)数控机床
图1 半闭环数控系统 数控机床是数字控制机床的简称，数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。是一种装有程序控制系统的自动化机床，该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床动作并加工零件。
数控机床
数控机床
可编程数控机床主机：他是数控机床的主题，包括机床身、立柱、主轴、进给机构等机械部件。他是用于完成各种切削加工的机械部件。
数控装置：是数控机床的核心，包括硬件（印刷电路板、CRT显示器、键盒、纸带阅读机等）以及相应的软件，用于输入数字化的零件程序，并完成输入信息的存储、数据的变换、插补运算以及实现各种控制功能。
驱动装置：他是数控机床执行机构的驱动部件，包括主轴驱动单元、进给单元、主轴电机及进给电机等。他在数控装置的控制下通过电气或电液伺服系统实现主轴和进给驱动。当几个进给联动时，可以完成定位、直线、平面曲线和空间曲线的加工。
辅助装置：指数控机床的一些必要的配套部件，用以保证数控机床的运行，如冷却、排屑、润滑、照明、监测等。它包括液压和气动装置、排屑装置、交换工作台、数控转台和数控分度头，还包括刀具及监控检测装置等。
编程及其他附属设备：可用来在机外进行零件的程序编制、存储等。
数控车间1、加工精度高，具有稳定的加工质量；
2、可进行多坐标的联动，能加工形状复杂的零件；
3、加工零件改变时，一般只需要更改数控程序，可节省生产准备时间；
4、机床本身的精度高、刚性大，可选择有利的加工用量，生产率高（一般为普通机床的3—5倍）；
5、机床自动化程度高，可以减轻劳动强度；
6、对操作人员的素质要求较高，对维修人员的技术要求更高。
人工操作自从1952年美国麻省理工学院研制出世界上第一台数控机床以来，数控机床在制造工业，特别是在汽车、航空航天、以及军事工业中被广泛地应用，数控技术无论在硬件和软件方面，都有飞速发展。
第一台加工中心是1958年由美国卡尼特雷克公司首先研制成功的。它在数控卧式镗铣床的基础上增加了自动换刀装置，从而实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中加工。加工中心是带有刀库和自动换刀装置的一种高度自动化的多功能数控机床。
工件在加工中心上经一次装夹后，能对两个以上的表面完成多种工序的加工，并且有多种换刀或选刀功能，从而使生产效率大大提高。这是制造技术发展过程中的一个重大突破，标志着制造领域中数控加工时代的开始。数控加工是现代制造技术的基础，这一发明对于制造行业而言，具有划时代的意义和深远的影响。世界上主要工业发达国家都十分重视数控加工技术的研究和发展。
中国于1958年开始研制数控机床，成功试制出配有子管数控系统的数控机床，1965年开始批量生产配有晶体管数控系统的三坐标数控铣床。经过几十年的发展，数控机床已实现了计算机控制并在工业界得到广泛应用，在模具制造行业的应用尤为普及。
数控机床车、铣、刨、磨、镗、钻、电火花、剪板、折弯、激光切割等等都是机械加工方法，所谓机械加工，就是把金属毛坯零件加工成所需要的形状，包含尺寸精度和几何精度两个方面。能完成以上功能的设备都称为机床，数控机床就是在普通机床上发展过来的，数控的意思就是数字控制。给机床装上数控系统后，机床就成了数控。数控机床除了铣镗加工中心，数控铣床，数控车床以外，还有数控钣金设备，包括数控折弯机。数控设备有通用加工编程NC语言和刀轨编程APT语言。
普通数控铣床不加刀库。装了刀库的叫加工中心。好处就是可以不用换机器，减少重新装夹累计误差和不同的机床误差。
3轴机床（工作台X.Y向动，刀轴Z向动）最广泛，用于加工模具等带复杂曲面的小批量产品。
4轴（刀轴摆动）可在一个工位上，加工三轴机床无法加工的倒扣面，死角。4轴（加旋转轴），类似于车床的旋转轴加工方式。可将零件绕某一轴翻转任意角度进行加工（一次装夹，加工上下前后4个工位）。减少了夹具和重复安装误差。优势在于加工轴类、盘类、人工骨骼等。
5轴（刀轴两向摆）可以在一个工位上，一次加工产品上所有无法加工的倒扣面和死角。而对应的4轴只能分两次加工。五轴(工作台两向摆动/转动)可加工所有未被夹具包裹的面。理论上只要两个工位即可。而且刀轴永远垂直于加工面。精度极高，质量极好。五轴(刀轴与工作台组合摆动)也有独到之处，能够达到5轴（刀轴两向摆）相似的效果。
