1.1.3 數控機床的分類

目前，數控機床品種比較齊全，規格繁多，據不完全統計已有400多個品種規格，可以按照多種原則進行分類。但歸納起來，常見的是以下面4種方法來分類的。

1.按工藝用途分類

（1）一般數控機床

這類機床和傳統的通用機床種類一樣，有數控的車、銑、鏜、鉆、磨床等，而且每一種又有很多品種，如數控銑床中就有立銑、臥銑、工具銑、龍門銑等。這類機床的工藝可能性和通用機床相似，所不同的是它能加工復雜形狀的零件。

（2）數控加工中心機床

這類機床是在一般數控機床的基礎上發展起來的。它是在一般數控機床上加裝一個刀庫（可容納10～100把刀具）和自動換刀裝置而構成的一種帶自動換刀裝置的數控機床（又稱多工序數控機床或鏜銑類加工中心，習慣上簡稱為加工中心——Machining Center），這使數控機床更進一步地向自動化和高效化方向發展。

數控加工中心機床和一般數控機床的區別是：工件經一次夾裝后，數控裝置就能控制機床自動地更換刀具，連續地對工件各加工表面自動完成銑（車）、鏜、鉆、鉸及攻絲等多工序加工。這類機床大多是以鏜銑為主的，主要用來加工箱體零件。它和一般的數控機床相比具有如下優點：

① 減少機床臺數，便于管理，對于多工序的零件只要一臺機床就能完成全部加工，并可以減少半成品的庫存量；

② 由于工件只需要一次裝夾，因此減少了由于多次安裝造成的定位誤差，可以依靠機床精度來保證加工質量；

③ 工序集中，減少了輔助時間，提高了生產率；

④ 由于零件在一臺機床上一次裝夾就能完成多道加工工序，所以大大減少了專用夾具的數量，進一步縮短了生產準備時間。

由于數控加工中心機床的優點很多，深受用戶歡迎，因此在數控機床生產中占有很重要的地位。

另外還有一類加工中心，是在車床基礎上發展起來的，以軸類零件為主要加工對象，除可進行車削、鏜削外，還可以進行端面和周面上任意部位的鉆削、銑削和攻絲加工。這類加工中心也設有刀庫，可安裝4～12把刀具，習慣上稱此類機床為車削中心（Turning Center，TC）。

（3）多坐標數控機床

有些復雜形狀的零件，用三坐標的數控機床還是無法加工，如螺旋槳、飛機曲面零件的加工等，需要三個以上坐標的合成運動才能加工出所需形狀。于是出現了多坐標的數控機床，其特點是數控裝置控制的軸數較多，機床結構也比較復雜，其坐標軸數通常取決于加工零件的工藝要求，現在常用的是4，5，6坐標的數控機床。圖1-4所示為五軸聯動的數控加工示意圖。圖中，X，Y，Z 三個坐標與轉臺的回轉（u）、刀具的擺動（v）可同時聯動，以加工機翼等類零件。

2.按運動軌跡分類

按照能夠控制的刀具與工件間相對運動的軌跡，可將數控機床分為點位控制數控機床、直線控制數控機床、輪廓控制數控機床等。

（1）點位控制數控機床

這類機床的數控裝置只能控制機床移動部件從一個位置（點）精確地移動到另一個位置（點），即僅控制行程終點的坐標值，在移動過程中不進行任何切削加工，至于兩相關點之間的移動速度及路線則取決于生產率。為了在精確定位的基礎上有盡可能高的生產率，兩相關點之間的移動先是以快速移動到接近新的位置，然后降速1～3級，使之慢速趨近定位點，以保證其定位精度。數控系統的點位控制方式如圖1-5（a）所示。

這類機床主要有數控坐標鏜床、數控鉆床、數控沖床和數控測量機等，其相應的數控裝置稱為點位控制裝置。

（2）直線控制數控機床

這類機床工作時，不僅要控制兩相關點之間的位置（即距離），還要控制兩相關點之間的移動速度和路線（即軌跡），其路線一般都由和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，當機床的移動部件移動時，可以沿一個坐標軸的方向（一般地也可以沿45°斜線進行切削，但不能沿任意斜率的直線切削）進行切削加工，而且其輔助功能比點位控制的數控機床多，例如，增加了主軸轉速控制、循環進給加工、刀具選擇等功能。數控系統的直線控制方式如圖1-5（b）所示。

這類機床主要有簡易數控車床、數控鏜銑床和數控加工中心等。相應的數控裝置稱為點位直線控制裝置。

（3）輪廓控制數控機床

對一些數控機床，如數控銑床、加工中心等，要求能夠對兩個或兩個以上運動坐標的位移和速度同時進行連續相關的控制，使刀具與工件間的相對運動符合工件加工輪廓的要求，具有這種運動控制的機床稱為輪廓控制數控機床。該類機床在加工過程中，每時每刻都對各坐標的位移和速度進行嚴格的不間斷的控制。

