（一）從(cóng)機床到數控機(jī)床，機器不再無(wu)腦幹活

機床是(shì)其他機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠出産(chǎn)的鋼鐵并不是(shi)我們在生活中(zhōng)見到的各種奇(qi)奇怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管材(cái)、鑄錠等等形♻️狀(zhuàng)比較規則的材(cái)料，這些材料要(yào)加工成各種形(xing)狀的零件就需(xū)要使用機床進(jin)行切削；還有一(yi)些精度要求較(jiào)高和表面粗糙(cao)度要求較細的(de)零件，就要在🌈機(ji)床上用精🧑🏽‍🤝‍🧑🏻細繁(fán)複的工藝切出(chū)來或🏃🏻者磨出來(lai)。

和所有的機器(qi)一樣，最初的機(ji)床包括動力裝(zhuang)置、傳動裝🛀置🧑🏽‍🤝‍🧑🏻和(hé)執行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入動(dong)力，通過傳動裝(zhuang)置帶着被加工(gōng)的工件或者刀(dao)具進行相對運(yùn)😘動，至于在哪兒(ér)🐕下刀、切多少、多(duō)快速度🔞切等等(děng)問題，則由人在(zai)加工過程中直(zhi)接進♊行控制。

由(you)于傳統機床使(shǐ)用的電機的轉(zhuan)速在工作時基(jī)本㊙️上是不變的(de)，為了實現不同(tóng)的切削速度，傳(chuán)統的機床設🏃🏻‍♂️計(jì)了極為複雜的(de)傳動系統。這種(zhong)複雜度的機🈲械(xie)在現今的設計(ji)中已經不多見(jiàn)了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機(jī)就是可以在一(yī)定範圍内精确(què)控制電機的位(wèi)置和轉速的電(dian)機）技術的發展(zhan)及其在🚩數控機(jī)床上的應用，直(zhi)接控制電機的(de)轉速變得方便(bian)快捷效率高，而(ér)且基本上💜是無(wu)級變速，傳動系(xì)統的結構大大(da)簡化，甚至出現(xian)了很多環節電(diàn)機直接連接到(dào)執行機構上，而(ér)省略☁️了傳動系(xi)統。

這種“直接驅(qū)動”的模式是現(xiàn)在機械設計領(lǐng)域的一大趨勢(shi)。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀(zhuang)的零件💚的㊙️加工(gong)，還需要讓機床(chuáng)可以高效、準确(que)的控制多台電(dian)機合作完💔成整(zheng)個加工過程。

這(zhè)就要讓機床成(cheng)為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這(zhe)個腦子👄就是數(shu)控系統，數控系(xì)統的水平高低(dī)決定了數控機(ji)床🌈能幹多複雜(za)、多精密的活兒(er)，也決定了這台(tai)機床🔞和他的操(cao)作者的身價。

（二(er)）數控系統能幹(gan)嘛？處理信息并(bìng)控制動力

數控(kong)系統（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦。

對于(yú)一般數控機床(chuang)而言，往往包含(hán)人機控制界面(mian)、數控🐅系統、伺服(fu)驅動裝置、機床(chuáng)、檢測裝置等等(děng)，操作人員在一(yi)些計算機輔助(zhù)制造軟件的幫(bang)助下，将加工過(guo)程所需的各種(zhong)操作（如主軸變(bian)速等步驟以及(ji)工件的形🐆狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xu)代碼表示，并通(tōng)過人📧及控制界(jie)面輸入到數控(kòng)機床，之後由數(shu)控系統對這些(xie)信息進行處理(li)和運算，并按零(ling)件程序的✌️要求(qiu)控制伺服電機(ji)，實現刀具🌈與工(gong)件的相對運動(dong)，以完成零件的(de)加工。

數控系統(tong)完成諸多信息(xī)的存儲和處理(lǐ)的工作，并将信(xìn)息的⭕處🌐理結果(guǒ)以控制信号的(de)形式傳給後續(xù)的伺服電機，這(zhe)🏃‍♀️些控制信号的(de)工作效果依賴(lai)于兩🌈大核心技(ji)術：一個是曲線(xiàn)曲面的插補運(yun)算，一個是❌機床(chuáng)多軸的運動控(kòng)🎯制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如果(guo)運動軌迹可以(yi)用解析式表達(da)，則整個運動就(jiù)可🛀🏻以分解為幾(jǐ)個坐标的獨立(li)運動的合成運(yun)動，就可以直接(jiē)控制電機生成(cheng)了。

但是制造過(guò)程中很多零件(jiàn)的形狀可以說(shuo)是十分“自😘由”的(de)💁，既♍不圓、也不方(fang)，甚至都不知道(dao)是什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船、飛(fei)機、模具、藝術品(pǐn)等産品常遇到(dào)不能用解⁉️析式(shì)描述的曲線曲(qu)面，這類曲線曲(qu)面稱為♉自由曲(qu)線（Free Form Curves）或自由曲面(miàn)。