七轴以上联动机床（或叫并联机床）是最新出现的高科技机床。用于加工飞机发动机涡轮叶片，潜艇螺旋桨等军方和航空航天高精度曲面。机床有7个自由度，能够达到的加工精度是普通多轴高精度数控机床所无法比拟的。而且表面质量超棒。
数控机床1、数控车床（含有铣削功能的车削中心）
2、数控铣床（含铣削中心）
3、数控铿床
4、以铣程削为主的加工中心．
5、数控磨床（含磨削中心）
6、数控钻床（含钻削中心）
7、数控拉床
8、数控刨床
9、数控切断机床
10、数控齿轮加工机床
11、数控激光加工机床
12、数控电火花线切割机床
13、数控电火花成型机床(含电加工中心)
14、数控板村成型加工机床
15、数控管料成型加工机床
16、其他数控机
| 数控车床 |  | 数控车床、车削中心，是一种高精度、高效率的自动化机床。它具有广泛的加工艺性能，可加工直线圆柱、斜线圆柱、圆弧和各种螺纹。具有直线插补、圆弧插补各种补偿功能，并在复杂零件的批量生产中发挥了良好的经济效果。选择结构合理、制造精良，并已批量生产的机床。一般，用户越多，数控系统的可靠性越高。 |
| 数控铣床 |  | 数控铣床是在一般铣床的基础上发展起来的,两都的加工工艺基本相同,结构也有些相似,但数控铣床是靠程序控制的自动加工机床,所以其结构也与普通铣床有很大区别.数控铣床一般由数控系统、主传动系统、进给伺服系统、冷却润滑系统等几大部分组成。 |
| 数控钻床 |  | 开机前应检查各手柄及锁紧机械是否正常,用手转动主轴并挂档,空车试转,检查润滑状况；装拆钻夹头,钻套,钻头时必须使用合适工具,不得随意用锤,铁块敲打；工件必须装夹牢固,严禁不装夹只用手固定工件进行钻削薄小件,不便夹装的也用钳子(或手虎钳)挟持,下方垫板方可作业； 4、操作前应按规定戴防护眼镜,女同志还应戴工作帽,严禁戴手套操作,不得用手掣动仍在旋转的主轴；工作完毕及时清洁工作台,虎钳,擦拭及润滑钻床,并将手柄工具正确放置,切断总电源。 |
| 数控拉床 |  | 机床采用系统和交流伺服驱动装置，克服了机械传动螺纹拉床加工精度低，只能加工单一品种的缺点，加工效率比采用车削加工内螺纹提高工效十倍以上，并且能够保证内螺纹螺距及螺纹起始点公差，加工精度稳定可靠，尤其适合加工拖拉机、叉车、汽车传向器、军工行业、滚珠丝杆螺母以及电动工具行业等大批量、多品种、高精度内螺纹的控制加工，是填补国内空白的高精尖产品。 |
| 数控刨床 |  | 采用数控刨床加工平面和简单的零件时，通常不存在刀具的精确定位和刀具磨损的补偿问题，但当用来加工截面轮廓线是复杂曲线的零件时(如罗茨泵转子的截面轮廓线由四段圆弧、四段外摆线和四段渐开线组成，大型水环泵叶轮叶片的轮廓线由多段直线和圆弧组成，它们对工件的尺寸精度、型线位置精度和形状精度都有较高的要求)，刀尖相对于工件的起始位置直接影响工件的加工精度。为此，研究了结构简单、操作方便的自动对刀和刀具磨损自动补偿装置。 |
数控编程一、数控机床编程的方法
数控机床程序编制的方法有三种：即手工编程、自动编程和CAD/CAM。
1、手工编程：由人工完成零件图样分析、工艺处理、数值计算、书写程序清单直到程序的输入和检验。适用于点位加工或几何形状不太复杂的零件，但是，非常费时，且编制复杂零件时，容易出错。
2、自动编程：使用计算机或程编机，完成零件程序的编制的过程，对于复杂的零件很方便。
3、CAD/CAM：利用CAD/CAM软件，实现造型及图象自动编程。最为典型的软件是MasterCAM，其可以完成铣削二坐标、三坐标、四坐标和五坐标、车削、线切割的编程，此类软件虽然功能单一，但简单易学，价格较低，仍是目前中小企业的选择。
二、数控机床程序编制的内容和步骤
1、数控机床编程的主要内容：分析零件图样、确定加工工艺过程、进行数学处理、编写程序清单、制作控制介质、进行程序检查、输入程序以及工件试切。
2、数控机床的步骤：分析零件图样和工艺处理。根据图样对零件的几何形状尺寸，技术要求进行分析，明确加工的内容及要求，决定加工方案、确定加工顺序、设计夹具、选择刀具、确定合理的走刀路线及选择合理的切削用量等。同时还应发挥数控系统的功能和数控机床本身的能力，正确选择对刀点，切入方式，尽量减少诸如换刀、转位等辅助时间。
三、数学处理
