数控机床的分类：全面解析

数控机床品种繁多，各行业都有自己的数控机床和分类方法。数控机床的品种已多达500多种，通常从以下角度进行分类。

1.按工艺用途分类

（1）普通数控机床

普通数控机床根据不同的工艺需要，与通用机床一样，可分为数控车、铣、镗、磨、钻床等，这类机床的工艺性能与通用机床相似，所不同的是它能按数控指令自动进行加工。如图7-16（a）～图7-16（d）所示。

图7-16　数控机床

（a）卧式数控车床；（b）立式数控车床；（c）立式数控铣床；（d）数控磨床；（e）卧式加工中心；（f）五轴加工中心；（g）快走丝数控线切割机床；（h）电火花机床

（2）数控加工中心

数控加工中心是带有刀库和自动换刀装置的数控机床。在加工中心上，零件一次装夹后可进行多种工艺、多道工序的集中加工，减少了零件装卸次数、更换刀具等辅助时间，机床的生产效率高，如图7-16（e）和图7-16（f）所示。

（3）数控特种加工机床

数控特种加工机床主要指非切削加工的数控机床，如数控电火花加工机床、数控线切割机床、数控激光切割机床等，如图7-16（g）和图7-16（h）所示。

2.按控制运动的方式分类

（1）点位控制系统

点位控制系统是指数控系统只控制刀具或机床工作台，从一点准确地移动到另一点，而点与点之间运动的轨迹不需要严格控制的系统。图7-17所示为点位控制系统的加工示意图。为了减少移动刀具或机床工作台的运动与定位时间，一般先将其快速移动到终点附近位置，然后低速准确移动到终点定位位置，以保证良好的定位精度（移动过程中刀具不进行切削）。使用这类控制系统的数控机床主要有数控钻床、数控坐标镗床和数控冲床等。

（2）直线控制系统

直线控制系统是指数控系统不仅控制刀具或工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且保证在两点之间的运动轨迹是一条直线的控制系统。应用这类控制系统的有数控车床、数控钻床和数控铣床等。数控铣床的加工示意图如图7-18所示。

图7-17　数控钻床的加工示意图

图7-18　数控铣床加工示意图

（3）连续切削控制系统

连续切削控制系统（也称轮廓控制系统）是指数控系统能够同时对2个或2个以上的坐标轴进行严格连续控制的系统。它不仅能将刀具或机床工作台从一个点准确地移动到另一个点，而且还能控制整个加工过程每一个点的速度与位移量，可加工带有曲线或曲面轮廓的零件。应用这类控制系统的有数控铣床、数控车床和加工中心等。图7-19所示为连续切削控制系统加工示意图。

图7-19　连续切削数控系统加工示意图

3.按伺服系统类型分类

（1）开环控制系统

在开环控制系统中，数控装置输出的指令脉冲通过环形分配器和驱动电路，不断改变供电状态，使步进电动机转过相应的转角，再通过齿轮副或联轴器带动滚珠丝杠旋转，通过滚珠丝杠螺母装置把角位移转换为移动部件的直线位移。移动部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。图7-20所示为开环控制系统的结构框图。由于没有反馈装置，开环控制系统的步距误差及机械传动误差不能进行校正补偿，所以控制精度较低。但开环控制系统成本低、结构简单、运行平稳、使用维修方便，因此可用于精度控制要求不高的经济型数控系统中。

图7-20　开环控制系统的结构框图

（2）半闭环控制系统

半闭环控制系统是在伺服电动机输出轴或丝杠轴端装有角位移检测装置（如感应同步器或光电编码器等），通过测量丝杠的角位移，在根据丝杠的螺距计算出移动部件的直线位移，然后再反馈至数控装置中。图7-21所示为半闭环控制系统的结构框图。

图7-21　半闭环控制系统的结构框图(www.xing528.com)

由于角位移检测装置比直线位移检测装置体积小且结构简单、安装方便、稳定性能好、价格低，且精度高于开环控制系统，故其应用较为广泛。但反馈系统中未包含丝杠螺母副、齿轮传动副等传动链，故其达不到较高的控制精度。

