1.2.3 数控机床的分类

1. 按加工路线分类

数控机床按刀具与工件相对运动的方式，可以分为点位控制机床、直线控制机床和轮廓控制机床，如图1-11所示。

（1）点位控制：点位控制方式就是刀具与工件相对运动时，只控制从一点运动到另一点的准确性，而不考虑两点之间的运动路径和方向，如图1-11（a）所示。这种控制方式多应用于数控钻床、数控冲床、数控坐标镗床和数控点焊机等。

（2）直线控制：直线控制方式就是刀具与工件相对运动时，除控制从起点到终点的准确定位外，还要保证平行坐标轴的直线切削运动。由于只做平行坐标轴的直线进给运动，因此不能加工复杂的工件轮廓，如图1-11（b）所示。这种控制方式用于简易数控车床、数控铣床、数控磨床。

（3）轮廓控制：轮廓控制就是刀具与工件相对运动时，能对两个或两个以上坐标轴的运动同时进行控制（多坐标联动），刀具的运动轨迹可为空间曲线，因此可以加工平面曲线轮廓或空间曲面轮廓，如图1-11（c）所示。在模具行业中，这类机床应用得较多，如三坐标以上的数控铣或加工中心。采用这类控制方式的数控机床有数控车床、数控铣床、数控磨床和加工中心等。

2. 按伺服系统控制方式分类

（1）开环控制机床：价格低廉，但精度及稳定性差。

（2）半闭环控制数控机床：精度及稳定性较高，价格适中，应用普及。

（3）闭环控制数控机床：精度高，但稳定性难以控制，价格高。

3. 按联动坐标轴数分类

（1）两轴联动数控机床：X、Y、Z三轴中任意两轴做插补联动，第三轴做单独的周期进刀，常称2.5轴联动。如图1-12所示，将X向分成若干段，圆头铣刀沿YZ面所截的曲线进行铣削，每一段加工完后进给ΔX，再加工另一相邻曲线，如此依次切削，即可加工出整个曲面，故称为行切法。根据表面粗糙度及刀头不干涉相邻表面的原则选择ΔX。行切法加工所用的刀具通常是球头铣刀（即指状铣刀）。用这种刀具加工曲面，不易干涉相邻表面，计算比较简单。球头铣刀的刀头半径应选得大一些，有利于提高加工光洁度、增加刀具刚度、散热等。但刀头半径应小于曲面的最小曲率半径。

用球头铣刀加工曲面时，总是用刀心轨迹的数据进行编程。图1-13所示为二轴联动三坐标行切法加工的刀心轨迹与切削点轨迹示意图。ABCD为被加工曲面，P平面为平行于YZ作表面的一个平行面，其刀心轨迹O₁O₂为曲面ABCD的等距面IJKL与行切面P_yz的交线，显然，O₁O₂是一条平面曲线。在这种情况下，曲面的曲率变化时，会导致球头铣刀与曲面切削点的位置随之改变，而切削点的连线ab是一条空间曲线，从而在曲面上形成扭曲的残留沟纹。由于2.5轴坐标加工的刀心轨迹为平面曲线，故编程计算较为简单，数控逻辑装置也不复杂，常用于曲率变化不大以及精度要求不高的粗加工。

（2）三轴联动数控机床：X、Y、Z三轴可同时插补联动。用三坐标联动加工曲面时，通常也用行切方法。如图1-14所示，三轴联动的数控刀轨可以是平面曲线或者空间曲线。三坐标联动加工常用于复杂曲面的精确加工（如精密锻模）。但编程计算较为复杂，所用的数控装置还必须具备三轴联动功能。

（3）四轴联动数控机床：除X、Y、Z三轴平动之外，还有工作台或者刀具的转动。如图1-15所示，侧面为直纹扭曲面。若在三坐标联动的机床上用球头铣刀按行切法加工时，不但生产率低，而且表面粗糙度差。为此，采用圆柱铣刀周边切削，并用四坐标铣床加工，即除三个直角坐标运动外，为保证刀具与工件形面在全长始终贴合，刀具还应绕O₁（或O₂）做摆角联动。由于摆角运动，导致直角坐标系（图1-15中Y）需做附加运动，其编程计算较为复杂。

