1.1.3 数控机床的分类

目前，数控机床品种比较齐全，规格繁多，据不完全统计已有400多个品种规格，可以按照多种原则进行分类。但归纳起来，常见的是以下面4种方法来分类的。

1.按工艺用途分类

（1）一般数控机床

这类机床和传统的通用机床种类一样，有数控的车、铣、镗、钻、磨床等，而且每一种又有很多品种，如数控铣床中就有立铣、卧铣、工具铣、龙门铣等。这类机床的工艺可能性和通用机床相似，所不同的是它能加工复杂形状的零件。

（2）数控加工中心机床

这类机床是在一般数控机床的基础上发展起来的。它是在一般数控机床上加装一个刀库（可容纳10～100把刀具）和自动换刀装置而构成的一种带自动换刀装置的数控机床（又称多工序数控机床或镗铣类加工中心，习惯上简称为加工中心——Machining Center），这使数控机床更进一步地向自动化和高效化方向发展。

数控加工中心机床和一般数控机床的区别是：工件经一次夹装后，数控装置就能控制机床自动地更换刀具，连续地对工件各加工表面自动完成铣（车）、镗、钻、铰及攻丝等多工序加工。这类机床大多是以镗铣为主的，主要用来加工箱体零件。它和一般的数控机床相比具有如下优点：

① 减少机床台数，便于管理，对于多工序的零件只要一台机床就能完成全部加工，并可以减少半成品的库存量；

② 由于工件只需要一次装夹，因此减少了由于多次安装造成的定位误差，可以依靠机床精度来保证加工质量；

③ 工序集中，减少了辅助时间，提高了生产率；

④ 由于零件在一台机床上一次装夹就能完成多道加工工序，所以大大减少了专用夹具的数量，进一步缩短了生产准备时间。

由于数控加工中心机床的优点很多，深受用户欢迎，因此在数控机床生产中占有很重要的地位。

另外还有一类加工中心，是在车床基础上发展起来的，以轴类零件为主要加工对象，除可进行车削、镗削外，还可以进行端面和周面上任意部位的钻削、铣削和攻丝加工。这类加工中心也设有刀库，可安装4～12把刀具，习惯上称此类机床为车削中心（Turning Center，TC）。

（3）多坐标数控机床

有些复杂形状的零件，用三坐标的数控机床还是无法加工，如螺旋桨、飞机曲面零件的加工等，需要三个以上坐标的合成运动才能加工出所需形状。于是出现了多坐标的数控机床，其特点是数控装置控制的轴数较多，机床结构也比较复杂，其坐标轴数通常取决于加工零件的工艺要求，现在常用的是4，5，6坐标的数控机床。图1-4所示为五轴联动的数控加工示意图。图中，X，Y，Z 三个坐标与转台的回转（u）、刀具的摆动（v）可同时联动，以加工机翼等类零件。

2.按运动轨迹分类

按照能够控制的刀具与工件间相对运动的轨迹，可将数控机床分为点位控制数控机床、直线控制数控机床、轮廓控制数控机床等。

（1）点位控制数控机床

这类机床的数控装置只能控制机床移动部件从一个位置（点）精确地移动到另一个位置（点），即仅控制行程终点的坐标值，在移动过程中不进行任何切削加工，至于两相关点之间的移动速度及路线则取决于生产率。为了在精确定位的基础上有尽可能高的生产率，两相关点之间的移动先是以快速移动到接近新的位置，然后降速1～3级，使之慢速趋近定位点，以保证其定位精度。数控系统的点位控制方式如图1-5（a）所示。

这类机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床和数控测量机等，其相应的数控装置称为点位控制装置。

（2）直线控制数控机床

这类机床工作时，不仅要控制两相关点之间的位置（即距离），还要控制两相关点之间的移动速度和路线（即轨迹），其路线一般都由和各轴线平行的直线段组成。它和点位控制数控机床的区别在于，当机床的移动部件移动时，可以沿一个坐标轴的方向（一般地也可以沿45°斜线进行切削，但不能沿任意斜率的直线切削）进行切削加工，而且其辅助功能比点位控制的数控机床多，例如，增加了主轴转速控制、循环进给加工、刀具选择等功能。数控系统的直线控制方式如图1-5（b）所示。

这类机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控加工中心等。相应的数控装置称为点位直线控制装置。

（3）轮廓控制数控机床

对一些数控机床，如数控铣床、加工中心等，要求能够对两个或两个以上运动坐标的位移和速度同时进行连续相关的控制，使刀具与工件间的相对运动符合工件加工轮廓的要求，具有这种运动控制的机床称为轮廓控制数控机床。该类机床在加工过程中，每时每刻都对各坐标的位移和速度进行严格的不间断的控制。