要切出來這些(xiē)“自由”的形狀，刀(dāo)具和工件之間(jiān)的相對🐅運動💔也(yě)✔️相應的十分複(fú)雜。具體到操作(zuò)中，就是要⭐控制(zhì)工件台、刀具都(dōu)🐪按照設計好的(de)位置-時間曲線(xiàn)進行運動，控制(zhi)這二者在規定(ding)的時間以指定(dìng)的姿态到達指(zhǐ)定的位置。

機床(chuáng)可以在工件和(he)刀具之間很好(hǎo)地完成直線段(duan)、圓🈲弧或其😄他的(de)有解析式的樣(yàng)條曲線的相對(dui)運動✂️，而這種複(fú)📞雜的“自由”運動(dòng)又該怎麼完成(cheng)呢？答案是依靠(kào)插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照(zhao)一定方法确定(dìng)數控機床上刀(dao)具的運動軌迹(jì)的過程。根據給(gei)定的速度和軌(gui)迹，在軌迹的已(yǐ)⭐知點之間👄，增加(jiā)一些新的中間(jian)點，并控制工件(jiàn)台🌏和刀具🛀🏻通過(guò)這些中間點，進(jin)而就能完成整(zhěng)個運動。

而這些(xie)中間點之間，則(zé)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲線(xiàn)等來連✉️接👣。相當(dang)于用數段微小(xiǎo)的線段和圓弧(hu)去逼近要求🏃🏻的(de)曲線和✉️曲面，這(zhe)就是插補的本(běn)質。

流行的插補(bǔ)算法包括逐點(diǎn)比較法、數字增(zeng)量法等🔞，而🌂利用(yòng)Nurbs樣條曲線進行(háng)插補因為其效(xiao)率高、精度好🌈而(ér)得🆚到了高端數(shù)控機床的青睐(lài)

（四）刀的姿(zi)态不對無法加(jia)工？五坐标聯動(dòng)分分鐘搞定

加(jiā)工複雜曲面不(bu)光要理論上可(kě)以加工，還需要(yào)考🧑🏾‍🤝‍🧑🏼慮刀具和被(bei)加工的表面之(zhi)間的相對位置(zhi)關系。

一方面如(ru)果刀具的姿态(tai)不合适會導緻(zhì)加工的表面質(zhì)量低下；另一方(fang)面刀具還會和(hé)加工好的零件(jian)結構互相幹涉(she)，不調整刀具的(de)相對姿态根本(běn)沒有辦法加工(gōng)。這就⛱️需要賦予(yu)數控機床更多(duo)的運動自由度(du)，使之🔞更為靈巧(qiǎo)。

由于我們所處(chu)的三維空間的(de)相對運動隻包(bao)含六🥵個自由度(du)（3個平動自由度(du)以及3個轉動自(zi)由度），五坐标聯(lian)動就是使數控(kong)機床在具有空(kōng)間上x、y、z三個方向(xiang)的平動自由度(du)外，又增加了兩(liang)🛀🏻個方向的轉動(dong)的自由度，再加(jia)上刀具本身的(de)用于切削的轉(zhuǎn)動自由度，這樣(yang)刀具和工件之(zhi)間的相對運動(dong)就有了全部的(de)六個自由度，使(shǐ)得刀具和工件(jiàn)之間可以呈現(xiàn)任意🏃🏻‍♂️的相對位(wèi)置和相對姿态(tai)。

雖然标了4個平(ping)動自由度，但是(shì)其實質上也隻(zhī)是實現了x、y、z三個(ge)方🌍向的運動，有(you)一個自由度是(shi)冗餘的，其實質(zhì)上是一個五坐(zuo)标聯動機床。

（五(wǔ)）國産數控系統(tong)：逐漸邁向高端(duan)市場

中國是當(dang)今世界機床制(zhì)造大國，數控系(xi)統在性能、功能(néng)💔和成☔套化應用(yong)方面均取得了(le)長足進步。

其中(zhōng)，低檔數控系統(tong)幾乎完全取代(dai)了進口，中檔數(shu)控系統✉️在🌈系列(lie)化、商品化和産(chǎn)業化方面成效(xiào)顯著💃。高檔數控(kong)系統已突破實(shi)現了五軸聯動(dong)功能，并在六軸(zhóu)數控砂帶磨床(chuang)、五軸葉片銑床(chuang)和車銑複合機(ji)床等設備上得(dé)到了💘示範應用(yong)。

此外，中國企業(ye)針對零件（如手(shǒu)機殼）的大批量(liàng)、表面光🍓潔度高(gāo)等特點，各自開(kāi)發了多款專用(yòng)系統和小型高(gao)速加工中心，大(dà)大降低了生産(chǎn)成本，該市場現(xiàn)已基本🌍被國産(chan)✂️系統和🔞主機占(zhàn)領。

不過，還是應(ying)該看到，國際上(shang)的數控系統已(yǐ)經有很多♈成熟(shú)的高端産品，與(yu)世界機床強國(guo)相比，中國的機(ji)床産品在全球(qiu)機🐕床市場的競(jìng)争力差距依然(ran)很大。