分享：动态图浅析数控机床工作原理

一提到工业，最基础的就是制造。而所谓制造就是把各种各样的东西从原材料变成零件再装配成产品。从我国数控机床市场看，受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展，对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求，数控机床行业成长迅猛数控机床是数字控制机床，是一种装有程序控制系统的自动化机床。根据数控机床的性能、档次的不同，数控机床产品可分为数控机床、中档数控机床、低档数控机床。数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。

机床作为“工业之母”，是一个国家制造业水平高低的象征。数控机床是由美国发明家约翰·帕森斯上个世纪发明的。随着电子信息技术的发展，世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。数控机床是一种能的，装有程序控制系统的自动化机床，能较好地解决复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，代表着现代机床控制技术的发展方向。

既然金属零件是机器制造的，那么机器又是如何制造的呢？原来，它是通过机床完成的。

(一)从机床到数控机床，机器不再无脑干活机床是其他机器的“母机”。

和所有的机器一样，最初的机床包括动力装置、传动装置和执行装置，靠电机转动输入动力，通过传动装置带着被加工的工件或者刀具进行相对运动，至于在哪儿下刀、切多少、多快速度切等等问题，则由人在加工过程中直接进行控制。

于传统机床使用的电机的转速在工作时基本上是不变的，为了实现不同的切削速度，传统的机床设计了极为复杂的传动系统。这种复杂度的机械在现今的设计中已经不多见了。

　这种“直接驱动”的模式是现在机械设计领域的一大趋势。

结构的简化还不够，要实现各种各样的形状的零件的加工，还需要让机床可以、准确的控制多台电机合作完成整个加工过程。

　这就要让机床成为有“脑子”的数控机床了。而这个脑子就是数控系统，数控系统的水平高低决定了数控机床能干多复杂、多精密的活儿，也决定了这台机床和他的操作者的身价。

(二)数控系统能干嘛？处理信息并控制动力数控系统是数控机床的大脑。

对于一般数控机床而言，往往包含人机控制界面、数控系统、伺服驱动装置、机床、检测装置等等，操作人员在一些计算机辅助制造软件的帮助下，将加工过程所需的各种操作(如主轴变速等步骤以及工件的形状尺寸)用零件程序代码表示，并通过人及控制界面输入到数控机床，之后由数控系统对这些信息进行处理和运算，并按零件程序的要求控制伺服电机，实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

数控系统完成工作效果依赖于两大核心技术：一个是曲线曲面的插补运算，一个是机床多轴的运动控制。

 (三)零件形状太“自由”？靠插补运算搞定

如果运动轨迹可以用解析式表达，则整个运动就可以分解为几个坐标的独立运动的合成运动，就可以直接控制电机生成了。

但是制造过程中很多零件的形状可以说是十分“自由”的，既不圆、也不方，甚至都不知道是什么形状，例如汽车、轮船、飞机、模具、艺术品等产品常遇到不能用解析式描述的曲线曲面，这类曲线曲面称为自由曲线或自由曲面。

所谓插补，就是按照一定方法确定数控机床上刀具的运动轨迹的过程。根据给定的速度和轨迹，在轨迹的已知点之间，增加一些新的中间点，并控制工件台和刀具通过这些中间点，进而就能完成整个运动。

而这些中间点之间，则通过线段、圆弧或者样条曲线等来连接。相当于用数段微小的线段和圆弧去逼近要求的曲线和曲面，这就是插补的本质。

流行的插补算法包括逐点比较法、数字增量法等，而利用Nurbs样条曲线进行插补因为其效率高、精度好而得到了数控机床的青睐。

 (四)刀的姿态不对无法加工？五坐标联动分分钟搞定

加工复杂曲面不光要理论上可以加工，还需要考虑刀具和被加工的表面之间的相对位置关系。

一方面如果刀具的姿态不合适会导致加工的表面质量低下；另一方面刀具还会和加工好的零件结构互相干涉，不调整刀具的相对姿态根本没有办法加工。这就需要赋予数控机床更多的运动自由度，使之更为灵巧。

　由于我们所处的三维空间的相对运动只包含六个自由度(3个平动自由度以及3个转动自由度)，五坐标联动就是使数控机床在具有空间上x、y、z三个方向的平动自由度外，又增加了两个方向的转动的自由度，再加上刀具本身的用于切削的转动自由度，这样刀具和工件之间的相对运动就有了全部的六个自由度，使得刀具和工件之间可以呈现任意的相对位置和相对姿态。

 (五)国产数控系统：逐渐迈向市场

中国是当今世界机床制造大国，数控系统在性能、功能和成套化应用方面均取得了长足进步。

随着技术的进步以及机床消费市场的升级，机床智能化正在成为机床企业的发展共识。我国机床行业由于发展问题，长期徘徊于机床消费中低端市场，如何提高机床制造水平，在高端市场更有作为，已经成为机床企业乃至机床行业亟需解决的问题。智能化概念的出现，无疑给了中国机床发展的机遇。从各大机床生产商发布的各类智能化产品来看，智能机床一般具有以下特征。

智能校准。区别于传统机床费时费力调校方式，智能机床依靠传感器、机电一体化等技术，实现对加工的几何误差检测，并自动确定误差补偿值。可以发现，智能校准的出现不仅大大降低了操作的难度，节约人力成本，还提高了加工的精度，以精确的感知弥补机床加工中的精度误差。

智能感知。机床的智能感知可以分为对环境的感知和对加工的感知两部分。对环境的感知包括对温度的感知、对力的感知等。如装备智能感知功能的机床将对加工中产生的热进行灵活应对，降低温度对精度的影响；可以在不必要的人机接触时作出反应，避免工伤意外发生。对加工的智能感知包括对工件状态的感知、对刀具状态的感知等。具体表现为在加工中，能够对工件的尺寸、形状、位置做出准确的识别和抓取；实时监控刀具状况等。

智能预测与维护。机床加工中会发生什么，发生了该怎么办？以前这两个问题都是交由富有经验的机床师傅解决，现在则可以交给具有智能预测和维护功能的机床解决。据了解，机床智能预测可以通过对程序的预读预判，提前透析加工状态。智能维护则可以通过加工中反馈上来的数据做出灵活调整，及时上报或自主优化。除此之外，智能机床还具有网络化、数字化、个性化等特征。

此外，中国企业针对零件(如手机壳)的大批量、表面光洁度高等特点，各自开发了多款专用系统和小型高速加工中心，大大降低了生产成本，该市场现已基本被国产系统和主机占领。

　不过，还是应该看到，国际上的数控系统已经有很多成熟的产品，与世界机床强国相比，中国的机床产品在全球机床市场的竞争力差距依然很大。虽然时下机床产业不够景气，但作为机器的母机，在中国大力发展智能制造产业的大背景下，智能机床产业也必将有光明的未来。