一、数控机床工作原理及组成

1. 数控机床工作原理

数控机床是采用了数控技术的机床，它用数字信号控制机床运动及其加工过程。具体地说，是将刀具移动轨迹等加工信息用数字化的代码记录在程序介质上，然后输入数控装置，经过译码、运算，发出指令，经伺服放大、伺服驱动和反馈，自动控制机床上的刀具与工件之间的相对运动，从而加工出形状、尺寸与精度符合要求的零件。

2. 数控机床的组成

数控机床一般由输入/输出设备、数控装置（CNC）、可编程逻辑控制器（PLC）、伺服单元、驱动装置（或称执行机构）、电气控制装置、辅助装置、机床本体及测量装置组成。图0-1所示为数控机床的组成。

（1）输入/输出设备。输入/输出设备是机床数控系统和操作人员进行信息交流、实现人机对话的交互设备。

输入设备的作用是将程序载体上的数控代码变成相应的电脉冲信号，传送并存入数控装置内。目前，数控机床的输入设备有键盘、磁盘驱动器、光电阅读机等。

输出设备是显示器，有CRT显示器和彩色液晶显示器两种。它为操作人员显示加工程序、坐标值以及报警信号等必要的信息。

（2）数控装置（CNC装置）。数控装置是计算机数控系统的核心，它是由硬件和软件两部分组成的。硬件主要包括微处理器（CPU）、存储器、局部总线、外围逻辑电路以及与CNC系统其他组成部分联系的接口等，软件包括管理软件和控制软件。

CNC装置的作用如下。它接收输入装置送来的脉冲信号，信号经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种信号和指令，控制机床的各个部分，使其进行规定的、有序的动作。通过CNC装置内硬件和软件的合理组织与协调配合，实现各种数控功能，使数控机床按照操作者的要求，有条不紊地进行加工。

（3）可编程逻辑控制器（PLC）。数控机床通过CNC和PLC共同完成控制功能。CNC主要完成与数字运算和管理等有关的功能，如零件程序的编辑、插补运算、译码、刀具运动位置的伺服控制等。PLC主要完成与逻辑运算有关的一些动作，它接收CNC的控制代码M（辅助功能）、S（主轴转速）、T（选刀、换刀）等开关量动作信息，然后进行译码，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，如工件的装夹、刀具的更换、切削液的开关等一些辅助动作；它还接收机床操作面板的指令，一方面直接控制机床的动作（如手动操作机床），另一方面将一部分指令送往数控装置用于控制加工过程。

（4）伺服单元。伺服单元的作用是将来自数控装置的速度和位移指令，经伺服单元变换和放大后，通过驱动装置转变成机床进给运动的速度、方向和位移。因此，伺服单元是数控装置与机床本体的联系环节，它把来自数控装置的微弱指令信号放大成控制驱动装置的大功率信号。伺服单元分为主轴单元和进给单元等，伺服单元按其反馈装置和反馈信号不同又有开环系统、半闭环系统和闭环系统之分。

（5）驱动装置。驱动装置把经过伺服单元放大的指令信号变为机械运动。目前，常用的驱动装置有直流伺服电动机和交流伺服电动机，且交流伺服电动机正逐渐取代直流伺服电动机。

伺服单元和驱动装置合称为伺服驱动系统，它是机床工作的动力装置，计算机数控装置的指令要靠伺服驱动系统付诸实施，伺服驱动装置包括主轴驱动单元（主要控制主轴的速度）和进给驱动单元（主要控制进给系统的速度和位置）。伺服驱动系统是数控机床的重要组成部分，从某种意义上说，数控机床的功能主要取决于数控装置，而数控机床的性能主要取决于伺服驱动系统。伺服驱动系统性能的好坏直接影响数控机床的加工精度和生产效率，因此要求伺服驱动系统具有良好的快速响应性能，能准确、迅速地跟踪数控装置的数字指令信号。

（6）机床本体。机床本体即数控机床的机械部件，包括主运动部件、进给运动部件、执行部件和基础部件，如底座、立柱、工作台（刀架）、床鞍、导轨等。为了保证数控机床的快速响应特性，数控机床上普遍采用精密滚珠丝杠和直线运动导轨副。为了保证数控机床的高精度、高效率和高自动化加工，要求其机械结构具有较高的动态特性、动态刚度、阻尼精度、耐磨性和抗热变形等性能。