數控車床的結構和工作原理

1、數控車床的基本組成。數控車床最基本的組成包括I/O裝置、數控裝置、伺服驅動裝置、測量反饋裝置、輔助裝置、機床本體共六部分。下面將對這六部分進行具體介紹。

（1）I/O裝置。I/O裝置是用于數控加工或運動控制程序、加工與控制數據、機床參數以及坐標軸位置、檢測開關的狀態等數據的輸入/輸出。鍵盤和顯示器是數控設備必備的、最基本的I/O裝置。作為數控系統的外圍設備，臺式計算機、便攜式計算機是目前常用的I/O裝置之一。

（2）數控裝置。數控裝置是數控系統的核心，它由I/O接口線路、控制器、運算器和存儲器等組成。數控裝置的作用是將輸入裝置輸入的數據通過內部的邏輯電路或控制軟件進行編譯、運算和處理后，輸出各種信息和指令，用以控制機床的各部分進行規定的動作。

在這些控制信息和指令中，最基本的是經插補運算后生成的坐標軸進給速度、進給方向和進給位移量等指令，并提供給伺服驅動裝置，經驅動器放大后，最終控制坐標軸的位移。這些控制信息和指令直接決定了刀具或坐標軸的移動軌跡。

（3）伺服驅動裝置。伺服驅動裝置通常由伺服放大器（也稱驅動器、伺服單元）和執行機構等部分組成。在數控機床上，一般都采用交流伺服電動機作為執行機構。目前，在先進的高速加工機床上已經開始使用直線電動機。另外，20世紀生產的數控機床中也有采用直流伺服電動機的簡易數控機床，也有用步進電動機作為執行機構的。伺服放大器它必須與驅動電動機配套使用。

（4）測量反饋裝置。測量反饋裝置是閉環（半閉環）數控機床的檢測環節，其作用是通過現代化的測量元件（如脈沖編碼器、旋轉變壓器、感應同步器、光柵、磁尺和激光測量儀等），將執行元件或工作臺等的實際速度和位移檢測出來，反饋給伺服驅動裝置或數控裝置，補償進給速度或執行機構的運動誤差，以達到提高運動機構精度的目的。測量裝置檢測信號反饋的位置，取決于數控系統的結構形式。伺服內裝式脈沖編碼器、測速機以及直線光柵等都是較常用的檢測部件。

先進的伺服驅動裝置采用了數字式伺服驅動技術（簡稱數字伺服），伺服驅動裝置和數控裝置之間采用了總線連接的，反饋信號在大多數場合都是與伺服驅動裝置進行連接的，并通過總線傳送到數控裝置。只有在少數場合或采用模擬量控制的伺服驅動裝置（簡稱模擬伺服）時，反饋裝置才需要直接和數控裝置進行連接。

（5）輔助控制機構。輔助控制機構是指介于數控裝置與機床機械部件、液壓部件之間的控制部件。其主要作用是接收數控裝置輸出的主軸轉速、轉向和啟停指令，刀具選擇交換指令，冷卻、潤滑裝置的啟停指令，工件和機床部件的松開、夾緊指令，工作臺轉位等輔助指令信號，以及機床上檢測開關的狀態等信號，經必要的編譯、邏輯判斷、功率放大后直接驅動相應的執行元件，帶動機床機械部件、液壓氣動等輔助裝置完成指令規定的動作。它通常由PLC和強電控制回路構成，PLC在結構上可以與CNC—體化（內置式PLC），也可以相對獨立（外置式PLC）。

（6）機床本體。機床本體就是數控機床的機械結構件，它由主傳動系統、進給傳動系統、床身、工作臺，以及輔助運動裝置、液壓/氣動系統、潤滑系統、冷卻裝置、排屑、防護系統等部分組成。為了滿足數控技術的要求，充分發揮機床性能，數控機床與普通機床相比，機床本體在總體布局、外觀造型、傳動系統結構、刀具系統以及操作性能方面已發生了很大的變化。

2、數控車床工作原理。在傳統的金屬切削機床上，操作者在加工零件時，根據圖樣的要求，需要不斷地改變刀具的運動軌跡和運動速度等參數，使刀具對工件進行切削加工，最終加工出合格零件。

數控車床的加工實際上應用了“微分”原理，其工作原理與過程簡述如下。

1）數控裝置根據加工程序要求的刀具軌跡，將軌跡按機床對應的坐標軸，以最小移動量（脈沖當量）為單位進行微分，并計算出各坐標需要移動的脈沖數。

2）通過數控裝置的“插補”軟件或“插補”運算器，將要求的軌跡用以“最小移動量”為單位的等效折線進行擬合，并找出最接近理論軌跡的擬合折線。

3）數控裝置根據擬合折線的軌跡，給相應的坐標軸連續不斷地分配進給脈沖，并通過伺服驅動使機床坐標軸按分配的脈沖運動。

由上可得出以下結論：

1）只要數控機床的最小移動量（脈沖當量）足夠小，所用的擬合折線就可以等效代替理論曲線。

2）只要改變坐標軸的脈沖分配方式，就可以改變擬合折線的形狀，從而達到改變加工軌跡的目的。

3）只要改變分配脈沖的頻率，就可改變坐標軸（刀具）的運動速度。

這樣就實現了數控機床控制刀具移動軌跡的根本目的。

根據給定的數學函數，在理想軌跡（輪廓）的已知點之間通過數據點的密化，計算并確定中間點的方法稱為插補；能同時參與插補的坐標軸數稱為聯動軸數。顯然，數控機床的聯動軸數越多，機床加工輪廓的性能就越強。因此，聯動軸數量是衡量數控機床性能的重要技術指標。

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