一、数控系统的组成
数控系统由计算机数控装置、可编程序控制、输入/输出装置（I/O装置）、数控加工程序、主轴驱动装置、进给驱动装置、检测反馈系统等组成。
1）计算机数控装置（NC装置）。NC装置是数控机床实现自动加工的核心，主要由计算机系统、位置控制板、PLC接口板、通信接口板、特殊功能模块以及相应的控制软件等组成。
2）可编程序控制器（PLC装置）。是一种数字运输操作的电子系统，专为在工业环境应用而设计的。它采用一类可编程序的存储器，用于其内部存储程序，执行逻辑运算，顺序控制，定时，计数与算术操作等面向用户的指令，并通过数字或模拟式输入/输出控制各种类型的机械或生产过程。
3）输入/输出装置（I/O装置）。采集外部的信号状态/控制外部执行元件装置。
4）数控加工程序。根据工件要求编制，数控系统能够进行处理的NC加工程序。
5）主轴和进给轴电动机（伺服电动机）/驱动装置。连接机械执行机构，驱动其动作。
6）检测反馈装置（编码器/光栅尺）。能够随时根据检测到的位置信息对驱动机构进行跟踪修正。
二、数控系统的工作原理及作用
数控系统是加工中心的重要组成部分，控制机械执行机构的运行及其他动作。
如图2-1-1a所示，数控系统的计算机数控装置被安装到了操作箱中，驱动装置及I/O装置和其它电气部件被安装到了电柜控制箱中，机械执行机构包括丝杠、导轨、工作台、滑鞍，还有刀库等其他机构。
如图2-1-1b所示，加工中心必须有外围防护，以保证机床的安全性。
1）工作原理。控制系统将输入的数据进行处理运算、判断，发出控制指令到伺服驱动系统；伺服驱动系统根据指令发出执行信号给各个伺服电动机，电动机带动工作台、刀具或者主轴等各执行机构动作（这些动作包括主轴运动、进给运动、刀库、托盘站的交换等）；可编程序控制器（PLC）根据计算机数控装置（CNC）的动作要求和输入装置（I/O）的信号状态，通过电气回路控制外部的辅助机构（电磁阀、电动机等）按照预定的要求进行工作；检测反馈装置检测机械机构的运动位置和速度，并反馈至控制系统用以修正控制指令。
2）作用。数控系统将接收到的信息译码后，进行相应的运算、处理，然后发出控制指令，使刀具实现相对运动，完成零件的加工过程。信息包含：数控加工程序、I/O制装置的状态、来自联网的外部设备信息等。
三、数控系统的工作过程
数控系统工作过程大致如图3-1-1所示，首先将数控加工程序输入到CNC中，然后经过译码、数据处理、插补、位置控制等环节，由伺服驱动系统执行CNC输出的指令，驱动机床完成零件的加工。
1.输入
数控加工程序及控制参数、补偿量等数据，可采用键盘、U盘或者连接计算机服务器的DNC接口、网络等多种形式进行输入。CNC装置在输入过程中通常还要完成无效码的删除、代码校验和代码转换等工作。
如图3-1-1所示，将数控加工程序通过NC键盘输入到数控系统的NC程序存储区。
2.译码
不论系统工作时处于MDI还是自动运行方式，都是将零件程序以一个程序段位为单位进行处理，把其中的各种零件轮廓信息（如起点、终点、直线或圆弧等）加工速度信息（F代码）和其他辅助信息（M、S、T代码等）按照一定的语法规则解释成计算机能够识别的数据形式，并以一定的数据格式存放在指定的内存专用单元。在译码过程中，还要完成对程序段的语法检查，若发现语法错误便立即报警。
如图3-1-1所示，在自动运行模式下选择该程序后，启动程序进行加工。系统对NC程序的内容进行处理，编译成计算机能够识别的语言（二进制代码）。
3.刀具补偿
刀具补偿包括刀具的长度补偿，和刀具的半径补偿。
