李 伟

（四川工商职业技学院，四川 都江堰 611830）

数控机床是在普通机床的基础上发展起来的，由于它具有良好的柔性、高加工精度和稳定性、能加工复杂零件、减轻了工人的劳动强度和易于实现现代化管理等一系列优点，目前在机械制造业中得到了广泛的应用。

1 数控机床原理

数控机床一般由信息载体、数控装置、伺服系统和机床本体等四部分组成。信息载体即穿孔纸带、穿孔卡、磁带和磁盘等，用于记录程序编制的内容，并通过光电纸带阅读机、磁带机和磁盘驱动器等读入装置输送给数控装置。数控装置是数控机床的核心，也就是常说的NC（普通数控装置）或CNC（计算机数控装置），NC是数控机床发展初期的一种形式，现在的数控机床大多使用CNC系统。数控装置的作用是接受读入装置输入的加工信息，经过译码处理和运算，发出相应的指令脉冲给伺服系统，完成零件加工。伺服系统是数控机床的执行部分，由电动机和传动装置组成。伺服系统接受数控装置传来的指令脉冲信号，控制机床执行件（工作台或刀架）运动的位移和速度。机床本体主要是机械部件，包括主运动部件、进给运动部件和支承部件等。对于数控机床部件来讲，机械部件结构较通用机床简单，但其各项技术指标要求比通用机床要高。在数控机床上进行加工时，首先根据零件图编制程序，编程的代码和指令格式大多符合ISO标准和相应的国家标准。然后将程序通过信息载体输入到NC或CNC中，由数控系统根据程序内容发出指令，一方面由伺服系统中的电动机通过传动装置控制机床执行件的运动，另一方面控制机床的其它辅助运动，如主轴转速、转向选择，冷却泵的开停等。两方面协同动作，共同完成加工内容。

2 数控机床的常见的分类方法

（1）按伺服系统类型分类。分为开环、闭环和半闭环系统。由伺服系统控制机床执行件运动时，虽然其接受了数控装置的指令要求值，但实际位移量并不一定等同于指令要求值，也就是存在一定的误差。这一误差是由伺服电动机的转角误差、减速齿轮的传动误差、滚珠丝杠的导程误差以及导轨副抵抗爬行的能力这四项因素综合反映的。开环、闭环和半闭环系统的主要区别在于使用的电动机不同、是否进行执行件的测量及误差补偿以及误差补偿范围的大小不同。开环系统如图2所示，由于不进行执行件的测量及误差补偿，所以结构简单，维修方便，精度相对较低，成本低，一般用于精度要求不太高的中小型数控机床上。闭环系统如图3所示，精度高，成本高，主要用于精度要求较高的大型和精密数控机床上。半闭环系统如图4所示，介于两者之间，只对部分误差进行补偿，因此从理论上讲其加工精度不如全闭环系统。

（2）按控制运动的方式分类。分为点位控制、直线控制和轮廓控制三种。点位控制数控机床在加工平面内只控制刀具相对于工件的定位点的坐标位置，而对定位移动的轨迹不作要求。这类控制系统主要用于数控钻床、数控镗床、数控冲床和测量机等。直线控制数控机床能控制刀具或工件的适当的进给运动，沿平行于坐标轴的方向进行直线移动和加工，或者控制两个坐标轴以相同的速度运动，沿45°斜线进行切削加工。这类控制系统主要用于数控车床、数控镗铣床以及某些加工中心。轮廓控制数控机床能同时控制两个或两个以上坐标轴，使刀具与工件作相对运动，加工复杂零件。单纯的点位控制和直线控制机床很少，大部分为轮廓控制数控机床。轮廓控制数控机床能够实现联动加工，也能进行点位和直线控制。这类控制系统主要用于数控车床、数控铣床、数控磨床以及加工中心机床。

（3）按工艺用途分类。分为一般数控机床和数控加工中心。一般数控机床指与一般通用机床相对应的数控车、铣、钻、镗、磨和齿轮加工机床。加工中心最显著的特点是具有刀库和换刀机械手，能够实现多工序加工。刀库的容量应为二十把刀以上，但是一般常说的四方刀架、八方刀架等不属于刀库的范畴。

（4）按数控装置的功能分类。分为数控机床、简易数控机床和经济型数控机床。数控机床的数控装置功能齐全，能够进行自动编程、自动测量和自动故障诊断等。简易数控机床的功能单一，仅具备实现自动化的基本功能，并采用直观输入方式，结构简单，价格便宜。通用机床可采用单片机或单板机经数控化改造成经济型数控机床，性能可靠，操作简便。

3 数控机床控制技术的发展

机械设备最早的控制装置是手动控制器。目前，继电器—接触器控制仍然是我国机械设备最基本的电气控制形式之一。到了20世纪20～50年代，出现了交磁放大机—电动机控制，这是一种闭环反馈系统，系统的控制精度和快速性都有了提高。20世纪60年代出现了晶体管——晶闸管控制，由晶闸管供电的直流调速系统和交流调速系统不仅调运性能大为改善，而且减少了机械设备和占地面积，耗电少，效率局，完全取代了交磁放大机—电动机控制系统。在20世纪60年代出现丁一种能够根据需要方便地改变控制程序，结构简单、价格低廉的自动化装置—顺序控制器。随着大规模集成电路和微处理器技术的发展及应用，在20世纪70年代出现了一种以微处理器为核心的新型工业控制器——可编程序控制器。这种器件完全能够适应恶劣的工业环境，由于它具备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前已作为一种标准化通用设备普通应用于工业控制。随着计算机技术的迅速发展，数控机床的应用日益广泛，并进一步推动了数控系统的发展，产生了自动编程系统、计算机数控系统、计算机群控系统和天性制造系统。计算机集成制造系统及计算机辅助设计、制造一体化是机械制造一体化的高级阶段，可实现产品从设计到制造的全部自动化。综上所述，机械设备控制技术的产生，并不是孤立的，而是各种技术相互渗透的结果。它代表了正在形成中的新一代的生产技术，已显示出并将越来越显示出强大的威力。

总之，数控机床由于一系列优点，已在机床工业中日渐受到人们的重视，而且数控技术的发展也使机床的结构、种类发生了一系列的变化。