第
一
章
数
控
机
床
控
制
基
础
1.1 数控技术的发展历程
1.2 数控机床的结构
1.3 数控机床控制系统
1.4 进给运动控制（插补）
1.5 开关量（顺序）控制
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控
制
基
础
1.1 数控技术的发展历程
? 数控 (NC)阶段（１９５２－１９７０年）
? 计算机数控 (CNC)阶段（１９７０－至今）
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控
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基
础
控制介质
1.2 数控机床的结构
输入装置
数控装置
驱动装置和检测装置
机床本体
辅助控制装置
基本结构图基本结构图基本结构图
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控
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基
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? 控制介质
数控机床工作时必须编制加工程序，而加工程序
需存储在控制介质上,常用的控制介质有穿孔带、
磁带和磁盘等。
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控
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础
? 输入装置
输入装置的作用是将控制介质上的数控代码传递
并存入数控系统内。
输入装置根据控制介质的不同分为光电阅读机、
磁带机和软盘驱动器。
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床
控
制
基
础
? 数控装置
数控装置是数控机床的中枢。数控装置从内部存
储器中取出或接收输入装置送来的一段或几段数
控加工程序，经过数控装置的逻辑电路或系统软
件进行编译、运算和逻辑处理后，输出各种控制
信息和指令，控制机床各部分的工作，使其进行
规定的有序运动和动作。
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机
床
控
制
基
础
? 驱动装置和检测装置
驱动装置包括控制器（含功率放大器）和执行机
构。执行机构大都采用直流或交流伺服电动机。
驱动装置接收来自数控装置的指令信息，经功率
放大后，严格按照指令信息的要求驱动机床的移
动部件，以加工出符合图样要求的零件。
检测装置将数控机床各坐标轴的实际位移量检测
出来，经反馈系统输入到机床的数控中。数控装
置将反馈回来的实际位移量值与设定值进行比较，
控制驱动装置按指令值运动。
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控
制
基
础
? 辅助控制装置
辅助控制装置包括主轴运动部件的变速、换向和
启停指令，刀具的选择和交换指令，冷却、润滑
装置的启停，工件和机床部件的松开、夹紧，分
度工作台转位分度等开关辅助动作。
辅助控制装置的主要作用是接收数控装置输出的
开关量指令信号，经过编译、逻辑判别和运算，
再经功率放大后驱动相应的电器，带动机床的机
械、液压、气动等辅助装置完成指令规定的开关
量动作。
辅助控制装置普遍使用 PLC。
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制
基
础
? 机床本体
数控机床的机床本体与传统机床相似，只是在整
体布局、外观造型、传动系统、刀具系统的结构
以及操作机构等方面发生了很大的变化。
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制
基
础
控
制
介
质
输
入
装
置
数
控
装
置
机
床
驱动装置
辅助控制装置
检测装置
数控机床的基本结构图
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础
1.3 数控机床控制系统
系统组成图
数控装置（ CNC）
进给伺服系统
主轴伺服系统
机床强电控制系统
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基
础 数控机床电气控制系统组成图
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基
础
? 数控装置（ CNC）
数控装置是数控机床电气控制系统的控制中心。
它能够自动地对输入的数控加工程序进行处理，
将数控加工程序信息按两类控制量分别输出：一
类是连续控制量，送往伺服系统；另一类是离散
的开关控制量，送往机床强电控制系统，从而协
调控制机床各部分的运动，完成数控机床所有运
动的控制，实现数控机床的加工过程。
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制
基
础
? 进给伺服系统
进给伺服系统由进给轴伺服电机 (一般内装速度和
位置检测器件 )和进给伺服装置组成。进给伺服系
统驱动机床各坐标轴的切削进给，提供切削过程
中所需要的转矩、运转速度。
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控
制
基
础
? 主轴伺服系统
主轴伺服系统包括主轴电机 (含速度检测器件 )和
主轴伺服装置，实现对主轴转速的调节控制，有
的主轴伺服装置还含有主轴定向控制功能。
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基
础
? 机床强电控制系统
包括可编程控制器控制系统和继电器接触器控制
系统。
