第2章 數控機床簡介

2.1 數控機床的分類

無論數控機床是用于車削、銑削、鉆削還是鏜孔、研磨……，基本都可以按照以下類型進行劃分。

2.1.1 按加工工藝方法分

1.金屬切削類數控機床

金屬切削機床是采用切削的方法把金屬毛坯加工成機器零件的機器。像傳統的車、銑、鉆、磨、齒輪加工等都屬于金屬切削加工，與之對應的數控機床有數控車床、數控銑床、數控鉆床、數控磨床、數控齒輪加工機床等。盡管這些數控機床在加工工藝方法上有差異，具體的控制方式也各不相同，但機床的動作和運動都是數字化控制，具有較高的生產率和自動化程度。

2.特種加工類數控機床

特種加工也稱“非傳統加工”或“現代加工”，泛指用電能、熱能、光能、電化學能、化學能、聲能及特殊機械能等能量達到去除或增加材料的加工方法，從而實現材料被去除、變形、改變性能或被鍍覆等。特種加工數控機床包括數控電火花線切割機床、數控電火花成形機床、數控等離子弧切割機床、數控火焰切割機床以及數控激光加工機床等。

3.板材加工類數控機床

主要是對金屬板進行加工，相應的數控機床有數控壓力機、數控剪板機和數控折彎機等。

2.1.2 按控制運動軌跡分

1.點位控制數控機床（Point to Point Control）

點位控制又稱為定位控制（Positioning Control），即在工件上確定一個或多個點，使刀具經過點到點的移動到達目標點，在移動和定位過程中不進行任何加工。機床數控系統只控制行程終點的坐標值，不控制點和點之間的運動軌跡，因此幾個坐標軸之間的運動無任何聯系。可以幾個坐標同時向目標點運動，也可以各個坐標單獨依次運動，如圖2-1所示。這類數控機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床、數控壓力機、數控點焊機等。

圖2-1 數控鉆床加工示意圖（點位控制數控機床）

2.直線控制數控機床（Straight Cutting Control）

刀具可由一軸或兩軸以上同時控制，完成直線切削。由于刀具移動的同時需要完成實際的切削工作，因此必須給定進給速度，如圖2-2所示。這種類型的控制多用于數控銑床、數控鏜床等。

3.輪廓控制數控機床（Contouring Cutting Control）

這類控制又稱為連續性控制（Continuously Control）。它可以同時控制兩軸或數軸移動，而將工件加工成要求的各種變化曲線和各種斜度所構成的輪廓形狀。它不僅能控制機床移動部件的起點和終點坐標，而且能控制整個加工輪廓每一點的速度和位移，如圖2-3所示。常用的數控車床、數控銑床、數控磨床就是典型的輪廓控制數控機床。數控火焰切割機、電火花加工機床以及數控繪圖機等也采用了輪廓控制系統。

輪廓控制系統的結構要比點位、直線控制系統更為復雜，在加工過程中需要不斷進行插補運算，然后進行相應的速度和位移控制。

圖2-2 數控銑床加工示意圖（直線控制數控機床）

圖2-3 數控銑床加工示意圖（輪廓控制數控機床）

2.1.3 按伺服驅動系統分

1.開環控制數控機床

具有此類控制的數控機床在其控制系統內沒有位置檢測元件，伺服驅動部件通常為反應式步進電動機或混合式伺服步進電動機。

如圖2-4所示是開環控制數控機床的系統框圖。工作臺在接受控制指令后移動到一定位置上，但最終工作臺所在的位置是否是預先設定的位置，則無法確定。因此，這類控制的加工精度，必須依靠機床本身的精度。開環控制系統僅適用于加工精度要求不高的中小型數控機床，特別是簡易經濟型數控機床。

圖2-4 開環控制數控機床的系統框圖

2.閉環控制數控機床

如圖2-5所示，將測量的實際量與輸入的指令值比較，用差值對機床進行控制，使移動部件按照實際需要的位移量運動，最終實現移動部件的精確運動和定位。

閉環系統與開環系統的區別在于增設了位置測量反饋系統。前者可以由位置測量反饋系統來達到所需的定位精度，而后者則只有依靠機床本身的精度。閉環系統的定位精度高，但調試和維修都會增加難度，系統復雜，成本高。

圖2-5 閉環控制數控機床的系統框圖

3.半閉環控制數控機床

半閉環控制數控機床是在伺服電動機的軸或數控機床的傳動絲杠上安裝角位移電流檢測裝置（如光電編碼器等），通過檢測絲杠的轉角間接地檢測移動部件的實際位移，然后反饋到數控裝置中去，并對誤差進行修正。

如圖2-6所示是半閉環控制數控機床的系統框圖。通過測速元件A和光電編碼盤B可間接檢測出伺服電動機的轉速，從而推算出工作臺的實際位移量，將此值與指令值進行比較，用差值來實現控制。由于工作臺沒有包括在控制回路中，因而被稱為半閉環控制數控機床。

圖2-6 半閉環控制數控機床的系統框圖

半閉環控制數控系統的精度沒有閉環高，但調試更方便，并且具有很好的穩定性。目前大多將角度檢測裝置和伺服電動機設計成一體，使結構更加緊湊。

4.混合控制機床

將以上三類數控機床的特點結合起來，就形成了混合控制數控機床。混合控制數控機床特別適合大型或重型數控機床，因為大型或重型數控機床需要較高的進給速度與相當高的精度，其傳動鏈慣量與力矩大，如果只采用全閉環控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制閉環中，閉環調試比較復雜。