1、數控系統的構成

數控機床是集機（械）、電（氣）、液（壓氣動）、光（學器件）為一體的自動化設備。

在機械傳動鏈上，采用滾珠絲杠與直線導軌，以及鑲鋼貼塑導軌。

與普通機床不同，作為數控加工中心它采用刀庫、換刀機械手、數控分度旋轉臺或連續數控轉臺、交換工作臺等。

在電氣結構上采用CNC—Computer Numerical Control 即計算機數字控制系統、內置PLC及接口電路、主軸及伺服驅動等。

以及繼電器電路、電磁閥、接近開關等外圍設備電路。

在光學器件上采用光柵尺（作為全閉環反饋元件）、旋轉編碼器（作為速度反饋或者半閉環的位置反饋）。

聯系上述數控機床的結構特點，我們簡單歸納數控機床的工作流程如下：

以上是針對數控機床的一個簡要的描述，下面將討論幾個具體的問題，加深對數控機床機械電氣結構的了解。

問題①：滾珠絲杠與梯形絲杠的特點是什么？為什么數控機床大都采用滾珠絲杠？雙螺母絲杠和單螺母絲杠的區別是什么？

在我們的日常加工中經常會發現機床在換向時有“讓刀”現象發生，即程序已經指令導軌改變軌跡方向，但是刀具與工件的相對運動并沒有像我們預期的那樣移動，而是滯后一步，有經驗的工程師首先會想到“絲杠間隙”。那么絲杠間隙是怎樣產生的呢？有沒有辦法消除絲杠間隙呢？下面我們稍加詳細地給與分析：

下面的示圖形象地描繪了滾珠絲杠與梯形絲杠的不同結構。

從圖中可以看出，滾珠絲杠是滾動摩擦，而梯形絲杠則是滑動摩擦。在實際應用中由于滾珠絲杠是滾動摩擦，摩擦系數小，所以動態響應快，易于控制，精度高。另外滾珠絲杠在生產過程中，在滾道和珠子之間施加預緊力，可以消除間隙，所以滾珠絲杠可以達到無間隙配合。基于這些特點，數控機床廣泛采用滾珠絲杠，并配合伺服電機達到高動態響應和高定位精度。

而梯形絲杠是依靠絲母和絲杠之間的油膜產生相對滑動工作的，從機械原理上講，滑動摩擦的兩物體之間必然會有間隙，包括漸開線齒輪、齒輪齒條等，所以梯形絲杠用于普通機床和對動態響應要求不很高的場合。

滾珠絲杠分為單螺母和雙螺母，單螺母絲杠即使在出廠時預緊消除間隙，但是使用若干年后很容易產生間隙，并且很難通過調整消除間隙。但是雙螺母絲杠的間隙可以通過調整墊片的厚度（如下圖），控制絲杠預緊力，消除絲杠間隙。

除了機械調整外，現在數控制造商也提供電氣上的輔助補救措施—背隙補償功能（也稱之為“反向間隙補償”），英文為Backlash compensation。FANUC 16/18以及0i系列可以通過1851和1852號參數對各軸的反向間隙進行補償。

問題②：機床的導軌主要有幾種形式？數控機床導軌有幾種形式？它們的各自特點是什么？

問題③伺服電機與步進電機在數控機床應用中的最大區別是什么？同步電機與異步電機的特性是什么？在數控機床中分別用在什么場合？

● 步進電機在數控系統中是根據指令脈沖轉換成相應的步距角旋轉的，指令發出后不讀取反饋信號，為開環控制。從程序指令到電機旋轉，如果中途有丟失脈沖現象，系統無法感知與校正。所以步進電機開環控制用于精度要求不很高的經濟性數控。

● 完整的伺服控制通過位置環、速度環、電流環對伺服電機進行實時的調整控制，伺服控制回路有全閉環或者半閉環兩種形式，一般用于高精度、高動態響應的中高檔數控機床。

關于變頻調速與伺服控制，異步電機與同步電機區別以及適用場合見下表。

2、新技術的應用

前面我們提到，數控機床是數控機床是集機（械）、電（氣）、液（壓氣動）、光（學器件）為一體的自動化設備。而這些分支、領域必然也受技術進步的影響，新的技術、新的工藝、新的產品不斷被裝備到數控機床上，所以了解這些新技術的應用對于我們今后的學習，也是非常重要的。

① 直線電機（Linear Motor）的應用

上一節我們討論了數控機床結構，并在問題①中討論了滾珠絲杠的結構特征。就傳統數控機床而言，工作臺的移動是通過伺服電機的旋轉→聯軸節→滾珠絲杠→滾珠絲母帶動工作臺移動。但是上個世紀末，直線電機逐漸在數控機床中使用，從圖1-26直線電機結構圖中我們看到，直線電機的數控機床已經不再需要滾珠絲杠。它已不再是由電機旋轉運動通過機械傳動鏈轉變為直線運動，取而代之是直線電機直接完成直線運動傳遞。機械傳動鏈中又少了一個傳動鏈，結構更加簡潔。

我們將傳統機床與現在的數控機床以及將來的數控機床的線性軸的驅動做一個簡單的結構比較。

② 力矩電機（Synchronous Built-in Servo Motor）的應用

傳統的轉臺，特別是高精度數控轉臺是由圖1-31中描述的蝸輪、蝸桿以及軸承、箱體等組成。傳統的機構要求是既要讓電機在最佳速度工作區工作，又要讓工件低速大扭矩轉動，承受大的切削力。而蝸輪蝸桿大速比、自鎖性、力矩放大等特點正好滿足了這一要求。但是蝸輪、蝸桿是屬于齒輪類機構，工作過程中齒輪面必然存在磨損和間隙，一旦齒面齒型、節距磨損嚴重，將會導致整個蝸輪副精度降低、機床轉臺定位精度降低。另外蝸輪副磨損后的修復和調整非常困難，修復成本非常高。

而現代技術水平，已經可以通過電氣直接控制、驅動負載低速大扭矩轉動，這種直接驅動低速大扭矩轉臺的電機在數控機床應用中被稱為“力矩電機”，見圖1-30它是由轉子和定子線圈組成。這種技術大大降低了數控轉臺的制造成本，并且轉臺精度保持時間長，維護成本低。

③ 高速電主軸（High Speed Spindle）

傳統的機械主軸如圖1-34，是由主軸電機以及齒輪箱組成的。這是因為轉臺的主軸電機大都采用異步交流電機變頻調速，它的最佳工作速度范圍是在500rpm~2000rpm,而加工工藝要求銑刀的工作范圍（機械主軸轉速范圍）在20rpm~6000rpm，那么如何滿足工藝速度要求的？通過不同的齒輪比切換，擴大機械主軸變速范圍，即可以是電機在理想的速度區間工作，又能滿足工藝上的速度和扭矩范圍要求。它的弊端是機械結構復雜，成本高。

而電主軸調速范圍寬，特別是高速特性好，可以省去主軸齒輪箱，直接將刀柄插入電主軸轉子中（參見圖1-33），機床結構簡潔，主軸及立柱受力好。目前電主軸采用陶瓷或油霧潤滑，主軸轉速可達20000~5000rpm以上，特別適宜磨具加工。

從上面幾種典型的新技術應用中我們可以總結出：數控機床的機構越來越簡單，傳動鏈越來越少，電到機的轉換、旋轉運動轉換為直線運動的裝換越來越直接，電機與拖動以及控制技術的進步帶動數控機床整體技術進步。