對于數(shù)控機床來說，數(shù)控系統(tǒng)就像大腦一樣負責處理信息并控制機床的動力。當要加工的零件形狀不規(guī)則時，插補運算可以解決；而當零件的形狀特殊，機床的刀具無法進行切削時，五坐標聯(lián)動技術就派上了用場。
 

　　一提到工業(yè)，zui基礎的就是制造。
 

　　而所謂制造就是把各種各樣的東西從原材料變成零件再裝配成產(chǎn)品。
 

　　在傳統(tǒng)的金屬加工領域，零件的制造就是火星四濺的鑄鍛焊以及硬碰硬的車銑刨磨鉗，我們生活中見到的任何一個稍微有些形狀的金屬，在我們見到之前，都已經(jīng)在工廠經(jīng)歷了多次鐵與火的淬煉。
 

　　既然金屬零件是機器制造的，那么機器又是如何制造的呢？原來，它是通過機床完成的。
 

　　(一)從機床到數(shù)控機床，機器不再無腦干活
 

　　機床是其他機器的“母機”。
 

　　煉鋼廠出產(chǎn)的鋼鐵并不是我們在生活中見到的各種奇奇怪怪的形狀，而是板材、管材、鑄錠等等形狀比較規(guī)則的材料，這些材料要加工成各種形狀的零件就需要使用機床進行切削；還有一些精度要求較高和表面粗糙度要求較細的零件，就要在機床上用精細繁復的工藝切出來或者磨出來。
 

　　和所有的機器一樣，zui初的機床包括動力裝置、傳動裝置和執(zhí)行裝置，靠電機轉動輸入動力，通過傳動裝置帶著被加工的工件或者刀具進行相對運動，至于在哪兒下刀、切多少、多快速度切等等問題，則由人在加工過程中直接進行控制。
 

　　由于傳統(tǒng)機床使用的電機的轉速在工作時基本上是不變的，為了實現(xiàn)不同的切削速度，傳統(tǒng)的機床設計了極為復雜的傳動系統(tǒng)。這種復雜度的機械在現(xiàn)今的設計中已經(jīng)不多見了。
 

　　而隨著伺服電機(伺服電機就是可以在一定范圍內控制電機的位置和轉速的電機)技術的發(fā)展及其在數(shù)控機床上的應用，直接控制電機的轉速變得方便快捷效率高，而且基本上是無級變速，傳動系統(tǒng)的結構大大簡化，甚至出現(xiàn)了很多環(huán)節(jié)電機直接連接到執(zhí)行機構上，而省略了傳動系統(tǒng)。
 

　　這種“直接驅動”的模式是現(xiàn)在機械設計領域的一大趨勢。
 

　　結構的簡化還不夠，要實現(xiàn)各種各樣的形狀的零件的加工，還需要讓機床可以、準確的控制多臺電機合作完成整個加工過程。
 

　　這就要讓機床成為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這個腦子就是數(shù)控系統(tǒng)，數(shù)控系統(tǒng)的水平高低決定了數(shù)控機床能干多復雜、多精密的活兒，也決定了這臺機床和他的操作者的身價。
 

　　(二)數(shù)控系統(tǒng)能干嘛？處理信息并控制動力
 

　　數(shù)控系統(tǒng)(Numerical Controller System)是數(shù)控機床的大腦。
 

　　對于一般數(shù)控機床而言，往往包含人機控制界面、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動裝置、機床、檢測裝置等等，操作人員在一些計算機輔助制造軟件的幫助下，將加工過程所需的各種操作(如主軸變速等步驟以及工件的形狀尺寸)用零件程序代碼表示，并通過人及控制界面輸入到數(shù)控機床，之后由數(shù)控系統(tǒng)對這些信息進行處理和運算，并按零件程序的要求控制伺服電機，實現(xiàn)刀具與工件的相對運動，以完成零件的加工。
 

　　數(shù)控系統(tǒng)完成諸多信息的存儲和處理的工作，并將信息的處理結果以控制信號的形式傳給后續(xù)的伺服電機，這些控制信號的工作效果依賴于兩大核心技術：一個是曲線曲面的插補運算，一個是機床多軸的運動控制。
 

