（一）從機床(chuang)到數控機床(chuáng)，機器不再無(wu)腦幹活

機床(chuang)是其他機器(qi)的“母機”。

煉鋼(gang)廠出産的鋼(gāng)鐵并不是我(wo)們在生活中(zhōng)見到的各種(zhǒng)奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆(pan)材、管材、鑄錠(dìng)等等形🌈狀比(bǐ)較規則的材(cái)料，這些材料(liao)要加工成各(gè)種形狀的零(líng)件✔️就需要使(shǐ)用機床進行(hang)切削；還有一(yi)些精度要求(qiú)較高🏃‍♂️和表面(miàn)粗糙度要求(qiú)較細的零件(jiàn)，就要在🤞機床(chuang)上用精細繁(fan)複的工藝切(qie)出來或者磨(mo)出來。

和所有(yǒu)的機器一樣(yàng)，最初的機床(chuang)包括動力裝(zhuāng)置、傳動裝置(zhì)🤟和執☂️行裝置(zhi)，靠電機轉動(dong)輸入動力，通(tong)過傳動裝置(zhi)帶着被加工(gong)的工件或者(zhě)刀具進行相(xiàng)對運動，至于(yú)在哪兒下刀(dāo)、切🏃‍♀️多少、多快(kuai)速度切等等(deng)問題，則由人(ren)在加工過程(chéng)🚩中直接進💔行(háng)控制。

由于傳(chuan)統機床使用(yong)的電機的轉(zhuǎn)速在工作時(shi)基本✨上是不(bú)🙇‍♀️變的，為了實(shí)現不同的切(qiē)削速度，傳統(tǒng)的機🏃🏻‍♂️床設計(jì)了極為複雜(za)的傳動系統(tǒng)。這種複雜度(dù)的機械在現(xian)今的設計中(zhong)已經不多見(jian)了。

而随着伺(si)服電機（伺服(fu)電機就是可(kě)以在一定範(fan)圍内精确⛷️控(kong)☂️制電機的位(wei)置和轉速的(de)電機）技術的(de)發✂️展及其在(zai)數控機床上(shàng)的應用，直接(jie)控制電機的(de)轉速變得📱方(fang)便快捷效率(lǜ)高，而且基本(běn)上是無級變(bian)速，傳動系統(tǒng)的結構大大(da)簡化，甚至出(chu)現了很多環(huan)節電機直接(jie)連接到執行(hang)機構上，而省(shěng)略了傳動系(xi)統。

這種“直接(jiē)驅動”的模式(shi)是現在機械(xiè)設計領域的(de)一大🏃趨勢。

結(jié)構的簡化還(hai)不夠，要實現(xiàn)各種各樣的(de)形狀的零🈲件(jian)的加工，還需(xu)要讓機床可(ke)以高效、準确(què)的控制多台(tai)電機合作完(wan)成整🔴個加工(gōng)過程。

這就要(yào)讓機床成為(wei)有“腦子”的數(shu)控機床了。而(ér)這個腦子就(jiù)🏃‍♂️是數控系統(tong)，數控系統的(de)水平高低決(jué)定了數控機(jī)床能幹多複(fú)雜、多🚩精密的(de)活兒，也決定(ding)了這台機床(chuang)和他的操作(zuo)者的身價。

（二(er)）數控系統能(neng)幹嘛？處理信(xìn)息并控制動(dòng)力

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機床(chuáng)的大腦。

對于(yú)一般數控機(ji)床而言，往往(wǎng)包含人機控(kong)制界面、數控(kong)系統、伺🐆服驅(qu)動裝置、機床(chuáng)、檢測裝置等(děng)等，操作👅人員(yuan)在一些計✊算(suan)機輔助制造(zào)軟件的幫助(zhù)下，将加工過(guò)程所需的各(gè)種操作（如主(zhu)軸變速等步(bu)驟以及工件(jian)的形狀尺寸(cùn)）用零件程序(xu)代碼表示，并(bìng)通過人及控(kòng)制界面輸入(rù)到數控機床(chuáng)，之後由數控(kong)系統對這些(xie)信息進行處(chu)理和運算，并(bìng)按零件程序(xu)的要求控制(zhì)伺服電機，實(shí)現刀具與工(gong)件的相對運(yun)動，以完成零(líng)件的加工。

數(shu)控系統完成(cheng)諸多信息的(de)存儲和處理(lǐ)的工作，并将(jiang)信息的處理(li)結果以控制(zhì)信号的形式(shì)傳給後續的(de)伺服電機，這(zhè)些控制信号(hao)的工作效果(guǒ)依賴于兩大(da)核心技術：一(yi)個是曲線曲(qu)面的插補運(yun)算，一個是機(jī)床多軸的運(yun)動控制。

（三）零(líng)件形狀太“自(zì)由”？靠插補運(yun)算搞定

如果(guo)運動軌迹可(kě)以用解析式(shi)表達，則整個(gè)運動就🏃可以(yǐ)分解為幾個(gè)坐标的獨立(lì)運動的合成(chéng)運動，就可以(yǐ)直接控制電(diàn)機生成了。

但(dàn)是制造過程(chéng)中很多零件(jian)的形狀可以(yǐ)說是十分“自(zi)由”的，既不圓(yuan)、也不方，甚至(zhi)都不知道是(shi)什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船(chuan)、飛機、模具、藝(yì)術品等産品(pin)常遇到不能(neng)用解析式描(miao)述的曲線曲(qu)面，這類曲線(xian)曲面稱為自(zi)由曲線（Free Form Curves）或自(zì)由曲面。