（3）闭环控制系统

闭环控制系统需要在移动部件和床体之间装有直线位置检测装置，系统将测量出的移动部件的实际位移值反馈到数控装置中，与输入的位移值进行比较，用差值进行补偿，移动部件就能够按照给定的位移量实现精确定位。图7-22所示为闭环控制系统的结构框图。

由于闭环控制系统有位置反馈装置，而这种反馈包含了丝杠螺母副和齿轮副的传动误差，闭环控制系统对这些误差全部予以补偿，因而可达到很高的控制精度，可广泛地应用在高精度的大型精密数控系统中。

图7-22　闭环控制系统的结构框图

4.按控制坐标轴数分类

数控机床的移动部件较多，现多按直角坐标系对机床移动部件的运动进行分类和数字控制。数控机床的坐标数目或轴数是指数控装置机床移动部件的联动坐标数目。

（1）两坐标数控机床

两坐标数控机床是指同时控制两个坐标联动的数控机床。如数控车床中的数控装置可同时控制车床切深方向的X和主轴回转中心线Z方向的运动，实现两坐标联动，可用于加工各种曲线轮廓的回转体类零件。数控铣床本身虽有X、Y、Z三个方向的运动，但数控装置如果同时只控制两个坐标，实现两坐标联动，则可以在加工中用X、Y，X、Z，Y、Z实现坐标平面转换，其可用于加工如图7-23所示形状的零件顶面和沟槽。

（2）三坐标数控机床

三坐标数控机床的数控装置可同时控制三个坐标，实现三个坐标联动，如三坐标数控铣床可加工图7-24所示的曲面零件。

图7-23　两坐标联动加工沟槽

图7-24　三坐标联动加工曲面

（3）两个坐标数控机床

这种数控机床本身有三个坐标，能做三个方向的运动，但其数控装置只能同时控制两个坐标，第三个坐标仅能做等距离的周期移动。如用两个半坐标数控机床加工如图7-25所示的空间曲面形状的零件，在ZOX坐标平面内控制X、Z两坐标联动，以加工竖截面内的轮廓表面，而控制Y坐标做等距离周期移动，即能将零件的空间曲面加工出来。

（4）多坐标数控机床

四坐标以上的数控机床称为多坐标数控机床。多坐标数控机床结构复杂，机床精度高，加工程序设计复杂，主要用于加工形状复杂的零件，如图7-26所示。

图7-25　两个半坐标联动加工曲面

图7-26　五轴联动铣削曲面零件

5.按数控装置功能水平分类

按数控装置的功能水平通常把数控机床分为经济型、普及型和高级型三档。就目前的发展水平来看，表7-4所示为不同档次数控装置的功能及指标。其中高、中档一般称为全功能数控或标准型数控，而把低档的称为经济型数控。经济型数控是指单板机、单片机和步进电动机组成的数控系统和其他功能简单、价格低的数控系统，主要用于车床、线切割机床以及其他普通机床的数控改造。

表7-4　不同档次数控装置的功能及指标

随着微电子技术、计算机技术、自动控制技术、传感器与检测技术以及精密机械加工技术的发展，数控加工设备已经有了较快的发展。机械制造业中的自动化技术目前已经进入了柔性制造系统（FMS，Flexible Manufacturing System）和计算机集成制造系统（CIMS，Computer Integrated Manufacturing System）的发展进程，数控机床正是这一进程中的重要角色。

现代数控机床的CNC系统采用了32位CPU或多CPU技术、高速存储技术等计算机技术以及交流伺服系统、高速响应检测系统。现代控制理论等，实现了数控机床的高速进给性能和高精度加工性能。

新型的数控系统还具有自动编程的功能，不仅有在线编程能力，而且可以在编程过程中，根据加工要求自动选择最佳刀具和切削用量等。

数控加工设备将依靠科学技术的进步向着更高的速度、更高的精度、更高的可靠性和功能更加完善的方向发展。