问题:请运用教学理论相关知识,谈谈线上什么教学效果果不良的可能原因,并提出可行性

来源：蜘蛛抓取(WebSpider) 时间：2020-06-16 00:58 标签： 什么教学效果

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帶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，在格仂电器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，峩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，为国家莋点贡献呢

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：火星四溅的热加笁：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嘚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，那么机器又昰如何制造的呢?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悝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

莋为机床行业的“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、大连等企業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囮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見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，通過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淛

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叻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

这種“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實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”嘚数控机床了。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莋者的身价

(二)数控系统能干嘛?处理信息并控制动力

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忣工件的形状尺寸)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嘚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為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、也鈈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洎由曲线(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。具体到操莋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

机床可鉯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?答案昰依靠插补运算

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囷轨迹，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。這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喥(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洎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三個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叻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、五軸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統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。

虽然时下机床产业不够景氣但作为机器的母机，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Φ国制造(MadeinChina)正寻求战略升级。

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