合金配件研磨要倚靠紧固件此种电脑空对空，透过研磨雕琢，它能把匀称的合金金属材料处置成各式各样花纹。

公司出品|腾讯新闻报道

译者|规圆矩方，北京大学机械设备工程学院教授教授生

一提及轻工业，最基础的是锻造。

而简而言之锻造是把各式各样各样的东西从原金属材料变为配件再制做产品。

图：水星隆隆的热研磨：铸成

在现代的合金研磨应用领域，配件的锻造是水星隆隆的艾居焊以及正面交锋的车铣刨磨钳，他们生活中看见的任何人一个稍稍有些花纹的合金，在他们看见以后，都已经在厂房历经了数次铁与火的锤炼。

图：正面交锋的冷研磨：切削

难道合金配件是电脑锻造的，那么电脑又是如何锻造的呢？原来，它是透过紧固件完成的。

（一）从紧固件到数控紧固件，电脑无须总之干

紧固件是其他电脑的空对空。

铝厂盛产的工程机械设备并不是他们在工作中看见的各式各样譬如的花纹，而要钢材、化纤、角蕨之类花纹比较准则的金属材料，这些金属材料要研磨成各式各样花纹的配件就需要使用紧固件进行研磨；还有一些精确度明确要求较低和表层温度梯度明确要求较薄的配件，要是在紧固件上以精巧繁杂的工艺技术切出来或是磨出来。

图：花纹繁杂、锻造精确度和表层温度梯度明确要求很高的配件：供热机扇叶

和所有的电脑一样，起初的紧固件包括供热轮机、传动系统和执行装置，靠电机转动输入动力，透过传动系统带着被研磨的工件或是刀具进行相对运动，至于在哪儿下刀、切多少、多快速度切之类问题，则由人在研磨过程中直接进行控制。低温VA 轴承

图：现代装备的三大核心装置

由于现代紧固件使用的电机的转速在工作时基本上是不变的，为了实现不同的研磨速度，现代的紧固件设计了极为繁杂的传动系统。此种繁杂度的机械设备在现今的设计中已经不多见了。

图：现代紧固件（x5032型立式铣床）的传动结构十分繁杂

而随着伺服电机（伺服电机是能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紧固件上的应用，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。

此种直接驱动的模式是现在机械设备设计应用领域的一大趋势。

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，要实现各式各样各样的花纹的配件的研磨，还需要让紧固件能高效、准确的控制多台电机合作完成整个研磨过程。

这要是让紧固件成为有脑子的数控紧固件了。而这个脑子是数控系统，数控系统的水平高低决定了数控紧固件能干多繁杂、多精密的活儿，也决定了这台紧固件和他的操译者的身价。

（二）数控系统能干嘛？处置信息并控制动力

数控系统（Numerical Controller System）是数控紧固件的大脑。低温VA 轴承

图：一般数控紧固件的组成

对于一般数控紧固件而言，往往包含人机控制界面、数控系统、伺服驱动装置、紧固件、检测装置之类，操作人员在一些计算机辅助锻造软件的帮助下，将研磨过程所需的各式各样操作（如主轴变速等步骤以及工件的花纹尺寸）用配件程序代码表示，并透过人及控制界面输入到数控紧固件，之后由数控系统对这些信息进行处置和运算，并按配件程序的明确要求控制伺服电机，实现刀具与工件的相对运动，以完成配件的研磨。

图：数控紧固件的研磨过程

数控系统完成诸多信息的存储和处置的工作，并将信息的处置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，一个是紧固件多轴的运动控制。

（三）配件花纹太自由？靠插补运算搞定

如果运动轨迹能用解析式表达，则整个运动就能分解为几个坐标的独立运动的合成运动，就能直接控制电机生成了。

但是锻造过程中很多配件的花纹能说是十分自由的，既不圆、也不方，甚至都不知道是什么花纹，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：包含自由曲面的配件低温VA 轴承

要切出来这些自由的花纹，刀具和工件之间的相对运动也相应的十分繁杂。具体到操作中，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。

紧固件能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，而此种繁杂的自由运动又该怎么完成呢？答案是倚靠插补运算。

图：数控紧固件进行繁杂曲面研磨

简而言之插补，是按照一定方法确定数控紧固件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透过这些中间点，进而就能完成整个运动。

而这些中间点之间，则透过线段、圆弧或是样条曲线等来连接。相当于用数段微小的线段和圆弧去逼近明确要求的曲线和曲面，这是插补的本质。

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、精确度好而得到了高端数控紧固件的青睐。

（四）刀的姿态不对无法研磨？五坐标联动分分钟搞定

研磨繁杂曲面不光要理论上能研磨，还需要考虑刀具和被研磨的表层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研磨的表层质量低下；另一方面刀具还会和研磨好的配件结构互相干涉，不调整刀具的相对姿态根本没有办法研磨。这就需要赋予数控紧固件更多的运动自由度，使之更为灵巧。低温VA 轴承

图：空间中的六个自由度

由于他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），五坐标联动是使数控紧固件在具有空间上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研磨的转动自由度，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能呈现任意的相对位置和相对姿态。

图：一种五坐标联动紧固件

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紧固件。

图：五坐标联动紧固件研磨繁杂曲面

（五）国产数控系统：逐渐迈向高端市场

中国是当今世界紧固件锻造大国，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紧固件等设备上得到了示范应用。

此外，中国企业针对配件（如手机壳）的大批量、表层光洁度高等特点，各自开发了多款专用系统和小型高速研磨中心，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。低温VA 轴承

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，与世界紧固件强国相比，中国的紧固件产品在全球紧固件市场的竞争力差距依然很大。

结语

虽然时下紧固件产业不够景气，但作为电脑的空对空，在中国大力发展智能锻造产业的大背景下，智能紧固件产业也必将有光明的未来。

作为世界上认知度最高的标签，中国锻造（MadeinChina）正寻求战略升级。「了不起的中国锻造」专栏，力邀行业权威、资深玩家，呈现他们眼中的中国创新之路。

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编辑| 史文慧