一、功能和特點(diǎn)
(一)主機(jī)
主機(jī)是數(shù)控機(jī)床的主體，是用于完成各種切削加工的機(jī)械部分。根據(jù)不同的零件加工要求，有車床、銑床、鉆床、鏜床、磨床、重型機(jī)床、電加工機(jī)床以及其它類型。與普通機(jī)床不同的是，數(shù)控機(jī)床的主機(jī)結(jié)構(gòu)上具有以下特點(diǎn)；
l) 由于大多數(shù)數(shù)控機(jī)床采用了高性能的主軸及伺服傳動(dòng)系統(tǒng)，因此，數(shù)控機(jī)床的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)得到了簡(jiǎn)化，傳動(dòng)鏈較短。
2) 為了適應(yīng)數(shù)控機(jī)床連續(xù)地自動(dòng)化加工，數(shù)控機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的動(dòng)態(tài)剛度，阻尼精度及耐磨性，熱變形較小。
3) 更多地采用高效傳動(dòng)部件，如滾珠絲杠副，直線滾動(dòng)導(dǎo)軌等。
(二)CNC (Computerized NumericaJ Contro1)裝置
這是數(shù)控機(jī)床的核心。用于實(shí)現(xiàn)輸入數(shù)字化的零件程序，并完成輸入信息的存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)的變換、插補(bǔ)運(yùn)算以及實(shí)現(xiàn)各種控制功能.現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的數(shù)控裝置都具備下面一些功能。
1）多坐標(biāo)控制(多軸聯(lián)動(dòng))。
2)實(shí)現(xiàn)多種函數(shù)的插補(bǔ)(直線、圓弧、拋物線等)。
3)代碼轉(zhuǎn)換(EIA/ISO代碼轉(zhuǎn)換、英制/公制轉(zhuǎn)換、二-十進(jìn)制轉(zhuǎn)換、絕對(duì)值/增量值轉(zhuǎn)換等)。
4)人機(jī)對(duì)話、手動(dòng)數(shù)據(jù)輸人，加工程序輸人，編輯及修改。
5)加工選擇，各種加工循環(huán)，重復(fù)加工、凹(凸)模加工，鏡象加工等。
6)可實(shí)現(xiàn)各種補(bǔ)償功能，進(jìn)行刀具半徑、刀具長(zhǎng)度、傳動(dòng)間隙、螺距誤差的補(bǔ)償。
7)實(shí)現(xiàn)故障自診斷。
8)CRT或LCD顯示，實(shí)現(xiàn)圖形、軌跡、字符顯示。
9)聯(lián)網(wǎng)及通信功能。
(三)驅(qū)動(dòng)裝置
驅(qū)動(dòng)裝置是數(shù)控機(jī)床執(zhí)行機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)部件。普通機(jī)床的主軸和進(jìn)給系統(tǒng)，主要由電機(jī)驅(qū)動(dòng)進(jìn)給箱及主軸箱的齒輪來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)和變速。而數(shù)控機(jī)床主軸和進(jìn)給則是由數(shù)控裝置發(fā)出進(jìn)給指令，通過(guò)電氣或電液伺服系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)幾個(gè)進(jìn)給軸實(shí)現(xiàn)了聯(lián)動(dòng)時(shí)，機(jī)床就可以完成點(diǎn)位、直線、平面曲線或空間曲面的加工。一般來(lái)說(shuō)，數(shù)控機(jī)床的伺服驅(qū)動(dòng)，要求有好的快速響應(yīng)性能，能靈敏而準(zhǔn)確的跟蹤由數(shù)控裝置發(fā)送來(lái)的數(shù)字指令信號(hào)。
(四)數(shù)控機(jī)床的輔助裝置
它是保證數(shù)控機(jī)床功能充分發(fā)揮所需要的配套部件。
由于這些配套裝置包括的面很廣，有電器、液壓、氣動(dòng)元件及冷卻、排屑、防護(hù)、
潤(rùn)滑、照明、儲(chǔ)運(yùn)等一系列裝置，它對(duì)開發(fā)數(shù)控機(jī)床本身的功能具有很大的作用，因此受到了各產(chǎn)業(yè)部門的重視，發(fā)展極為迅速。
(五)程縞機(jī)及其他一些附屬設(shè)各
