1.3　数控机床的分类

数控机床的品种规格繁多，分类方法不一。根据数控机床的功能和结构，一般可以按下面几种原则来进行分类。

1.3.1　按工艺用途分类

① 金属切削类数控机床　这类机床的品种与传统的通用机床一样，有数控车床、数控铣床、数控钻床，数控镗床、数控磨床、加工中心、数控齿轮加工机床、FMC等，而每一种又有很多品种和规格，例如，在数控磨床中，有数控平面磨床、数控外圆磨床、数控工具磨床等。加工中心是一种带有自动换刀装置，工件经一次装夹后，能进行铣削、钻削、攻螺纹、镗削、铰孔等多道工序的复合型数控机床。加工中心目前主要有两类：一类是在镗、铣床基础上发展起来的，称为铣削加工中心；另一类是在车床的基础上发展起来的，成为车削加工中心。

② 金属成形类数控机床　如数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机、数控旋压机等。

③ 数控特种加工机床　如数控线切割机床、数控电火花成形机床、数控冲床、数控火焰切割机、数控激光切割机床等。

④ 其他类型数控机床　如数控测量机、三坐标测量机、3D打印机、机器人等。

1.3.2　按运动轨迹分类

（1）点位控制数控机床

点位控制数控机床的特点是在刀具相对于工件移动过程中，不进行切削加工，它对运动的轨迹没有严格的要求，只要实现从一点坐标到另一点坐标位置的准确移动，几个坐标轴之间的运动没有任何联系。如图1-4所示起点到终点的运动轨迹可以是图中①或②中的任意一种。为了实现既快速又精确的定位，两点间位置的移动一般先以最快速度移动，到即将接近新的位置点时再通过1～3级降速，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。这一类数控机床包括数控钻床、数控镗床、数控冲床及数控测量机等，其数控装置中对位移功能控制比较简单。

（2）点位直线控制数控机床

这类机床不仅要求具有准确的定位功能，还要求从一点到另一点按直线运动进行切削加工，刀具相对于工件移动的轨迹是平行机床各坐标轴的直线，或两轴同时移动构成45̊的斜线，如图1-5所示。一般只能加工矩形、台阶形零件。运动时的速度是可以控制的，对于不同的刀具和工件，可以选择不同的切削用量。这一类数控机床包括数控车床、数控磨床、数控铣床和加工中心，其数控装置的控制功能比点位系统复杂，不仅控制直线运动轨迹，还控制进给速度及自动循环加工等。

（3）轮廓控制数控机床

这类数控机床能够对两个或两个以上的坐标轴进行连续的切削加工控制，它不仅能控制机床移动部件的起点和终点坐标，而且能按需要严格控制刀具移动的轨迹，以加工出任意斜率的直线、圆弧、抛物线及其他函数关系的曲线或曲面，如图1-6所示。为了满足刀具沿工件轮廓的相对运动轨迹符合工件加工轮廓的表面要求，必须将各坐标运动的位移控制和速度控制按照规定的比例关系精确地协调起来。因此要求数控装置具有插补运算的功能，即根据程序输入的基本数据（如直线的终点坐标、圆弧的终点坐标和圆心坐标或半径），通过数控系统内插补运算器的数学处理，把直线或曲线的形状描述出来。并一边运算，一边根据计算结果向各坐标轴控制器分配脉冲，从而控制各坐标轴的联动位移量与所要求轮廓相符。

轮廓控制数控机床包括数控车床、数控铣床、数控磨床、数控线切割机、加工中心等。其相应的数控装置的功能比较复杂而齐全，一般都具有直线和圆弧插补功能，进行起点和终点之间“数据密化”，使切削点能完成任意角度斜线和任意半径圆弧的加工轨迹。

