1.3　数控机床的分类

数控机床的品种规格很多，分类方法也各不相同。一般可根据功能和结构，按表1-1所示的5种分类方法进行分类。

1.3.1　按工艺用途分类

数控机床是在通用机床的基础上发展起来的，某工艺用途与传统的通用机床工艺用途相似。因此，按工艺用途对数控机床进行分类是最基本的分类方法，可以将其分为金属切削类数控机床、金属成形类数控机床、特种加工类数控机床。

1.金属切削类数控机床

金属切削类数控机床是指能够从工件上削除一部分材料得到所需形状零件的数控机床，此类数控机床和普通机床品种一样，其品种包括数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床和加工中心等。根据自动化程度的高低，又可将金属切削类数控机床分为普通数控机床、加工中心和柔性制造单元（FMC）。图1-9～图1-12所示为常见的金属切削类数控机床。

普通数控机床的工艺特点和相应的通用机床相似，但它们具有加工复杂形状零件的能力。常见的加工中心有镗铣类加工中心和车削加工中心，它们是在相应的普通数控机床的基础上加装刀库和自动换刀装置而构成的。其工艺特点如下：工件经一次装夹后，数控系统能控制机床自动地更换刀具，连续自动地对工件的各个加工面进行铣（车）、镗、钻、攻（车）螺纹等多工序加工。柔性制造单元是具有更高自动化程度的数控机床，它可以由加工中心和搬运机器人等自动物料存储运输系统组成，有的柔性制造单元还具有对加工精度、切削状态和加工过程进行自动监控的功能。

2.金属成形类数控机床

金属成形类数控机床是指使用挤、冲、压、拉等成形工艺方法加工零件的数控机床，包括数控折弯机、数控压力机、数控弯管机、数控旋压机、数控冲床、数控剪板机等，图1-13～图1-16所示为常见的金属成形类数控机床。这一类机床起步较晚，但目前发展很快。

3.特种加工类数控机床

特种加工类数控机床是指利用特种加工技术（电火花、激光技术等）得到所需形状零件的数控机床，包括数控线切割机床、数控电火花成形机床、数控激光切割机床、数控火焰切割机床、数控等离子切割机床、数控水刀切割机床、带有自动换电极功能的电加工中心等，图1-17～图1-20所示为常见的特种加工类数控机床。目前，特种加工方式已成为常规切削、磨削加工的重要补充。

其他类型数控机床有工业机器人、数控三坐标测量仪、数控对刀仪、数控绘图仪等。这些设备为广义上的数控装备，可归为其他类型数控机床，图1-21～图1-23所示为常见的其他类型数控机床。

1.3.2　按运动轨迹分类

1.点位控制数控机床

这类数控机床的特点是保证点到点之间的准确定位，它只能控制行程的终点坐标值，对两点之间的运动轨迹不做严格要求。此类数控机床的刀具在运动过程中，不进行切削加工。图1-24所示为点位控制钻孔加工示意。此类数控机床有数控钻床、数控镗床、数控冲床、数控电焊机等。

2.直线控制数控机床

这类数控机床的特点是不仅具有准确的定位功能，而且刀具相对于工件以给定的速度，沿平行于坐标轴方向或沿与坐标轴成45°角方向的一条直线进行切削加工。这类机床一般只能加工矩形、台阶形零件。图1-25所示为直线控制车削加工示意。

单纯用于直线控制的数控机床并不多见，这类机床主要有简单数控车床、简易数控铣床、数控磨床等。

3.轮廓控制数控机床

轮廓控制又称连续控制，这类数控机床的特点是要能对两个或两个以上坐标轴同时进行控制，不仅要控制机床移动部件的起始点和终点，而且要控制加工过程中每点的速度、方向和位移量，即控制刀具的运动轨迹，将工件加工成所需的特定轮廓形状。工具运动轨迹可以是任意的直线、圆弧、抛物线及其他函数关系的曲线或曲面。图1-26所示为轮廓控制铣削加工示意。

这类数控机床主要有数控车床、数控铣床、数控磨床、数控线切割机床、加工中心等。现代数控机床基本上都是这种类型，它们除了具有两坐标或两坐标以上联动功能，还具有刀具半径补偿、刀具长度补偿、机床轴向运动误差补偿、丝杠螺距误差补偿等一系列功能，因而可以进行复杂曲线或复杂曲面的加工。

1.3.3　按伺服控制分类

按数控系统的进给系统有无位置检测装置，数控机床可分为开环数控机床和闭环数控机床。在闭环数控机床中，根据位置检测装置安装位置的不同，又可把它们分为全闭环数控机床和半闭环数控机床。

