机械设计领域的一大趋势

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。

3：制造精度要求极高的零件：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。

4：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。

5：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。

6：伺服电机直驱使得数控立式铣床

的传动结构大大简化

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。

数控系统（Numerical Controller System）是数控机床的大脑。

7：一般数控机床的组成

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。

8：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。

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。

9：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？

10：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。

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。

11：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。