1.3 數控機床的種類與應用

數控機床的品種很多，結構、功能各不相同，通常按下述方法進行分類。

1.3.1 按機床運動軌跡分類

按機床運動軌跡不同，分為點位控制數控機床、直線控制數控機床和輪廓控制數控機床。

1.點位控制數控機床

點位控制(Positioning Control)又稱為點到點控制(Pointto Point Control)。刀具從某一位置向另一位置移動時，不管中間的移動軌跡如何，只要刀具最后能正確到達目標位置，就稱為點位控制。

點位控制機床的特點是只控制移動部件由一個位置到另一個位置的精確定位，而對它們在運動過程中的軌跡沒有嚴格要求。在移動和定位過程中不進行任何加工。因此，為了盡可能地減少移動部件的運動時間和定位時間，兩個相關點之間先快速移動到接近新點位的位置，然后連續降速或分級降速，使之慢速趨近定位點，以保證其定位精度。點位控制加工示意圖如圖1-7所示。

這類機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床、數控點焊機和數控折彎機等，其相應的數控裝置稱為點位控制數控裝置。

2.直線控制數控機床

直線控制(Straight Cut Control)又稱平行切削控制(Parallet Cut Control)。這類控制除了控制點到點的準確位置之外，還要保證兩點之間移動的軌跡是一條直線，而且對移動的速度也有控制，因為這一類機床在兩點之間移動時要進行切削加工。

直線控制數控機床的特點是刀具相對于工件的運動不僅要控制兩個相關點的準確位置(距離)，還要控制兩個相關點之間移動的速度和軌跡，其軌跡一般由與各軸線平行的直線段組成。它和點位控制數控機床的區別在于當機床移動部件移動時，可以沿一個坐標軸的方向進行切削加工，而且其輔助功能比點位控制的數控機床多。直線控制加工示意圖如圖1-8所示。

這類機床主要有數控坐標車床、數控磨床和數控鏜銑床等，其相應的數控裝置稱為直線控制數控裝置。

3.輪廓控制數控機床

輪廓控制又稱連續控制，大多數數控機床具有輪廓控制功能。輪廓控制數控機床的特點是能同時控制兩個以上的軸聯動，具有插補功能。它不僅要控制加工過程中每一點的位置和刀具移動速度，還要加工出任意形狀的曲線或曲面。輪廓控制加工示意圖如圖1-9所示。

屬于輪廓控制機床的有數控坐標車床、數控銑床、加工中心等，其相應的數控裝置稱為輪廓控制裝置。輪廓控制裝置比點位、直線控制裝置的結構復雜得多，功能齊全得多。

1.3.2 按伺服系統類型分類

按伺服系統類型不同，分為開環控制數控機床、閉環控制數控機床和半閉環控制數控機床。

1.開環控制數控機床

開環控制(Open Loop Control)數控機床通常不帶位置檢測元件，伺服驅動元件一般為步進電動機。數控裝置每發出一個進給脈沖后，脈沖便經過放大，并驅動步進電動機轉動一個固定角度，再通過機械傳動驅動工作臺運動。開環伺服系統如圖1-10所示。這種系統沒有被控對象的反饋值，系統的精度完全取決于步進電動機的步距精度和機械傳動的精度，其控制線路簡單，調節方便，精度較低(一般可達±0.02mm)，通常應用于小型或經濟型數控機床。

2.閉環控制數控機床

閉環控制(Closed Loop Control)數控機床通常帶位置檢測元件，隨時可以檢測出工作臺的實際位移并反饋給數控裝置。與設定的指令值比較后，利用其差值控制伺服電動機，直至差值為零。這類機床一般采用直流伺服電動機或交流伺服電動機驅動。位置檢測元件常有直線光柵、磁柵、同步感應器等。閉環伺服系統如圖1-11所示。

由閉環伺服系統的工作原理可以看出，系統精度主要取決于位置檢測裝置的精度。從理論上講，它完全可以消除由于傳動部件制造中存在的誤差給工件加工帶來的影響，所以這種系統可以得到很高的加工精度。閉環伺服系統的設計和調整都有很大的難度，直線位移檢測元件的價格比較昂貴，主要用于一些精度要求較高的鏜銑床、超精車床和加工中心。

3.半閉環控制數控機床

半閉環控制(Semi-Closed Loop Control)數控機床通常將位置檢測元件安裝在伺服電動機的軸上或滾珠絲杠的端部，不直接反饋機床的位移量，而是檢測伺服系統的轉角，將此信號反饋給數控裝置進行指令比較，用差值控制伺服電動機。半閉環伺服系統如圖1-12所示。

因為半閉環伺服系統的反饋信號取自電動機軸的回轉，因此系統中的機械傳動裝置處于反饋回路之外，其剛度、間歇等非線性因素對系統穩定性沒有影響，調試方便。同樣，機床的定位精度主要取決于機械傳動裝置的精度，但是現在的數控裝置均有螺距誤差補償和間歇補償功能，不需要將傳動裝置各種零件的精度提得很高，通過補償就能將精度提高到絕大多數用戶都能接受的程度；再加上直線位移檢測裝置比角位移檢測裝置昂貴得多，因此，除了對定位精度要求特別高或行程特別長，不能采用滾珠絲杠的大型機床外，絕大多數數控機床均采用半閉環伺服系統。

