1.3 数控机床的种类与应用

数控机床的品种很多，结构、功能各不相同，通常按下述方法进行分类。

1.3.1 按机床运动轨迹分类

按机床运动轨迹不同，分为点位控制数控机床、直线控制数控机床和轮廓控制数控机床。

1.点位控制数控机床

点位控制(Positioning Control)又称为点到点控制(Pointto Point Control)。刀具从某一位置向另一位置移动时，不管中间的移动轨迹如何，只要刀具最后能正确到达目标位置，就称为点位控制。

点位控制机床的特点是只控制移动部件由一个位置到另一个位置的精确定位，而对它们在运动过程中的轨迹没有严格要求。在移动和定位过程中不进行任何加工。因此，为了尽可能地减少移动部件的运动时间和定位时间，两个相关点之间先快速移动到接近新点位的位置，然后连续降速或分级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。点位控制加工示意图如图1-7所示。

这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控点焊机和数控折弯机等，其相应的数控装置称为点位控制数控装置。

2.直线控制数控机床

直线控制(Straight Cut Control)又称平行切削控制(Parallet Cut Control)。这类控制除了控制点到点的准确位置之外，还要保证两点之间移动的轨迹是一条直线，而且对移动的速度也有控制，因为这一类机床在两点之间移动时要进行切削加工。

直线控制数控机床的特点是刀具相对于工件的运动不仅要控制两个相关点的准确位置(距离)，还要控制两个相关点之间移动的速度和轨迹，其轨迹一般由与各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于当机床移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多。直线控制加工示意图如图1-8所示。

这类机床主要有数控坐标车床、数控磨床和数控镗铣床等，其相应的数控装置称为直线控制数控装置。

3.轮廓控制数控机床

轮廓控制又称连续控制，大多数数控机床具有轮廓控制功能。轮廓控制数控机床的特点是能同时控制两个以上的轴联动，具有插补功能。它不仅要控制加工过程中每一点的位置和刀具移动速度，还要加工出任意形状的曲线或曲面。轮廓控制加工示意图如图1-9所示。

属于轮廓控制机床的有数控坐标车床、数控铣床、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制装置。轮廓控制装置比点位、直线控制装置的结构复杂得多，功能齐全得多。

1.3.2 按伺服系统类型分类

按伺服系统类型不同，分为开环控制数控机床、闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床。

1.开环控制数控机床

开环控制(Open Loop Control)数控机床通常不带位置检测元件，伺服驱动元件一般为步进电动机。数控装置每发出一个进给脉冲后，脉冲便经过放大，并驱动步进电动机转动一个固定角度，再通过机械传动驱动工作台运动。开环伺服系统如图1-10所示。这种系统没有被控对象的反馈值，系统的精度完全取决于步进电动机的步距精度和机械传动的精度，其控制线路简单，调节方便，精度较低(一般可达±0.02mm)，通常应用于小型或经济型数控机床。

2.闭环控制数控机床

闭环控制(Closed Loop Control)数控机床通常带位置检测元件，随时可以检测出工作台的实际位移并反馈给数控装置。与设定的指令值比较后，利用其差值控制伺服电动机，直至差值为零。这类机床一般采用直流伺服电动机或交流伺服电动机驱动。位置检测元件常有直线光栅、磁栅、同步感应器等。闭环伺服系统如图1-11所示。

由闭环伺服系统的工作原理可以看出，系统精度主要取决于位置检测装置的精度。从理论上讲，它完全可以消除由于传动部件制造中存在的误差给工件加工带来的影响，所以这种系统可以得到很高的加工精度。闭环伺服系统的设计和调整都有很大的难度，直线位移检测元件的价格比较昂贵，主要用于一些精度要求较高的镗铣床、超精车床和加工中心。

3.半闭环控制数控机床

半闭环控制(Semi-Closed Loop Control)数控机床通常将位置检测元件安装在伺服电动机的轴上或滚珠丝杠的端部，不直接反馈机床的位移量，而是检测伺服系统的转角，将此信号反馈给数控装置进行指令比较，用差值控制伺服电动机。半闭环伺服系统如图1-12所示。

因为半闭环伺服系统的反馈信号取自电动机轴的回转，因此系统中的机械传动装置处于反馈回路之外，其刚度、间歇等非线性因素对系统稳定性没有影响，调试方便。同样，机床的定位精度主要取决于机械传动装置的精度，但是现在的数控装置均有螺距误差补偿和间歇补偿功能，不需要将传动装置各种零件的精度提得很高，通过补偿就能将精度提高到绝大多数用户都能接受的程度；再加上直线位移检测装置比角位移检测装置昂贵得多，因此，除了对定位精度要求特别高或行程特别长，不能采用滚珠丝杠的大型机床外，绝大多数数控机床均采用半闭环伺服系统。

