1.2 数控机床的组成与工作原理

1.2.1 数控机床的组成

数控机床一般由计算机数控系统和机床本体两部分组成，其中计算机数控系统是由输入/输出设备、计算机数控装置（CNC装置）、可编程控制器、主轴驱动系统和进给伺服驱动系统等组成的一个整体系统，如图1-30所示。

（1）输入/输出装置

数控机床在进行加工前，必须接收由操作人员输入的零件加工程序（根据加工工艺、切削参数、辅助动作以及数控机床所规定的代码和格式编写的程序，简称为零件程序。现代数控机床上该程序通常以文本格式存放），然后才能根据输入的零件程序进行加工控制，从而加工出所需的零件。此外，数控机床中常用的零件程序有时也需要在系统外备份或保存。

因此数控机床中必须具备必要的交互装置，即输入/输出装置来完成零件程序的输入/输出过程。

零件程序一般存放于便于与数控装置交互的一种控制介质上，早期的数控机床常用穿孔纸带、磁带等控制介质，现代数控机床常用移动硬盘、Flash（U盘）、CF卡（图1-31）及其他半导体存储器等控制介质。此外，现代数控机床可以不用控制介质，直接由操作人员通过手动数据输入（Manual Data Input，MDI）键盘输入零件程序；或采用通信方式进行零件程序的输入/输出。目前数控机床常采用通信的方式有：串行通信（RS232、RS422、RS485等）；自动控制专用接口和规范，如DNC（Direct Numerical Control）方式，MAP（Manufacturing Automation Protocol）协议等；网络通信（internet，intranet，LAN等）及无线通信[无线接收装置（无线AP）、智能终端]等。

（2）操作装置

操作装置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，它是数控机床特有的一个输入/输出部件。操作装置主要由显示装置、NC键盘（功能类似于计算机键盘的按键阵列）、机床控制面板（Machine Control Panel，MCP）、状态灯、手持单元等部分组成，如图1-32所示为FANUC系统的操作装置，其他数控系统的操作装置布局与之相比大同小异。

① 显示装置。数控系统通过显示装置为操作人员提供必要的信息，根据系统所处的状态和操作命令的不同，显示的信息可以是正在编辑的程序、正在运行的程序、机床的加工状态、机床坐标轴的指令/实际坐标值、加工轨迹的图形仿真、故障报警信号等。

较简单的显示装置只有若干个数码管，只能显示字符，显示的信息也很有限；较高级的系统一般配有CRT显示器或点阵式液晶显示器，一般能显示图形，显示的信息较丰富。

② NC键盘。NC键盘包括MDI键盘及软键功能键等。

MDI键盘一般具有标准化的字母、数字和符号（有的通过上挡键实现），主要用于零件程序的编辑、参数输入、MDI操作及系统管理等。

功能键一般用于系统的菜单操作（如图1-32所示）。

③ 机床控制面板MCP。机床控制面板集中了系统的所有按钮（故可称为按钮站），这些按钮用于直接控制机床的动作或加工过程，如启动、暂停零件程序的运行，手动进给坐标轴，调整进给速度等（如图1-32所示）。

④ 手持单元。手持单元不是操作装置的必需件，有些数控系统为方便用户配有手持单元，用于手摇方式增量进给坐标轴。

手持单元一般由手摇脉冲发生器MPG、坐标轴选择开关等组成，如图1-33所示为手持单元的一种形式。

（3）计算机数控装置（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（如图1-34所示）。其主要作用是根据输入的零件程序和操作指令进行相应的处理（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），控制其动作，加工出需要的零件。所有这些工作是由CNC装置内的系统程序（也称控制程序）进行合理的组织，在CNC装置硬件的协调配合下，有条不紊地进行的。

（4）伺服机构

伺服机构是数控机床的执行机构，由驱动和执行两大部分组成，如图1-35所示。它接受数控装置的指令信息，并按指令信息的要求控制执行部件的进给速度、方向和位移。目前数控机床的伺服机构中，常用的位移执行机构有功率步进电动机、直流伺服电动机、交流伺服电动机和直线电动机。

（5）检测装置

检测装置（也称反馈装置）对数控机床运动部件的位置及速度进行检测，通常安装在机床的工作台、丝杠或驱动电动机转轴上，相当于普通机床的刻度盘和人的眼睛，它把机床工作台的实际位移或速度转变成电信号反馈给CNC装置或伺服驱动系统，与指令信号进行比较，以实现位置或速度的闭环控制。

按有无检测装置，CNC机床可分为开环（无检测装置）与闭环（有检测装置）数控机床。开环数控机床的控制精度取决于步进电动机和丝杠的精度，闭环数控机床的精度取决于检测装置的精度。因此，检测装置是高性能数控机床的重要组成部分。

数控机床上常用的检测装置有光栅、编码器（光电式或接触式）、感应同步器、旋转变压器、磁栅、磁尺、双频激光干涉仪等（如图1-36所示）。

（6）可编程控制器

可编程控制器（Programmable Controller，PC）是一种以微处理器为基础的通用型自动控制装置（如图1-37所示），专为在工业环境下应用而设计。由于最初研制这种装置的目的，是为了解决生产设备的逻辑及开关量控制，故被称为可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）。当PLC用于控制机床顺序动作时，也被称为可编程机床控制器（Programmable Machine Controller，PMC）。

在数控机床中，PLC主要完成与逻辑运算有关的一些顺序动作的I/O控制，它和实现I/O控制的执行部件——机床I/O电路和装置（由继电器、电磁阀、行程开关、接触器等组成的逻辑电路）一起，共同完成以下任务。

接受CNC装置的控制代码M（辅助功能）、S（主轴功能）、T（刀具功能）等顺序动作信息，对其进行译码，转换成对应的控制信号，一方面，它控制主轴单元实现主轴转速控制；另一方面，它控制辅助装置完成机床相应的开关动作，如卡盘夹紧松开（工件的装夹）、刀具的自动更换、切削液（冷却液）的开关、机械手取送刀、主轴正反转和停止、准停等动作。

接受机床控制面板（循环启动、进给保持、手动进给等）和机床侧（行程开关、压力开关、温控开关等）的I/O信号，一部分信号直接控制机床的动作，另一部分信号送往CNC装置，经其处理后，输出指令控制CNC系统的工作状态和机床的动作。用于数控机床的PLC一般分为两类：内装型（集成型）PLC和通用型（独立型）PLC。

（7）机床

机床是数控机床的主体，是数控系统的被控对象，是实现制造加工的执行部件。它主要由主运动部件、进给运动部件（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）和辅助装置（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，但传动结构较为简单，在精度、刚度、抗振性等方面要求高，而且其传动和变速系统要便于实现自动化控制。

1.2.2 数控机床的工作原理

数控机床的主要任务就是根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，控制机床各运动部件协调动作，加工出合格的零件，如图1-38所示。

根据零件图制订工艺方案，采用手工或计算机进行零件程序的编制，并把编好的零件程序存放于某种控制介质上；经相应的输入装置把存放在该介质上的零件程序输入至CNC装置；CNC装置根据输入的零件程序和操作指令，进行相应的处理，输出位置控制指令到进给伺服驱动系统以实现刀具和工件的相对移动；输出速度控制指令到主轴伺服驱动系统以实现切削运动；输出M、S、T指令到PLC以实现顺序动作的开关量I/O控制，从而加工出符合图纸要求的零件。其中CNC系统对零件程序的处理流程包括译码、数据处理、插补、位置控制、PLC控制等环节，如图1-39所示。