1.2 数控机床的组成及工作过程

1.2.1 数控机床的组成

数控机床一般由输入/输出装置、数控装置、伺服系统和机床本体以及测量反馈装置组成，如图1.1所示。而输入输出装置、数控装置、伺服系统和测量反馈装置又构成数控系统，即现代的CNC系统。因此，装备了数控系统的机床就称为数控机床。

1.数控系统

（1）输入/输出装置

1）输入装置。输入装置主要实现程序编制、程序和数据的输入功能。常见的有以下三种。

①键盘：键盘通常安装在操作面板上，主要作用是输入各种操作命令以及采用手动数据输入（MDI）方式输入零件加工程序，也可以用来对零件加工程序进行现场修改和编辑。操作面板主要用来安装操作机床的各种控制开关、按键以及机床工作状态指示器、报警用的信号指示等。通过操作面板，操作人员可以控制数控机床，图1.2是某经济型数控机床的操作面板。

②光电阅读机：光电阅读机也称为纸带阅读机，它是采用穿孔纸带输入系统程序和零件加工程序的输入装置。

③PC直接输入：利用自动编程软件在个人计算机（PC）上编制零件加工程序，通过数控机床的RS—232C串行接口，直接将零件加工程序传输给数控机床。

2）输出装置。输出装置主要实现程序和加工信息的显示、存储和打印功能，常见的有以下两种。

①显示器：显示器主要用于显示CNC系统的有关信息，例如机床工作台的位置、速度、主轴转速、刀具位置等机床有关信息，零件加工程序的输入编辑、修改时的显示和加工轨迹的显示等。目前，常用的显示器有CRT和TFT两种。

②外围存储设备：外围存储设备有磁带录音机和磁盘机，用于存放和读取零件加工程序以及有关的数据信息，有的数控系统也用于存取系统控制程序。

（2）数控装置

数控装置是数控系统的核心，它由硬件和软件两大部分组成。硬件包括输入/输出（I/O）接口、CPU、存储器以及数据通信接口等；软件包括管理软件和控制软件，管理软件主要具备输入/输出（I/O）、显示和诊断等功能，控制软件主要具备译码、刀具补偿、速度控制、插补运算和位置控制等功能。数控装置主要具有以下功能：

①实现多坐标控制（多轴联动）。

②实现多种函数（如直线、圆弧和抛物线等）的插补。

③多种程序输入功能（人机对话、手动数据输入、由上级计算机及其他计算机输入设备的程序输入）以及对程序的编辑和修改功能。

④信息转换功能：EIA/ISO代码转换、英制/公制转换、坐标转换、绝对值/增量值转换以及计数制转换。

⑤补偿功能：刀具半径补偿、刀具长度补偿、传动间隙补偿和螺距误差补偿等。

⑥多种加工方法的选择：可以实现多种加工方式循环、重复加工、凹凸模加工和镜像加工等。

⑦故障自诊断功能：数控装置中设有各种故障自诊断软件，对系统运行情况进行监视，及时发现故障，在故障出现后迅速查明故障的类型和部位，并发出报警，把故障源隔离到最小范围。

⑧显示功能：用显示器可以显示字符、轨迹、平面图形和动态三维图形。

⑨通信和联网功能。

（3）伺服系统

伺服系统是数控装置和机床本体之间的机电传动联系环节，主要由伺服电动机、驱动控制系统和位置检测与测量反馈装置等组成。伺服电动机是系统的执行元件，驱动控制系统则是伺服电动机的动力源。数控装置发出的指令信号与位置反馈信号比较后作为位移指令，再经过驱动系统的功率放大后，驱动电动机运转，通过机械传动装置拖动工作台或刀架运动。按采用的伺服电动机的不同，可将伺服系统分为：步进电动机伺服系统、直流伺服系统和交流伺服系统。

①步进电动机伺服系统：步进电动机伺服系统采用步进电动机作为驱动元件。步进电动机接受一个脉冲，电动机转过一个固定角度，从而驱动工作台移动一个位移值，即脉冲当量。由于步进电动机易丢步且扭矩较小，一般需要传动齿轮来凑脉冲当量，步进电动机伺服系统精度较低，但价格低廉，故常用于开环伺服系统中。

②直流伺服系统：直流伺服系统采用直流伺服电动机实现机电的转换。由于直流伺服电动机具有输出转矩大、过载能力强，且构成闭环控制系统后易于调整等优点，因此，在20世纪80年代以前应用极为广泛。但因直流伺服电动机具有电刷和机械换向器，限制了它的大容量、高电压和高速度，而且直流伺服电动机的维护和维修也较麻烦，所以制约了直流伺服系统的发展。