长度补偿是将刀具的长度补偿到系统中，使刀具在加工中其刀尖始终处于编程要求的位置。其主要用于钻头、铣刀等刀具在长度Z方向的补偿。
半径补偿是将刀具的半径补偿到系统中，在加工轮廓时刀具的切削刃始终处于编程要求的位置。通常数控加工程序以零件轮廓轨迹编程，刀具补偿作用是把连接轮廓轨迹加上刀具的补偿后转换成刀具中心轨迹。
如图3-3-1所示，系统在进行处理时会将刀具的半径补偿（G41 D01）补偿到运算的结果中，形成刀具最终的移动轨迹。
4.进给速度处理
编程所给的刀具移动速度，是在各坐标的合成方向上的速度。速度处理首先要做的工作是根据合成速度来计算各运动坐标的分速度。在有些CNC装置中，对于机床允许的最低速度和最高速度的限制、软件的自动加速和减速等也在这里处理。
如3-1-1中的NC程序在刀具运行的轨迹中，X轴、Y轴在圆周上的合成速度是F100，但是X轴和Y轴方向的速度是始终在变化的。
5.插补
插补的任务是在一条给定起点和终点的直线/曲线上进行“数据点的密化”。插补程序在每个插补周期运行一次，在每个差补周期内，根据指令进给速度计算出一个微小的直线数据段。通常，经过若干次插补周期后，插补加工完一个程序段轨迹，即完成从程序段起点到终点的“数据点密化”工作。
图3-1-1所示的圆周方向的运动实际上可以换为若干点的轨迹。
如果将该运动轨迹放大后，如图3-5-1所示，箭头所指是插补的若干个点，最终拟合成图中的圆弧。
6.位置控制
位置控制处于伺服控制回路的位置环上。这部分工作可以由软件实现，也可以由硬件完成。它的主要任务是在每个采样周期内，将理论位置与实际反馈位置相比较，用其差值去控制伺服电动机。在位置控制中通常还要完成位置回路的增益调整、各坐标方向的螺距误差补偿和反向间隙补偿，以提高机床的定位精度。
伺服驱动单元接收到CNC的指令后，驱动伺服电动机或者主轴进行旋转。同时，将编码器或者光栅尺反馈的信息和指令进行比较，随时调整伺服电动机和主轴电动机的旋转角度。
7.I/O处理
I/O处理主要处理CNC装置面板开关信号，机床电气信号的输入、输出和控制（如换刀、主轴换挡、吹气及冷却等）。
当NC程序运行到M08时，PLC将指令输出到I/O单元，切削液电动机开始工作。当程序运行结束后，PLC按照要求切断该输出信号，切削液电动机停止工作。
8.显示
CNC装置的显示主要为操作者提供方便，通常用于零件程序的显示、参数显示、刀具位置显示、机床状态显示、报警显示等。有些CNC装置中还有刀具加工轨迹的静态和动态的三维图形显示。
9.诊断
对系统中出现的不正常情况进行检查、定位，包括联机诊断和脱机诊断。
如果3-9-1所示，如果出现故障，报警信息及相关的诊断信息都可以在显示画面中进行显示，用户可以根据显示信息进行分析处理。
诊断画面根据方法的不同可以有很多种，主要有以下几种。
1）直接报警信息。一般出现在屏幕的顶端，用红色标识性颜色进行警示。
2）帮助信息。帮助信息针对于当前报警内容，如图3-9-2所示。它可以指导操作者排除故障，找到故障的原因。
3）专用诊断画面。专用诊断画面可以向用户提供当前报警时一些相关的前后故障信息。比如换刀时发生报警，报警信息共有几条，都是哪些内容，换刀进行到了第几步骤，出现了哪些故障码等，如图3-9-3所示。
4）PLC诊断画面。可以让用户在PLC梯形图中检查信号的状态，排除故障的原因如图3-9-4所示。
5）I/O诊断画面。I/O诊断画面如图3-9-5所示。它可以让操作者在输入输出信号的地址清单画面内检查各信号的状态，同时根据电气回路图的连接，排除硬件回路中是否有故障。比如接线出现脱落、接触不实造成信号没有接通的故障。也可以在该画面内对部分信号进行强制操作，从而排除故障。
