一提到工業，最基礎的就是制造。

　　而所謂制造就是把各種各樣立式加工中心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，零件的制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，都已經在立式加工中心工廠經歷了多次鐵與火的淬煉。

圖：硬碰硬的冷加工：車削

　　既然金屬零件是機器制造的，那么機器又是如何制造的呢？原來，它是通過立式加工中心機床完成的。

　　機床是其他機器的“母機”。

　　煉鋼廠出產的鋼鐵并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復的工藝切出來或者磨出來。

圖：形狀復雜、制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，至于在哪兒下刀、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

　　由于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復雜的傳動系統。這種復雜度的機械在現今的立式加工中心設計中已經不多見了。

圖：傳統機床（x5032型立式銑床）的傳動結構十分復雜

　　而隨著伺服電機（伺服電機就是可以在一定范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”的模式是現在機械立式加工中心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、準確的控制多臺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。而這個腦子就是立式加工中心數控系統，數控系統的水平高低決定了數控機床能干多復雜、多精密的活兒，也決定了這臺機床和他的操作者的身價。

　　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

　　對于一般數控機床而言，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制造軟件的幫助下，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，并通過人及控制界面輸入到數控機床，之后由數控系統對這些信息進行處理和運算，并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，并將信息的處理結果以控制信號的形式傳給后續的伺服電機，這些控制信號的工作效果依賴于兩大核心技術：一個是曲線曲面的插補運算，一個是機床多軸的運動控制。
立式加工中心

　　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。

　　但是制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，甚至都不知道是什么形狀，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復雜。具體到操作中，就是要控制工件臺、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，而這種復雜的“自由”運動又該怎么完成呢？答案是立式加工中心依靠插補運算。


圖：數控機床進行復雜曲面加工

　　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，并控制工件臺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。相當于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。

　　加工復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系。

　　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，立式加工中心使之更為靈巧。

圖：空間中的六個自由度

　　由于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于切削的轉動自由度，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，有一個自由度是冗余的，立式加工中心其實質上是一個五坐標聯動機床。


圖：五坐標聯動機床加工復雜曲面

　　中國是當今世界機床制造大國，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，并在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑復合機床等設備上得到了示范應用。


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占領。

　　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。

結語

　　雖然時下立式加工中心機床產業不夠景氣，但作為機器的母機，在中國大力發展智能制造產業的大背景下，智能機床產業也必將有光明的未來。