對于輪廓控制數控機床，根據同時控制坐標軸的數目可將其分為兩軸聯動、兩軸半聯動、三軸聯動、四軸和五軸聯動。兩軸聯動同時控制兩個坐標軸，實現二維直線、圓弧、曲線的軌跡控制；兩軸半聯動除了控制兩個坐標軸聯動外，還同時控制第三個坐標軸作周期性進給運動，可以實現簡單曲面的軌跡控制；三軸聯動同時控制 X、Y、Z 三個直線坐標軸聯動，實現曲面的軌跡控制；四軸或五軸聯動除了控制 X、Y、Z 三個直線坐標軸外，還能同時控制一個或兩個回轉坐標軸，如工作臺的旋轉、刀具的擺動等，從而實現復雜曲面的軌跡控制。數控系統的輪廓控制方式如圖1-5（c）所示。

由于加工中心同時具有點位和輪廓控制功能，直線控制的數控機床又很少，因此按上述運動軌跡控制方式的分類方法在目前的數控機床之間很難給出明確的界限。

3.按伺服系統的控制方式分類

數控機床按照被控制量有無檢測反饋裝置可以分為開環和閉環兩種。在閉環系統中，根據測量裝置安放的位置又可將其分為全閉環和半閉環兩種。在開環系統的基礎上，還發展了一種開環補償型數控系統。

（1）開環控制數控機床

在開環控制中，機床沒有檢測反饋裝置，如圖1-6所示。

數控裝置發出信號的流程是單向的，所以不存在系統穩定性問題。也正是由于信號的單向流程，它對機床移動部件的實際位置不作檢驗，所以機床加工精度不高，其精度主要取決于伺服系統的性能。開環控制系統的工作過程是：輸入的數據經過數控裝置運算分配出指令脈沖，通過伺服機構（伺服元件常為步進電機）使被控工作臺移動。

這種機床工作比較穩定、反應迅速、調試方便、維修簡單，但其控制精度受到限制。它適用于一般要求的中、小型數控機床。

（2）閉環控制數控機床

由于開環控制精度達不到精密機床和大型機床的要求，所以必須檢測它的實際工作位置，為此，在開環控制數控機床上增加檢測反饋裝置，在加工中時刻檢測機床移動部件的位置，使之和數控裝置所要求的位置相符合，以期達到較高的加工精度。

閉環控制系統框圖如圖1-7所示。圖中A為速度測量元件，C為位置測量元件。當指令值發送到位置比較電路時，若此時工作臺沒有移動，則沒有反饋量，指令值使伺服電機轉動，通過A將速度反饋信號送到速度控制電路，通過C將工作臺實際位移量反饋回去，在位置比較電路中與指令值進行比較，用比較的差值進行控制，直至差值消除時為止，最終實現工作臺的精確定位。這類機床的特點是精度高、速度快，但是調試和維修比較復雜。其關鍵是系統的穩定性，所以在設計時必須對穩定性給予足夠的重視。該類機床還可以通用，因而靈活性和適應性強，也便于批量生產。

（3）半閉環控制數控機床

半閉環控制系統框圖如圖1-8所示。這種控制方式對工作臺的實際位置不進行檢查測量，而是通過與伺服電機有聯系的測量元件，如測速發電機A和光電編碼盤B（或旋轉變壓器）等間接檢測出伺服電機的轉角，推算出工作臺的實際位移量，再將此值與指令值進行比較，用差值來實現控制。從圖1-8可以看出，由于工作臺沒有完全包括在控制回路內，因而稱為半閉環控制。這種控制方式介于開環與閉環之間，精度沒有閉環高，調試卻比閉環方便。

（4）開環補償型數控機床

將上述三種控制方式的特點有選擇地集中起來，可以組成混合控制的方案。這在大型數控機床中是人們多年研究的題目，現在已成為現實。因為大型數控機床需要高得多的進給速度和返回速度，又需要相當高的精度，如果只采用全閉環的控制，機床傳動鏈和工作臺全部置于控制環節中，因素十分復雜。為了避開這些矛盾，可以采用混合控制方式。在具體方案中它可分為兩種形式：一種是開環補償型，另一種是半閉環補償型。這里僅介紹開環補償型控制數控機床。

圖1-9所示為開環補償型控制系統框圖。它的特點是：基本控制選用步進電機的開環控制伺服機構，附加一個校正伺服電路，通過裝在工作臺上的直線位移測量元件的反饋信號，校正機械系統的誤差。

4.按數控裝置分類

數控機床若按其實現數控邏輯功能控制的數控裝置來分，有硬線（件）數控和軟線（件）數控兩種。

（1）硬線數控（又稱普通數控，即NC）

這類數控系統的輸入、插補運算、控制等功能均由集成電路或分立元件等器件實現。一般來說，數控機床不同，其控制電路也不同，因此系統的通用性較差；因其全部由硬件組成，所以功能和靈活性也較差。這類系統在20世紀70年代以前應用得比較廣泛。

（2）軟線數控（又稱計算機數控或微機數控，即CNC或MNC）

這類系統利用中、大規模及超大規模集成電路組成CNC裝置，或用微機與專用集成芯片組成，其主要的數控功能幾乎全由軟件來實現，對于不同的數控機床，只需編制不同的軟件即可，而硬件幾乎可以通用，因而靈活性和適應性強，也便于批量生產。其模塊化的軟、硬件，提高了系統的質量和可靠性，所以，現代數控機床都采用CNC裝置。