（一）從(cóng)機床到數控機(jī)床，機器不再無(wú)腦幹活

機床是(shì)其他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出産(chan)的鋼鐵并不是(shì)我們在生活中(zhōng)見到的各種奇(qí)奇怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管材(cai)、鑄錠等等形👣狀(zhuang)比♻️較規則的材(cái)料，這些材料要(yao)加工成各種形(xing)狀的零件就需(xu)要使用機床進(jin)行切削；還有一(yī)些精度要求較(jiào)高和表面粗糙(cāo)度要求較細的(de)零件，就要在機(ji)床上用精細繁(fan)複的工藝切出(chū)來或者磨出來(lái)。

和所有的機器(qì)一樣，最初的機(jī)床包括動力裝(zhuāng)置、傳動裝置和(hé)執行裝置，靠電(dian)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(dāo)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(deng)問題，則由人在(zai)加工過程中直(zhí)接進行控制。

由(you)于傳統機床使(shǐ)用的電機的轉(zhuǎn)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(chuan)統的機床設計(ji)了🧑🏾‍🤝‍🧑🏼極為✍️複雜的(de)傳🤟動系統。這種(zhǒng)複雜度的機械(xiè)在現今的設計(jì)中已經不多見(jian)了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機(jī)就是可以在一(yī)定範圍内精确(que)控制電機的位(wei)置和轉速的電(dian)機）技術的發展(zhǎn)及其在數控機(ji)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(er)且基本上是無(wu)級變速，傳動系(xi)統的結構大大(da)簡化，甚至出現(xiàn)了很多環節電(diàn)機直接連接到(dao)執行機構上，而(ér)省略了傳動系(xì)統。

這種“直接驅(qu)動”的模式是現(xian)在機械設計領(ling)域的一大趨勢(shì)。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀(zhuàng)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(zhěng)個加工過程。

這(zhè)就要讓機床成(chéng)為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這(zhè)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(zá)、多精密的活兒(ér)，也決定了這台(tai)機床和他的💜操(cao)作者🐉的身價。

（二(èr)）數控系統能幹(gan)嘛？處理信息并(bìng)控制動力

數控(kòng)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(han)人機控制界面(mian)💃🏻、數控系統、伺服(fu)驅動裝置、機床(chuang)、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(bāng)助下，将加🎯工過(guò)程所需的各種(zhǒng)操作（如主軸變(biàn)速等步驟以及(jí)工件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xù)😘代碼表示，并通(tong)過人及控制界(jiè)面輸入到數控(kong)✉️機床，之後由數(shù)控系統對這些(xie)信息進行處理(li)和運算，并按零(líng)件程序的♌要求(qiú)控制伺服電機(ji)，實現刀具與工(gong)件的♍相對運動(dòng)，以完成零件的(de)加工。

數控系統(tong)完成諸多信息(xi)的存儲和處理(lǐ)的工作，并将信(xin)息的處理結果(guo)以控制信号的(de)形式傳給後續(xu)的伺㊙️服電機，這(zhe)些控制信号的(de)工作效果依賴(lài)于兩大核心技(jì)術：一🚩個是曲線(xian)曲面的插補‼️運(yùn)算，一個是機床(chuang)多軸☁️的運動控(kòng)制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以(yi)用解析式表達(dá)，則整個運動就(jiu)可以分解為幾(ji)個坐标的獨立(lì)運動的合成運(yun)動，就📧可以⛷️直接(jiē)控制電機生成(chéng)了。

但是制造過(guo)程中很多零件(jian)的形狀可以說(shuō)是十分😘“自由”的(de)，既不圓、也不方(fāng)，甚至都不知道(dào)是什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船、飛(fēi)機、模具、藝術品(pǐn)等産品常遇到(dào)不能用解析式(shi)描述的曲線曲(qǔ)面，這類曲線曲(qu)面稱為自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由曲✌️面(miàn)。

要切出來這些(xiē)“自由”的形狀，刀(dao)具和工件之間(jiān)的相對運動也(ye)相應的十分複(fú)雜。具體到操作(zuo)中，就是要控制(zhi)✍️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(zhì)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(chuang)可以在工件和(he)刀具之間很好(hǎo)地完成直線段(duàn)、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(fu)雜的“自由”運動(dong)又該怎麼完成(chéng)呢？答案是依靠(kào)插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照(zhào)一定方法确定(dìng)數控機床上刀(dāo)具的運動✊軌☔迹(ji)的過程。根據給(gěi)定的速度和軌(gui)迹，在軌迹的已(yi)知點之間，增加(jiā)一些新的中間(jiān)點，并控制工件(jian)台和刀具通過(guò)這🔆些中間點，進(jin)而就能完成整(zheng)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(dāng)于用數段微小(xiao)的線段和圓弧(hú)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(dian)比較法、數字增(zeng)量法等，而💯利用(yong)Nurbs樣條曲線進行(hang)插補因為其效(xiào)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(jiā)工？五坐标聯動(dong)分分鐘搞定

加(jiā)工複雜曲面不(bu)光要理論上可(ke)以加工，還需要(yào)考慮🙇🏻刀具和被(bèi)加工的表面之(zhi)間的相對位置(zhì)關系。

一方面如(rú)果刀具的姿态(tài)不合适會導緻(zhì)加工的表面㊙️質(zhi)量低下；另一方(fāng)面刀具還會和(he)加工好的零件(jiàn)結構互相幹涉(she)，不調🏃整刀具的(de)相對姿态根本(ben)沒有辦法加工(gōng)。這就需要賦予(yǔ)數控機床更😍多(duō)的運動自由度(du)，使之更為靈巧(qiao)。

由于我們所處(chù)的三維空間的(de)相對運動隻包(bao)含六個自由度(dù)（3個平動自由度(dù)以及3個轉動自(zi)由度），五坐标聯(lián)動就是使數控(kong)機床在具有空(kong)間上x、y、z三個方向(xiàng)的平動自由度(dù)外，又增加了兩(liǎng)個方向的轉動(dong)的自由度，再加(jiā)上刀具本身的(de)用于❓切削的轉(zhuan)動自由度，這樣(yàng)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(shi)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(tài)。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是(shi)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(zhi)上是一個五坐(zuò)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(dāng)今世界機床制(zhi)造大國，數控系(xi)統在性能、功能(néng)和成套化應用(yòng)方面均取得了(le)長足進步。

其中(zhong)，低檔數控系統(tǒng)幾乎完全取代(dài)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(kòng)系統已突破實(shí)現了五軸聯動(dòng)功能，并在💘六軸(zhou)數控砂帶磨床(chuáng)、五軸葉片銑床(chuang)和車銑複合機(jī)😄床等設備上得(dé)到了示範應用(yòng)。

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(gao)等特點，各自開(kāi)發了多款專用(yong)系統和小型高(gāo)速加工中心，大(da)大降低了生産(chan)成本，該市場現(xiàn)已基本被國産(chǎn)❤️系統和主機占(zhan)領。

不過，還是應(yīng)該看到，國際上(shàng)的數控系統已(yǐ)經有很多成😄熟(shu)的🈚高端産品，與(yu)世界機床強國(guo)相比，中國的機(jī)床産品🍉在全球(qiu)機♍床市場的競(jing)争力差距依然(ran)很大。