現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，不僅可以利用CNC裝置上的鍵盤直接輸人零件的程序，也可以利用自動(dòng)程編機(jī)，在機(jī)外進(jìn)行零件的程序編制，將程序記錄在信息載體上(如紙帶、磁帶、磁盤、U盤等)，然后送入數(shù)控裝置。對(duì)于較為復(fù)雜的零件，一般都是采用這種辦法。對(duì)這種方式，我們稱為自動(dòng)程序編制，或計(jì)算機(jī)輔助程序編制。
大型的，特殊曲面的零件程序，往往要用計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)，并利用計(jì)算機(jī)的通用外圍接口，如RS-232串口、U盤接口以及存儲(chǔ)卡接口來(lái)同CNC裝置進(jìn)行零件程序的傳送。
現(xiàn)在隨著微電子技術(shù)及計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)的發(fā)展，大多數(shù)零件的程序編制工作，都由計(jì)算機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)了。為了便于使用，一些公司還可以提供一些專用的程編機(jī)，并配有完整的附屬設(shè)備。使用專用的程編軟件，可以方便的高質(zhì)量的編制出各種需要的零件程序。目前在模具加工行業(yè)中應(yīng)用得比較廣泛的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)編程的軟件有MasterCAM、Prole等著名軟件。
二、數(shù)控機(jī)床的分類
對(duì)于數(shù)控機(jī)床，我們可以從不同的角度對(duì)其進(jìn)行分類。
(一)按控制系統(tǒng)的特點(diǎn)分類
1．點(diǎn)位控制數(shù)控機(jī)床
對(duì)于一些孔加工用數(shù)控機(jī)床，只要求獲得精確的孔系坐標(biāo)定位精度，而不管從一個(gè)孔到另外一個(gè)孔是按照什么樣的軌跡運(yùn)動(dòng)，如坐標(biāo)鉆床，坐標(biāo)鏜床及沖床等，就可以采用簡(jiǎn)單而價(jià)格低廉的點(diǎn)位控制系統(tǒng)。這種點(diǎn)位控制系統(tǒng)，為了確保準(zhǔn)確的定位，系統(tǒng)在高速運(yùn)行后，一般采用3級(jí)減速，以減減小定位誤差。但是由于移動(dòng)件本身存在慣性，而且在低速運(yùn)動(dòng)時(shí)，摩擦力有可能變化。所以即使驅(qū)動(dòng)裝置停止運(yùn)動(dòng)后，工作臺(tái)并不立即停止，形成定位誤差Δd，而且這個(gè)值有一定的分散性。
2．直線控制數(shù)控機(jī)床
某些數(shù)控機(jī)床不僅要求具有準(zhǔn)確定位的功能，而且要求從一點(diǎn)到另一點(diǎn)之間按直線移動(dòng)，并能控制位移的速度。因?yàn)檫@一類型的數(shù)控機(jī)床在兩點(diǎn)間移動(dòng)時(shí)，要進(jìn)行切削加工。所以對(duì)于不同的刀具和工件，需要選用不同的切削用量及進(jìn)給速度。
這一類的數(shù)控機(jī)床包括:數(shù)控鏜銑床、數(shù)控車床、加工中心等。一般情況下這些數(shù)控機(jī)床，有兩個(gè)到三個(gè)可控軸。為了能在刀具磨損或更換刀具后，可得到合格的零件，達(dá)類機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)常常具有刀具半徑補(bǔ)償功能、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償?shù)墓δ?，和主軸轉(zhuǎn)速控制的功能。
3. 輪廓控制的數(shù)控機(jī)床
更多的數(shù)控機(jī)床，具有輪廓控制的功能，即可以加工曲線或者曲面的零件。這類機(jī)床有二坐標(biāo)及二坐標(biāo)以上數(shù)控銑床，可加工曲面的數(shù)控車床，加工中心等。
這類數(shù)控機(jī)床應(yīng)能同時(shí)控制兩個(gè)或兩個(gè)以上的軸并具有插補(bǔ)功能，能對(duì)位移和速度進(jìn)行嚴(yán)格的不間斷控制?，F(xiàn)代數(shù)控機(jī)床絕大多數(shù)都具有兩坐標(biāo)或兩坐標(biāo)以上聯(lián)動(dòng)的功能，不僅有刀具半徑補(bǔ)償、刀具長(zhǎng)度補(bǔ)償、還有機(jī)床軸向運(yùn)動(dòng)誤差補(bǔ)償、絲杠、齒輪的間隙誤差補(bǔ)償?shù)纫幌盗醒a(bǔ)償功能。
按照可聯(lián)動(dòng)(同時(shí)控制)軸數(shù)，且相互獨(dú)立的軸數(shù)，可以有2軸控制、2.5軸控制、3軸控制、4軸控制、5軸控制等。2.5軸控制(兩個(gè)軸是連續(xù)控制，笫三軸是點(diǎn)位或直線控制)的原理，實(shí)現(xiàn)了三個(gè)主要軸x，Y，z內(nèi)的兩維控制。