1.3.3 按工藝用途分類

按工藝用途不同，分為金屬切削類數控機床、金屬成型類數控機床、數控特種加工機床和其他類型的數控機床。

1.金屬切削類數控機床

金屬切削類數控機床包括數控車床、數控鉆床、數控銑床、數控磨床、數控鏜床以及加工中心。切削類機床發展最早，目前種類繁多，功能差異也較大，加工中心能實現自動換刀。這類機床都有一個島庫，可容納10～100把刀具。其特點是：工件一次裝夾可完成多道工序。為了進一步提高生產效率，有的加工中心使用雙工作臺，一面加工，一面裝卸，工作臺可以自動交換。

2.金屬成型類數控機床

金屬成型類數控機床包括數控折彎機、數控組合沖床和數控回轉頭壓力機等。這類機床生產制造起步晚，但目前發展很快。

3.數控特種加工機床

數控特種加工機床有線切割機床、數控電火花加工機床、火焰切割機和數控激光機切割機床等。

4.其他類型的數控機床

其他類型的數控機床包括數控三坐標測量機床等。

1.3.4 按數控系統功能水平分類

按數控系統的主要技術參數、功能指標和關鍵部件的功能水平不同，數控機床分為低、中、高3個檔次。國內還分為全功能數控機床、普及型數控機床和經濟型數控機床。這些分類方法劃分的界線是相對的，不同時期的劃分標準有所不同，大體有以下幾個方面。

1.控制系統CPU的檔次

低檔數控系統一般采用8位CPU，中、高檔數控系統采用16位或64位的CPU。現在有些CNC裝置已采用64位的CPU。

2.分辨率和進給速度

分辨率為位移檢測裝置所能檢測到的最小位移單位，分辨率越小，檢測精度越高。它取決于檢測裝置的類型和制造精度。一般認為，分辨率為10μm，進給速度為8～10m/min，是低檔數控機床；分辨率為1μm，進給速度為10～20m/min，是中檔數控機床；分辨率為0.1μm，進給速度為15～20m/min，是高檔數控機床。通常，分辨率應比機床所要求的加工精度高一個數量級。

3.伺服系統類型

一般采用開環、步進電動機進給系統的為低檔數控機床；中、高檔數控機床采用半閉環或閉環的直流伺服或交流伺服系統。

4.坐標聯動軸數

數控機床聯動軸數也是常用的區分機床檔次的一個標志。按同時控制的聯動軸數，分為2軸聯動、3軸聯動、2.5軸聯動(任一時刻，三軸中只能實現兩軸聯動，另一軸是點位或直線控制)、4軸聯動、5軸聯動等。低檔數控機床的聯動軸數一般不超過2軸；中、高檔的聯動軸數為3～5軸。

5.通信功能

低檔數控系統一般無通信能力；中檔數控系統可以有RS-232C或DNC接口；高檔數控系統還可以有制造自動化協議(Manufacturing Automation Protocol，MAP)通信接口，具有聯網功能。

6.顯示功能

低檔數控系統一般只有簡單的數碼管顯示或單色CRT字符顯示；中檔數控系統則有較齊全的CRT顯示，不僅有字符，而且有二維圖形、人機對話、狀態和自診斷等功能；高檔數控系統還可以有三維圖形顯示、圖形編輯等功能。

1.3.5 按所用數控裝置的構成方式分類

按所用數控裝置的構成方式不同，分為硬線數控系統和軟線數控系統。

1.硬線數控系統

硬線數控系統使用硬線數控裝置，它的輸入處理、插補運算和控制功能都由專用的固定組合邏輯電路來實現。不同功能的機床，其組合邏輯電路也不相同。改變或增減控制、運算功能時，需要改變數控裝置的硬件電路。因此，該系統的通用性和靈活性差，制造周期長，成本高。20世紀70年代初期以前的數控機床基本是屬于這種類型。

2.軟線數控系統

軟線數控系統也稱計算機數控系統，它使用軟線數控裝置。這種數控裝置的硬件電路由小型或微型計算機再加上通用或專用的大規模集成電路制成，數控機床的主要功能幾乎全部由系統軟件實現，所以不同功能的數控機床，其系統軟件不同。修改或增減系統功能時，不需要改動硬件電路，只需要改變系統軟件。因此，該系統具有較高的靈活性；同時，由于硬件電路基本是通用的，有利于大量生產，提高質量和可靠性，縮短制造周期和降低成本。20世紀70年代中期以后，隨著微電子技術的發展和微型計算機的出現，以及集成電路的集成度不斷提高，計算機數控系統才得到不斷發展和提高，目前幾乎所有的數控機床都采用軟線數控系統。