1.3.3 按工艺用途分类

按工艺用途不同，分为金属切削类数控机床、金属成型类数控机床、数控特种加工机床和其他类型的数控机床。

1.金属切削类数控机床

金属切削类数控机床包括数控车床、数控钻床、数控铣床、数控磨床、数控镗床以及加工中心。切削类机床发展最早，目前种类繁多，功能差异也较大，加工中心能实现自动换刀。这类机床都有一个岛库，可容纳10～100把刀具。其特点是：工件一次装夹可完成多道工序。为了进一步提高生产效率，有的加工中心使用双工作台，一面加工，一面装卸，工作台可以自动交换。

2.金属成型类数控机床

金属成型类数控机床包括数控折弯机、数控组合冲床和数控回转头压力机等。这类机床生产制造起步晚，但目前发展很快。

3.数控特种加工机床

数控特种加工机床有线切割机床、数控电火花加工机床、火焰切割机和数控激光机切割机床等。

4.其他类型的数控机床

其他类型的数控机床包括数控三坐标测量机床等。

1.3.4 按数控系统功能水平分类

按数控系统的主要技术参数、功能指标和关键部件的功能水平不同，数控机床分为低、中、高3个档次。国内还分为全功能数控机床、普及型数控机床和经济型数控机床。这些分类方法划分的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同，大体有以下几个方面。

1.控制系统CPU的档次

低档数控系统一般采用8位CPU，中、高档数控系统采用16位或64位的CPU。现在有些CNC装置已采用64位的CPU。

2.分辨率和进给速度

分辨率为位移检测装置所能检测到的最小位移单位，分辨率越小，检测精度越高。它取决于检测装置的类型和制造精度。一般认为，分辨率为10μm，进给速度为8～10m/min，是低档数控机床；分辨率为1μm，进给速度为10～20m/min，是中档数控机床；分辨率为0.1μm，进给速度为15～20m/min，是高档数控机床。通常，分辨率应比机床所要求的加工精度高一个数量级。

3.伺服系统类型

一般采用开环、步进电动机进给系统的为低档数控机床；中、高档数控机床采用半闭环或闭环的直流伺服或交流伺服系统。

4.坐标联动轴数

数控机床联动轴数也是常用的区分机床档次的一个标志。按同时控制的联动轴数，分为2轴联动、3轴联动、2.5轴联动(任一时刻，三轴中只能实现两轴联动，另一轴是点位或直线控制)、4轴联动、5轴联动等。低档数控机床的联动轴数一般不超过2轴；中、高档的联动轴数为3～5轴。

5.通信功能

低档数控系统一般无通信能力；中档数控系统可以有RS-232C或DNC接口；高档数控系统还可以有制造自动化协议(Manufacturing Automation Protocol，MAP)通信接口，具有联网功能。

6.显示功能

低档数控系统一般只有简单的数码管显示或单色CRT字符显示；中档数控系统则有较齐全的CRT显示，不仅有字符，而且有二维图形、人机对话、状态和自诊断等功能；高档数控系统还可以有三维图形显示、图形编辑等功能。

1.3.5 按所用数控装置的构成方式分类

按所用数控装置的构成方式不同，分为硬线数控系统和软线数控系统。

1.硬线数控系统

硬线数控系统使用硬线数控装置，它的输入处理、插补运算和控制功能都由专用的固定组合逻辑电路来实现。不同功能的机床，其组合逻辑电路也不相同。改变或增减控制、运算功能时，需要改变数控装置的硬件电路。因此，该系统的通用性和灵活性差，制造周期长，成本高。20世纪70年代初期以前的数控机床基本是属于这种类型。

2.软线数控系统

软线数控系统也称计算机数控系统，它使用软线数控装置。这种数控装置的硬件电路由小型或微型计算机再加上通用或专用的大规模集成电路制成，数控机床的主要功能几乎全部由系统软件实现，所以不同功能的数控机床，其系统软件不同。修改或增减系统功能时，不需要改动硬件电路，只需要改变系统软件。因此，该系统具有较高的灵活性；同时，由于硬件电路基本是通用的，有利于大量生产，提高质量和可靠性，缩短制造周期和降低成本。20世纪70年代中期以后，随着微电子技术的发展和微型计算机的出现，以及集成电路的集成度不断提高，计算机数控系统才得到不断发展和提高，目前几乎所有的数控机床都采用软线数控系统。