3軸控制是三個(gè)坐標(biāo)軸X，Y，z都同時(shí)插補(bǔ)，是三維連續(xù)控制。5軸連續(xù)控制是一種很重要的加工形式，這時(shí)3個(gè)直線坐標(biāo)軸X，Y，z，與轉(zhuǎn)臺(tái)的回轉(zhuǎn)，刀具的擺動(dòng)，同時(shí)聯(lián)動(dòng)(也可以是與兩軸的數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)聯(lián)動(dòng)，或刀具做兩個(gè)方向的擺動(dòng))。由于刀尖可以按數(shù)學(xué)規(guī)律導(dǎo)向，使之垂直于任何雙倍曲線平面(double curve)，因此特別適合于加工葉片、機(jī)翼等。
(二)按執(zhí)行機(jī)構(gòu)的伺服系統(tǒng)類型分類
1. 開環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床
這是比較原始的一種數(shù)控機(jī)床，這類機(jī)床的數(shù)控系統(tǒng)將零件的程序處理后，輸出數(shù)字指令信號(hào)給伺服系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)機(jī)床運(yùn)動(dòng)。沒(méi)有來(lái)自位置傳感器的反饋信號(hào)。最典型的系統(tǒng)就是采用步進(jìn)電機(jī)的伺服系統(tǒng)。這類機(jī)床較為經(jīng)濟(jì)，但是速度及精度都較低。因此，目前在國(guó)內(nèi)，仍作為一種經(jīng)濟(jì)型的數(shù)控機(jī)床，多用于對(duì)舊機(jī)床的改造。
2. 閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床
這類機(jī)床可以接受插補(bǔ)器的指令，而且隨時(shí)接受工作臺(tái)端測(cè)得的實(shí)際位置反饋信號(hào)進(jìn)行比較，并根據(jù)其差值不斷地進(jìn)行誤差修正。這類數(shù)控機(jī)床可以消除由于傳動(dòng)部件制造中存在的精度誤差給工件加工帶來(lái)的影響。
這種采用閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床，可以得到很高的加工精度，但是由于很多的機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，如絲杠副、工作臺(tái)都包括在反饋環(huán)路內(nèi)，而各種機(jī)械傳動(dòng)環(huán)節(jié)，包括絲杠與螺母、工作臺(tái)與導(dǎo)軌的摩擦特性，各部件的剛性，以及位移測(cè)量元件安裝的傳動(dòng)鏈間隙等等，都是可變的，都直接影響伺服系統(tǒng)的調(diào)節(jié)參數(shù)。有一些是非線性的參數(shù)，因此閉環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和調(diào)整都有較大的難度。設(shè)計(jì)和調(diào)整得不好，很容易形成系統(tǒng)的不穩(wěn)定。所以，閉環(huán)伺服系統(tǒng)數(shù)控機(jī)床，主要用于一些精度要求很高的鏜銑床、超精車床、超精銑床等。
3. 半閉環(huán)伺服系統(tǒng)的數(shù)控機(jī)床
大多數(shù)數(shù)控機(jī)床是半閉環(huán)伺服系統(tǒng)，將測(cè)量元件從工作臺(tái)移到電機(jī)端頭或絲杠端頭。這種系統(tǒng)的閉環(huán)環(huán)路內(nèi)不包括絲杠、螺母副及工作臺(tái)，因此可以獲得穩(wěn)定的控制特性:而且由于采用了高分辨率的測(cè)量元件，可以獲得比較滿意的精度及速度。
(三)按數(shù)控裝置類型分類
1．硬件式數(shù)控機(jī)床(即NC機(jī)床)
這是早期的數(shù)控機(jī)床，數(shù)控裝置中的輸人、運(yùn)算、插補(bǔ)運(yùn)算以及控制功能均由集成電路或晶體管等器件組成。一般來(lái)說(shuō)，不同的數(shù)控機(jī)床都需要專門設(shè)計(jì)不同的邏輯電路。這類數(shù)控機(jī)床數(shù)控裝置的通用性較差，因其全部由硬件組成，所以功能和靈活性也較差。因此，這類機(jī)床現(xiàn)在已基本不再使用。
2. 軟件式數(shù)控機(jī)床(即CNC機(jī)床)
