数控机床控制

1.3.1　数控机床的分类

数控机床的规格较多，根据其加工范围、控制原理、功能和组成可以从以下几个不同的角度进行分类。

1.按工艺用途分类

（1）金属切削类数控机床

这类数控机床有数控车床、数控铣床、数控镗床、数控磨床、加工中心等。

（2）金属成型类数控机床

主要有数控折弯机、数控弯管机、数控转头压力机等。

（3）特种加工机床

主要有数控线切割机床、数控电火花机床、激光切割机床、超声（波）加工机床、电子束加工机床等。

（4）其他数控机床

有数控火焰切割机床、数控缠绕机、三坐标测量机等。

2.按运动轨迹分类

（1）点位控制数控机床

点位控制数控机床只控制刀具从一个点精确地移动到另一个点的准确位置，而对于两点之间的移动轨迹不进行控制，且移动过程中不进行切削加工。为了提高加工效率，这种机床常采用“快速趋近，减速定位”的方法实现控制，如数控钻床、数控铣床、数控冲床、数控镗床等。

（2）直线控制数控机床

直线控制数控机床不但要控制点与点之间的准确位置，而且还要控制刀具的移动轨迹是一条直线，且在移动的过程中刀具能以给定的速度进行切削，进给速度根据切削条件可在一定范围内变化。这类机床的刀具一般沿与坐标轴平行的方向或沿与坐标轴成45°的斜线方向作切削运动，如某些简单的数控车床、数控镗铣床等。

（3）轮廓控制数控机床

轮廓控制数控机床能同时对两个或两个以上的坐标轴的位置和速度进行实时连续控制，它不仅能控制机床移动部件起点与终点坐标，而且能控制整个轮廓每一个点的速度和位移，使其能够加工出任意的曲线、曲面。数控车床、铣床、线切割机床、加工中心等都属于此类机床。

3.按进给伺服系统的类型分类

（1）开环控制数控机床

图1-3是开环控制数控机床的工作原理图。这类数控机床的控制系统不带位置检测元件，无反馈回路，数控装置发出的指令是单向的，所以不存在系统稳定性。其驱动元件一般为反应式步进电动机或混合式步进电动机。数控装置每发出一个进给脉冲，经驱动电路功率放大后驱动步进电机转动一个角度，再经过齿轮减速机构带动丝杠旋转，通过丝杠螺母机构转化为移动部件的位移。步进电机的转角位移量和转速分别取决于数控装置发出脉冲的数目和频率，系统的精度则取决于步进电机的步距精度和机械传动精度，因此其精度低，但其线路简单，调整方便，成本较低，一般用于小型或经济型数控机床。

图1-3　开环控制数控机床的工作原理图

（2）闭环控制数控机床

图1-4是闭环控制数控机床的工作原理图。这类数控机床是在机床的移动部件上直接安装位移检测装置，直接检测工作台的实际位置，并实时反馈给数控装置，与输入的指令位置进行比较，利用差值控制伺服电机运行。这类机床可矫正全部传动链的误差，其加工精度很高，机床的精度主要取决于检测装置的精度。一般采用直流伺服电机或交流伺服电机，位置检测元件常用光栅尺、磁栅尺等。闭环控制的数控机床加工精度高、速度快，但调试和维护困难，成本高。

图1-4　闭环控制数控机床的工作原理图

（3）半闭环控制数控机床

图1-5是半闭环控制数控机床的工作原理图。这类数控机床是将位置检测元件安装在电动机或丝杠的轴端，通过测量电动机或丝杠的转角间接地检测机床移动部件的实际位移，然后反馈到数控装置中与数控装置的输入指令进行比较，用差值进行控制。这类机床可矫正传动链部分环节造成的误差，精度比开环高。一般采用直流伺服电机或交流伺服电机。半闭环控制数控机床结构简单、造价较低、不受机械传动装置的影响，容易获得稳定的控制特性，且调试方便，应用广泛。

图1-5　半闭环控制数控机床的工作原理图

4.按照数控装置的功能水平分类

通常把数控机床分为低、中、高档三类。低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分的标准会有所不同，就目前的发展水平看，可以根据表1-1的一些功能指标来划分。其中高、中档一般称为全功能数控或标准型数控。在我国还有经济型数控的提法，经济型数控属于低档数控，是指由单板机、单片机和步进电机组成的数控系统和其他功能简单、价格低的数控系统，主要用于车床、线切割机床以及旧机床改造等。

表1-1　不同档次数控功能及指标表