数控机床的分类和基本结构

⑴ 点位控制的数控机床
       点位控制只要求控制机床的移动部件从一点移动到另一点的准确定位，对于点与点之间的运动轨迹的要求并不严格，在移动过程中不进行加工，各坐标轴之间的运动是不相关的。为了实现既快又精确的定位，两点间位移的移动一般先快速移动，然后慢速趋近定位点，以保证定位精度，如下图 所示，为点位控制的运动轨迹。

具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控铣床、数控冲床等。随着数控技术的发展和数控系统价格的降低，单纯用于点位控制的数控系统已不多见。
       ⑵ 直线控制数控机床
       直线控制数控机床也称为平行控制数控机床，其特点是除了控制点与点之间的准确定位外，还要控制两相关点之间的移动速度和路线（轨迹），但其运动路线只是与机床坐标轴平行移动，也就是说同时控制的坐标轴只有一个（即数控系统内不必有插补运算功能），在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削，一般只能加工矩形、台阶形零件。

其有直线控制功能的机床主要有比较简单的数控车床、数控铣床、数控磨床等。这种机床的数控系统也称为直线控制数控系统。同样，单纯用于直线控制的数控机床也不多见。

⑶ 轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床也称连续控制数控机床，其控制特点是能够对两个或两个以上的运动坐标的位移和速度同时进行控制。

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。

因此在这类控制方式中，就要求数控装置具有插补运算功能．所谓插补就是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，把直线或圆弧的形状描述出来，也就是一边计算，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要求的轮廓相符合在运动过程中刀具对工件表面进行连续切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工．轮廓控制的加工轨迹。

这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机冰、加工中心等，其相应的数控装置称为轮廓控制数控系统根据它所控制的联动坐标轴数不同，又可以分为下面几种形式 

① 二轴联动：主要用于数控车床加工旋转曲面或数控铣床加工曲线柱面。

② 二轴半联动：主要用于三轴以上机床的控制，其中两根轴可以联动，而另外一根轴可以作周期胜进给。

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，比较多的用于数控铣床、加工中心等．另一类是除了同时控制 X /Y/Z 中两个直线坐标外，还同时控制围绕其中某一直线坐标轴旋转的旋转坐标轴。

如车削加工中心，它除了纵向（Z轴）、横向（X轴）两个直线坐标轴联动外，还需同时控制围绕 Z 轴旋转的主轴（C轴）联动。

④四轴联动：同时控制X /Y/Z 三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。

⑤ 五轴联动：除同时控制 X /Y/Z 三个育线坐标轴联动外．还同时控制围绕这这些直线坐标轴旋转的 A 、 B 、 C 坐标轴中的两个坐标轴，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．

比如控制刀具同时绕 x 轴和 Y 轴两个方向摆动，使得刀具在其切削点上始终保持与被加工的轮廓曲面成法线方向，以保证被加工曲面的光滑性，提高其加工精度和加工效率，减小被加工表面的粗糙度。

三、 按伺服控制的方式分类

⑴ 开环控制数控机床

这类机床的进给伺服驱动是开环的，即没有检测反馈装置，一般它的驱动电动机为步进电机，步进电机的主要特征是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，并且电动机本身就有自锁能力．

数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驱动电路，它以变换脉冲的个数来控制坐标位移量，以变换脉冲的频率来控制位移速度，以变换脉冲的分配顺序来控制位移的方向。

因此这种控制方式的最大特点是控制方便、结构简单、价格便宜．数控系统发出的指令信号流是单向的，所以不存在控制系统的稳定性问题，但由于机械传动的误差不经过反馈校正，故位移精度不高。 

早期的数控机床均采用这种控制方式，只是故障率比较高，目前由于驱动电路的改进，使其仍得到了较多的应用。尤其是在我国，一般经济型数控系统和旧设备的数控改造多采用这种控制方式。另外，这种控制方式可以配置单片机或单板机作为数控装置，使得整个系统的价格降低。 

⑵ 闭环控制机床 

这类数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驱动电动机可采用直流或交流两种伺服电机，并需要配置位置反馈和速度反馈，在加工中随时检测移动部件的实际位移量，并及时反馈给数控系统中的比较器，它与插补运算所得到的指令信号进行比较，其差值又作为伺服驱动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。

按位置反馈检测元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环和半闭环两种控制方式。

① 全闭环控制

如图所示，其位置反馈装置采用直线位移检测元件（目前一般采用光栅尺），安装在机床的床鞍部位，即直接检测机床坐标的直线位移量，通过反馈可以消除从电动机到机床床鞍的整个机械传动链中的传动误差，从而得到很高的机床静态定位精度。

但是，由于在整个控制环内，许多机械传动环节的摩擦特性、刚性和间隙均为非线性，并且整个机械传动链的动态响应时间与电气响应时间相比又非常大．这为整个闭环系统的稳定性校正带来很大困难，系统的设计和调整也都相当复杂因此，这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标幢床、数控精密磨床等。

② 半闭环控制

如图所示，其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在伺服电动机或丝杠端部。由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此叫获得较稳定的控制特性。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方法来适当提高其精度．目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式

⑶ 混合控制数控机床

将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成混合控制的方案。如前所述，由于开环控制方式稳定性好、成本低、精度差，而全闭环稳定性差，所以为了互为弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用混合控制方式。采用较多的有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式

数控机床的基本结构

1、数控机床主要由三部分组成

（1）数控装置

完成NC程序的接收、将NC程序翻译为机器码、将机器码分解为电脉冲信号并发送到相应的执行器件等功能。 

（2）伺服系统 

包括伺服电动机及检测装置。数控机床的进给运动，是由数控装置经伺服系统控制的，数控机床的进给传动属伺服进给传动。所谓伺服，是指有关的传动或运动参数，均严格依照数控装置的控制指令实现的。数控机床的伺服系统，按其控制方式，可分为开环、半闭环和闭环三类。其中，开环最为简单。但如果负荷突变（如切深突增），或者脉冲频率突变（如加速、减速），则数控运动部件将可能发生"失步"现象，即丢失一定数目的进给指令脉冲，从而造成进给运动的速度和行程误差。故该类控制方式，仅限于精度不高的经济型中、小数控机床的进给传动。半闭环和闭环系统都有用于检查位置和速度指令执行结果的检测（含反馈）装置。半闭环的检测装置，安装在伺服电动机或传动丝杠上，闭环则将其装在运动部件上。由于丝杠螺距误差，以及受载后丝杠、轴承变形等影响，半闭环对检测结果的校正并不完全，控制精度比闭环要低一些。但从自动控制原理上看，控制运动部件是一个质量元件，传动机构因有变形，可视为弹性元件，两者构成一个振荡环节。显然，半闭环不包含这些环节，因而一般不会引起进给振荡。而闭环如果系统参数选取不合适，则有可能产生进给振荡，即运动不稳定。目前，一般数控机床的进给系统多为半闭环控制，闭环则用于精度要求较高的机床，如高精度镗铣加工中心。

（3）机床本体

指与普通机床相同或相似的部分，如机床外壳、工作台等。

目前绝大多数数控机床采用半闭环控制系统。不论数控机床与普通机床在整体布局上有多少相似之处，对任何一种数控机床都必须具备普通机床不可能有的两大部分：一是数控机床的"指挥系统"--数控系统；二是使数控机床执行运动的驱动系统--伺服系统。