70年代中期，隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片的集成度越來(lái)越高。利用中、大規(guī)模及超大規(guī)模的集成電路，組成CNC裝置成為可能。采用這一類裝置的數(shù)控機(jī)床，其主要的功能，幾乎全由軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)，對(duì)于不同的數(shù)控機(jī)床，只需編制不同的軟件就可以實(shí)現(xiàn)。而硬件幾乎可以通用。這就為硬件的大批量生產(chǎn)提供了條件。批量生產(chǎn)有利于保證產(chǎn)品的質(zhì)量、縮短生產(chǎn)周期，降低生產(chǎn)成本，所以現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床，都采用CNC裝置。這種軟件式數(shù)控，由于有很高的柔性，給機(jī)床廠以及機(jī)床的用戶以很大的方便。他們可以根據(jù)各自的需要開發(fā)出不同的用戶程序，使得數(shù)控機(jī)床的應(yīng)用更為廣泛，并能深入到機(jī)械加工業(yè)的備個(gè)領(lǐng)域中去。
(四)按加工方式分類
1. 金屬切削類數(shù)控機(jī)床：如數(shù)控車床、加工中心、數(shù)控鉆床、數(shù)控磨床、數(shù)控鏜床等。
2. 金屬成型類數(shù)控機(jī)床：如數(shù)控折彎?rùn)C(jī)、數(shù)控彎管機(jī)、數(shù)控回轉(zhuǎn)頭壓力機(jī)等。
3. 數(shù)控特種加工機(jī)床：如數(shù)控線(電極)切割機(jī)床、數(shù)控電火花加工機(jī)床、數(shù)控激光（等離子）切割機(jī)床等。
4. 其他類型的數(shù)控機(jī)床：如火焰切割機(jī)、數(shù)控三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)等。
(五)按照功能水平分類
可以把數(shù)控機(jī)床分為高、中、低檔(經(jīng)濟(jì)型)三類:
這種分類方法，目前在我國(guó)用的很多，但是因?yàn)闆](méi)有一個(gè)確切的定義，所以涵意不很明確。我們習(xí)慣地按照以下功能水平進(jìn)行分類界定。
1. 分辨率和進(jìn)給速度：分辨率為10um，進(jìn)給速度在8～15m/min為低檔;分辨率為1um，進(jìn)給速度為15～24m/min為中檔;分辨率為0.1um，進(jìn)給速度為15～100m/min為高襠。
2．伺服進(jìn)給類型：采用開環(huán)、步進(jìn)電機(jī)進(jìn)給系統(tǒng)為低檔;中高檔則采用半閉環(huán)的直流伺服系統(tǒng)及交流伺服系統(tǒng)(也包括采用閉環(huán)伺服系統(tǒng))。
3. 聯(lián)動(dòng)軸數(shù)：低檔數(shù)控機(jī)床最多聯(lián)動(dòng)軸數(shù)為2～3軸，中、高檔則為2～4軸或3～5軸以上。
4. 通信功能：低檔數(shù)控一般無(wú)通信功能。中檔可以有RS-232或DNC ( direct numerical control直接數(shù)字控制)接口。高檔的還可有MAP(manufacturing automation protocal制造自動(dòng)化協(xié)議)通信接口，具有聯(lián)網(wǎng)功能。近期的CNC裝置還具備存儲(chǔ)卡和U盤接口。
5．顯示功能：低檔數(shù)控一般只有簡(jiǎn)單的數(shù)碼管顯示或簡(jiǎn)單的CRT、LCD基本信息顯示。而中檔數(shù)控則具有較齊全的CRT、LCD信息顯示，不僅有字符，而且有圖形，人機(jī)對(duì)話，自診斷等功能。高檔數(shù)控還可以有三維圖形顯示。
6. 內(nèi)裝PC(programmable contro11er可編程控制器)：低檔數(shù)控一般無(wú)內(nèi)裝PC，中、高檔數(shù)控都有內(nèi)裝PC。高檔數(shù)控具有強(qiáng)功能的內(nèi)裝PC，有軸控制的擴(kuò)展功能。
7. 主CPU(centraI processing unit中央處理單元)：低檔數(shù)控一般采用8位CPU，中檔及高檔已經(jīng)逐步的由16位CPU向32位CPU過(guò)渡。目前國(guó)外的一些新的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)選用了64位CPU，并選用具有精簡(jiǎn)指令集的RISC中央處理單元，以提高運(yùn)算速度。根據(jù)以上的一些功能及指標(biāo)，就可以將各種類型的產(chǎn)品分為低、中、高檔三類數(shù)控系統(tǒng)。
