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数控机床的分类
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，按下面四种原则进行分类.
1、按机床运动的控制执进分类
(1)点位控制数控机床。点位控制数控机床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，从而保证定位精度.如图3.6所示为点位控制的加工轨迹。具有点位控制功能的机床主要有数控钻床、数控惶床和数控冲床等.
(2)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一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移动轨迹，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，在移位的过程中刀具能以指定的进给速度进行切削.其有直线控制功能的机床主要有数控车床、数控铣床和数控磨床等。
(3)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方向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，必须将各坐标方向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，通过数控系统内插补运算器的处理，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量，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连续进行切削，可以进行各种直线、圆弧、曲线的加工。轮廓控制的加工轨迹如图3.7所示。
& & 这类机床主要有数控车床、数控铣床、数控线切割机床和加工中心等，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，又可以分为下面儿种形式。
1)二轴联动。它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。它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性进给。如图3.8所示就是采用这种方式加工三维空问曲面的.
3)三轴联动。它一般分为两类，一类就是X,Y,Z三个直线坐标轴联动，比较多地用于数控铣床和加工中心等，如图3.9所示为用球头铣刀铣削三维空间曲面;另一类是除了同时控制X,Y,Z其中两个直线坐标轴外，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，还要同时控制围绕Z轴旋转的主轴(C轴)联动.
4)四轴联动。它同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与某一旋转坐标轴联动。如图3.10所示为同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴与一个工作台回转轴联动的数控机床。
5)五轴联动。除同时控制X,Y,Z三个直线坐标轴联动外，还同时控制围绕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，如图3.11所示.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。
2、按伺服系统拉制的方式进行分类
(1)开环控制数控机床.开环控制数控机床的进给伺服驱动是开环的，即没有枪测反馈装置，一般它的49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. 12所示，数控系统输出的进给指令信号通过脉冲分配器来控制驭动电路.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。因为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，因而位移精度不高。
(2)闭环控制数控机床。闭环控制数控机床的进给伺服驱动是按闭环反馈控制方式工作的，其驭动电动机可采用直流或交流两种伺服电动机，并需要具有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，其差值又作为伺服驭动的控制信号，进而带动位移部件以消除位移误差。
& & 按位置反谈检侧元件的安装部位和所使用的反馈装置的不同，它又分为全闭环控制和半闭环控制两种控制方式。
1)全闭环控制。如图3. 13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)，安装在机床的工作台侧面，即直接检侧机床工作台坐标的直线位移M，并通过反馈消除从电动机到机床工作台的整个机械传动链中的传动误差，从而得到机床工作台的准确位置。这种全闭环控制方式主要用于精度要求很高的数控坐标惶床和数控精密磨床等。
2)半闭环控制。如图3. 14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，因此可获得较稳定的控制特性。理杠等机械传动误差不能通过反馈来随时校正，但是可以采用软件定仇补偿方法适当提高其精度。目前，大部分数控机床采用半闭环控制方式。
(3)混合控制数控机床。将上述控制方式的特点有选择地集中，可以组成棍合控制的方案。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.因此，为了互相弥补，以满足某些机床的控制要求，宜采用很合控制方式.采用较多的控制方式有开环补偿型和半闭环补偿型两种方式。
3、按数控系统的功能水平分类
& & 按数控系统的功能水平，通常把数控系统分为低、中、高三档.这种分类方式，在我国用得较多.低、中、高三档的界限是相对的，不同时期，划分标准也会不同.就日前的发展水平看，可以根据表3. 1所示的一些功能及指标，将各种类IV的数控系统分为低、中、高档三类。其中，中、高档一般称为全功能数控或标准型数控。经济型数控属于低档数控，是指由单片机和步进电动机组成的数控系统，或其他功能简单、价格低的数控系统。经济型数控系统主要J月于车
床、线切割机床以及旧机床改造等。
4、按加工工艺及机床用途分类
(1)金属切削类。金属切削类数控机床指采用车、铣、长、铰、钻、磨、刨等各种切削工艺的数控机床。它又可分为以下两类。