③交流伺服系统：交流伺服系统采用交流伺服电动机实现机电的转换。进入20世纪80年代，在电动机控制领域交流电动机调速技术取得了突破性进展，交流伺服系统大举进入电气传动调速控制的各个领域。交流伺服系统的最大优点是交流伺服电动机容易维修、制造简单，易于向大容量、高速度方向发展，适合于在较恶劣的环境中使用。同时，从减少伺服系统外形尺寸和提高可靠性角度来看，采用交流伺服电动机比直流伺服电动机将更为合理。因此，在当今（半）闭环控制的伺服系统中广泛使用交流伺服系统。

（4）测量反馈装置

测量反馈装置由测量部件和响应的测量电路组成，其作用是检测速度和位移，并将信息反馈给数控装置，构成（半）闭环控制系统。常用的测量部件有脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器和光栅等。

当今的数控系统除了由以上四大主要部分构成外，往往还包含可编程控制器（PLC）。可编程控制器（PLC）处于数控装置和机床之间，实现对数控机床辅助功能、主轴转速功能和刀具功能的控制。它根据机床加工过程中各个动作要求进行协调，按各检测信号进行逻辑判断，从而控制机床各个部件有条不紊地按顺序工作。PLC程序代替以往的继电器线路，实现M、S、T功能的控制，即按照预先规定的逻辑顺序对诸如主轴的启停、转向和转速，刀具的更换，工件的夹紧、松开，液压、气动、冷却以及润滑系统的运行等进行控制。

2.机床本体

数控机床的机床本体指其机械结构实体。与传统的普通机床相比，数控机床的本体同样由主传动系统、进给传动机构、工作台、床身以及立柱等部分组成，但数控机床的整体布局、外观造型、传动机构、工具系统及操作机构等方面都发生了很大变化。特别是一些辅助装置，如自动换刀装置ATC（Automatic Tool Changer）、自动交换工作台APC（Automatic Pallet Changer）、工件夹紧松开机构、液压控制系统、过载保护装置、排屑装置等，往往是普通机床所不具备的。

1.2.2 数控机床的工作过程及编程指令代码

1.数控机床的工作过程

数控机床完成零件的加工过程如图1.3所示。

步骤

2.程序编制中的指令代码

程序编制中常用的指令代码主要有准备功能（G）、辅助功能（M）、主轴转速功能（S）、刀具功能（T），以及进给速度功能（F）等。下面简要介绍各指令代码的功能。

（1）准备功能（G）。准备功能是设立机床工作方式或控制系统工作方式的一种命令。因其地址符规定为G，故又称为G功能或G指令。它的后续数字一般为两位数（00～99），也有极少数的数控系统采用了三位数（如SIEMENS公司的840D）。按ISO的标准规定，常见的G指令代码具有如下功能。

➣ G00：快速点定位指令。使刀具或工件快速到达目标点，其速度为数控系统所设定。G00指令一般在刀具不进行切削、其路径为空行程时使用。

➣ G01：直线插补指令。用于直线加工的指令，它通过程序中所指定的进给速度对工件进行直线加工。

➣ G02/G03：顺/逆圆弧插补指令。用于圆弧（或整圆）加工的指令。其顺时针与逆时针的方向，按标准规定为：向垂直于运动平面的坐标轴的负方向看，顺时针为G02，逆时针为G03。

➣ G04：暂停（延时）指令。当加工指令执行到该程序段时，进给运动按给定的时间（s或ms）进行延时暂停，其暂停期间将不做任何相关动作，待延时结束后，继续执行下一条程序段。

➣ G17～G19：坐标平面选择指令。G17指令选择X-Y平面，G18指令选择Z-X平面，G19指令选择Y-Z平面。

➣ G33：等螺距螺纹切削指令。用于切削各种恒定螺距的公、英制（配合有关公、英制数据输入的专门指令使用）螺纹。国内主要用于加工米制（即公制）等螺距螺纹，而对英制等螺距螺纹，则专用其他“不指定”功能的指令。

➣ G41～G44：刀具补偿指令。其中，G41和G42分别表示刀具半径左、右补偿；G43和G44分别表示刀具长度正补偿和负补偿。

➣ G40：刀具半径补偿或刀具偏置注销指令。用于终止所有刀补和刀偏的执行。

➣ G81～G89：固定循环指令。各种数控机床根据需要而定其特有的功能，主要用于连续完成一系列的加工工序。

➣ G80：固定循环注销指令。用于终止由G81～G89指令所规定的各种固定循环的执行。

➣ G90/G91：绝对/增量尺寸方式指令。规定在编程坐标系中的各坐标值均为绝对/增量尺寸。

根据G指令是否具有续效性可将其分为模态指令和非模态指令两大类。所谓模态指令是指这类指令只要指定过一次，直到被后面同组的其他G指令取代或被注销以前，所指定的功能一直有效，即在其随后的程序段中，不必再指定该指令，最常见的模态指令有G00、G01～G03、G33、G41、G42等。所谓非模态指令是指这类指令的功能仅在出现的程序段中起作用，故每次使用时都必须指定，最常见的非模态指令有G04、G40、G80等。目前，由于ISO标准中规定G指令的标准化程度不高（“不指定”和“永不指定”的功能项目较多），如附表1所示。因此，在编制程序时，必须按照所用数控系统（说明书）的具体规定使用，切忌盲目套用。

