第2章 数控机床简介

2.1 数控机床的分类

无论数控机床是用于车削、铣削、钻削还是镗孔、研磨……，基本都可以按照以下类型进行划分。

2.1.1 按加工工艺方法分

1.金属切削类数控机床

金属切削机床是采用切削的方法把金属毛坯加工成机器零件的机器。像传统的车、铣、钻、磨、齿轮加工等都属于金属切削加工，与之对应的数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控磨床、数控齿轮加工机床等。尽管这些数控机床在加工工艺方法上有差异，具体的控制方式也各不相同，但机床的动作和运动都是数字化控制，具有较高的生产率和自动化程度。

2.特种加工类数控机床

特种加工也称“非传统加工”或“现代加工”，泛指用电能、热能、光能、电化学能、化学能、声能及特殊机械能等能量达到去除或增加材料的加工方法，从而实现材料被去除、变形、改变性能或被镀覆等。特种加工数控机床包括数控电火花线切割机床、数控电火花成形机床、数控等离子弧切割机床、数控火焰切割机床以及数控激光加工机床等。

3.板材加工类数控机床

主要是对金属板进行加工，相应的数控机床有数控压力机、数控剪板机和数控折弯机等。

2.1.2 按控制运动轨迹分

1.点位控制数控机床（Point to Point Control）

点位控制又称为定位控制（Positioning Control），即在工件上确定一个或多个点，使刀具经过点到点的移动到达目标点，在移动和定位过程中不进行任何加工。机床数控系统只控制行程终点的坐标值，不控制点和点之间的运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动无任何联系。可以几个坐标同时向目标点运动，也可以各个坐标单独依次运动，如图2-1所示。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控压力机、数控点焊机等。

图2-1 数控钻床加工示意图（点位控制数控机床）

2.直线控制数控机床（Straight Cutting Control）

刀具可由一轴或两轴以上同时控制，完成直线切削。由于刀具移动的同时需要完成实际的切削工作，因此必须给定进给速度，如图2-2所示。这种类型的控制多用于数控铣床、数控镗床等。

3.轮廓控制数控机床（Contouring Cutting Control）

这类控制又称为连续性控制（Continuously Control）。它可以同时控制两轴或数轴移动，而将工件加工成要求的各种变化曲线和各种斜度所构成的轮廓形状。它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且能控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，如图2-3所示。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也采用了轮廓控制系统。

轮廓控制系统的结构要比点位、直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度和位移控制。

图2-2 数控铣床加工示意图（直线控制数控机床）

图2-3 数控铣床加工示意图（轮廓控制数控机床）

2.1.3 按伺服驱动系统分

1.开环控制数控机床

具有此类控制的数控机床在其控制系统内没有位置检测元件，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。

如图2-4所示是开环控制数控机床的系统框图。工作台在接受控制指令后移动到一定位置上，但最终工作台所在的位置是否是预先设定的位置，则无法确定。因此，这类控制的加工精度，必须依靠机床本身的精度。开环控制系统仅适用于加工精度要求不高的中小型数控机床，特别是简易经济型数控机床。

图2-4 开环控制数控机床的系统框图

2.闭环控制数控机床

如图2-5所示，将测量的实际量与输入的指令值比较，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。

闭环系统与开环系统的区别在于增设了位置测量反馈系统。前者可以由位置测量反馈系统来达到所需的定位精度，而后者则只有依靠机床本身的精度。闭环系统的定位精度高，但调试和维修都会增加难度，系统复杂，成本高。

图2-5 闭环控制数控机床的系统框图

3.半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床是在伺服电动机的轴或数控机床的传动丝杠上安装角位移电流检测装置（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。

如图2-6所示是半闭环控制数控机床的系统框图。通过测速元件A和光电编码盘B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。由于工作台没有包括在控制回路中，因而被称为半闭环控制数控机床。

图2-6 半闭环控制数控机床的系统框图

半闭环控制数控系统的精度没有闭环高，但调试更方便，并且具有很好的稳定性。目前大多将角度检测装置和伺服电动机设计成一体，使结构更加紧凑。

4.混合控制机床

将以上三类数控机床的特点结合起来，就形成了混合控制数控机床。混合控制数控机床特别适合大型或重型数控机床，因为大型或重型数控机床需要较高的进给速度与相当高的精度，其传动链惯量与力矩大，如果只采用全闭环控制，机床传动链和工作台全部置于控制闭环中，闭环调试比较复杂。