1.开环控制数控机床

开环控制系统框图如图1-27所示，开环控制数控机床没有位移检测反馈装置，信息流是单向的，数控装置发出指令而没有反馈信息，因此称为开环控制。开环控制系统一般以步进电动机作为伺服驱动元件，数控装置每发出一个进给脉冲指令，经功率放大后驱动步进电动机旋转一个步距角，再通过丝杠螺母副机构转换为执行部件（工作台或刀架）的直线位移。执行部件的移动速度与位移量是由输入脉冲的频率和脉冲数所决定的。

开环控制数控机床容易操作，但其控制精度受到限制，主要取决于伺服驱动系统、机械传动机构的性能和精度。开环控制具有结构简单、制造成本低、工作稳定及维护维修方便等优点，在精度和速度要求不高、驱动力矩不大的场合得到广泛应用；一般用于经济型数控机床和旧机床的数控化改造。

2.全闭环控制数控机床

全闭环控制系统框图如图1-28所示，闭环控制数控机床带有位移检测装置，而且采用直线位移检测元件（如光栅尺等）。这些检测元件安装在机床工作台或刀架等执行部件上，用于随时检测这些执行部件的实际位置。反馈的实际位置值与指令位置值相比较，根据差值控制电动机的转速，进行误差修正，直到位置误差消除为止，以实现运动部件的精确定位，构成闭环控制系统。

从理论上讲，闭环控制系统可以消除整个驱动和传动环节的误差、间隙和失动量，具有很高的位置控制精度。但由于位置环内的许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙都是非线性的，故很容易造成闭环系统的不稳定，使闭环系统的设计、安装和调试都比较困难。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有严格的要求，故价格昂贵。这类机床的特点是位移精度高，但调试、维修都较复杂，成本较高，一般适用于精度要求很高的数控机床，如超精车机床、超精磨机床、镗铣机床和大型数控机床等。

3.半闭环控制数控机床

半闭环控制系统框图如图1-29所示，半闭环控制数控机床也带有位移检测装置，而且采用转角检测元件（如编码器等）。这些检测元件安装在伺服电动机轴上或丝杠的端部，通过检测伺服电动机或丝杠的角位移间接计算出工作台或刀架等执行部件的实际位移值，然后与指令位移值相比较，进行差值控制。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。

半闭环环路不包括或只包括少量机械传动环节，因此可获得较好的控制性能，该系统的稳定性虽不如开环系统，但比全闭环系统的稳定性好。另外，由于位置环内各组成环节的误差可得到某种程度的纠正，而位置环外的各环节的误差，如丝杠的螺距误差、齿轮间隙引起的运动误差均难以消除，因此，其精度比开环系统的精度好，比闭环要差。但可对这类误差进行补偿，仍可获得满意的精度。

半闭环控制系统结构简单、调试方便、精度也较高、价格较低，因此应用较为广泛。目前，通常将角位移检测元件和伺服电动机设计成一个部件，使用起来十分方便。现在大多数中小型数控机床都采用半闭环控制系统。

1.3.4　按功能水平分类

按数控系统的功能水平，通常把数控机床分为低、中、高3个档次，其功能及指标见表1-2。这种分类方法目前并无明确的定义和确切的分类界限，不同国家对该分类的含义也不同，不同时期的此类含义也在不断发展变化。

1.低档型数控机床

低档型数控机床又称经济型数控机床，其伺服驱动一般由步进电动机实现开环驱动，功能比较简单，价格比较低廉，能满足一般精度要求的加工，能加工形状较简单的直线、斜线、圆弧及带螺纹的零件。一般控制的轴数和联动轴数为3或小于3，脉冲当量（系统分辨率）多为10µm，进给速度小于10m/min，数控系统采用单板机或单片机，具有数码管显示、CRT字符显示功能，有的还配有RS232C通信接口。

2.中档型数控机床

中档型数控机床又称标准型数控机床或普及型数控机床，此类机床采用直流/交流伺服电动机实现半闭环驱动，能实现四轴或四轴以下的联动控制，脉冲当量为1µm，进给速度为15～24m/min，一般采用16位或32位微处理器，配有RS232C通信接口、DNC接口和内装PLC，具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等。

