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数控机床组成、工作原理以及特点

第一节数控机床的组成

数控机床是机电一体化的典型产品，是集机床、计算机、电动机及拖动、动控
制、检测等技术为一体的自动化设备。数控机床的基本组成包括控制介质、数控
装置、伺服系统、反馈装置及机床本体，见图2-1。

图2-1数控机床组成

一、控制介质

数控机床工作时，不要人去直接操作机床，但又要执行人的意图，这就必须在

任何数控机床之间建立某种联系，这种联系的中间媒介物称之为控制介质。

在普通机床上加工零件时，由工人按图样和工艺要求进行加工。在数控机床加
工时，控制介质是存储数控加工所需要的全部动作和刀具相对于工件位置等信息
的信息载体，它记载着零件的加工工序。数控机床中，常用的控制介质有穿孔纸
带、穿孔卡片、磁带和磁盘或其他可存储代码的载体，至于采用哪一种，则取决
于数控装置的类型。早期时，使用的是8单位（8孔）穿孔纸带，并规定了标准信
息代码ISO（国际标准化组织制定）和EIA（美国电子工业协会制定）两种代
码。

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二、数控装置
数控装置是数控机床的核心。其功能是接受输入装置输入的数控程序中的
加工信息，经过数控装置的系统软件或逻辑电路进行译码、运算和逻辑处理后，
发出相应的脉冲送给伺服系统，使伺服系统带动机床的各个运动部件按数控程
序预定要求动作。一般由输入输出装置、控制器、运算器、各种接口电路、CRT
显示器等硬件以及相应的软件组成。数控装置作为数控机床“指挥系统”，能完
成信息的输入、存储、变换、插补运算以及实现各种控制功能。它具备的主要功
能如下：

1）多轴联动控制。
2）直线、圆弧、抛物线等多种函数的插补。
3）输入、编辑和修改数控程序功能。
4）数控加工信息的转换功能：ISO/EIA代码转化，米英制转换，坐标转换，绝
对值和相对值的转换，计数制转换等。
5）刀具半径、长度补偿，传动间隙补偿，螺距误差补偿等补偿功能。
6）实现固定循环、重复加工、镜像加工等多种加工方式选择。
7）在CRT上显示字符、轨迹、图形和动态演示等功能。

三、伺服系统
机床上的执行部件和机械传动部件组成数控机床的进给系统，它根据数控装
置发来的速度和位移指令控制执行部件的进给速度、方向和位移量。每个进给运
动的执行部件都配有一套伺服系统。伺服系统的作用是把来自数控装置的脉冲
信号转换为机床移动部件的运动，它相当于手工操作人员的手，使工作台（或溜
板）精确定位或按规定的轨迹作严格的相对运动，最后加工出符合图样要求的零
件。
伺服系统由伺服驱动电动机和伺服驱动装置组成，它是数控系统的执行部
分。驱动机床执行机构运动的驱动部件，包括主轴驱动单元（主要是速度控
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制）、进给驱动单元（主要有速度控制和位置控制）、主轴电动机和进给电动机
等。一般来说，数控机床的伺服驱动系统，要求有好的快速响应性能，以及能灵
敏且准确地跟踪指令功能。数控机床的伺服系统有步进电动机伺服系统、直流
伺服系统和交流伺服系统，现在常用的是后两者，都带有感应同步器、编码器等
位置检测元件，而交流伺服系统正在取代直流伺服系统。

四、反馈装置
反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，该装置可以包括在伺服系统
中，它由检测元件和相应的电路组成，其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），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和数控装置进行连接。
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。

五、机床本体
数控机床中的机床，在开始阶段沿用普通机床，只是在自动变速、刀架或工作
台自动转位和手柄等方面作些改变。随着数控技术的发展，对机床结构的技术
性能要求更高，在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能
方面都已经发生很大的变化。因为数控机床除切削用量大、连续加工发热多等
影响工件精度外，还由于在加工中自动控制，不能由人工进行补偿，所以其设计
要求比通用机床更完善，制造要求比通用机床更精密。
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数控机床主体，包括床身、主轴、进给机构等机械部件，以及辅助运动