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董小姐的数控机床都已经要开卖了，可你知道数控机床到底是怎样工作的？一篇文章看懂数控机床的加工原理

出品| 网易新闻

作者| 陈俊宇，清华大学机械工程系博士研究生

100唯尔小编：你买吗？董明珠表示格力数控机床已开始对外销售了。100小编在这里表示惭愧，对于数控机床的工作原理都未能了解全面，入手这么一个大铁疙瘩，也许真的需恶补下这方面知识七七四十九天才能出关。毕竟数控机床发展到今天，已经给工业化的生产带来大多惊喜。下面我们就一起通过陈俊宇的这篇《数控机床到底是怎样工作的？看完这篇秒懂 》对数控知识增加了解 。

今年6月1日，在格力电器2019年度股东大会上，董明珠表示，格力电器现已进军智能装备行业，格力电器在生产中已经逐步用自己机床等产品，并且格力数控机床已经开始逐步对外销售，给有需要的企业提供服务。

今年两会期间，在接受人民网的采访时，董明珠曾表示，“在工业互联网发展中，我感受最深的就是我们的数控机床，这个机床我们以前全部靠进口，我就想我们是十几亿人口的大国，为什么不能自主制造机床，为国家做点贡献呢？

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。

图：火星四溅的热加工：铸造

在传统的金属加工领域，零件的制造就是火星四溅的铸锻焊以及硬碰硬的车铣刨磨钳，我们生活中见到的任何一个稍微有些形状的金属，在我们见到之前，都已经在工厂经历了多次铁与火的淬炼。

图：硬碰硬的冷加工：车削

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。

金属零件加工必须依靠机床这种机器“母机”，通过切削打磨，它可以把规整的金属材料处理成各种形状。普通机床技术基础上我们迎来了数字化变成的CNC数控机床。通过数控系统(Numerical Controller System)是数控机床的大脑实现更高精度的机械加工工艺。

作为机床行业的“新力军”，格力的到来无疑给这个“夕阳产业”注入了一股新鲜血液。机床是工业母机，但近几年随着沈机、大连等企业的破产重整，中国机床产业也进入了曲折的发展历程，如果格力能继续坚持自主创新，深耕高端机床的道路，对于中国机床产业的高端化发展无疑是一个好消息。

(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”。

炼钢厂出产的钢铁并不是我们在生活中见到的各种奇奇怪怪的形状，而是板材、管材、铸锭等等形状比较规则的材料，这些材料要加工成各种形状的零件就需要使用机床进行切削;还有一些精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，就要在机床上用精细繁复的工艺切出来或者磨出来。

图：形状复杂、制造精度和表面粗糙度要求极高的零件：燃气机叶轮

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。

图：传统装备的三大核心装置

由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。

图：传统机床(x5032型立式铣床)的传动结构十分复杂

而随着伺服电机(伺服电机就是可以在一定范围内精确控制电机的位置和转速的电机)技术的发展及其在数控机床上的应用，直接控制电机的转速变得方便快捷效率高，而且基本上是无级变速，传动系统的结构大大简化，甚至出现了很多环节电机直接连接到执行机构上，而省略了传动系统。

这种“直接驱动”的模式是现在机械设计领域的一大趋势。

图：伺服电机直驱使得数控立式铣床的传动结构大大简化

结构的简化还不够，要实现各种各样的形状的零件的加工，还需要让机床可以高效、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(Numerical Controller System)是数控机床的大脑。

图：一般数控机床的组成

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。

图：数控机床的加工过程

数控系统完成诸多信息的存储和处理的工作，并将信息的处理结果以控制信号的形式传给后续的伺服电机，这些控制信号的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(Free Form Curves)或自由曲面。

图：包含自由曲面的零件

要切出来这些“自由”的形状，刀具和工件之间的相对运动也相应的十分复杂。具体到操作中，就是要控制工件台、刀具都按照设计好的位置-时间曲线进行运动，控制这二者在规定的时间以指定的姿态到达指定的位置。

机床可以在工件和刀具之间很好地完成直线段、圆弧或其他的有解析式的样条曲线的相对运动，而这种复杂的“自由”运动又该怎么完成呢?答案是依靠插补运算。

图：数控机床进行复杂曲面加工

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、精度好而得到了高端数控机床的青睐。

(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。

图：空间中的六个自由度

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。

图：一种五坐标联动机床

如上图所示，虽然图中标了4个平动自由度，但是其实质上也只是实现了x、y、z三个方向的运动，有一个自由度是冗余的，其实质上是一个五坐标联动机床。

图：五坐标联动机床加工复杂曲面

(五)国产数控系统：逐渐迈向高端市场

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。

其中，低档数控系统几乎完全取代了进口，中档数控系统在系列化、商品化和产业化方面成效显著。高档数控系统已突破实现了五轴联动功能，并在六轴数控砂带磨床、五轴叶片铣床和车铣复合机床等设备上得到了示范应用。

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高端产品，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。

结语

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。

作为世界上认知度最高的标签，中国制造(MadeinChina)正寻求战略升级。