编程前，根据零件的几何特征，先建立一个工件坐标系，根据零件图纸的要求，制定加工路，在建立的工件坐标系上，首先计算出刀具的运动轨迹。对于形状比较简单的零件（如直线和圆弧组成的零件），只需计算出几何元素的起点、终点、圆弧的圆心、两几何元素的交点或切点的坐标值。编写零件程序清单加工路线和工艺参数确定以后，根据数控系统规定的指定代码及程序段格式，编写零件程序清单。
四、数控加工程序的结构
1、程序的构成：由多个程序段组成，O0001；Ｏ（FANUC-O,AB8400-P,SINUMERIK8M-%）机能指定程序号，每个程序号对应一个加工零件。
2、程序段格式：（1）字地址格式：如N020G90G00X50Y60；最常用的格式，现代数控机床都采用它。地址Ｎ为程序段号，地址G和数字90构成字地址为准备功能。
（2）可变程序段格式：如B2000B3000BB6000；使用分割符Ｂ各开各个字，若没有数据，分割符不能省去。常见于数控线切割机床，另外，还有3B编程等格式。
（3）固定顺序程序段格式：如0070102500-13400153002。
数控机床第一步数控化改造项目的可行性评估，对一台具体设备是否需要进行数控改造、改造目的、希望能达到什么样应用指标、需要投入多少财力和人力、改造项目中有多少风险因素、最后能得到什么性能价格比。这些都是可行性评估时的重要内容。
第二步就是对改造设备提出希望改造后能达到的目标期待值，即有什么样的机床精度和使用性能。
第三步在确定改造目标值后，要进行投入财力和人力的估算，即投入资金的评估。投入资金多少与制订改造目标高低密切相关。
经过上述三阶段工作，一台设备的改造方案基本已定，但必须对这方案进行风险评估。一台旧机床即使有再齐全的技术档案也不排斥存在隐患，存在一些不可预见因素影响，尤其技术含量高的设备。在做改造方案时，不可能对设备进行现状大解剖，不可能拿到机床现状精确测试数据，因此在以后实施改造工作中还会碰到意料之外的问题。对这类问题，就要求承包工程部门根据自己的技术经验，在现场调研的基础上，做出风险评估和制订相应对策。另一种做法是委托方和承包方双方都意识到风险客观存在，在工程项目费中，设置不可预见费用来共同承担风险。总之，多项改造工程经验表明：预先正视项目的风险因素，尽管在工程实施中有许多问题，但是可以化险为夷的。事先重视，一旦出现问题有对策，是工程成功的基本要素之一。
数控机床(2)确定改造方案；
(3)落实改造投入资金；
(4)寻找委托单位，签订有关改造合同协议；
(5)整理消化机床现有资料、数据；
(6)现场测绘旧设备电气、机械部件；
(7)对CNC、PLC、机床电气、机械改造内容进行设计、订货、制造；
(8)对机床其余机电系统、液压系统、辅件进行现场拆修、保养、更换；
(9)对机床改造部分进行现场施工、安装和连接；
(10)机床联调试验；
(11)修调恢复机床几何精度、定位精度；
(12)机床及控制系统各部分功能联动试验，工作可靠性运行；
(13)机床交检查验收；
(14)机床试生产切削运行。
数控机床1、清洁问题
普通机床大多采用干式切削，由于工件氧化皮和切屑影响很难保证清洁。而数控机床基本采用湿式切削，在切削液的作用下氧化皮和切屑被清洁干净，加工件的表面质量有很大的提高。但其刀柄、刀架、刀座之间的配合面精度非常高，如果不注意这些部位的洁净则极易造成这些部位精度的丧失。轻则使这一刀位装刀后精度下降，引起切削振动或不能进行精加工，重则使这一刀位完全不能使用。因此在将刀座装上刀架之前必须将配合面仔细清洁干净。卡盘爪的配合面也是如此。在这里清洁看似小问题但却会造成非常严重的后果。
2、程序中刀具号的调整
数控机床是由零件的数控加工程序来控制完成各种动作的。数控程序的编制人员在编制程序时会考虑每一把刀具的长度、用途和其他刀具的相互关系等因素把它安排在适当的位置。数控机床的操作者考虑到刀架现有刀具的情况，为了节省准备时间，可能会改动一些刀具号。需要注意的是：这相当于改动加工程序，重排刀具位置，因此必须仔细认真慎之又慎。尤其当一把刀具有不止一个刀具数据值时（如：数控车床中的切刀两个刀尖各有一个数据值）。例如：改0808 为0404时也要改0809为0405，否则刀具还没有离开工件就会换刀，从而造成重大事故。
3、关注加工过程
