對(duì)于數(shù)控機(jī)床來說，數(shù)控系統(tǒng)就像大腦一樣負(fù)責(zé)處理信息并控制機(jī)床的動(dòng)力。當(dāng)要加工的零件形狀不規(guī)則時(shí)，插補(bǔ)運(yùn)算可以解決；而當(dāng)零件的形狀特殊，機(jī)床的刀具無法進(jìn)行切削時(shí)，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)技術(shù)就派上了用場(chǎng)。
 

　　一提到工業(yè)，zui基礎(chǔ)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(lǐng)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(gè)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(jī)器制造的，那么機(jī)器又是如何制造的呢？原來，它是通過機(jī)床完成的。
 

　　(一)從機(jī)床到數(shù)控機(jī)床，機(jī)器不再無腦干活
 

　　機(jī)床是其他機(jī)器的“母機(jī)”。
 

　　煉鋼廠出產(chǎn)的鋼鐵并不是我們?cè)谏钪幸姷降母鞣N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(jī)床進(jìn)行切削；還有一些精度要求較高和表面粗糙度要求較細(xì)的零件，就要在機(jī)床上用精細(xì)繁復(fù)的工藝切出來或者磨出來。
 

　　和所有的機(jī)器一樣，zui初的機(jī)床包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置和執(zhí)行裝置，靠電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)輸入動(dòng)力，通過傳動(dòng)裝置帶著被加工的工件或者刀具進(jìn)行相對(duì)運(yùn)動(dòng)，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(jìn)行控制。
 

　　由于傳統(tǒng)機(jī)床使用的電機(jī)的轉(zhuǎn)速在工作時(shí)基本上是不變的，為了實(shí)現(xiàn)不同的切削速度，傳統(tǒng)的機(jī)床設(shè)計(jì)了極為復(fù)雜的傳動(dòng)系統(tǒng)。這種復(fù)雜度的機(jī)械在現(xiàn)今的設(shè)計(jì)中已經(jīng)不多見了。
 

　　而隨著伺服電機(jī)(伺服電機(jī)就是可以在一定范圍內(nèi)控制電機(jī)的位置和轉(zhuǎn)速的電機(jī))技術(shù)的發(fā)展及其在數(shù)控機(jī)床上的應(yīng)用，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速變得方便快捷效率高，而且基本上是無級(jí)變速，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化，甚至出現(xiàn)了很多環(huán)節(jié)電機(jī)直接連接到執(zhí)行機(jī)構(gòu)上，而省略了傳動(dòng)系統(tǒng)。
 

　　這種“直接驅(qū)動(dòng)”的模式是現(xiàn)在機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。
 

　　結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)化還不夠，要實(shí)現(xiàn)各種各樣的形狀的零件的加工，還需要讓機(jī)床可以、準(zhǔn)確的控制多臺(tái)電機(jī)合作完成整個(gè)加工過程。
 

　　這就要讓機(jī)床成為有“腦子”的數(shù)控機(jī)床了。而這個(gè)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(jī)床能干多復(fù)雜、多精密的活兒，也決定了這臺(tái)機(jī)床和他的操作者的身價(jià)。
 

　　(二)數(shù)控系統(tǒng)能干嘛？處理信息并控制動(dòng)力
 

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

　　對(duì)于一般數(shù)控機(jī)床而言，往往包含人機(jī)控制界面、數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床、檢測(cè)裝置等等，操作人員在一些計(jì)算機(jī)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(jī)床，之后由數(shù)控系統(tǒng)對(duì)這些信息進(jìn)行處理和運(yùn)算，并按零件程序的要求控制伺服電機(jī)，實(shí)現(xiàn)刀具與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，以完成零件的加工。
 

　　數(shù)控系統(tǒng)完成諸多信息的存儲(chǔ)和處理的工作，并將信息的處理結(jié)果以控制信號(hào)的形式傳給后續(xù)的伺服電機(jī)，這些控制信號(hào)的工作效果依賴于兩大核心技術(shù)：一個(gè)是曲線曲面的插補(bǔ)運(yùn)算，一個(gè)是機(jī)床多軸的運(yùn)動(dòng)控制。
 