四、开环控制系统
开环控制系统（Open-loop Gontrl System）通常由控制器与被控制对象组成（控制器同时具有功率放大器的功能），系统的控制输入不受输出影响，也可称之为无反馈控制系统，控制方式如图4-1-1所示。
在开环控制中，伺服对进给轴和主轴电动机没有位置反馈，也不进行误差补偿。伺服系统只是根据NC的指令驱动电动机执行动作，在动作过程中不跟踪、不修正，因此，开环控制的结构简单，造价低廉，被广泛用于经济型数控系统中。其缺点是开环控制回路的机床加工精度比较低。
开环控制的数控机床驱动部件通常为反应式步进电动机或混合式伺服步进电动机，数控系统每发出一个进给指令，经伺服驱动电路功率放大后，驱动步进电动机旋转一个角度，再经过齿轮减速装置带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率与脉冲数所决定的。此类数控机床的信息流是单向的，即进给脉冲发出去后，实际移动位置就不再反馈回来，所以称为开环控制数控机床。
如简易线切割机床、物流输送线、电梯的开环拖动系统等均为开环控制系统，开环控制系统示意图如图4-1-2所示。
五、半闭环控制系统
半闭环控制系统（Semi closed loop Conreol System）的位置检测器安装在伺服电动机的轴上，通过角位移的测量间接计算出机床工作台实际运动位置，并将其与CNC系统中原指令位置进行比较，用比较后的差值控制，使工作台补充位移直至差值消除为止。其控制方式如图5-1-1所示。由于半闭环回路内不包括丝杠螺母及机床工作台这些大惯性环节，由这些环节造成的误差也不能由回路矫正，所以其控制精度不如闭环控制系统。
图5-1-2所示为半闭环控制系统示意图，安装在电动机轴上的角位移检测装置，能够将电动机的旋转角度反馈到系统中。半闭环系统应具有位置反馈和校准控制，可以将机床进给传动中的大部分误差进行补偿。因此提高了数控机床的运动精度和定位精度。
半闭环伺服系统能达到的精度、速度和动态特性优于开环伺服系统，其复杂性和成本低于全闭环伺服系统；半闭环数控机床调试维修比较容易，可以获得比较稳定的控制特性，通过补偿可达到较高的运动精度和定位精度，因此在中小型数控机床中得到了广泛应用。
六、全闭环控制系统
全闭环控制系统（Closed loop Conreol System）的位置检测装置安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制，其控制框如图6-1-1所示。这类控制方式的位置控制精度很高，但由于它将丝杠螺母及机床工作台这些大惯性环节放在闭环内，调试时，其系统稳定状态很难达到。
如图6-1-2所示，全闭环控制系统是在工作台移动面和机床导轨之间安装了光栅尺，工作台的移动位置直接被反馈到了伺服驱动放大器，真实地将工作台的位置通知伺服放大器，伺服放大器可以更加精确地对工作台的位置进行控制。这样的技术甚至可以将机床的精度提高到纳米级。
全闭环数控系统有位置反馈装置（光栅尺），可以把数控机床工作台移动部位的移动量直接反馈到数控装置中，从而使加工精度提高。由于造价高，一般用于高精密机床，比如坐标镗床等。而开环数控系统是没有反馈装置的，主要是靠传动部位的传动精度来确定加工精度，加工精度较低，造价低廉，主要用于经济型数控机床和对精度要求不高的数控装备。而半闭环系统，位于闭环与开环之间，调试简单，成本相对较低，同时也有较高的精度，多用于加工中心和数控车床。