1.2　數控機床結構及原理

1.2.1　數控系統及伺服控制

數控機床一般由數控系統、伺服系統、控制柜、HMI、機床機械結構和各類輔助裝置組成［6］，如圖1-2所示。

①數控系統：數控系統是實現機床自動控制的核心部件，該部分主要由控制系統、輸入設備、監視設備、可編程設備與各類I/O接口組成?？刂品绞娇梢苑譃閿祿\算處理控制與時序邏輯運算處理控制兩大類。其中數據運算處理控制主要實現數控機床刀具軌跡插補預算、路徑規劃等過程；時序邏輯運算控制主要由PLC（可編程邏輯控制器）來完成，主要負責信號判斷、加工過程輔助等過程。兩種控制過程中可以交換數據，讓數控機床能夠按照控制要求順序進行。

②伺服系統：伺服系統是數控系統控制機床機體的主要環節，數控系統通過控制伺服系統達到控制機床的目的［7］。為了實現數控機床的高精度軌跡控制，伺服系統的高精度控制是極其重要的。下面我們分別介紹三種伺服系統的控制方式：

a.開環控制（圖1-3）：開環控制的特點是沒有反饋環節，主要通過給定信號的大小，直接確定伺服系統的位置。該類伺服控制系統因為機械傳動環節中的誤差沒有經過反饋和校正，所以控制精度不高，早期數控機床主要采用這類控制系統。

b.半閉環控制（圖1-4）：該類伺服控制系統的位置環將轉角檢測元件獲得的角度，通過一定的關系計算獲得工作臺的位置。半閉環控制系統原理較為簡單，相比于開環控制可以獲得較為準確的伺服位置控制，但是由于絲杠等機械裝置未在其反饋環節內，在伺服系統運動過程中可能會存在一定的傳動誤差，需要通過一定的方法進行修正。

c.全閉環控制（圖1-5）：全閉環伺服控制系統多采用直線位移檢測設備（例如光柵尺等），安裝在機床的工作臺上直接測量機床坐標的位移量，通過位置反饋可以直接消除由于傳動造成的傳動誤差，得到較高的定位精度［8］。但由于機械環節中存在較多非線性因素，整個系統的穩定性校正會有較大的難度，系統的設計和調整過程都會變得相對復雜。該類伺服控制系統，現廣泛應用于高精度數控磨床、加工中心等設備之中。

③HMI（人機接口）：HMI主要實現數控系統的上位機功能，實現人與數控機床之間的聯系，主要完成參數設置、系統配置、PLC編程、診斷服務等功能。其中HMI高級功能還可以實現界面的二次開發，豐富系統的界面配置。

④控制柜：控制柜主要用來安裝數控機頭的各類電氣元器件，為數控系統、伺服系統等設備提供可靠的電源，為相關設備提供過載、過流保護，對相關輔助的電氣元器件進行控制。

⑤輔助裝置：主要包括自動換刀裝置、過載保護裝置等。

⑥機床機械結構：主要指機床本體組成的機械結構，其中包括數控機床的進給傳動機構、工作臺、機身、刀具機構等。

1.2.2　數控系統實現刀具軌跡控制的關鍵

刀具的運動軌跡，主要是指加工過程中刀具相對于被加工工件的運動軌跡和方向，包括切削加工的加工路徑和刀具切入以及切出等非切削空行程［9］。數控刀具軌跡控制是非常重要的，因為它與零件的成形效率和表面質量都密切相關。數控刀具軌跡的優劣，將直接影響零件的加工質量與加工成本。而實現刀具軌跡控制的關鍵部分是實現單軸伺服電機的高精度控制與多軸伺服系統的插補算法。

在實際加工中，被加工工件的輪廓形狀千差萬別，嚴格來說，為了滿足幾何尺寸精度的要求，刀具中心軌跡應該準確地依照工件的輪廓形狀來生成，對于簡單的曲線數控系統可以比較容易實現，但對于較復雜的形狀，若直接生成會使算法變得很復雜，計算機的工作量也會大大增加。在實際應用中，一小段直線或圓弧進行擬合就可滿足精度要求（也有需要拋物線和高次曲線擬合的情況）。這種擬合方法就是“插補”，實質上插補就是數據密化的過程。

插補的任務是根據進給速度的要求，在輪廓起點和終點之間計算出若干個中間點的坐標值。每個中間點計算所需的時間直接影響系統的控制速度，而插補中間點坐標值的計算精度又影響到數控系統的控制精度，因此插補算法是整個數控系統控制的核心。

1.2.3　數控系統基本指令及數控編程

數控程序的編程主要可以分為手動編程、在線編程和自動編程三大類［10］。其中手動編程主要通過鍵盤和個人計算機等方式，按照數控系統的編程指令方法編寫需要加工零件的圖紙。該加工方法只適合于加工較為簡單的零件。在線編程的編程方法與手動編程相同，其主要特點是可以在數控機床的加工過程中進行操作。

自動編程也稱為計算機編程。將輸入計算機的零件設計和加工信息自動轉換成為數控裝置能夠讀取和執行的指令（或信息）的過程就是自動編程。隨著數控技術的發展，數控加工在機械制造業的應用日趨廣泛，數控加工方法的先進性和高效性與冗長復雜、效率低下的數控編程之間的矛盾更加尖銳，數控編程能力與生產不匹配的矛盾日益明顯。如何有效地表達、高效地輸入零件信息，實現數控編程的自動化，已成為數控加工中亟待解決的問題。計算機技術的逐步完善和發展，給數控技術帶來了新的發展契機，其強大的計算功能、完善的圖形處理能力都為數控編程的高效化、智能化提供了良好的開發平臺。數控自動編程軟件的功能不斷得到更新與拓展，性能不斷完善提高。作為高科技轉化為現實生產力的直接體現，數控自動編程已代替手工編程在數控機床的使用中發揮著越來越大的作用。目前，CAD/CAM圖形交互式自動編程已得到較多的應用，是數控技術發展的新趨勢。它利用CAD繪制的零件加工圖樣，經計算機內的刀具軌跡數據進行計算和后置處理，自動生成數控機床零部件加工程序，以實現CAD與CAM的集成。隨著CIMS技術的發展，當前又出現了CAD/CAPP/CAM集成的全自動編程方式，編程所需的加工工藝參數不需要人工參與，直接從系統內的CAPP數據庫獲得。