对于轮廓控制数控机床，根据同时控制坐标轴的数目可将其分为两轴联动、两轴半联动、三轴联动、四轴和五轴联动。两轴联动同时控制两个坐标轴，实现二维直线、圆弧、曲线的轨迹控制；两轴半联动除了控制两个坐标轴联动外，还同时控制第三个坐标轴作周期性进给运动，可以实现简单曲面的轨迹控制；三轴联动同时控制 X、Y、Z 三个直线坐标轴联动，实现曲面的轨迹控制；四轴或五轴联动除了控制 X、Y、Z 三个直线坐标轴外，还能同时控制一个或两个回转坐标轴，如工作台的旋转、刀具的摆动等，从而实现复杂曲面的轨迹控制。数控系统的轮廓控制方式如图1-5（c）所示。

由于加工中心同时具有点位和轮廓控制功能，直线控制的数控机床又很少，因此按上述运动轨迹控制方式的分类方法在目前的数控机床之间很难给出明确的界限。

3.按伺服系统的控制方式分类

数控机床按照被控制量有无检测反馈装置可以分为开环和闭环两种。在闭环系统中，根据测量装置安放的位置又可将其分为全闭环和半闭环两种。在开环系统的基础上，还发展了一种开环补偿型数控系统。

（1）开环控制数控机床

在开环控制中，机床没有检测反馈装置，如图1-6所示。

数控装置发出信号的流程是单向的，所以不存在系统稳定性问题。也正是由于信号的单向流程，它对机床移动部件的实际位置不作检验，所以机床加工精度不高，其精度主要取决于伺服系统的性能。开环控制系统的工作过程是：输入的数据经过数控装置运算分配出指令脉冲，通过伺服机构（伺服元件常为步进电机）使被控工作台移动。

这种机床工作比较稳定、反应迅速、调试方便、维修简单，但其控制精度受到限制。它适用于一般要求的中、小型数控机床。

（2）闭环控制数控机床

由于开环控制精度达不到精密机床和大型机床的要求，所以必须检测它的实际工作位置，为此，在开环控制数控机床上增加检测反馈装置，在加工中时刻检测机床移动部件的位置，使之和数控装置所要求的位置相符合，以期达到较高的加工精度。

闭环控制系统框图如图1-7所示。图中A为速度测量元件，C为位置测量元件。当指令值发送到位置比较电路时，若此时工作台没有移动，则没有反馈量，指令值使伺服电机转动，通过A将速度反馈信号送到速度控制电路，通过C将工作台实际位移量反馈回去，在位置比较电路中与指令值进行比较，用比较的差值进行控制，直至差值消除时为止，最终实现工作台的精确定位。这类机床的特点是精度高、速度快，但是调试和维修比较复杂。其关键是系统的稳定性，所以在设计时必须对稳定性给予足够的重视。该类机床还可以通用，因而灵活性和适应性强，也便于批量生产。

（3）半闭环控制数控机床

半闭环控制系统框图如图1-8所示。这种控制方式对工作台的实际位置不进行检查测量，而是通过与伺服电机有联系的测量元件，如测速发电机A和光电编码盘B（或旋转变压器）等间接检测出伺服电机的转角，推算出工作台的实际位移量，再将此值与指令值进行比较，用差值来实现控制。从图1-8可以看出，由于工作台没有完全包括在控制回路内，因而称为半闭环控制。这种控制方式介于开环与闭环之间，精度没有闭环高，调试却比闭环方便。

（4）开环补偿型数控机床

将上述三种控制方式的特点有选择地集中起来，可以组成混合控制的方案。这在大型数控机床中是人们多年研究的题目，现在已成为现实。因为大型数控机床需要高得多的进给速度和返回速度，又需要相当高的精度，如果只采用全闭环的控制，机床传动链和工作台全部置于控制环节中，因素十分复杂。为了避开这些矛盾，可以采用混合控制方式。在具体方案中它可分为两种形式：一种是开环补偿型，另一种是半闭环补偿型。这里仅介绍开环补偿型控制数控机床。

图1-9所示为开环补偿型控制系统框图。它的特点是：基本控制选用步进电机的开环控制伺服机构，附加一个校正伺服电路，通过装在工作台上的直线位移测量元件的反馈信号，校正机械系统的误差。

4.按数控装置分类

数控机床若按其实现数控逻辑功能控制的数控装置来分，有硬线（件）数控和软线（件）数控两种。

（1）硬线数控（又称普通数控，即NC）

这类数控系统的输入、插补运算、控制等功能均由集成电路或分立元件等器件实现。一般来说，数控机床不同，其控制电路也不同，因此系统的通用性较差；因其全部由硬件组成，所以功能和灵活性也较差。这类系统在20世纪70年代以前应用得比较广泛。

（2）软线数控（又称计算机数控或微机数控，即CNC或MNC）

这类系统利用中、大规模及超大规模集成电路组成CNC装置，或用微机与专用集成芯片组成，其主要的数控功能几乎全由软件来实现，对于不同的数控机床，只需编制不同的软件即可，而硬件几乎可以通用，因而灵活性和适应性强，也便于批量生产。其模块化的软、硬件，提高了系统的质量和可靠性，所以，现代数控机床都采用CNC装置。