普通机床的产品加工质量主要是由操作者的技术水平决定的，同一台机床，操作者的水平高低决定了加工质量的优劣。而数控机床的加工质量主要由机床数控系统的精度、工件加工程序中的切削参数和刀具共同来保证，在这这里操作者的作用主要是关注加工过程，保证刀具、夹具处于正常工作状态。但数控机床有安全门自锁装置，一般情况下不关上安全门加工程序便无法运行，加之有切削液的参与，使操作者不易直接观察到刀片的切削状态。这样就更需要操作人员加强责任心提高警惕，认真听声音、仔细观察机床负载变化。做到随时准备采取措施控制机床的运行。加工过程中还要仔细检查加工件的尺寸和表面质量情况，如突然有毛刺产生，可能刀具松动等。要认真积累刀具寿命数据，按时检查和更换刀片，保证切削处于正常状态，决不能越干胆越大，认为只要关上门，按下循环启动键机床便会自己运行。甚至于在机床运行的情况下擅离工作岗位，造成刀具和工件的损坏。
此外，数控机床的操作人员必须养成严格按操作规程办事的良好习惯。每天检查液压系统，定期检查电气柜空调滤网，确保其处于正常状态，杜绝安全隐患。
数控机床（1）金属切削类数控机床：包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床发及加工中心.这些机床都有适用于单件、小批量和多品种和零件加工，具有很好的加工尺寸的一致性、很高的生产率和自动化程度，以及很高的设备柔性。金属成型类数控机床：这类机床包括数控折弯机，数控组合冲床、数控弯管机、数控回转头压力机等。
（2）数控特种加工机床：这类机床包括数控线（电极）切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机、数控激光切割机床、专用组合机床等。
（3）其他类型的数控设备：非加工设备采用数控技术，如自动装配机、多坐标测量机、自动绘图机和工业机器人等。
二、按运动方式分类
（1）点位控制：点位控制数控机床的特点是机床的运动部件只能够实现从一个位置到另一个位置的精确运动，在运动和定位过程中不进行任何加工工序。如数控钻床、数按坐标镗床、数控焊机和数控弯管机等。
（2）直线控制：点位直线控制的特点是机床的运动部件不仅要实现一个坐标位置到另一个位置的精确移动和定位，而且能实现平行于坐标轴的直线进给运动或控制两个坐标轴实现斜线进给运动。
（3）轮廓控制：轮廓控制数控机床的特点是机床的运动部件能够实现两个坐标轴同时进行联动控制。它不仅要求控制机床运动部件的起点与终点坐标位置，而且要求控制整个加工过程每一点的速度和位移量，即要求控制运动轨迹，将零件加工成在平面内的直线、曲线或在空间的曲面。
数控机床（1）开环控制：即不带位置反馈装置的控制方式。
（2）半闭环控制：指在开环控制伺服电动机轴上装有角位移检测装置，通过检测伺服电动机的转角间接地检测出运动部件的位移反馈给数控装置的比较器，与输入的指令进行比较，用差值控制运动部件。
（3）闭环控制：是在机床的最终的运动部件的相应位置直接直线或回转式检测装置，将直接测量到的位移或角位移值反馈到数控装置的比较器中与输入指令移量进行比较，用差值控制运动部件，使运动部件严格按实际需要的位移量运动。
四、按数控制机床的性能分类：经济型数控机床；中档数控机床；高档数控机床；
五、按所用数控装置的构成方式分数：硬线数控系统；软线数控系统；
数控机床ATL语言由CAM软件产生，用来描述刀具运行轨迹的一种说明性语言，并且可在CAM软件里逐行进行加工仿真模拟。NC语言由后置处理器产生，是实际输入机床的加工语言。
NC程序也可以直接在数控机床上编写。主要有G代码（加工代码），M代码（辅助功能），T代码（刀具），S,F（主轴转速和切屑速度）等。普通加工就是用机床内存中已有的NC程序来进行加工，可以连续加工也可以单步加工。
数控机床教材数控机床使用中应注意的问题
1、数控机床的使用环境对于数控机床最好使其置于有恒温的环境和远离震动较大的设备（如冲床）和有电磁干扰的设备。
2、电源要求。
3、数控机床应有操作规程进行定期的维护、保养，出现故障注意记录保护现场等。
4、数控机床不宜长期封存。
5、注意培训和配备操作人员、维修人员及编程人员数控系统的维护。
6、严格遵守操作规程和日常维护制度。
7、防止灰尘进入数控装置内漂浮的灰尘和金属粉末容易引起元器件间绝缘电阻下降，从而出现故障甚至损坏元器件。
8、定时清扫数控柜的散热通风系统。
9、经常监视数控系统的电网电压、电网电压范围在额定值的85％～110％。
10、定期更换存储器用电池。
11、数控系统长期不用时的维护经常给数控系统通电或使数控机床运行温机程序。
12、备用电路板的维护机械部件的维护。
机械部件的维护
数控机床1、刀库及换刀机械手的维护
