自动绘图机、装配机、工业机器人等。

任务实践

1.带领学生到实训车间，让学生认真观察各种类型的数控机床，并掌握数控机床的组成。

2.由教师加工一个简单的阶梯轴，让学生认真观察数控机床的加工过程。

3.借助于数控实训车间，讲练结合以提高学生学习的兴趣，加深对所学内容的理解。

4.数控机床控制面板的每一个功能都体现着以人为本的个性化设计，理论结合实际，掌握控制面板各个按键的功能。