数控机床的构成及原理解析

1．输入/输出装置

输入/输出设备主要实现程序和数据的输入以及显示、存储和打印。根据控制存储介质的不同，输入装置可以是光电阅读机、磁带机或软盘驱动器等。数控机床加工程序可通过键盘用手工的方式直接输入数控系统；数控加工程序还可由编程计算机用RS-232C或采用网络通信方式传送到数控系统中。

零件加工程序的输入有两种不同的方式：一种是边读入边加工（数控系统内存较小时）；另一种是一次将零件加工程序全部读入数控装置内部的存储器，加工时再从内部存储器中逐段调出进行加工。作为外围设备，计算机是目前常用的输入/输出装置之一。一般的输入/输出装置包括以下几种

1）操作面板

它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、显示器等组成。

2）控制介质

人与数控机床之间建立某种联系的中间媒介物就是控制介质，又称为信息载体。常用的控制介质有穿孔带、穿孔卡、磁盘和磁带等。

3）人机交互设备

数控机床在加工运行时，通常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，对数控机床运行状态进行显示等，也就是数控机床要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、显示器和光电阅读机等。

4）通信

现代的数控系统除采用输入/输出设备进行信息交换外，一般都具有用通信方式进行信息交换的能力，它们是实现CAD/CAM集成及FMS和CIMS的基本技术。采用的方式有：串行通信（RS-232等串口）、自动控制专用接口（DNC方式、MAP协议等）和网络技术（Internet、LAN等）。

2．数控装置

数控装置（习惯称为数控系统）是数控机床的核心，它根据光电读带机输送来的指令码和数据码，通过内部的逻辑电路或控制软件进行译码、运算、寄存及控制，并将其结果输送到机床各轴的伺服系统，控制机床的各部分进行规定的动作。数控装置一般由输入输出接口线路、译码器、运算器、存储器、控制器、显示器等组成。

在这些控制信息和指令中，最基本的是坐标轴的进给速度、进给方向和进给位移量指令，它经插补运算后生成，提供给伺服驱动，经驱动器放大后最终控制坐标轴的位移，且直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。

此外，根据系统和设备的不同还会有其他的控制指令，如：在数控机床上，还可能有主轴的转速、转向和启、停指令；刀具的选择和交换指令；冷却、润滑装置的启、停指令；工件的松开、夹紧指令；工作台的分度等辅助指令。在基本的数控系统中，它们是通过接口，以信号的形式提供给外部辅助控制装置，由外部辅助控制装置对以上信号进行必要的编译和逻辑运算，放大后驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作的。

3．伺服驱动装置(https://www.xing528.com)

伺服驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床移动部件，以加工出符合图样要求的零件。伺服驱动通常由伺服放大器（亦称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。

在数控机床上，伺服驱动（Servo Drive，简称伺服）是“以物体的位置、方向、状态等作为空置量，追踪目标值的任意变化的控制机构”。简而言之，它是一种能够自动跟随目标位置等物理量的控制装置。伺服驱动的作用主要有两个：一是按照数控装置给定的速度运行；二是按照数控装置给定的位置定位。因此，伺服驱动的精度和动态响应性能是影响数控机床加工进度、表面质量和生产效率的重要因素之一。

目前一般采用交流伺服电动机作为执行机构；在先进的高速加工机床上，已经开始使用直线电动机。

4．反馈装置

反馈装置是闭环或半闭环数控机床的检测装置，该装置可以包括在伺服系统中，由检测元件和相应的电路组成，作用是检测数控机床坐标轴的实际移动速度和位移，并将信息反馈到数控装置或伺服驱动中，构成闭环或半闭环控制系统。检测装置的安装、检测信号反馈的位置决定于数控系统的结构形式。无测量反馈装置的系统称为开环系统。

由于先进的伺服系统都采用了数字式伺服驱动技术（称为数字伺服），故伺服驱动和数控装置间一般都采用总线进行连接。反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动进行连接，并通过总线传送到数控装置，只有在少数场合或采用模拟量控制的伺服驱动（称为模拟伺服）时，反馈装置才需要直接与数控装置进行连接。伺服电动机内装式脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、测速机、光栅和磁尺等都是NC机床常用的检测器件。

5．辅助控制装置

辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的主运动换向、变速、启停，刀具的选择和交换，以及其他辅助装置动作等指令信号，经过必要的编译、逻辑判断和运算，并经功率放大后直接驱动相应的驱动源，带动机床的机械部件及液压、气动装置等完成相应指令规定的动作，如工件的松开和夹紧，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑装置的启动和停止，工件和机床部件分度工作台的转位分度等开关辅助动作。它接收机床操作面板和来自数控装置的指令，一方面通过接口电路直接控制机床的动作，另一方面通过伺服驱动装置控制主轴电动机的转动。

由于可编程逻辑控制器（PLC）具有响应快、性能可靠、易于使用及编程和修改程序并可直接启动机床开关等特点，故现已广泛用作数控机床的辅助控制装置。

6．机床本体

机床本体是数控机床的主体，由基础件（如床身、底座）和运动件（如工作台、主轴箱等）组成，目前仍主要沿用普通机床的结构，只是在自动变速、刀架或工作台自动转位和手柄等方面做了一些改变。随着数控技术的发展，它不仅要实现由数控装置控制的各种运动，而且还要承受包括切削力在内的各种力，因此机床本体必须保证具有良好的几何精度、足够的刚度、小的热变形、低的摩擦阻力，才能有效地保证数控机床的加工精度。

数控机床本体与普通机床相比，具有以下特点：

（1）采用了高性能主轴部件及传动系统，机械传动机构简单，传动链较短。

（2）机械结构具有较高的刚度和耐磨性，热变形小。

（3）更多地采用高效传动部件，如滚珠丝杠、静压导轨和滚动导轨等。