（1）用手动方式往刀库上装刀时，要保证装到位，检查刀座上的锁紧是否可靠；
（2）严禁把超重、超长的刀具装入刀库，防止机械手换刀时掉刀或刀具与工件、夹具等发生碰撞；
（3）采用顺序选刀方式须注意刀具放置在刀库上的顺序是否正确。其他选刀方式也要注意所换刀具号是否与所需刀具一致，防止换错刀具导致事故发生；
（4）注意保持刀具刀柄和刀套的清洁；
（5）经常检查刀库的回零位置是否正确，检查机床主轴回换刀点位置是否到位，并及时调整，否则不能完成换刀动作；
（6）开机时，应先使刀库和机械手空运行，检查各部分工作是否正常，特别是各行程开关和电磁阀能否正常动作。
2、滚珠丝杠副的维护
（1）定期检查、调整丝杠螺母副的轴向间隙，保证反向传动精度和轴向刚度；
（2）定期检查丝杠支撑与床身的连接是否松动以及支撑轴承是否损坏。如有以上问题要及时紧固松动部位，更换支撑轴承；
（3）采用润滑脂的滚珠丝杠，每半年清洗一次丝杠上的旧油脂，更换新油脂。用润滑油润滑的滚珠丝杠，每天机床工作前加油一次；
（4）注意避免硬质灰尘或切屑进入丝杠防护罩和工作过程中碰击防护罩，防护装置一有损坏要及时更换。
3、主传动链的维护
（1）定期调整主轴驱动带的松紧程度；
（2）防止各种杂质进入油箱。每年更换一次润滑油；
（3）保持主轴与刀柄连接部位的清洁。需及时调整液压缸和活塞的位移量；
（4）要及时调整配重。
4、液压系统维护
（1）定期过滤或更换油液；
（2）控制液压系统中油液的温度；
（3）防止液压系统泄漏；
（4）定期检查清洗油箱和管路；
（5）执行日常点检查制度。
5、气动系统维护
（1）清除压缩空气的杂质和水分；
（2）检查系统中油雾器的供油量；
（3）保持系统的密封性；
（4）注意调节工作压力；
（5）清洗或更换气动元件、滤芯；
由于数控机床的上述特点，适用于数控加工的零件有：1、批量小而又多次重复生产的零件；2、几何形状复杂的零件；3、贵重零件加工；4、需要全部检验的零件；5、试制件。
数控机床
（1）实用性：是指明确数控机床来解决生产中的哪一个或哪几个问题。
（2）经济性：是指所选用的数控机床在满足加工要求的条件下，所支付的代价是最经济的或者是较为合理的。
（3）可操作性：用户选用的数控机床要与本企业的操作和维修水平相适应。
（4）稳定可靠性：是指机床本身的质量，选择名牌产品能保证数控机床工作时稳定可靠。
大型数控机床测量时杠杆千分表测头应处于各量块工作面中心区域。测量Z轴方向（垂直方向）定位精度时，应将步距规直立放置进行检验。出厂检验报告已标出步距规各工作尺寸偏差值，处理测量结果时应将测得值加上工作尺寸的偏差值（带正负号）。
修正后的测量结果即为各坐标方向的定位误差，将某坐标方向各点的定位误差记录并绘成坐标曲线，利用记录和曲线图，借助有关软件进行误差修正。陶瓷工作量块的热膨胀率为（9.5±1.0）×10-6K-1，中间垫块与钢质量块的热膨胀率为（11.5±1.0）×10-6K-1；当环境温度偏离20°C，还应考虑温度变化可能引起的测量误差。
数控机床1、机床复合技术进一步扩展随着数控机床技术进步，复合加工技术日趋成熟，包括铣-车复合、车铣复合、车-镗-钻-齿轮加工等复合，车磨复合，成形复合加工、特种复合加工等，复合加工的精度和效率大大提高。“一台机床就是一个加工厂”、“一次装卡，完全加工”等理念正在被更多人接受，复合加工机床发展正呈现多样化的态势。
2、智能化技术有新突破数控机床的智能化技术有新的突破，在数控系统的性能上得到了较多体现。如：自动调整干涉防碰撞功能、断电后工件自动退出安全区断电保护功能、加工零件检测和自动补偿学习功能、高精度加工零件智能化参数选用功能、加工过程自动消除机床震动等功能进入了实用化阶段，智能化提升了机床的功能和品质。
3、机器人使柔性化组合效率更高机器人与主机的柔性化组合得到广泛应用，使得柔性线更加灵活、功能进一步扩展、柔性线进一步缩短、效率更高。机器人与加工中心、车铣复合机床、磨床、齿轮加工机床、工具磨床、电加工机床、锯床、冲压机床、激光加工机床、水切割机床等组成多种形式的柔性单元和柔性生产线已经开始应用。