　　(三)零件形狀太“自由”？靠插補(bǔ)運(yùn)算搞定
 

　　如果運(yùn)動(dòng)軌跡可以用解析式表達(dá)，則整個(gè)運(yùn)動(dòng)就可以分解為幾個(gè)坐標(biāo)的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的合成運(yùn)動(dòng)，就可以直接控制電機(jī)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(jī)、模具、藝術(shù)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(duì)運(yùn)動(dòng)也相應(yīng)的十分復(fù)雜。具體到操作中，就是要控制工件臺(tái)、刀具都按照設(shè)計(jì)好的位置-時(shí)間曲線進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，控制這二者在規(guī)定的時(shí)間以的姿態(tài)到達(dá)的位置。
 

　　機(jī)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(duì)運(yùn)動(dòng)，而這種復(fù)雜的“自由”運(yùn)動(dòng)又該怎么完成呢？答案是依靠插補(bǔ)運(yùn)算。
 

　　所謂插補(bǔ)，就是按照一定方法確定數(shù)控機(jī)床上刀具的運(yùn)動(dòng)軌跡的過程。根據(jù)給定的速度和軌跡，在軌跡的已知點(diǎn)之間，增加一些新的中間點(diǎn)，并控制工件臺(tái)和刀具通過這些中間點(diǎn)，進(jìn)而就能完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)。
 

　　而這些中間點(diǎn)之間，則通過線段、圓弧或者樣條曲線等來連接。相當(dāng)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(bǔ)的本質(zhì)。
 

　　流行的插補(bǔ)算法包括逐點(diǎn)比較法、數(shù)字增量法等，而利用Nurbs樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)因?yàn)槠湫矢摺⒕群枚玫搅藬?shù)控機(jī)床的青睞。
 

　　(四)刀的姿態(tài)不對(duì)無法加工？五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)分分鐘搞定
 

　　加工復(fù)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(duì)位置關(guān)系。
 

　　一方面如果刀具的姿態(tài)不合適會(huì)導(dǎo)致加工的表面質(zhì)量低下；另一方面刀具還會(huì)和加工好的零件結(jié)構(gòu)互相干涉，不調(diào)整刀具的相對(duì)姿態(tài)根本沒有辦法加工。這就需要賦予數(shù)控機(jī)床更多的運(yùn)動(dòng)自由度，使之更為靈巧。
 

　　由于我們所處的三維空間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)只包含六個(gè)自由度(3個(gè)平動(dòng)自由度以及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度)，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)就是使數(shù)控機(jī)床在具有空間上x、y、z三個(gè)方向的平動(dòng)自由度外，又增加了兩個(gè)方向的轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度，再加上刀具本身的用于切削的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度，這樣刀具和工件之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)就有了全部的六個(gè)自由度，使得刀具和工件之間可以呈現(xiàn)任意的相對(duì)位置和相對(duì)姿態(tài)。
 

　　如上圖所示，雖然圖中標(biāo)了4個(gè)平動(dòng)自由度，但是其實(shí)質(zhì)上也只是實(shí)現(xiàn)了x、y、z三個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)，有一個(gè)自由度是冗余的，其實(shí)質(zhì)上是一個(gè)五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床。
 

　　(五)國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)：逐漸邁向市場(chǎng)
 

　　中國是當(dāng)今世界機(jī)床制造大國，數(shù)控系統(tǒng)在性能、功能和成套化應(yīng)用方面均取得了長(zhǎng)足進(jìn)步。
 

　　其中，低檔數(shù)控系統(tǒng)幾乎*取代了進(jìn)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(shí)現(xiàn)了五軸聯(lián)動(dòng)功能，并在六軸數(shù)控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復(fù)合機(jī)床等設(shè)備上得到了示范應(yīng)用。
 

　　此外，中國企業(yè)針對(duì)零件(如手機(jī)殼)的大批量、表面光潔度高等特點(diǎn)，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(chǎng)現(xiàn)已基本被國產(chǎn)系統(tǒng)和主機(jī)占領(lǐng)。
 

　　不過，還是應(yīng)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(jī)床強(qiáng)國相比，中國的機(jī)床產(chǎn)品在機(jī)床市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)力差距依然很大。
 

　　結(jié)語
 

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

　　(作者| 陳俊宇，清華大學(xué)機(jī)械工程系博士研究生)