智能机床
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。
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。
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。
（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。
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）各种类型的数控机床
1、数控车床
它主要用于轴类零件或盘类零件的内外圆柱面、任意锥角的内外圆锥面、复杂回转内外曲面和圆柱、圆锥螺纹等切削加工。加工时，工件旋转，加工刀具在一个平面内移动，形成加工轨迹。
2、数控铣床、加工中心
铣削是将毛坯固定，用高速旋转的铣刀在毛坯上走刀，切出需要的形状和特征。传统铣削较多地用于铣轮廓和槽等简单外形特征。数控铣床可以进行复杂外形和特征的加工。铣镗加工中心可进行三轴或多轴铣镗加工，用于加工，模具，检具，胎具，薄壁复杂曲面，人工假体，叶片等。
3轴加工机床
5轴加工机床
（六）智能化的数控机床
人机对话编程在数控系统中内置专家数据系统，可根据加工零件材质及形状描绘，自动生成最佳的加工模式，刀具选择和切削条件参数。同时可以在机床上进行模拟加工，确认走刀路径的正确性和模拟加工时间。大幅降低操作人员编程难度和试加工准备效率。
2.智能振动抑制技术可以将机床加减速引起的机械振动消除，使得机床振动得到抑制。采用加速度计调整其时间常数与机械特性匹配(机械固有振动频率)，此时振动比最小。具备了这种功能，加减速时振动抑制在1μm以内。这种效果一方面体现在加工表面质量的提升，同时，也能大幅减少刀具的振动磨损。
3.智能热屏障技术以机床温度为基准温度，通过热变位补偿、主轴冷却装置同时控制，使得长时间加工精度保持稳定。环境温度会快速变化，但机床本体温度变化较慢，如果以环境温度为基准控制，不能得到机床正确的变位状态。所以以机床本体温度为基准调整是最为科学的方式。
4.虚拟加工(自动运转用)机床、工件、刀具 3D模型下，实现加工程序与实际加工环境一样模拟加工。这样实际加工前，检查加工中可能出现的干涉、加工使用的刀具以及实际机床模型在模拟加工时可以实际显现。另外，在NC画面操作后台可以进行相同的模拟检查。
5.智能安全保护(手动操作时用)手动操作时的误操作引起的干涉可以使用此功能来防止。手动操作时，3D模型同时检查，干涉前停止。因为有3D模型，手动操作时看不见的地方发生的干涉也可以预防。有此功能可以实现机床正确的操作动作，不用担心会发生撞车，大大提高加工准备的效率。
6.智能语音导航CNC内部设置扬声器，通过真人语音向操作者提示作业。机床开机后从问候语开始到操作注意事项，让操作人员面对的不再是冷冰冰的机器，而是一个可以互动的工作伙伴。
7.智能维护保养支持
(1)机床运转状况的记录，包括自动运转时间，停机准备时间，故障维修时间等，有助于操作和管理人员优化工作，提高设备开动率。
(2)机床部件单元运行状况管理，比如主轴总运转时间，ATC换刀次数，进给轴的总运行距离等。并通过预先设定更换周期，能到期自动提示进行备件的更换准备，最大可能减少设备故障和停机时间。
(3)图解维修支持，可在机床发生故障报警时，显示画面自动弹跳出故障点的位置、报警号和报警说明。方便维修人员排查故障，即使是对设备本身不是很了解。
(4)消耗品管理，可对各类机床所需油品(润滑油，液压油，冷却油)、滤网滤芯等消耗品设定寿命周期，自动提醒作业人员及时进行更换。同时，也可以自定义设定个性化的设备点检维护项目和要求。
(5)主轴运转管理，可对主轴的负载、温度及振动等进行有效监控管理，使其可靠稳定运行。
8.智能远程诊断突破以往的联网在线远程诊断方式，通过电信3G网络建立起用户机床和设备厂家服务的无线连接。当用户机床发生定义范围内的故障报警时，报警信息会以邮件形式自动发送至售后服务中心;在线服务中心人员根据报警信息和用户联络，并通过无线远程方式指导客户排除故障。机床的故障修复变得方便，快捷，最大程度缩短了故障停机时间。
