数控机床常见的五种分类

由送料机网（）收集和整理数控机床常见的五种分类第一种按用途分类1.金属切削类数控机床金属切削类数控机床有数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床、数控插齿机、数控镗铣床、数控凸轮磨床、数控磨刀机、数控曲面磨床等。磨削中心、加工中心（MC）是带有力库和自动换刀装置的数控机床，如加工中心数控磨床等。2.金属成形类数控机床金属成形类数控机床有数控折弯机、数控弯管机、数控液压成形机和数控压力机等。3.数控特种加工机床数控特种加工机床有数控线切割机床、数控电火花加工机床、数控电脉冲机床、数控激光加工机床等。4.其他类型的数控机床如水射流切割机、鞋样切割机、雕刻机、数控三坐标测量机等。第二种按运动方式分类1.点位控制数控机床如图3-1所示，点位控制数控机床的特点是数控装置只控制刀具或工作台从某一加工位置移到另一个加工位置的精确坐标位置，然后进行定点加工。在移动和定位过程中对于轨迹不进行严格控制，且不进行任何切削加工。机床数控系统只需控制行程终点的坐标值，不管由送料机网（）收集和整理运动轨迹，因此几个坐标轴之间的运动不需任何联系。为了尽可能地减少移动部件的运动时间，并提高定位精度，移动部件首先快速移动，到接近终点坐标时降速，准确移动到终点定位。这类数控机床主要有数控坐标镗床、数控钻床、数控冲床、数控点焊机以及数控弯管机等。其相应的数控装置称之为点位数控装置，点位数控装置的控制系统比较简单。2.直线控制数控机床如图3-1所示，直线控制数控机床的特点是，机床移动部件不仅要实现由一个位置到另一个位置的精确移动定位，而且能够在移动中以给定的进给速度实现平行坐标轴方向的直线切削加工运动。直线控制数控机床虽然扩大了点位控制数控机床工艺范围，但它的应用仍然受到了很大的限制。这类数控机床主要有简易数控车床、数控镗铣床和数控磨床等，相应的数控装置称之为直线数控装置。图3-1点位控制数控机床3.轮廓控制数控机床轮廓控制数控机床又称为连续控制数控机床或轨迹控制数控机床。这类机床能够对两个或两个以上坐标轴同时进行严格加工控制，即不仅控制每个坐标的行程位置，而且要控制整个加工过程中每个坐标的速度与位移；也就是说，要控制图3-2直线控制数控机床由送料机网（）收集和整理刀具移动轨迹，将工件加工成一定的轮廓形状。各坐标的运动按规定的比例关系相互配合，精确地协调起来连续进行加工，以最小的误差逼近规定的直线、斜线或轮廓曲线、曲面。图3-3所示为坐标轮廓控制数控机床的工作原理图。图3-3轮廓控制数控机床a)数控车削b)数控铣削常用的数控车床、数控铣床、数控磨床是典型的轮廓数控机床，它们可代替所有类型的仿形加工，提高加工精度和生产率，缩短生产准备时间。数控火焰切割机、电火花加工机床以及数控绘图机等也都采用了轮廓控制系统。轮廓控制系统的控制结构要比点位直线控制系统更为复杂，在加工过程中需要不断进行插补运算，然后进行相应的速度与位移控制。由控制坐标轴的数量可以分为2轴控制、2.5轴控制、3轴控制、4轴控制、5轴控制等，如图3-4图--3-6所示。图3-42.5轴加工空间曲面由送料机网（）收集和整理图3-42.5轴联动数控铣床加工图3-53轴联动的数控加工第三种按控制原理分类1.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动机，步进电动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，其控制系统的框图如图3-7所示图3-7开环控制系统框图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由送料机网（）收集和整理控制坐标位移量，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。2.闭环控制数控机床如图3-8所示，闭环控制系统是在机床移动部件位置上直接装有直线位置检测装置（如光栅尺），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。将检测到的实际位移值反馈到数控装置的比较器中，与输入的原指令位移值进行比较，用比较后的差值控制移动部件作补充位移，直到差值消除时才停止修正移动，达到精确定位。图3-8闭环控制系统框图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，这由送料机网（）收集和整理种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的超精车床、镗铣床、超精铣床、数控精密磨床和精密加工中心等。3.半闭环控制数控机床这种系统是闭环系统的一种派生，如图3-9所示。它与闭环系统的不同之处在于，其位置反馈采用转角检测元件（目前主要采用编码器等），直接安装在传动链的旋转部位（如伺服电动机或滚珠丝杠端部）。它所检测得到的不是工作台的实际位移量，而是与位移量有关的旋转轴的转角量，然后反馈到数控装置的比较器中，与输入原指令位移值进行比较，用比较后的差值进行控制，使移动部件补充位移，直到差值消除为止，其精度比闭环系统稍差。图3-9半闭环控制系统框图由于大部分机械传动环节未包括在系统闭环环路内，因此可获得较稳定的控制特性。但是丝杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，可采用软件定值补偿方法来适当提高其精度。