3.高档型数控机床

高档型数控机床是指能加工复杂形状零件的、多轴联动的数控机床，其功能强，工序集中，自动化程度高。高档型数控机床一般采用32位以上微处理器，形成多微处理器结构；采用数字化交流伺服电动机或直线电动机形成闭环驱动，具有主轴伺服功能，能实现五轴或五轴以上联动，脉冲当量为0.1～1µm，进给速度可达100m/min及以上；具有友好的图形用户界面和三维动画功能，能进行加工仿真，同时具有智能监控、智能诊断和智能工艺数据库等功能；配有制造自动化协议（Manufacturing Automation Protocol，MAP）等通信接口，能实现计算机联网和通信。

1.3.5　按联动轴数分类

数控机床有时需要同时控制多个坐标轴协调运动，这种控制称为多轴联动控制。根据数控系统可实现的联动轴数，数控机床可分为两轴联动数控机床、两轴半联动数控机床、三轴联动数控机床及多轴联动数控机床。数控机床的联动轴数越多，控制系统越复杂，加工能力就越强。

1.两轴联动数控机床

两轴联动数控机床是指能同时控制两个坐标轴联动加工的数控机床，例如，数控车床可同时控制 X 轴和 Z 轴方向的运动，实现两轴联动。图1-30（a）所示为采用两轴联动车削加工具有各种曲线轮廓的回转体零件。有的数控铣床虽然有 X 、 Y 、 Z 轴3个方向的运动，但数控装置只能同时控制两个坐标轴，实现两轴联动。图1-30（b）所示为采用两轴联动铣削加工平面轮廓，图1-30（c）所示为通过坐标平面的变换，以两轴联动铣削加工零件的沟槽。

2.两轴半联动数控机床

两轴半联动是指在两轴联动的基础上增加第三轴的步进移动，即只有在数控机床两轴联动加工完毕之后固定不动时，第三轴才可以周期性进给一小步。如图1-31（a）所示，在 XOZ 平面内 X 、 Y 两轴联动加工，刀具在 Y 轴方向上作周期性进给运动。这种方式可以用来加工三维空间曲面。两轴半联动加工方法本质是采用两轴联动实现分层轮廓铣削加工的，如图1-31（b）所示。由于计算简单、占用微处理器的时间较少，故数控加工的速度较快，但加工精度不高，因此常用于轮廓表面的粗铣加工。

3.三轴联动数控机床

三轴联动数控机床是指具有真正能够同时控制3个坐标轴联动运动控制功能的数控机床，适用于高精度曲面的加工，铣削加工三维空间曲面如图1-32（a）所示。对型腔模具表面采用两轴半联动粗加工后，可以采用三轴联动完成轮廓曲面的精铣加工，如图1-32（b）所示。

通常3轴联动数控机床可以实现两轴联动加工、两轴半联动加工、三轴联动加工。

3轴联动数控机床一般分为两类：一类就是 X 、 Y 、 Z 3个直线坐标轴联动，多用于数控铣床、加工中心等；另一类是除了同时控制 X 、 Y 、 Z 中的两个直线坐标轴，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转，如车削加工中心，它除了控制 Z 、 X 两个直线坐标轴联动，还需要同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（ C 轴）联动，也就是在普通数控车床的基础上，增加了 C 轴和动力刀具系统，使数控车床的加工功能大大增强，除了可以进行一般车削加工，还可以进行径向和轴向铣削加工、曲面铣削加工，以及中心线不在零件回转中心的孔和径向孔的钻削加工等。

4.多轴联动数控机床

多轴联动数控机床是指能同时控制3个以上坐标轴联动运动的数控机床。多轴联动数控机床的结构复杂，CNC系统的功能强大，精度要求高，程序编制困难，适用于加工形状特别复杂的异型曲面零件，如直纹扭曲面、叶轮叶片表面等。

多轴联动加工示意如图1-33所示，其中，四轴联动加工为“3+1”形式，即3个直线坐标轴（ X 、 Y 、 Z 轴）和1个旋转坐标轴（如 B 轴，用于刀具摆动）；五轴联动加工为“3+2”形式，即3个直线坐标轴（ X 、 Y 、 Z 轴）和2个旋转坐标轴（如 B 轴和 C 轴，用于刀具摆动和工作台回转）。

图1-34所示为五轴联动数控机床，其中工作台可以作 X 、 Y 两个轴方向的直线运动和沿 C 轴方向的转动；主轴箱可以作 Z 轴方向的直线运动和沿 B 轴方向的摆动；主轴带动刀具旋转。主轴的旋转是工件表面成形运动中的主运动，其他五种运动是工件表面成形运动中的进给运动。对图1-35所示的整体叶轮，就需要采用五轴联动加工中心进行加工。

五轴联动数控机床可能仅仅用到两轴联动、两轴半联动、三轴联动、或四轴联动的加工功能，这要根据实际加工需要而定。