数控车床的结构和工作原理

1、数控车床的基本组成。数控车床最基本的组成包括I/O装置、数控装置、伺服驱动装置、测量反馈装置、辅助装置、机床本体共六部分。下面将对这六部分进行具体介绍。

（1）I/O装置。I/O装置是用于数控加工或运动控制程序、加工与控制数据、机床参数以及坐标轴位置、检测开关的状态等数据的输入/输出。键盘和显示器是数控设备必备的、最基本的I/O装置。作为数控系统的外围设备，台式计算机、便携式计算机是目前常用的I/O装置之一。

（2）数控装置。数控装置是数控系统的核心，它由I/O接口线路、控制器、运算器和存储器等组成。数控装置的作用是将输入装置输入的数据通过内部的逻辑电路或控制软件进行编译、运算和处理后，输出各种信息和指令，用以控制机床的各部分进行规定的动作。

在这些控制信息和指令中，最基本的是经插补运算后生成的坐标轴进给速度、进给方向和进给位移量等指令，并提供给伺服驱动装置，经驱动器放大后，最终控制坐标轴的位移。这些控制信息和指令直接决定了刀具或坐标轴的移动轨迹。

（3）伺服驱动装置。伺服驱动装置通常由伺服放大器（也称驱动器、伺服单元）和执行机构等部分组成。在数控机床上，一般都采用交流伺服电动机作为执行机构。目前，在先进的高速加工机床上已经开始使用直线电动机。另外，20世纪生产的数控机床中也有采用直流伺服电动机的简易数控机床，也有用步进电动机作为执行机构的。伺服放大器它必须与驱动电动机配套使用。

（4）测量反馈装置。测量反馈装置是闭环（半闭环）数控机床的检测环节，其作用是通过现代化的测量元件（如脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、光栅、磁尺和激光测量仪等），将执行元件或工作台等的实际速度和位移检测出来，反馈给伺服驱动装置或数控装置，补偿进给速度或执行机构的运动误差，以达到提高运动机构精度的目的。测量装置检测信号反馈的位置，取决于数控系统的结构形式。伺服内装式脉冲编码器、测速机以及直线光栅等都是较常用的检测部件。

先进的伺服驱动装置采用了数字式伺服驱动技术（简称数字伺服），伺服驱动装置和数控装置之间采用了总线连接的，反馈信号在大多数场合都是与伺服驱动装置进行连接的，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装置（简称模拟伺服）时，反馈装置才需要直接和数控装置进行连接。

（5）辅助控制机构。辅助控制机构是指介于数控装置与机床机械部件、液压部件之间的控制部件。其主要作用是接收数控装置输出的主轴转速、转向和启停指令，刀具选择交换指令，冷却、润滑装置的启停指令，工件和机床部件的松开、夹紧指令，工作台转位等辅助指令信号，以及机床上检测开关的状态等信号，经必要的编译、逻辑判断、功率放大后直接驱动相应的执行元件，带动机床机械部件、液压气动等辅助装置完成指令规定的动作。它通常由PLC和强电控制回路构成，PLC在结构上可以与CNC—体化（内置式PLC），也可以相对独立（外置式PLC）。

（6）机床本体。机床本体就是数控机床的机械结构件，它由主传动系统、进给传动系统、床身、工作台，以及辅助运动装置、液压/气动系统、润滑系统、冷却装置、排屑、防护系统等部分组成。为了满足数控技术的要求，充分发挥机床性能，数控机床与普通机床相比，机床本体在总体布局、外观造型、传动系统结构、刀具系统以及操作性能方面已发生了很大的变化。

2、数控车床工作原理。在传统的金属切削机床上，操作者在加工零件时，根据图样的要求，需要不断地改变刀具的运动轨迹和运动速度等参数，使刀具对工件进行切削加工，最终加工出合格零件。

数控车床的加工实际上应用了“微分”原理，其工作原理与过程简述如下。

1）数控装置根据加工程序要求的刀具轨迹，将轨迹按机床对应的坐标轴，以最小移动量（脉冲当量）为单位进行微分，并计算出各坐标需要移动的脉冲数。

2）通过数控装置的“插补”软件或“插补”运算器，将要求的轨迹用以“最小移动量”为单位的等效折线进行拟合，并找出最接近理论轨迹的拟合折线。

3）数控装置根据拟合折线的轨迹，给相应的坐标轴连续不断地分配进给脉冲，并通过伺服驱动使机床坐标轴按分配的脉冲运动。

由上可得出以下结论：

1）只要数控机床的最小移动量（脉冲当量）足够小，所用的拟合折线就可以等效代替理论曲线。

2）只要改变坐标轴的脉冲分配方式，就可以改变拟合折线的形状，从而达到改变加工轨迹的目的。

3）只要改变分配脉冲的频率，就可改变坐标轴（刀具）的运动速度。

这样就实现了数控机床控制刀具移动轨迹的根本目的。

根据给定的数学函数，在理想轨迹（轮廓）的已知点之间通过数据点的密化，计算并确定中间点的方法称为插补；能同时参与插补的坐标轴数称为联动轴数。显然，数控机床的联动轴数越多，机床加工轮廓的性能就越强。因此，联动轴数量是衡量数控机床性能的重要技术指标。

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