这种系统结构简单，便于调整，检测元件价格也较低，因而是目前广泛使用的一种数控系统。第四种按数控系统类型分类1.经济型数控系统（又称简易数控系统）这一档次的数控机床仅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、圆由送料机网（）收集和整理弧及带螺纹的零件，采用的微机系统为单板机或单片机系统，具有数码显示、CRT字符显示功能，机床进给由步进电动机实现开环驱动，控制的轴数和联动轴数在3轴或3轴以下。2.普及型数控系统（通常称之为全功能数控系统）这类数控系统功能较多，除了具有一般数控系统的功能以外，还具有一定的图形显示功能及面向用户的宏程序功能等，采用的微机系统为16位或32位微处理机，具有RS-232C通信接口，机床的进给多用交流或直流伺服驱动，一般系统能实现4轴或4轴以下联动控制。3.高档数控系统采用的微机系统为32位以上微处理机系统，机床的进给大多采用交流伺服驱动，除了具有一般数控系统的功能以外，应该至少能实现5轴或5轴以上的联动控制。具有三维动画图形功能和宜人的图形用户界面，同时还具有丰富的刀具管理功能、宽调速主轴系统、多功能智能化监控系统和面向用户的宏程序功能，还有很强的智能诊断和智能工艺数据库，能实现加工条件的自动设定，且能实现与计算机的联网和通信。4.基于PC的开放式数控系统用通用微机技术开发数控系统可以得到强有力的硬件与软件支持，这些软件和硬件的技术是开放式的，此时的通用微机除了具备本身的功能外，还具备了全功能数控系统的所有功能。第五种插补原理1.插补的基本概念机床数字控制的核心问题，就是如何控制刀具或工件的运动。对于平面曲线的运动轨迹需要两个运动坐标协调的运动，对于空间曲线或立体曲面则要求3个以上运动坐标产生协调的由送料机网（）收集和整理运动，才能走出其轨迹。数控加工时，只要按规定将信息送入数控装置就能进行控制。输入信息可以用直接计算的方法得出，如y=f(x)的轨迹运动，可以按精度要求递增给出y值，然后按函数式算出x值。只要定出x的范围，就能得到近似的轨迹，正确控制x、y向速比，就能走出精确的轨迹来。但是，这种直接计算方法，曲线阶次越高，计算就越复杂，速比也越难控制。另外，还有一些用离散数据表示的曲线，曲面（列表曲线、曲面）又很难计算。所以数控加工不采用这种直接计算方法作为控制信息的输入。机床上进行轮廓加工的各种工件，一般都是由一些简单的、基本的几何元素（直线、圆弧等）构成。若加工对象由其他二次曲线和高次曲线组成，可以采用一小段直线或圆弧来拟合（有些场合，需要抛物线或高次曲线拟合），就可以满足精度要求。这种拟合的方法就是“插补”。它实质上是根据有限的信息完成“填补空白”的“数据密化”的工作，即数控装置依据编程时的有限数据，按照一定方法产生基本线型（直线、圆弧等），并以此为基础完成所需要轮廓轨迹的拟合工作。可见数控系统根据零件轮廓线型的有限信息，计算出刀具的一系列加工点，完成所谓的数据“密化”工作。插补有两层意思：一是用小线段逼近产生基本线型（如直线、圆弧等）；二是用基本线型拟合其他轮廓曲线。无论是普通数控（硬件数控NC）系统，还是计算机数控（CNC、MNC）系统，都必须有完成“插补”功能的部分，能完成插补工作的装置叫插补器。NC系统中插补器由数字电路组成，称为硬件插补；而在CNC系统中，插补器功能由软件来实现，称为软件插补。2.插补方法在数控系统中，常用的插补方法有逐点插补法、数字积分法、时间分割法等。现将数控系统中用得最多的方法———逐点比较法的插补过程和直线圆弧插补运算方法简介如下。逐点比较法又称代数运算法、醉步法。这种方法的基本原理是：计算机在控制加工过程中，能逐点地计算和判别加工误差，与规定的运动轨迹进行比较，由比较结果决定下一步的移动方向。逐点比较法既可以作直线插补，又可以作圆弧插补。这种算法的特点是，运算直观，插由送料机网（）收集和整理补误差小于一个脉冲当量，输出脉冲均匀，而且输出脉冲的速度变化小，调节方便，因此在两坐标联动的数控机床中应用较为广泛。逐点比较法的插补原理可概括为“逐点比较，步步逼近”八个字。逐点比较法的插补过程分为四个步骤：1)偏差判别。根据偏差值判断刀具当前位置与理想线段的相对位置，以确定下一步的走向。2）坐标进给。根据判别结果，使刀具向x或y方向移动一步。3)偏差计算。当刀具移到新位置时，再计算与理想线段间的偏差，以确定下一步的走向。4)终点判别。判断刀具是否到达终点，未到终点，则继续进行插补；若已达终点，则插补结束。(1)直线插补如图3-10所示是应用逐点比较法插补原理进行直线插补的情形。机床在某一程序中要加工一条与x轴夹角为a的OA直线，在数控机床上加工时，刀具的运动轨迹不是完全严格地走OA直线，而是一步一步地走阶梯折线，折线与直线的最大偏差不超过加工精度允许的范围，因此这些折线可以近似地认为是OA直线。由送料机网（）收集和整理图3-10直线插补我们规定：当加工点在OA直线上方或在OA直线上，该点的偏差值Fn≥0；若在OA直线的下方，即偏差值Fn＜0。机床数控装置的逻辑功能，根据偏差值能自动判别走步当Fn≥0时朝+x方向进给一步；当Fn＜0时，朝+y方向进给一步，每走一步自动比较一下，边判别边走步，刀具依次以折线0-1-2-3-4-....-A逼近OA直线。就这样，从O点起逐点穿插进给一直加工到A点为止。这种具有沿平滑直线分配脉冲的功能叫作直线插补，实现这种插补运算的装置叫做直线插补器。（2）圆弧插补如图3-11所示是应用逐点比较法插补原理进行圆弧插补的情形。机床在某一程