　　(三)零件形狀太“自由”？靠插補運算搞定
 

　　如果運動軌跡可以用解析式表達，則整個運動就可以分解為幾個坐標的獨立運動的合成運動，就可以直接控制電機生成了。
 

　　但是制造過程中很多零件的形狀可以說是十分“自由”的，既不圓、也不方，甚至都不知道是什么形狀，例如汽車、輪船、飛機、模具、藝術品等產(chǎn)品常遇到不能用解析式描述的曲線曲面，這類曲線曲面稱為自由曲線(Free Form Curves)或自由曲面。
 

　　要切出來這些“自由”的形狀，刀具和工件之間的相對運動也相應的十分復雜。具體到操作中，就是要控制工件臺、刀具都按照設計好的位置-時間曲線進行運動，控制這二者在規(guī)定的時間以的姿態(tài)到達的位置。
 

　　機床可以在工件和刀具之間很好地完成直線段、圓弧或其他的有解析式的樣條曲線的相對運動，而這種復雜的“自由”運動又該怎么完成呢？答案是依靠插補運算。
 

　　所謂插補，就是按照一定方法確定數(shù)控機床上刀具的運動軌跡的過程。根據(jù)給定的速度和軌跡，在軌跡的已知點之間，增加一些新的中間點，并控制工件臺和刀具通過這些中間點，進而就能完成整個運動。
 

　　而這些中間點之間，則通過線段、圓弧或者樣條曲線等來連接。相當于用數(shù)段微小的線段和圓弧去逼近要求的曲線和曲面，這就是插補的本質。
 

　　流行的插補算法包括逐點比較法、數(shù)字增量法等，而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精度好而得到了數(shù)控機床的青睞。
 

　　(四)刀的姿態(tài)不對無法加工？五坐標聯(lián)動分分鐘搞定
 

　　加工復雜曲面不光要理論上可以加工，還需要考慮刀具和被加工的表面之間的相對位置關系。
 

　　一方面如果刀具的姿態(tài)不合適會導致加工的表面質量低下；另一方面刀具還會和加工好的零件結構互相干涉，不調整刀具的相對姿態(tài)根本沒有辦法加工。這就需要賦予數(shù)控機床更多的運動自由度，使之更為靈巧。
 

　　由于我們所處的三維空間的相對運動只包含六個自由度(3個平動自由度以及3個轉動自由度)，五坐標聯(lián)動就是使數(shù)控機床在具有空間上x、y、z三個方向的平動自由度外，又增加了兩個方向的轉動的自由度，再加上刀具本身的用于切削的轉動自由度，這樣刀具和工件之間的相對運動就有了全部的六個自由度，使得刀具和工件之間可以呈現(xiàn)任意的相對位置和相對姿態(tài)。
 

　　如上圖所示，雖然圖中標了4個平動自由度，但是其實質上也只是實現(xiàn)了x、y、z三個方向的運動，有一個自由度是冗余的，其實質上是一個五坐標聯(lián)動機床。
 

　　(五)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)：逐漸邁向市場
 

　　中國是當今世界機床制造大國，數(shù)控系統(tǒng)在性能、功能和成套化應用方面均取得了長足進步。
 

　　其中，低檔數(shù)控系統(tǒng)幾乎*取代了進口，中檔數(shù)控系統(tǒng)在系列化、商品化和產(chǎn)業(yè)化方面成效顯著。數(shù)控系統(tǒng)已突破實現(xiàn)了五軸聯(lián)動功能，并在六軸數(shù)控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復合機床等設備上得到了示范應用。
 

　　此外，中國企業(yè)針對零件(如手機殼)的大批量、表面光潔度高等特點，各自開發(fā)了多款系統(tǒng)和小型高速加工中心，大大降低了生產(chǎn)成本，該市場現(xiàn)已基本被國產(chǎn)系統(tǒng)和主機占領。
 

　　不過，還是應該看到，上的數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)有很多成熟的產(chǎn)品，與世界機床強國相比，中國的機床產(chǎn)品在機床市場的競爭力差距依然很大。
 

　　結語
 

　　雖然時下機床產(chǎn)業(yè)不夠景氣，但作為機器的母機，在中國大力發(fā)展智能制造產(chǎn)業(yè)的大背景下，智能機床產(chǎn)業(yè)也必將有光明的未來。
 

　　(作者| 陳俊宇，清華大學機械工程系博士研究生)