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數控機床主要由數控裝置、伺服機構和機床主體組成。輸入數控裝置的程序指令記錄在信息載體上，由程序讀入裝置接收，或由數控裝置的鍵盤直接手動輸入。 數控裝置包括程序讀入裝置和由電子線路組成的輸入部分、運算部分、控制部分和輸出部分等。數控裝置按所能實現的控制功能分為點位控制、直線控制、連續軌跡控制三類。 點位控制是只控制刀具或工作臺從一點移至另一點的準確定位，然后進行定點加工，而點與點之間的路徑不需控制。采用這類控制的有數控鉆床、數控鏜床和數控坐標鏜床等。 直線控制是除控制直線軌跡的起點和終點的準確定位外，還要控制在這兩點之間以指定的進給速度進行直線切削。采用這類控制的有平面銑削用的數控銑床，以及階梯軸車削和磨削用的數控車床和數控磨床等。 連續軌跡控制(或稱輪廓控制)能夠連續控制兩個或兩個以上坐標方向的聯合運動。

為了使刀具按規定的軌跡加工工件的曲線輪廓，數控裝置具有插補運算的功能，使刀具的運動軌跡以小的誤差逼近規定的輪廓曲線，并協調各坐標方向的運動速度，以便在切削過程中始終保持規定的進給速度。采用這類控制的有能加工曲面用的數控銑床、數控車床、數控磨床和加工中心等。 伺服機構分為開環、半閉環和閉環三種類型。開環伺服機構是由步進電機驅動線路，和步進電機組成。每一脈沖信號使步進電機轉動一定的角度，通過滾珠絲杠推動工作臺移動一定的距離。這種伺服機構比較簡單，工作穩定，容易掌握使用，但精度和速度的提高受到限制。 半閉環伺服機構是由比較線路、伺服放大線路、伺服馬達、速度檢測器和位置檢測器組成。位置檢測器裝在絲杠或伺服馬達的端部，利用絲杠的回轉角度間接測出工作臺的位置。常用的伺服馬達有寬調速直流電動機、寬調速交流電動機和電液伺服馬達。

位置檢測器有旋轉變壓器、光電式脈沖發生器和圓光柵等。這種伺服機構所能達到的精度、速度和動態特性優于開環伺服機構，為大多數中小型數控機床所采用。 閉環伺服機構的工作原理和組成與半閉環伺服機構相同，只是位置檢測器安裝在工作臺上，可直接測出工作臺的實際位置，故反饋精度高于半閉環控制，但掌握調試的難度較大，常用于高精度和大型數控機床。閉環伺服機構所用伺服馬達與半閉環相同，位置檢測器則用長光柵、長感應同步器或長磁柵。 為了保證機床具有很大的工藝適應性能和連續穩定工作的能力，數控機床結構設計的特點是具有足夠的剛度、精度、抗振性、熱穩定性和精度保持性。進給系統的機械傳動鏈采用滾珠絲杠、靜壓絲杠和無間隙齒輪副等，以盡量減小反向間隙。機床采用塑料減摩導軌、滾動導軌或靜壓導軌，以提高運動的平穩性并使低速運動時不出現爬行現象。