一篇文章看懂數控機床的加工原理
一提到工業，最基礎的就是製造。
而所謂製造就是把各種各樣的東西從原材料變成零件再裝配成產品。
圖：火星四濺的熱加工：鑄造
在傳統的金屬加工領域，零件的製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，都已經在工廠經歷了多次鐵與火的淬鍊。
圖：硬碰硬的冷加工：車削
既然金屬零件是機器製造的，那麼機器又是如何製造的呢？原來，它是通過機床完成的。
（一）從機床到數控機床，機器不再無腦幹活
機床是其他機器的「母機」。
鍊鋼廠出產的鋼鐵並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複的工藝切出來或者磨出來。
圖：形狀複雜、製造精度和表面粗糙度要求極高的零件：燃氣機葉輪
和所有的機器一樣，最初的機床包括動力裝置、傳動裝置和執行裝置，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，至於在哪兒下刀、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。
圖：傳統裝備的三大核心裝置
由於傳統機床使用的電機的轉速在工作時基本上是不變的，為了實現不同的切削速度，傳統的機床設計了極為複雜的傳動系統。這種複雜度的機械在現今的設計中已經不多見了。
圖：傳統機床（x5032型立式銑床）的傳動結構十分複雜
而隨著伺服電機（伺服電機就是可以在一定範圍內精確控制電機的位置和轉速的電機）技術的發展及其在數控機床上的應用，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，傳動系統的結構大大簡化，甚至出現了很多環節電機直接連接到執行機構上，而省略了傳動系統。
這種「直接驅動」的模式是現在機械設計領域的一大趨勢。
圖：伺服電機直驅使得數控立式銑床的傳動結構大大簡化
結構的簡化還不夠，要實現各種各樣的形狀的零件的加工，還需要讓機床可以高效、準確的控制多台電機合作完成整個加工過程。
這就要讓機床成為有「腦子」的數控機床了。而這個腦子就是數控系統，數控系統的水平高低決定了數控機床能幹多複雜、多精密的活兒，也決定了這台機床和他的操作者的身價。
（二）數控系統能幹嘛？處理信息並控制動力
數控系統（Numerical Controller System）是數控機床的大腦。
圖：一般數控機床的組成
對於一般數控機床而言，往往包含人機控制界面、數控系統、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製造軟體的幫助下，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，並通過人及控制界面輸入到數控機床，之後由數控系統對這些信息進行處理和運算，並按零件程序的要求控制伺服電機，實現刀具與工件的相對運動，以完成零件的加工。
圖：數控機床的加工過程
數控系統完成諸多信息的存儲和處理的工作，並將信息的處理結果以控制信號的形式傳給後續的伺服電機，這些控制信號的工作效果依賴於兩大核心技術：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。
但是製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，甚至都不知道是什麼形狀，例如汽車、輪船、飛機、模具、藝術品等產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。
圖：包含自由曲面的零件
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複雜。具體到操作中，就是要控制工件台、刀具都按照設計好的位置-時間曲線進行運動，控制這二者在規定的時間以指定的姿態到達指定的位置。
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，而這種複雜的「自由」運動又該怎麼完成呢？答案是依靠插補運算。
圖：數控機床進行複雜曲面加工
所謂插補，就是按照一定方法確定數控機床上刀具的運動軌跡的過程。根據給定的速度和軌跡，在軌跡的已知點之間，增加一些新的中間點，並控制工件台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。相當於用數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。
流行的插補演算法包括逐點比較法、數字增量法等，而利用Nurbs樣條曲線進行插補因為其效率高、精度好而得到了高端數控機床的青睞。
（四）刀的姿態不對無法加工？五坐標聯動分分鐘搞定
加工複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係。
一方面如果刀具的姿態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根本沒有辦法加工。這就需要賦予數控機床更多的運動自由度，使之更為靈巧。
圖：空間中的六個自由度
由於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），五坐標聯動就是使數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於切削的轉動自由度，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任意的相對位置和相對姿態。
圖：一種五坐標聯動機床
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了x、y、z三個方向的運動，有一個自由度是冗餘的，其實質上是一個五坐標聯動機床。
（五）國產數控系統：逐漸邁向高端市場
中國是當今世界機床製造大國，數控系統在性能、功能和成套化應用方面均取得了長足進步。
其中，低檔數控系統幾乎完全取代了進口，中檔數控系統在系列化、商品化和產業化方面成效顯著。高檔數控系統已突破實現了五軸聯動功能，並在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑複合機床等設備上得到了示範應用。
此外，中國企業針對零件（如手機殼）的大批量、表面光潔度高等特點，各自開發了多款專用系統和小型高速加工中心，大大降低了生產成本，該市場現已基本被國產系統和主機佔領。
不過，還是應該看到，國際上的數控系統已經有很多成熟的高端產品，與世界機床強國相比，中國的機床產品在全球機床市場的競爭力差距依然很大。
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