（2）辅助功能（M）。辅助功能用以指令数控机床中辅助装置的开关动作或状态。因其地址符规定为M，故又称为M功能或M指令，它的后续数字一般为两位数（00～99），也有少数的数控系统使用三位数。按ISO的标准规定，常见的M指令代码具有如下功能。

➣ M00：程序停止指令。程序执行到有该指令的程序段时，即实施不限时间的暂停，需要结束该暂停状态时，则应按一下启动键或运行键，程序即可继续向下执行。

➣ M02：程序结束指令。表示加工程序已执行完毕并结束运行，程序内容所控制以外的其他功能，原则上不受该指令限制，并可继续动作。

➣ M03/M04：主轴正转/反转指令。其正反转方向按右手直角笛卡儿坐标系确定。

➣ M05：主轴停止指令。表示用最有效或通常的方法单独停止主轴，而机床的其他动作仍可继续进行。

➣ M07/M08：切削液打开指令。M07和M08分别表示2号和1号切削液打开。

➣ M09：切削液关指令。

➣ M30：纸带结束指令。M30除了具有M02指令的功能外，通常还具有停止主轴、关切削液等其他功能，也能使机床数控系统和进给运动机构的状态复位，程序结构返回到初始状态（穿孔带自动倒带）待命。

由于ISO标准中规定的M指令的标准化程度与G指令一样不高，如附表2所示。因此，在编制程序时，仍应按照所用数控系统（说明书）的具体规定使用。

（3）主轴转速功能（S）。主轴转速功能主要用于指定机床主轴转速。因其地址符规定为S，故又称为S功能或S指令，其后续数字可以为一位至四位。国内经济型数控机床一般用一位或两位数字约定的代码；对其具有无级调速功能的数控机床，则可由后续数字直接表示其主轴的给定转速（r/min）。另外。对具有恒线速度切削功能的数控车床，当用G96指令时，其加工程序中的S指令不再指令给定转速，而指令车削时恒定的切削速度（m/min），即在车削时，其主轴转速应随车削直径的变化而自动变化，始终保持其切削速度为给定的恒定值。

（4）刀具功能（T）。刀具功能用于指定加工中所用刀具号和自动补偿编组号，因其地址符规定为T，故又称为T功能或T指令，其后续数字可以为一位至四位。以数控车床为例，说明其地址符T后续数字的几种规定。

➣ 一位数的规定：在少数车床（如CK0630）的数控系统（如HN—100T）中，因除了刀具的编码（刀号）之外，其他如刀位偏置、刀具长度与半径的自动补偿值，都不需要填入加工程序段内，故只需用一位数表示刀具编码号即可。

➣ 两位数的规定：在经济型数控车床的数控系统中，普遍采用两位数的规定，即首位数字一般表示刀具（或刀位）的编码号，常用0～8共9个数字，其中“0”表示不转刀；末位数字表示刀位偏置补偿（不包括刀尖圆弧半径补偿）的编组号，常用0～8共9个数字，其中数字“0”表示补偿量为零，即撤销其补偿。

➣ 四位数的规定：对车削中心等刀具数较多的数控机床，其数控系统一般规定其后续数字中的前两位数字为刀具编码号；后两位数字为刀位偏置或刀具长度补偿的编组号，或同时为刀尖圆弧半径补偿的编组号。

➣ 六位数的规定：采用这种规定的数控系统较少。如日本大隈铁工所的两坐标数控系统，规定前两位数字为刀具编码号，中间两位数字为刀尖圆弧半径补偿的编组号，最后两位数字为刀具长度（或刀位偏差）补偿的编组号。

（5）进给速度功能（F）。进给速度功能主要用于指定进给（切削）速度。因其地址符规定为F（当用于与主要坐标轴无关的其他坐标轴运动时，其地址符规定为E），故又称为F功能或F指令，它的后续数字也可以为00～99约定的两位数代码，但现在大部分数控机床均采用进给速度的实际值直观给定。

有些数控车床的进给方式分为以下两种：每分钟进给，用G94配合指定，单位为mm/min；每转进给，用G95配合指定，单位为mm/r。对于其他数控机床，通常只用每分钟进给方式。

除此以外，地址符F还可用在螺纹切削程序段中指定其螺距或导程，以及在暂停（G04）程序段中指令其延时时间（s）等。