数控机床各个组成部分的工作原理及结构
第一节 输入装置
输入装置是整个数控系统的初始工作机构，它将准确可靠的接收信息介质上所记录的“工程语言”、运算及操作指令等原始数据，转为数控装置能处理的信息，并同时输送给数控装置。
输入信息的方式分手动输入和自动输入。手动输入简单、方便但输入速度慢容易出错。现代数控机床普遍采用自动输入，其输入形式有光电阅读机、磁带阅读机及磁盘驱动器以及无带自动输入方式。
其它输入方式:
1.无带自动输入方式
在高档数控机床上，设置有自动编程系统和动态模拟显示器（CRT）。将这些设备通过计算机接口与机床的数控系统相连接,自动编程所编制的加工程序即可直接在机床上调用,无
需经制控制介质后再另行输入。
2.触针接触式阅读机输入方式
又称为程控机头或电报机头，结构简单，阅读速度较慢，但输入可靠、价格低廉故在部分线切割机床加工中仍在用。
3.磁带、磁盘输入方式
磁带输入方式进行信息输入，其信息介质为“录音”磁带，只不过录制的不是声音，而是各种数据。
加工程序等数据信息一方面由微机内的磁盘驱动器“写入”磁盘上进行储存，另外也由磁盘驱动器进行阅读并通过微机接口输入到机床数控装置中去。
第二节 数控装置
数控装置是数控机床的核心，数控机床几乎所有的控制功能（进给坐标位置与速度，主轴、刀具、冷却及机床强电等多种辅助功能）都由它控制实现。因此数控装置的发展，在
很大程度上代表了数控机床的发展方向。
数控装置的作用是接收加工程序等送来的各种信息，并经处理分配后，向驱动机构发出执行的命令，在执行过程中，其驱动、检测等机构同时将有关信息反馈给数控装置，经处理后，发出新的命令。
一、数控装置的组成
1、数字控制的信息
1）几何信息——是指通过被加工零件的图样所获得的几何轮廓的信息。
这些信息由数控装置处理后，变为控制各进给轴的指令脉冲，最终形成刀具的移动轨迹。几何信息的指令，由准备功能G具体规定。
2）工艺信息———通过工艺处理后所获得的各种信息。
包括工艺准备、刀具选择、加工方案（走刀路线、切削用量等）及补偿方案等各方面信息。
加工实际经验的积累，也是获得工艺信息的有效途径。
3）辅助信息——泛指除几何、工艺信息之外的其它信息，其作用主要为控制机床辅助动作。
如主轴的启、停与调速、换向，冷却液的开、关，零件的夹紧与松开，以及刀、换刀等各种信息。
2、数控机床用计算机简介
数控的实质是计算机控制。计算机技术的高速发展，开辟了数字技术综合应用的新领域，促进了生产过程自动化的不断发展。
1）电子计算机的组成:电子计算机由软件和硬件两大部分组成。
硬件即指设备，它包括构成计算机的集成电路、存储器、接口元件等。软件是以程序为中心的信息组合，软硬件结合,才能实现所给定的功能。
电子计算机的基本结构（硬件）:电子计算机的基本结构由中央处理器（CPU）、存储器
（PAM、 ROM和输入/输出部分（I/O）三部分组成。
电子计算机的软件部分:上述计算机的基本结构式是指硬件部分，但仅有硬件部分，只是具备了计算机或过程控制的可能性。要使计算机真正能进行计算或过程控制，还必须软件的支持。计算机运行的程序通过程序设计确定，使计算机完成指定的工作。
二、数控装置的工作原理
数控装置的工作原理就是指控制各进给坐标所需进给脉冲的基本规律。通过插补原理和逐点比较法进行说明。 1、插补原理
1）脉冲当量是数控机床的一个基本参数，数控系统每发出一个进给脉冲，机床机械运动机构就产生一个相应的位移量，一个脉冲所对应的位移量称为脉冲当量。它是脉冲分配计算中的基本单位。用Q表示: Q——脉冲当量（MM）
θ——步距角（伺服电机在输入一个脉冲时所转过的角度）
i——伺服电机至螺旋副间的传动比
同理可得刀具位移的关系式：S=QN
S——刀具运动的位移量（MM）
N——脉冲个数
2）插补的概念
插补运动的产生
将两个或两个以上的进给轴的直线运动合成，以实现所需轮廓的运动轨迹。在数控技术中这种合成的复杂运动称为插补运动。数控装置为了完成机床所需插补运动而进行的一系列运算，即称为插补运算；在其插补运动过程中，每一个单位脉冲（即每一步）所到达的终点，称为插补点。
插补运动的实际轨迹始终不可能与其理想轨迹完全相同，插补点一般也不会落在理想轨迹上。
当进给运动的轨迹不与坐标轴平行时，则经数控插补后的实际轨迹均由很多线段组成，其折线交点即插补点不能与理想轨迹重合，每一个交点的位置将由数控系统确定并控制。
因为数控系统所进行的插补运算，是以最小设定单位为插补单位的，所以在完成加工的零件上，看不出实际插补轨迹的折线形状。实际终点与理想终点的误差，一般不超过半个脉冲。
数控系统的脉冲当量越小，插补运动的实际轨迹就越接近理想轨迹，加工精度就越高。
插补概念——根据给定的信息，在理想轮廓（或轨迹）上的已知两点之间，确定一些中间点的一种方法。
插补原理——通过插补计算的结果，对各进给坐标所需进给脉冲个数、频率及方向进行分配，以实现进给轨迹控制，这就是插补原理。