要切(qie)出來這些“自(zi)由”的形狀，刀(dao)具和工件之(zhi)間的相對運(yun)動💯也相應的(de)十分複雜。具(jù)體到操作中(zhong)，就是要控制(zhì)工件👄台、刀具(ju)都按照設計(ji)好的位置-時(shí)間曲線🤟進行(háng)運動，控制這(zhe)二者在規定(dìng)的時間以指(zhi)定的姿态到(dào)達指定的位(wèi)置。

機床可以(yǐ)在工件和刀(dāo)具之間很好(hǎo)地完成直線(xian)段👨‍❤️‍👨、圓弧或其(qi)他♌的有解析(xi)式的樣條曲(qu)線的相對運(yùn)動，而這種複(fú)♌雜的“自由”運(yùn)動👌又該怎麼(me)完成呢？答案(àn)是依靠插補(bǔ)運算。

所謂插(chā)補，就是按照(zhào)一定方法确(que)定數控機床(chuang)上刀具的運(yun)動軌迹的過(guò)程。根據給定(dìng)的速度和軌(gui)迹，在軌迹的(de)已知點之間(jiān)，增加一些新(xin)的中間點，并(bìng)控制工件台(tai)♉和刀具通過(guò)這些中間點(diǎn)，進而就能完(wán)成整個運動(dòng)。

而這些中間(jian)點之間，則通(tong)過線段、圓弧(hu)或者樣條曲(qǔ)線等來連接(jie)。相當于用數(shù)段微小的線(xian)段和圓弧去(qu)逼近要求‼️的(de)曲線和曲面(miàn)💚，這就是插補(bǔ)的本質。

流行(háng)的插補算法(fa)包括逐點比(bi)較法、數字增(zeng)量法等，而利(li)用Nurbs樣條曲線(xiàn)進行插補因(yīn)為其效率高(gāo)、精度好而得(de)到了㊙️高端數(shù)控機床的青(qing)睐

（四(sì)）刀的姿态不(bú)對無法加工(gōng)？五坐标聯動(dòng)分分鐘搞定(ding)

加工複雜曲(qu)面不光要理(lǐ)論上可以加(jiā)工，還需要考(kao)慮❗刀具和被(bei)加工的表面(miàn)之間的相對(dui)位置關系。

一(yī)方面如果刀(dāo)具的姿态不(bu)合适會導緻(zhì)加工的表面(miàn)質量低下；另(lìng)一方面刀具(ju)還會和加工(gong)好的零件結(jié)構互相幹涉(she)🐪，不調整刀具(ju)的相對姿态(tai)根本沒有辦(ban)法加工。這就(jiu)需要賦予數(shu)控機床更多(duo)的運動自由(yóu)度，使之更為(wei)靈巧。

由于我(wo)們所處的三(san)維空間的相(xiang)對運動隻包(bāo)含六個🔞自由(you)♉度（3個平動自(zì)由度以及3個(gè)轉動自由度(du)），五坐标聯動(dòng)就是使數控(kòng)📞機床在具有(yǒu)空間上x、y、z三個(ge)方向㊙️的平動(dong)自由度㊙️外，又(yòu)增加了兩個(ge)方向的轉動(dòng)的自由度，再(zài)加上刀具本(ben)身的用于切(qie)削的轉動自(zì)由度，這樣刀(dāo)具和工件之(zhi)間的相對運(yun)動就有了全(quan)部的六個自(zi)由度，使得刀(dāo)具和工件之(zhi)間可以呈現(xiàn)㊙️任意的相對(duì)位置和相對(dui)姿态。

雖然标(biāo)了4個平動自(zì)由度，但是其(qi)實質上也隻(zhī)是實🛀🏻現了x、y、z三(sān)🥰個方✉️向的運(yùn)動，有一個自(zi)由度是冗餘(yú)的，其實質上(shàng)是一個🤟五坐(zuo)标聯動機床(chuáng)。

（五）國産數控(kong)系統：逐漸邁(mài)向高端市場(chǎng)

中國是當今(jin)世界機床制(zhi)造大國，數控(kong)系統在性能(néng)、功能和成套(tao)化應用方面(mian)均取得了長(zhang)足進步。

其中(zhong)，低檔數控系(xi)統幾乎完全(quan)取代了進口(kou)，中檔數控系(xì)統🌐在系列化(huà)、商品化和産(chan)業化方面成(cheng)效顯著🏃🏻。高檔(dang)數控系統已(yǐ)突破實現了(le)五軸聯動功(gong)能，并在六軸(zhóu)數控砂帶磨(mo)床、五軸葉片(piàn)🎯銑床和🌈車銑(xǐ)複合機💃🏻床等(děng)設備🥰上得到(dao)了☔示範應用(yòng)。

此外，中國企(qǐ)業針對零件(jiàn)（如手機殼）的(de)大批量、表面(mian)光潔度高等(děng)特點，各自開(kai)發了多款專(zhuan)用系統和小(xiao)型高速加工(gōng)中心，大🈚大降(jiàng)低了生産成(chéng)本，該市場現(xiàn)已基本被國(guó)産系統和主(zhu)機占領。

不過(guo)，還是應該看(kàn)到，國際上的(de)數控系統已(yǐ)經有很多成(cheng)⛹🏻‍♀️熟的♻️高端産(chǎn)品，與世界機(ji)床強國相比(bi)，中國的機床(chuang)産品在全球(qiú)機床市場的(de)競争力差距(ju)依然很大。