数控机床的类型与应用场景

当前数控机床的品种很多，结构、功能各不相同，通常可以按下述方法进行分类。

1.按机床运动轨迹进行分类

（1）点位控制数控机床

这类数控机床的刀具在相对于工件的移动过程中不进行切削加工，只要求刀具从一点移动到另一点并准确定位，而对运动的速度和轨迹没有严格的要求。

如图1-4所示，刀具从A点到B点可以走①、②或③中的任意一条路经。为了提高加工效率、保证定位精度，一般按照“先快后慢”的原则移动，即先快速接近目标点，再低速趋近并准确定位。这类控制方式仅用于数控钻床、数控镗床和数控压力机等。

（2）直线控制数控系统

这类数控机床要控制刀具从一点移动到另一点，而且要沿直线轨迹以一定速度移动，一般与某一坐标轴平行或成45°角，移动过程中可进行切削加工，加工示例如图1-5所示。这类控制方式仅用于简易数控车床、数控铣床等。

图1-4 点位控制的切削加工

图1-5 直线控制切削加工

（3）轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床能够控制机床刀具或工件沿直线、圆弧或抛物线等曲线轨迹移动，移动过程中可进行切削加工，移动速度根据工艺要求编程确定，可实现曲线或者曲面轮廓加工，加工示例如图1-6所示。这类数控机床具备多轴（二轴以上）联动功能，其辅助功能也比前两类多。常见的数控铣床、数控车床和数控加工中心等多采用这种控制方式。

控制多个坐标轴按照一定的函数关系同时协调运动，称为多轴联动。按照联动轴数，数控系统可分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、多轴联动数控系统。

二轴联动主要用于数控车床加工回转体端面、圆锥面、圆弧面等，或者用于数控铣床加工如图1-7a所示的箱板类零件的曲线轮廓。二轴半联动主要用于三轴以上控制的机床，其中二轴保持联动，另外一轴作周期进给，可加工如图1-7b所示的三维空间曲面。三轴联动主要用于数控铣床、加工中心等，用来铣削如图1-7c所示的三维空间曲面。多轴联动能够同时控制四个以上坐标轴联动，主要应用于加工形状复杂的零件。五轴联动铣削曲面零件的情况如图1-8所示。六轴联动加工中心的运动坐标系如图1-9所示。

图1-6 轮廓控制切削加工

图1-7 不同联动轴数所能加工的型面

a）二轴联动 b）二轴半联动 c）三轴联动

图1-8 五轴联动铣削曲面零件

图1-9 六轴联动加工中心坐标示意图

2.按伺服系统类型进行分类

按伺服系统类型不同，可分为开环控制数控机床、全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(www.xing528.com)

这类机床的数控系统不带检测装置，也无反馈电路，以步进电动机驱动，如图1-10所示。CNC装置输出的指令进给脉冲经驱动电路进行功率放大，转换为控制步进电动机各定子绕组依次通电/断电的电流脉冲信号，驱动步进电动机转动，再经机床传动机构（齿轮箱、丝杠等）带动工作台移动。

图1-10 开环控制数控系统结构

（2）全闭环控制数控机床

这类机床的数控系统带有位置检测反馈装置，以直流或交流伺服电动机驱动。位置检测元件安装在机床工作台上，用以检测机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制，如图1-11所示。

图1-11 全闭环控制数控系统结构图

这类控制方式可以消除包括工作台传动链在内的传动误差，因而位置控制精度很高，但由于它将丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节放在闭环环内，故调试时很难达到其系统稳定状态。

（3）半闭环控制数控机床

为了克服上述全闭环控制的缺点，将位置检测元件安装在电动机轴端或丝杠轴端。通过角位移的测量间接算出机床工作台的实际运行位置（直线位移），并将其与CNC装置计算出的指令位置（或位移）相比较，用差值进行控制，构成半闭环，其结构图如图1-12所示。由于闭环的环路内不包括丝杠、螺母副及机床工作台这些大惯性环节，所以这些环节造成的误差不能由环路所校正，其控制精度不如全闭环控制环路。但其调试方便，可以获得比较稳定的控制特性，因此在实际应用中被广泛采用。

3.按工艺用途进行分类

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

图1-12 半闭环控制数控系统结构图

（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。这类机床都有一个刀库，可容纳10～100把刀具。其特点是：工件可实现在一次装夹情况下，完成多道工序。为了进一步提高生产率，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）金属成形类数控机床

金属成形类数控机床包括数控折弯机、数控组合压力机和数控回转头压力机等。

（3）数控特种加工机床

数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控火焰切割机和数控激光切割机床等。

（4）其他类型的数控机床

其他类型的数控机床如数控三坐标测量机床等。

图1-13 笛卡儿坐标系

a）右手直角 b）右手螺旋 c）笛卡儿坐标系