数控系统控制几个坐标按需要的函数关系同时协调运动，称为坐标联动。按照联动轴数分，可以分为二轴联动、二轴半联动、三轴联动、四轴联动、五轴联动等数控机床。

① 二轴联动　主要用于数控车床加工曲线旋转面或数控铣床加工曲线柱面[见图1-7（a）]。

② 二轴半联动　主要用于三轴以上控制的机床，其中两个轴互为联动，而另一轴作周期进给，如在数控铣床上用球头铣刀采用行切法加工三维空间曲面[见图1-7（c）]。

③ 三轴联动　一般分为两类，一类就是X、Y、Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床、加工中心等，如用球头铣刀铣切三维空间曲面。另一类是除了同时控制X、Y、Z其中两个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴[见图1-7（b）]。

④ 四轴联动　即同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴与某一个旋转坐标轴联动，在四坐标联动的数控机床加工飞机大梁零件，如图1-8所示，除了同时控制X、Y、Z三个移动坐标外，还需要一个绕X轴回转（也称摆动）坐标，方能保证刀具与工件型面在全长上始终贴合。

⑤ 五轴联动　除了同时控制X、Y、Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕这些直线坐标轴旋转的A、B、C坐标轴中的两个坐标，即形成同时控制五个轴联动。这时刀具可以被定在空间的任意方向，如图1-9所示的加工中，除X、Y、Z三个直线坐标联动以外，还有工件的回转C和刀具的摆动B。

1.3.3　按伺服控制系统分类

（1）开环控制数控机床

这类数控机床运动部件的位移没有检测反馈装置（见图1-10），数控装置发出信号是单向的，通常采用功率步进电动机作位移的伺服机构。数控装置发出的指令脉冲信号，通过环形分配器和驱动电路控制步进电动机转过相应的角度（控制电路每变换一次指令脉冲信号，电动机就转动一个步距角），再经过减速器带动丝杠转动，从而使工作台移动。位移的精度主要取决于该系统各有关零部件的制造精度。

开环数控系统具有工作稳定、调试方便、维修简单、成本较低等特点，但伺服机构的误差没有补偿和校正，所以精度较低，适用于精度要求不高、驱动力矩不大的场合，经济型数控机床一般都采用开环控制系统。

（2）闭环控制数控机床

这类数控机床的特点是在机床的运动部件上安装有直线位移测量装置（见图1-11），将测量出的实际位移值反馈到数控装置中与输入的指令位移值相比较，用差值进行控制，直至差值为零，所以能实现运动部件的精确定位。从理论上讲，闭环控制系统的运动精度主要取决于检测装置精度，而与传动链中误差无关。但闭环控制系统对机床结构的刚性、传动部件的间隙及导轨移动的灵敏性等都提出了严格的要求，否则会增加调试困难，甚至使伺服系统产生振荡。

目前，闭环控制系统需用的伺服机构是直流伺服电动机或交流伺服电动机，闭环系统的特点是位移精度高，但调试、维修都较复杂，成本较高，一般适用于精度很高的数控机床，如镗铣床、超精车床、超精磨床、大型数控机床等。

（3）半闭环控制数控机床

半闭环控制数控机床如图1-12所示，其位置反馈采用转角检测装置，如圆光栅、光电编码器及旋转式感应同步器等，直接安装在伺服电动机或丝杠端部。该系统不是直接测量工作台位移量，而是通过检测丝杠转角，间接地测量工作台位移量，然后再反馈给数控装置。由于工作台位移没有完全包括在控制回路中，故称半闭环控制系统。伺服电动机采用宽调速直流力矩电动机，其传动方式可直接与丝杠相连。所以，目前已将角位移检测器与伺服电动机设计成一个部件，使系统结构简单，安装、调试都比较方便。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。这种控制系统的精度没有闭环系统高，但采用精密的滚珠丝杠或采用丝杠螺距误差的补偿措施，丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可采用软件定值补偿的方法来适当提高其精度。

目前，大多数中小型数控机床广泛采用半闭环控制方式。

1.3.4　按数控系统的功能水平分类

按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高档三类，见表1-1。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期划分标准也会不同。其中，高档一般称为全功能数控或标准型数控，经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。