数控机床特点及分类

1.数控机床的特点

由于数控加工是采用数字信息对零件加工过程进行定义，并控制机床进行自动运行的一种自动化加工方法，数控机床与普通机床相比具有以下几个方面的特点。

（1）可以加工复杂型面工件，能完成普通机床难以完成或根本不能加工的复杂零件加工。例如，采用二轴联动或二轴以上联动的数控机床，可加工母线为曲线的旋转体曲面零件、凸轮零件和各种复杂空间曲面类零件。复杂形状零件在飞机、汽车、造船、模具、动力设备和国防军工等制造部门具有重要地位，其加工质量直接影响整机产品的性能。

（2）自动化程度高，劳动强度低。数控机床对工件的加工是按事先编好的程序自动完成的，工件加工过程中不需要人的干预，加工完毕后自动停车，使操作者的劳动强度与紧张程度大为减轻；再加上数控机床一般都具有较好的安全防护、自动排屑、自动冷却和自动润滑装置，操作者的劳动条件也大为改善。

（3）柔性高，适应性强。用数控机床加工零件，当产品改型时只需重新制作程序载体或重新编制手动输入程序，就能实现对新零件的加工。它不同于普通机床，不需要制作、更换工夹具和模具，更不需要重新调整机床，这为单件、小批量生产以及试制新产品提供了极大的方便，因而，其生产准备时间短，灵活性强。

（4）生产效率高。工件加工所需要的时间主要包括切削时间和辅助时间两部分。数控机床能有效地减少这部分时间。数控机床主轴的转速和进给量的变化范围比普通机床大，使它能选用最有利的切削用量；由于数控机床的结构刚性好，能使用大切削用量的强力切削，提高了机床的切削效率，节省了切削时间，数控机床的移动部件空行程运动速度快，工件装夹时间短，辅助功能比普通机床少。对某些复杂零件的加工，如果采用带有自动换刀装置的数控加工中心，可实现在一次装夹下进行多工序的连续加工，减少了半成品的周转时间，生产率的提高更为明显。

（5）加工精度高，质量稳定。数控系统每输出一个脉冲，机床移动部件的位移量称为脉冲当量。数控机床的脉冲当量一般为0.001 mm，高精度的数控机床可达0.000 1 mm，其运动分辨率远高于普通机床。另外，数控机床具有位置检测装置，可将移动部件实际位移量或丝杠、伺服电动机的转角反馈到数控系统，并进行补偿。因此，可获得比机床本身精度还高的加工精度。数控机床加工零件的质量由机床保证，无人为操作误差的影响，所以同一批零件的尺寸一致性好，质量稳定。

（6）有利于生产管理的现代化。用数控机床加工零件，能准确计算出零件的加工工时，有效简化检验、工装和半成品的管理工作，减少因误操作造成废品和损坏刀具的可能性，这有利于提高生产管理水平，实现生产管理的现代化。

（7）数控机床价格高，维修较难。数控机床配有数控装置或计算机，机床加工精度受切削用量大、连续加工发热多的影响，使其设计要求比普通机床更严格，制造要求更精密，因此制造成本较高。

数控机床的数控系统较复杂，一些元件、部件的精度较高，以及一些进口机床的技术开发受到条件的限制，因此，数控机床的调试和维修都较困难。

2.数控机床的分类

数控机床的种类很多，从不同角度对其进行考查，就有不同的分类方法，通常有以下几种不同的分类方法。

1）按工艺用途分类

目前，数控机床的品种规格已达500多种，按其工艺用途可以划分为以下四大类。

（1）切削加工类数控机床。切削加工类数控机床即具有切削加工功能的数控机床，如数控镗铣床、数控车床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、柔性制造单元（FMC）等，如图6-4所示。

图6-4　切削加工类数控机床

（a）CKA6150型数控车床；（b）XK714B型数控铣床；（c）ZK7432×80型数控铣钻床；（d）卧式数控加工中心

（2）成型加工类数控机床。成型加工类数控机床是指采用物理方法改变工件形状功能的数控机床，如数控折弯机、数控剪板机、数控弯管机、数控压力机及数控旋压机等，如图6-5所示。这类机床起步晚，但目前发展很快。

图6-5　成型加工类数控机床

（a）数控弯管机；（b）数控折弯机；（c）数控剪板机；（d）数控高效卧式滚齿机

（3）特种加工类数控机床。特种加工类数控机床是指具有特种加工功能的数控机床，如数控电火花线切割机床、数控电火花成型机床、数控激光与火焰切割机等，如图6-6所示。

图6-6　特种加工类数控机床

（a）数控电火花成型机床；（b）数控电火花线切割机床

（4）其他类型数控机床。其他类型数控机床是指一些数控设备，如数控装配机、数控测量机、机器人等，如图6-7所示。

图6-7　其他类型数控机床

（a）三坐标测量仪；（b）仿人机器人；（c）码垛机器人(www.xing528.com)

加工中心是一种带有自动换刀装置的数控机床，它的出现突破了一台机床只能进行一种工艺加工的传统模式。它是以工件为中心，能实现工件在一次装夹后自动地完成多种工序加工。常见的加工中心有以加工箱体类零件为主的镗铣类加工中心和几乎能够完成各种回转体类零件所有工序加工的车削中心。

