（一）從(cong)機床到數控機(ji)床，機器不再無(wu)腦幹活

機床是(shi)其他機器的“母(mu)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(qi)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(yào)加工成各種形(xíng)狀💁的零件就需(xū)要使用機床進(jìn)行切削；還有一(yi)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(fán)複的工🤩藝切出(chu)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(dòng)力，通過傳⛹🏻‍♀️動裝(zhuāng)🌈置帶着被加工(gong)的工件或者刀(dāo)具進行相對運(yun)🍉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(zài)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(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(zhǒng)複雜度的機❗械(xie)在現今的設計(jì)中已⭐經不多見(jiàn)了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機(ji)就是可以在一(yī)定範圍内精确(què)控制電機的位(wei)置和轉速的電(dian)機）技術的發展(zhan)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(ér)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(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(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(ge)種各樣的形狀(zhuàng)的零件🔞的✂️加🌈工(gōng)❄️，還👌需要讓機床(chuáng)可以高效、準确(que)的控制多台電(diàn)機合✌️作完成整(zhěng)個加✉️工過程。

這(zhe)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(shù)👅控系統，數控系(xi)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(ér)，也決定了這台(tái)機床和他的操(cāo)作者的身價。

（二(èr)）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并(bìng)控制動力

數控(kòng)系統（Numerical Controller System）是數控機(jī)床的大腦。

對于(yú)一般數控機床(chuáng)而言，往往包含(han)人機控制界面(miàn)、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(yī)些計算機🔴輔助(zhù)制造軟件的幫(bang)助下，将加工過(guò)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(xù)✊代碼表示，并通(tōng)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(lǐ)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(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(xu)👌的伺服電🧑🏽‍🤝‍🧑🏻機，這(zhè)🈲些控制信号的(de)工作效果依賴(lai)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(chuáng)多軸的運動控(kong)制。

（三）零件形狀(zhuàng)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(jiù)可以分解為幾(ji)個坐标的獨立(li)運動的合成運(yùn)動，就✍️可以直接(jie)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(li)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(shi)描述的曲線曲(qǔ)面，這類曲線曲(qǔ)面稱為自由曲(qu)線💞（Free Form Curves）或自由曲面(mian)。

要切出來這些(xie)“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(zuo)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(xian)進行運🏃🏻‍♂️動，控制(zhì)這二者在規定(ding)的時間以指定(ding)的姿🎯态到達指(zhi)定的位置。

機床(chuáng)可以在工件和(hé)刀具之間很好(hao)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(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(wèi)插補，就是按照(zhao)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(gei)定的速度和軌(guǐ)迹，在軌迹的已(yǐ)知點之間，增加(jia)♌一些新的中間(jian)點，并控制工件(jiàn)台和刀具通過(guo)這些中間點，進(jìn)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(xiǎo)的線段和圓弧(hú)去逼近要求的(de)曲線和曲面，這(zhè)就是插補的本(ben)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(hang)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(lai)

（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(jia)工複雜曲面不(bú)光要理論上可(kě)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(ru)果刀具的姿态(tài)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(jiàn)結構互相♍幹涉(shè)，不調整刀✌️具的(de)相對姿态根本(běn)沒有辦法加工(gong)。這就需要賦予(yǔ)數控機床更多(duo)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(bāo)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(xiang)的平動自由度(du)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(zhuǎn)動自由度，這樣(yang)刀具和工件之(zhī)間的相對運動(dòng)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(tai)。

雖然标了4個平(ping)動自由度，但是(shì)其實質上也隻(zhi)是實現了x、y、z三個(ge)方向的運動，有(yǒu)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(wu)）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(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(tong)幾乎完全取代(dai)了進口，中檔數(shù)控系統在系列(liè)化、商品化和産(chǎn)業化方面成效(xiao)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(zhóu)數控砂帶磨床(chuáng)、五♊軸葉片銑床(chuáng)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(yè)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(yong)系統和小型高(gao)速加工中心，大(da)💋大降低了生産(chǎn)成本，該市場現(xiàn)已基本🛀被國産(chǎn)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(yi)經有很多☎️成熟(shu)🏃‍♂️的高端産品，與(yǔ)世界機床強國(guo)相比，中國的機(jī)床産品在全球(qiú)機床市場的競(jing)争力差距依然(ran)很大。