1.2　数控机床结构及原理

1.2.1　数控系统及伺服控制

数控机床一般由数控系统、伺服系统、控制柜、HMI、机床机械结构和各类辅助装置组成［6］，如图1-2所示。

①数控系统：数控系统是实现机床自动控制的核心部件，该部分主要由控制系统、输入设备、监视设备、可编程设备与各类I/O接口组成。控制方式可以分为数据运算处理控制与时序逻辑运算处理控制两大类。其中数据运算处理控制主要实现数控机床刀具轨迹插补预算、路径规划等过程；时序逻辑运算控制主要由PLC（可编程逻辑控制器）来完成，主要负责信号判断、加工过程辅助等过程。两种控制过程中可以交换数据，让数控机床能够按照控制要求顺序进行。

②伺服系统：伺服系统是数控系统控制机床机体的主要环节，数控系统通过控制伺服系统达到控制机床的目的［7］。为了实现数控机床的高精度轨迹控制，伺服系统的高精度控制是极其重要的。下面我们分别介绍三种伺服系统的控制方式：

a.开环控制（图1-3）：开环控制的特点是没有反馈环节，主要通过给定信号的大小，直接确定伺服系统的位置。该类伺服控制系统因为机械传动环节中的误差没有经过反馈和校正，所以控制精度不高，早期数控机床主要采用这类控制系统。

b.半闭环控制（图1-4）：该类伺服控制系统的位置环将转角检测元件获得的角度，通过一定的关系计算获得工作台的位置。半闭环控制系统原理较为简单，相比于开环控制可以获得较为准确的伺服位置控制，但是由于丝杠等机械装置未在其反馈环节内，在伺服系统运动过程中可能会存在一定的传动误差，需要通过一定的方法进行修正。

c.全闭环控制（图1-5）：全闭环伺服控制系统多采用直线位移检测设备（例如光栅尺等），安装在机床的工作台上直接测量机床坐标的位移量，通过位置反馈可以直接消除由于传动造成的传动误差，得到较高的定位精度［8］。但由于机械环节中存在较多非线性因素，整个系统的稳定性校正会有较大的难度，系统的设计和调整过程都会变得相对复杂。该类伺服控制系统，现广泛应用于高精度数控磨床、加工中心等设备之中。

③HMI（人机接口）：HMI主要实现数控系统的上位机功能，实现人与数控机床之间的联系，主要完成参数设置、系统配置、PLC编程、诊断服务等功能。其中HMI高级功能还可以实现界面的二次开发，丰富系统的界面配置。

④控制柜：控制柜主要用来安装数控机头的各类电气元器件，为数控系统、伺服系统等设备提供可靠的电源，为相关设备提供过载、过流保护，对相关辅助的电气元器件进行控制。

⑤辅助装置：主要包括自动换刀装置、过载保护装置等。

⑥机床机械结构：主要指机床本体组成的机械结构，其中包括数控机床的进给传动机构、工作台、机身、刀具机构等。

1.2.2　数控系统实现刀具轨迹控制的关键

刀具的运动轨迹，主要是指加工过程中刀具相对于被加工工件的运动轨迹和方向，包括切削加工的加工路径和刀具切入以及切出等非切削空行程［9］。数控刀具轨迹控制是非常重要的，因为它与零件的成形效率和表面质量都密切相关。数控刀具轨迹的优劣，将直接影响零件的加工质量与加工成本。而实现刀具轨迹控制的关键部分是实现单轴伺服电机的高精度控制与多轴伺服系统的插补算法。

在实际加工中，被加工工件的轮廓形状千差万别，严格来说，为了满足几何尺寸精度的要求，刀具中心轨迹应该准确地依照工件的轮廓形状来生成，对于简单的曲线数控系统可以比较容易实现，但对于较复杂的形状，若直接生成会使算法变得很复杂，计算机的工作量也会大大增加。在实际应用中，一小段直线或圆弧进行拟合就可满足精度要求（也有需要抛物线和高次曲线拟合的情况）。这种拟合方法就是“插补”，实质上插补就是数据密化的过程。

插补的任务是根据进给速度的要求，在轮廓起点和终点之间计算出若干个中间点的坐标值。每个中间点计算所需的时间直接影响系统的控制速度，而插补中间点坐标值的计算精度又影响到数控系统的控制精度，因此插补算法是整个数控系统控制的核心。

1.2.3　数控系统基本指令及数控编程

数控程序的编程主要可以分为手动编程、在线编程和自动编程三大类［10］。其中手动编程主要通过键盘和个人计算机等方式，按照数控系统的编程指令方法编写需要加工零件的图纸。该加工方法只适合于加工较为简单的零件。在线编程的编程方法与手动编程相同，其主要特点是可以在数控机床的加工过程中进行操作。

自动编程也称为计算机编程。将输入计算机的零件设计和加工信息自动转换成为数控装置能够读取和执行的指令（或信息）的过程就是自动编程。随着数控技术的发展，数控加工在机械制造业的应用日趋广泛，数控加工方法的先进性和高效性与冗长复杂、效率低下的数控编程之间的矛盾更加尖锐，数控编程能力与生产不匹配的矛盾日益明显。如何有效地表达、高效地输入零件信息，实现数控编程的自动化，已成为数控加工中亟待解决的问题。计算机技术的逐步完善和发展，给数控技术带来了新的发展契机，其强大的计算功能、完善的图形处理能力都为数控编程的高效化、智能化提供了良好的开发平台。数控自动编程软件的功能不断得到更新与拓展，性能不断完善提高。作为高科技转化为现实生产力的直接体现，数控自动编程已代替手工编程在数控机床的使用中发挥着越来越大的作用。目前，CAD/CAM图形交互式自动编程已得到较多的应用，是数控技术发展的新趋势。它利用CAD绘制的零件加工图样，经计算机内的刀具轨迹数据进行计算和后置处理，自动生成数控机床零部件加工程序，以实现CAD与CAM的集成。随着CIMS技术的发展，当前又出现了CAD/CAPP/CAM集成的全自动编程方式，编程所需的加工工艺参数不需要人工参与，直接从系统内的CAPP数据库获得。