近年来一些复合加工的数控机床也开始出现，其基本特点是集中多工序、多刀刃、复合工艺加工在一台设备中完成。

2）按控制运动的方式分类

数控机床按控制运动的方式可分为点位控制机床、直线控制机床、轮廓控制机床，具体介绍如下。

（1）点位控制机床：它的特点是刀具相对工件的移动过程中，不进行切削加工，对定位过程中的运动轨迹没有严格要求，只要求从一坐标点到另一坐标点的精确定位，如数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机和数控测量机等都属于此类机床。如图6-8（a）所示，这类数控机床的控制系统为点位控制系统，其数控功能主要用于控制加工部位的相对位置精度，而它的加工切削过程还得靠手工控制机械运动来进行。

（2）直线控制机床：这类数控机床的特点是除了控制起点与终点之间的准确位置外，还要求刀具由一点到另一点之间的运动轨迹为一条直线，并能控制位移的速度，因为这类数控机床的刀具在移动过程中要进行切削加工。直线控制系统的刀具切削路径只沿着平行于某一坐标轴方向运动，或者沿着与坐标轴成一定角度的斜线方向进行直线切削加工，如图6-8（b）所示。采用这类控制系统的机床（直线控制机床）有数控车床、数控铣床等。

同时具有点位控制功能和直线控制功能的点位/直线控制系统，主要应用在数控镗铣床、加工中心机床上。

（3）轮廓控制机床：它又称连续控制机床，其特点是能够同时对两个或两个以上的坐标轴进行连续控制。加工时不仅要控制起点和终点位置，而且要控制两点之间每一点的位置和速度，使机床加工出符合图纸要求的复杂形状（任意形状的曲线或曲面）零件。这类数控机床要求数控机床的辅助功能比较齐全，CNC装置一般都具有直线插补和圆弧插补功能。数控车床、数控铣床、数控磨床、数控加工中心、数控电加工机床、数控绘图机等都为轮廓控制机床。

轮廓控制机床采用轮廓控制系统，绝大多数具有两轴或两轴以上的联动功能，根据它所控制的联动轴数不同，其又可以分为二轴联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等多轴联动数控机床，如图6-8（c）所示。多轴联动数控机床通常不仅有刀具半径补偿、刀具长度补偿功能，而且还具有机床轴向运动误差补偿，丝杠、齿轮的间隙补偿等一系列功能。

图6-8　数控机床的控制系统

（a）点位控制系统；（b）直线控制系统；（c）轮廓控制系统

3）按进给伺服系统分类

按数控机床的进给伺服系统有无位置测量装置可分为开环控制数控机床和闭环控制数控机床，在闭环控制数控机床中根据位置测量装置安装的位置又可分为全闭环控制数控机床和半闭环控制数控机床两种。

（1）开环控制数控机床。如图6-9所示，开环控制数控机床的控制系统没有位置测量装置，伺服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。机床中数控系统每发出一个进给指令，经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。开环控制数控机床具有结构简单、工作稳定、调试方便、维修简单、价格低廉等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用。但由于步进电动机的低频共振、丢步等原因，使其应用逐渐减少。在我国，经济型数控机床一般为开环控制数控机床。

图6-9　开环控制数控机床

（2）半闭环控制数控机床。如图6-10所示，半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的丝杠上装有位置测量装置（如光电编码器等），通过检测丝杠的转角间接地检测移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中去，并对误差进行修正。通过测速元件和光电编码器可间接检测出伺服电动机的转速，从而推算出工作台的实际位移量，将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。

图6-10　半闭环控制数控机床

在此类机床的半闭环环路中不包括或者只包括少量机械传动环节，可得到较稳定的控制性能，其系统稳定性介于开环和闭环之间。另外，由于丝杠的螺距误差和齿轮间隙引起的运动误差难以消除，其精度比闭环差，比开环好。若对这类误差进行补偿，可获得满意的精度。半闭环控制数控机床结构简单、调试方便、精度也较高，在生产加工中得到了广泛应用。

（3）闭环控制数控机床。如图6-11所示，闭环控制数控机床是在机床移动部件上直接安装位置检测装置，直接对工作台的实际位移进行检测，将测量的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的指令位移值进行比较，用差值对机床进行控制，使移动部件按照实际需要的位移量运动，最终实现移动部件的精确运动和定位。从理论上讲，闭环控制数控机床内的闭环系统运动精度主要取决于检测装置的检测精度，与传动链的误差无关，因此其控制精度高。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，很容易造成系统的不稳定，使得闭环系统的设计、安装和调试都相当困难。精度要求很高的镗铣床、超精车床、超精磨床等都属于此类机床。

图6-11　闭环控制数控机床

近些年出现了一种采用混合控制的数控机床，它是将上述3种形式有选择地集中起来，特别适用于大型数控机床，因为大型数控机床需要较高的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如采用全闭环控制，机床传动链和工作台全置于控制环中，因素十分复杂，难以调试稳定。现在采用半闭环和闭环混合控制方式的数控机床越来越多。

4）按数控系统功能水平分类

按数控系统功能水平不同，数控机床可分为低、中、高三档。这种分类方式，在我国广泛使用。低、中、高档的界线是相对的，不同时期的划分标准有所不同。就目前的发展水平来看，数控系统可以根据表6-1的一些功能和指标进行区分。其中，中、高档数控系统一般称为全功能数控或标准型数控。另外，在我国还有经济型数控的提法。经济型数控属于低档数控系统，是由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床，以及旧机床改造等。

表6-1　数控系统不同档次的功能及指标表

注：①MAP（Manufacturing Automation Protocol）即制造自动化协议。
②较齐全的CRT显示是指具有字符、图形、人机对话、自诊断等功能的显示。