4、精密加工技术有了新进展数控金切机床的加工精度已从原来的丝级（0.01mm）提升到目前的微米级（0.001mm），有些品种已达到0.05μm左右。超精密数控机床的微细切削和磨削加工，精度可稳定达到0.05μm左右，形状精度可达0.01μm左右。采用光、电、化学等能源的特种加工精度可达到纳米级（0.001μm）。通过机床结构设计优化、机床零部件的超精加工和精密装配、采用高精度的全闭环控制及温度、振动等动态误差补偿技术，提高机床加工的几何精度，降低形位误差、表面粗糙度等，从而进入亚微米、纳米级超精加工时代。
5、功能部件性能不断提高功能部件不断向高速度、高精度、大功率和智能化方向发展，并取得成熟的应用。全数字交流伺服电机和驱动装置，高技术含量的电主轴、力矩电机、直线电机，高性能的直线滚动组件，高精度主轴单元等功能部件推广应用，极大的提高数控机床的技术水平。
| 冲床 | 互感器 | 减压阀 |
| 电子镇流器 | 铣床 | 半导体材料 |
[[1] 中国金属加工网 http://www.mw35.com/article/apply/11989.html
[2] 数控工作室 http://www.busnc.com/flash/jichu/whatsNCMT.htm
[3] 中国注塑人才网 http://www.inj.com.cn/com_job_list.asp?id=1088&com_id=753
[4] 数控机床网 http://www.c-cnc.com/
数控机床伺服系统按用途和功能分为进给驱动系统和主轴驱动系统；按控制原理和有无检测反馈环节分为开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统；按使用的执行元件分为电液伺服系统和电气伺服系统。
1.按用途和功能分：
(1)进给驱动系统：是用于数控机床工作台坐标或刀架坐标的控制系统，控制机床各坐标轴的切削进给运动，并提供切削过程所需的力矩。主要关心其力矩大小、调速范围大小、调节精度高低、动态响应的快速性。进给驱动系统一般包括速度控制环和位置控制环。
(2)主轴驱动系统：用于控制机床主轴的旋转运动，为机床主轴提供驱动功率和所需的切削力。主要关心其是否有足够的功率、宽的恒功率调节范围及速度调节范围；它只是一个速度控制系统。
2.按使用的执行元件分：
(1)电液伺服系统其伺服驱动装置是电液脉冲马达和电液伺服马达。其优点是在低速下可以得到很高的输出力矩，刚性好，时间常数小、反应快和速度平稳；其缺点是液压系统需要供油系统，体积大、噪声、漏油等。
（2）电气伺服系统其伺服驱动装置伺服电机（如步进电机、直流电机和交流电机等）。其优点是操作维护方便，可靠性高。其中，
1）直流伺服系统其进给运动系统采用大惯量宽调速永磁直流伺服电机和中小惯量直流伺服电机；主运动系统采用他激直流伺服电机。其优点是调速性能好；其缺点是有电刷，速度不高。
2）交流伺服系统其进给运动系统采用交流感应异步伺服电机（一般用于主轴伺服系统）和永磁同步伺服电机（一般用于进给伺服系统）。优点是结构简单、不需维护、适合于在恶劣环境下工作；动态响应好、转速高和容量大。
3.按控制原理分
（1）开环伺服系统
系统中没有位置测量装置，信号流是单向的（数控装置→进给系统），故系统稳定性好。
开环伺服系统的特点：
1.一般以功率步进电机作为伺服驱动元件。
2.无位置反馈，精度相对闭环系统来讲不高，机床运动精度主要取决于伺服驱动电机和机械传动机构的性能和精度。步进电机步距误差，齿轮副、丝杠螺母副的传动误差都会反映在零件上，影响零件的精度。
3.结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉；因此在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。一般用于经济型数控机床。
（2）闭环伺服系统
系统中有反馈控制系统,位置采样点从工作台引出，可直接对最终运动部件的实际位置进行检测；能得到更高的速度、精度和驱动功率。
闭环伺服系统的特点：
1.从理论上讲，可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和
失动量。具有很高的位置控制精度。从理论上讲，机床运动精度只取决于检测装置的精度，与传动链误差无关。但实际对传动链和机床结构仍有严格要求。
2.由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。该系统主要用于精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床以及较大型的数控机床等。