插补原理是数控技术中的基本原理之一，它广泛应用在除点位控制机床以外的各种机床数控装置中。
插补的类型由其给定的信息的类型决定，给定信息为一次函数时计算机进行的插补类型为直线插补；二次函数时根据二次曲线的不同类型又有圆弧、抛物线、椭圆、渐开线及螺旋线等插补类型。它们都可以通过计算机软件方式实现。
2、逐点比较法
应用插补原理的方法有很多种，如逐点比较法、数字积分法及单步追踪法等。在对平面曲线进行插补的各种方法中，最常用的是逐点比较法。采用这种方法进行插补的优点是运算直观，插补误差小于一个脉冲当量，输入脉冲的速度变化小，以及调节方便、简便易行。
逐点比较法是一种边判别边逼近的方法，帮又称为逼近法或区域判别法。在逐点比较法的应用中，插补点在主运动的坐标轴方向每进一步都必须经过偏差判别、刀具进给、偏差计算并判别、终点判别四个工作节拍。
第三节 数控机床主传动系统
一、主传动系统的要求
1、宽调速、无极调速
2、高刚度、低噪声
3、高抗振性、高热稳定性
二、主传动的变速方式
1、经皮带和变速齿轮的主传动
传动方式特点：可扩大恒功率调速范围,扩大主轴出转距,具有齿轮传动缺点。
2、齿轮变速方式
主轴正反转、启停与制动均是靠直接制动电机 来实现，而齿轮的变速操纵常采用液压拨叉与电磁离合器来实现。
带传动与齿轮传动的传动系统图
3、由调速电机直接驱动的主传动
这种电动机是将主电动机直接与主轴连接，带动主轴转动，大大简化了主轴箱体结构,有效提高了主轴刚度。
缺点：减少了皮带降速传动，其主轴的输出转矩更小，而且主电动机的发热对主轴精度的影响更大。
2、经带传动的主传动
由无极变速的主轴电机经皮带传动直接带动主轴运转的主运动形式。这种变速方式一般用于中小型数控机床，用于调速范围不大，转距也不需太高的场合。它可避免齿轮传动时引起的振动与噪声，从而大提高主轴的运转精度。
随现代主轴伺服电动机的发展，出现了能实现宽范围无极调速的宽域主电动机，使主的输出特性得到很好的改善，扩大了恒功率的调速范围，并提高了输出转距。在避免齿轮传动不足的情况下，又能保持齿轮传动带来的优点。使数控机床在机械结构上朝着优化的方向前进了一大步。
第四节 伺服系统
一、伺服系统的作用及分类
1、伺服系统的作用
伺服系统位于数控装置与机床主体之间，它的作用是将从数控装置输出线路接收到的微弱电信号（脉冲电压约5V左右，脉冲电流为毫安级），经功率放大等电路放大为较强的电信号（驱动电压约几十伏至几百伏，电流可达几十安培）然后将接收的上述数字量信息转换成模拟量（执行电机轴的角位移和角速度）信息，从而驱动执行电机带动机床运动部件按约定的速度和位置进行运动。
二、数控进给伺服系统的要求
与普通机床相比，对数控机床进给系统的设计要求，除了具有较高的定位精度之外，还应具有良好的动态响应特性，系统跟踪指令信号的响应要快，稳定性要好，可概括为以下几点要求：
1．高的精度要求
2．宽的调速范围
3．快的响应速度
4．好的稳定性
5．大的转矩输出
三、数控进给系统的伺服驱动装置
数控机床的伺服系统一般由驱动装置与机械传动执行件等组成，对于半闭环、闭环控制系统还包括位置检测环节。而驱动装置是由驱动元件电动机和电动机驱动控制单元两部分组成，通常它们由同一生产厂家配套提供给机床制造厂。进给伺服驱动装置用于数控机床各坐标轴的进给运动，进给驱动用的伺服电动机主要有步进电动机和交流、直流调速电动机，电动机作为驱动元件是伺服系统的关键之一。
四、数控进给传动结构
进给传动结构是进给伺服系统的主要组成部分，它是将伺服电动机的旋转运动转化为执行
部件的直线移动或回转运动，以保证刀具与工件相对位置关系为目的。在数控机床中，进给运动是数字控制系统的直接控制对象。无论是开环还是闭环伺服进给系统，工件的精度均要受到进给运动的传动精度、灵敏度和稳定性的影响。为此，数控机床的进给系统应力求做到减少摩擦力，提高传动精度与刚度，消除传动间隙以及减少运动件的惯量等。目前，在数控机床进给驱动系统中常用的机械传动装置主要有：滚珠丝杠螺母副、静压蜗杆－蜗母条、预加载荷双齿轮－齿条及双导程蜗杆等。
1．滚珠丝杠螺母副传动
为了提高数控机床进给系统的快速响应性能和运动精度，必须减少运动件的摩擦阻力和动静摩擦力之差。为此，在中小型数控机床中，滚珠丝杠螺母副是采用最普遍的结构。
(1)滚珠丝杠副的工作原理。滚珠丝杠副是回转运动与直线运动相互转换的新型传动装置，是在丝杠和螺母之间以滚珠为滚动体的螺旋传动元件。
2．其他进给传动机构
(1)静压蜗杆一蜗母条传动
蜗杆－蜗母条机构是丝杠螺母机构的一种特殊形式蜗杆可看作长度很短的丝杠，蜗母条则可看作一个很长的螺母沿轴向剖开后的一部分。
(2)双齿轮一齿条传动
齿轮一齿条是行程较长的大型数控机床上常用的进给传动形式，适用于传动刚性要求高，传动精度不太高的场合。
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