机床强电控制系统，除了对机床辅助运动和辅助
动作 (包括电动系统、液压系统、气动系统、冷却
箱及润滑油箱等 )的控制外，还包括对保护开关、
各种行程极限开关和操作盘上所有元件 (包括各种
按键、操作指示灯、波段开关 )的检测和控制。在
机床强电控制系统中，可编程控制器 (PLC)可替
代机床上传统的强电控制中大部分机床电器，从
而实现对润滑、冷却、气动、液压和主轴换刀等
系统的逻辑控制。
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床
控
制
基
础
1.4 进给运动控制（插补）
按运动轨迹分类
按伺服系统分类
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制
基
础
? 按运动轨迹分类
点位控制系统
直线控制系统
轮廓控制系统
示 意 图
示 意 图
示 意 图
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制
基
础 数控钻床点位控制示意图
点位控制系统只是精确地控制刀具相对工件从一
个坐标点移动到另一个坐标点，移动过程中不进行任
何切削加工，点与点之间移动轨迹、速度和路线决定
了生产率的高低。为了提高加工效率，保证定位精度，
系统采用“快速趋近，减速定位”的方法实现控制。
这类数控机床有数控钻床、数控镗床和数控冲床等。
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床
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制
基
础 数控铣床直线控制示意图
直线控制系统不仅要求具有准确的定位功能，而
且要控制两点之间刀具移动的轨迹是一条直线，且在
移动过程中刀具能以给定的进给速度进行切削加工。
直线控制系统的刀具运动轨迹一般是平行于各坐
标轴的直线；特殊情况下，如果同时驱动两套运动部
件，其合成运动的轨迹是与坐标轴成一定夹角的斜线。
这类数控机床有数控车床、数控镗铣床等。
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制
基
础 数控线切割机床加工示意图
轮廓控制系统能同时控制两个或两个以上坐标轴，
需要进行复杂的插补运算，即根据给定的运动代码指
令和进给速度，计算刀具相对工件的运动轨迹，实现
连续控制。这类数控机床有数控车床、数控铣床、数
控线切割机床、数控加工中心等 。
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控
制
基
础
? 按伺服系统分类
开环控制系统
半闭环控制系统
闭环控制系统
系统框图
系统框图
系统框图
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控
制
基
础 开环控制系统框图
开环控制系统没有检测反馈装置，以步进电机作为
驱动元件，由步进驱动装置和步进电机组成。 在开环控
制系统中,CNC装置输出的指令脉冲经驱动电路进行功
率放大，控制步进电机转动，再经机床传动机构带动工
作台移动。这类系统结构简单、价格低廉，调试和维修
都比较方便，但无位置闭环控制，精度主要取决于步进
电机及传动机构的精度，因而精度较差。
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床
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制
基
础 半闭环控制系统框图
半闭环控制系统位置检测装置安装在电动机或丝
杠轴端，通过角位移的测量，间接测量机床工作台的
实际位置，并与 CNC装置的指令值进行比较，用差值
进行控制。半闭环控制系统以交、直流伺服电机作为
驱动元件，由位置比较、速度控制、伺服电机等组成。
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床
控
制
基
础
闭环控制系统框图
闭环控制系统位置检测装置安装在机床工作台
上，直接测量工作台的实际位移，并与 CNC装置的
指令值进行比较，用差值进行控制。闭环控制系统
以交直流伺服电机作为驱动元件，用于高精度设备
的控制。
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基
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1.5 开关量（顺序）控制
? 输入接口接收机床操作面板各开关、按钮
的信号，分为
? 输出接口将机床各种工作状态灯的信息送
到机床操作面板，把控制机床动作的信号
送到强电柜，分为
? 首先通过滤波吸收来抑制
干扰信号的产生，然后采用光电隔离的办
法使微机与强电部件不共地，阻断干扰信
号的传导，同时实现电子转换。
触点输入的接收电路
电压输入的接收电路
继电器输出电路
无触点输出电路
光电隔离电路
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基
础
触点输入的接收电路
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制
基
础
电压输入的接收电路
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基
础
继电器输出电路
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床
控
制
基
础
无触点输出电路
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床
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制
基
础
光电隔离电路