（3）半闭环伺服系统
系统的位置采样点是从伺服电机或丝杠的端部引出，采样旋转角度进行检测，不是直接检测最终运动部件的实际位置。
半闭环伺服系统的特点：
1.半闭环环路内不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得稳定的控制性能，其系统的稳定性虽不如开环系统，但比闭环要好。
2.由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除,因此，其精度较闭环差，较开环好。但可对这类误差进行补偿，因而仍可获得满意的精度。
3.由于半闭环伺服系统结构简单、调试方便、精度也较高，因而在现代CNC机床中得到了广泛应用。
进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，直接影响了加工工件的精度。对它做好良好的维护与维修，是数控机床的关键。
进给驱动系统的性能在一定程度上决定了数控系统的性能，决定了数控机床的档次，因此，在数控技术发展的历程中，进给驱动系统的研制和发展总是放在首要的位置。
数控系统所发出的控制指令，是通过进给驱动系统来驱动机械执行部件，最终实现机床精确的进给运动的。数控机床的进给驱动系统是一种位置随动与定位系统，它的作用是快速、准确地执行由数控系统发出的运动命令，精确地控制机床进给传动链的坐标运动。它的性能决定了数控机床的许多性能，如最高移动速度、轮廓跟随精度、定位精度等。
调速范围要宽
调速范围rn是指进给电动机提供的最低转速nmin和最高转速nmax之比，即：rn=nmin/nmax。
在各种数控机床中，由于加工用刀具、被加工材料、主轴转速以及零件加工工艺要求的不同，为保证在任何情况下都能得到最佳切削条件，就要求进给驱动系统必须具有足够宽的无级调速范围（通常大于1∶10000）。尤其在低速（如<0.1r/min）时，要仍能平滑运动而无爬行现象。
脉冲当量为1μm/P情况下，最先进的数控机床的进给速度从0~240m/min连续可调。但对于一般的数控机床，要求进给驱动系统在0~24m/min进给速度下工作就足够了。
定位精度要高
使用数控机床主要是为了：保证加工质量的稳定性、一致性，减少废品率；解决复杂曲面零件的加工问题；解决复杂零件的加工精度问题，缩短制造周期等。数控机床是按预定的程序自动进行加工的，避免了操作者的人为误差，但是，它不可能应付事先没有预料到的情况。就是说，数控机床不能像普通机床那样，可随时用手动操作来调整和补偿各种因素对加工精度的影响。因此，要求进给驱动系统具有较好的静态特性和较高的刚度，从而达到较高的定位精度，以保证机床具有较小的定位误差与重复定位误差（目前进给伺服系统的分辨率可达1μm或0.1μm，甚至0.01μm）；同时进给驱动系统还要具有较好的动态性能，以保证机床具有较高的轮廓跟随精度。
快速响应，无超调
为了提高生产率和保证加工质量，除了要求有较高的定位精度外，还要求有良好的快速响应特性，即要求跟踪指令信号的响应要快。一方面，在启、制动时，要求加、减加速度足够大，以缩短进给系统的过渡过程时间，减小轮廓过渡误差。一般电动机的速度从零变到最高转速，或从最高转速降至零的时间在200ms以内，甚至小于几十毫秒。这就要求进给系统要快速响应，但又不能超调，否则将形成过切，影响加工质量；另一方面，当负载突变时，要求速度的恢复时间也要短，且不能有振荡，这样才能得到光滑的加工表面。
要求进给电动机必须具有较小的转动惯量和大的制动转矩，尽可能小的机电时间常数和起动电压。电动机具有4000r/s2以上的加速度。
低速大转矩，过载能力强
数控机床要求进给驱动系统有非常宽的调速范围，例如在加工曲线和曲面时，拐角位置某轴的速度会逐渐降至零。这就要求进给驱动系统在低速时保持恒力矩输出，无爬行现象，并且具有长时间内较强的过载能力，和频繁的起动、反转、制动能力。一般，伺服驱动器具有数分钟甚至半小时内1.5倍以上的过载能力，在短时间内可以过载4~6倍而不损坏。
可靠性高
数控机床，特别是自动生产线上的设备要求具有长时间连续稳定工作的能力，同时数控机床的维护、维修也较复杂，因此，要求数控机床的进给驱动系统可靠性高、工作稳定性好，具有较强的温度、湿度、振动等环境适应能力，具有很强的抗干扰的能力。