1)普通型数控机床。如数控车床、数控铣床、数控磨床等。
2)加工中心。其主要特点是具有自动换刀机构和刀具库，工件经一次装夹后，通过自动更换各种刀具，在同一台机床上对工件各加工面连续进行铣〔车)、锐、铰、钻、攻螺纹等多种工序的加工，如(惶/铣类)加工中心、车削中心、钻削中心等。
(2)金属成形类.金属成形类数控机床指采用挤、冲、压、拉等成形工艺的数控机床.常用的有数控压力机、数控折弯机、数控弯管机、数控旋压机等。
(3)特种加工类。特种加工类数控机床主要有数控电火花线切割机、数控电火花成形机、数控火焰切割机、数控激光加工机等。
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所需积分：0& & 传统机床电气控制是接触式控制系统，由继电器、接触器、按钮、等组成，实现对机床的启动、停车、有极调速等控制。继电器接触式控制系统的优点是结构简单、维护方便、抗干扰强、价格低，因此广泛应用于各类机床和机械设备。目前，在我国继电器接触式控制仍然是机床和其他机械设备最基本的电气控制形式之一。
& & 　　在实际生产中，由于大量存在一些用开关量控制的简单的程序控制过程，而实际生产工艺和流程又是经常变化的，因而传统的继电器接触式控制系统常不能满足这种要求，因此曾出现了继电器接触控制和电子技术相结合的控制装置，叫做顺序控制器。它能根据生产需要改变控制程序，而又远比电子计算机结构简单，价格低廉，它是通过组合逻辑元件插接或编程来实现继电器接触控制的。但它的装置体积大，功能也受到一定限制。随着大规模和微处理机技术的发展及应用，上述控制技术也发生了根本性的变化，在上世纪70年代出现了将计算机的存储技术引入顺序控制器，产生了新型工业控制器&&可编程序控制器(PLC)，它兼备了计算机控制和继电器控制系统两方面的优点，故目前在世界各国已作为一种标准化通用装置普遍应用于工业控制。
& & 　　为解决占机械总加工量80％左右的单件和小批量生产的自动化难题，50年代出现了数控机床。它综合应用了电子、计算机、检测、自动控制和机床结构设计等各个技术领域的最新技术成就，它是典型的机电一体化产品。数控机床经过40年来的发展，品种日益增多，性能不断完善，其中以轮廓控制的数控机床和带有自动换刀装置和工作台能自动转位的数控加工中心发展更为迅速。数控机床由控制介质、数控装置、伺服系统和机床本体等部分组成，其中伺服系统的性能是决定数控机床加工精度和生产率的主要因素之一。
& & 二.&伺服系统在数控加工中的作用及组成
& & 　　在自动控制系统中，把输出量能以一定准确度跟随输入量的变化而变化的系统称为随动系统，亦称伺服系统。数控机床的伺服系统是指以机床移动部件的位置和速度作为控制量的自动控制系统，又称为随动系统。
& & 　　伺服系统由伺服驱动装置和驱动元件(或称执行元件伺服电机)组成，高性能的伺服系统还有检测装置，反馈实际的输出状态。
& & 　　数控机床伺服系统的作用在于接受来自数控装置的指令信号，驱动机床移动部件跟随指令脉冲运动，并保证动作的快速和准确，这就要求高质量的速度和位置伺服。以上指的主要是进给伺服控制，另外还有对主运动的伺服控制，不过控制要求不如前者高。数控机床的精度和速度等技术指标往往主要取决于伺服系统。
& & 三.伺服系统的基本要求和特点
& & 　　1.&对伺服系统的基本要求
& & 　　(1)稳定性好：稳定是指系统在给定输入或外界干扰作用下，能在短暂的调节过程后到达新的或者回复到原有平衡状态。
& & 　　(2)精度高：伺服系统的精度是指输出量能跟随输入量的精确程度。作为精密加工的数控机床，要求的定位精度或轮廓加工精度通常都比较高，允许的偏差一般都在&0.01～0.00lmm之间。
& & 　　(3)快速响应性好：快速响应性是伺服系统动态品质的标志之一，即要求跟踪指令信号的响应要快，一方面要求过渡过程时间短，一般在200ms以内，甚至小于几十毫秒；另一方面，为满足超调要求，要求过渡过程的前沿陡，即上升率要大。
& & 　　2.&伺服系统的主要特点
& & 　　(1)精确的检测装置：以组成速度和位置闭环控制。
& & 　　(2)有多种反馈比较原理与方法:根据检测装置实现信息反馈的原理不同，伺服系统反馈比较的方法也不相同。目前常用的有脉冲比较、比较和幅值比较3种。
& & 　　(3)高性能的伺服电动机(简称伺服电机)：用于高效和复杂型面加工的数控机床，伺服系统将经常处于频繁的启动和制动过程中。要求电机的输出力矩与转动惯量的比值大，以产生足够大的加速或制动力矩。要求伺服电机在低速时有足够大的输出力矩且运转平稳，以便在与机械运动部分连接中尽量减少中间环节。
& & 　　(4)宽调速范围的速度调节系统，即速度伺服系统：从系统的控制结构看，数控机床的位置闭环系统可看作是位置调节为外环、速度调节为内环的双闭环自动控制系统，其内部的实际工作过程是把位置控制输入转换成相应的速度给定信号后，再通过调速系统驱动伺服电机，实现实际位移。数控机床的主运动要求调速性能也比较高，因此要求伺服系统为高性能的宽调速系统。
& & 四.伺服系统的分类
& & 　　伺服系统按其驱动元件划分，有步进式伺服系统、直流电动机(简称直流电机)伺服系统、交流电动机(简称交流电机)伺服系统。按控制方式划分，有开环伺服系统、闭环伺服系统和半闭环伺服系统等，实际上数控系统也分成开环、闭环和半闭环3种类型，就是与伺服系统这3种方式相关。
& & 　　1.&开环系统
& & 　　图1是开环系统构成图，它主要由驱动，执行元件和机床3大部分组成。常用的执行元件是，通常称以步进电机作为执行元件的开环系统为步进式伺服系统，在这种系统中，如果是大功率驱动时，用步进电机作为执行元件。驱动电路的主要任务是将指令脉冲转化为驱动执行元件所需的信号。
& & 　　2.&闭环系统
& & 　　闭环系统主要由执行元件、检测单元、比较环节、驱动电路和机床5部分组成。其构成框图如图2所示。在闭环系统中，检测元件将机床移动部件的实际位置检测出来并转换成电信号反馈给比较环节。常见的检测元件有旋转、感应同步器、光栅、磁栅和盘等。通常把安装在丝杠上的检测元件组成的伺服系统称为半闭环系统；把安装在工作台上的检测元件组成的伺服系统称为闭环系统。由于丝杠和工作台之间传动误差的存在，半闭环伺服系统的精度要比闭环伺服系统的精度低一些。
& & 　　比较环节的作用是将指令信号和反馈信号进行比较，两者的差值作为伺服系统的跟随误差，经驱动电路，控制执行元件带动工作台继续移动，直到跟随误差为零。根据进入比较环节信号的形式以及反馈检测方式，闭环(半闭环)系统可分为脉冲比较伺服系统、相位比较伺服系统和幅值比较伺服系统3种。&
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