（4）五轴联动数控机床：除X、Y、Z三轴的平动外，还有刀具旋转、工作台的旋转。螺旋桨是五坐标加工的典型零件之一，其叶片形状及加工原理如图1-16所示。在半径为R_i的圆柱面上与叶面的交线AB为螺旋线的一部分，螺旋角为ϕ_i，叶片的径向叶形线（轴向剖面）EF的倾角α为后倾角。螺旋线AB用极坐标加工方法并以折线段逼近。逼近线段mn是由C坐标旋转Δθ与Z坐标位移ΔZ的合成。当AB加工完后，刀具径向位移ΔX（改变R_i），再加工相邻的另一条叶形线，依次逐一加工，即可形成整个叶面。由于叶面的曲率半径较大，所以常用端面铣刀加工，以提高生产率并简化程序。因此，为保证铣刀端面始终与曲面贴合，铣刀还应做坐标A和坐标B形成的摆角运动，在摆角的同时，还应做直角坐标的附加运动，以保证铣刀端面中心始终处于编程值位置上，所以需要Z、C、X、A、B五坐标加工。这种加工的编程计算相当复杂。

图1-17所示为利用五轴联动铣床加工曲面形状零件。

（5）加工中心：它是在数控铣床上配置刀库，其中存放着不同数量的各种刀具或检具，在加工过程中由程序自动选用和更换，从而将铣削、镗削、钻削、攻螺纹等功能集中在一台设备上完成，使其具有多种工艺手段。

4. 按加工方式分类

按切削方式不同，可分为数控车床、数控铣床、数控钻床、数控镗床、数控磨床等。

有些数控机床具有两种以上切削功能，例如以车削为主兼顾铣、钻削的车削中心；具有铣、镗、钻削功能，带刀库和自动换刀装置的镗铣加工中心（简称加工中心）。

另外，还有数控电火花线切割、数控电火花成形、数控激光加工、等离子弧切割、火焰切割、数控板材成形、数控冲床、数控剪床、数控液压机等各种功能和不同种类的数控加工机床。

5. 按数控装置的类型分类

（1）硬件数控：早期的数控装置基本上都属于硬件数控（NC）类型，主要由固化的数字逻辑电路处理数字信息，于20世纪60年代投入使用。由于其功能少、线路复杂和可靠性低等缺点已经淘汰，因而这种分类没有实际意义。

（2）计算机数控：指用计算机处理数字信息的计算机数控（CNC）系统，于20世纪70年代初期投入使用。随着微电子技术的迅速发展，微处理器的功能越来越强，价格越来越低，现在数控系统的主流是微机数控系统（MNC）。根据数控系统微处理器（CPU）的多少，可分为单微处理器数控系统和多微处理器数控系统。

6. 按数控系统的功能水平分类

数控系统一般分为高级型、普及型和经济型三个档次。数控系统并没有确切的档次界限，其参考评价指标包括CPU性能、分辨率、进给速度、联动轴数、伺服水平、通信功能和人机对话界面等。

（1）高级型数控系统：该档次的数控系统采用32位或更高性能的CPU，联动轴数在五轴以上，分辨率≤0.1μm，进给速度≥24m/min（分辨率为1μm时）或进给速度≥10m/min（分辨率为0.1μm时），采用数字化交流伺服驱动，具有MAP高性能通信接口，具备联网功能，有三维动态图形显示功能。

（2）普及型数控系统：该档次的数控系统采用16位或更高性能的CPU，联动轴数在五轴以下，分辨率在1μm以内，进给速度≤24m/min，可采用交、直流伺服驱动，具有RS-232或DNC通信接口，有CRT字符显示和平面线性图形显示功能。

（3）经济型数控系统：该档次的数控系统采用8位CPU或单片机控制，联动轴数在3轴以下，分辨率为0.01mm，进给速度为6～8m/min，采用步进电动机驱动，具有简单的RS-232通信接口，用数码管或简单的CRT字符显示。