进给驱动系统分为开环和闭环控制两种控制方式，根据控制方式，我们把进给驱动系统分为步进驱动系统和进给伺服驱动系统。开环控制与闭环控制的主要区别为是否采用了位置和速度检测反馈元件组成了反馈系统。闭环控制一般采用伺服电动机作为驱动元件，根据位置检测元件所处在数控机床不同的位置，它可以分为半闭环、全闭环和混合闭环三种。
开环数控系统
无位置反馈装置的控制方式就称为开环控制，采用开环控制作为进给驱动系统，则称开环数控系统。一般使用步进驱动系统（包括电液脉冲马达）作为伺服执行元件。所以也叫步进驱动系统。在开环控制系统中，数控装置输出的脉冲，经过步进驱动器的环形分配器或脉冲分配软件的处理，在驱动电路中进行功率放大后控制步进电动机，最终控制步进电动机的角位移。步进电动机再经过减速装置（一般为同步带，或直接连接）带动丝杠旋转，通过丝杠将角位移转换为移动部件的直线位移。因此，控制步进电动机的转角与转速，就可以间接控制移动部件的移动，俗称位移量。图1为开环控制伺服驱动系统的结构框图。
图1 半闭环数控系统 采用开环控制系统的数控机床结构简单，制造成本较低，但是由于系统对移动部件的实际位移量不进行检测，因此无法通过反馈自动进行误差检测和校正。另外，步进电动机的步距角误差、齿轮与丝杠等部件的传动误差，最终都将影响被加工零件的精度。特别是在负载转矩超过输出转矩时，将导致的“丢步”，使加工出错。因此，开环控制仅适用于加工精度要求不高，负载较轻且变化不大的简易、经济型数控机床上。
半闭环数控系统
图2所示为半闭环数控系统的进给控制框图。半闭环位置检测方式一般将位置检测元件安装在电动机的轴上（通常已由电动机生产厂家安装好），用以精确控制电动机的角度，然后通过滚珠丝杠等传动机构，将角度转换成工作台的直线位移，如果滚珠丝杠的精度足够高，间隙小，精度要求一般可以得到满足。而且传动链上有规律的误差（如间隙及螺距误差）可以由数控装置加以补偿，因而可进一步提高精度，因此在精度要求适中的中、小型数控机床上半闭环控制得到了广泛的应用。
图2：半闭环数控系统进给控制框图
| 半闭环数控系统 |
（图）半闭环数控系统半闭环方式的优点是它的闭环环路短（不包括传动机械），因而系统容易达到较高的位置增益，不发生振荡现象。它的快速性也好，动态精度高，传动机构的非线性因素对系统的影响小。但如果传动机构的误差过大或误差不稳定，则数控系统难以补偿。例如由传动机构的扭曲变形所引起的弹性变形，因其与负载力矩有关，故无法补偿。由制造与安装所引起的重复定位误差，以及由于环境温度与丝杠温度的变化所引起的丝杠螺矩误差也不能补偿。因此要进一步提高精度，只有采用全闭环控制方式。
全闭环数控系统
图4-3所示为全闭环数控系统进给控制框图。全闭环方式直接从机床的移动部件上获取位置的实际移动值，因此其检测精度不受机械传动精度的影响。但不能认为全闭环方式可以降低对传动机构的要求。因闭环环路包括了机械传动机构，它的闭环动态特性不仅与传动部件的刚性、惯性有关，而且还取决于阻尼、油的粘度、滑动面摩擦系数等因素。这些因素对动态特性的影响在不同条件下还会发生变化，这给位置闭环控制的调整和稳定带来了困难，导致调整闭环环路时必须要降低位置增益，从而对跟随误差与轮廓加工误差产生了不利影响。所以采用全闭环方式时必须增大机床的刚性，改善滑动面的摩擦特性，减小传动间隙，这样才有可能提高位置增益。全闭环方式广泛应用在精度要求较高的大型数控机床上。
由于全闭环控制系统的工作特点，它对机械结构以及传动系统的要求比半闭环更高，传动系统的刚度、间隙、导轨的爬行等各种非线性因素将直接影响系统的稳定性，严重时甚至产生振荡。
解决以上问题的最佳途经是采用直线电动机作为驱动系统的执行器件。采用直线电动机驱动，可以完全取消传动系统中将旋转运动变为直线运动的环节，大大简化机械传动系统的结构，实现了所谓的“零传动”。它从根本上消除了传动环节对精度、刚度、快速性、稳定性的影响，故可以获得比传统进给驱动系统更高的定位精度、快进速度和加速度
（图）全闭环数控系统进给控制框图图3：全闭环数控系统进给控制框图
| 全闭环数控系统进给控制框图 |
混合式闭环控制
图4-4所示为混合闭环控制。混合闭环方式采用半闭环与全闭环结合的方式。它利用半闭环所能达到的高位置增益，从而获得了较高的速度与良好的动态特性。它又利用全闭环补偿半闭环无法修正的传动误差，从而提高了系统的精度。混合闭环方式适用于重型、超重型数控机床，因为这些机床的移动部件很重，设计时提高刚性较困难。
图4 混合式环数控系统进给控制框图
