（一）從(cong)機床到數控機(ji)床，機器不再無(wú)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(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(zhuang)比較規則的🔞材(cai)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(jìn)行切削；還有一(yi)些精度要求較(jiao)高和表面粗糙(cao)度要求較細的(de)零件，就要在🈲機(jī)床上用精細繁(fán)複的工藝切出(chū)來或者磨出來(lái)。

和所有的機器(qi)一樣，最初的機(ji)床包括動力裝(zhuāng)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(yun)動，至于在哪兒(ér)下刀、切多少、多(duo)快速度❤️切等等(deng)問題，則由人在(zài)加工過程中直(zhí)接進行控制。

由(yóu)于傳統機床使(shi)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(chuán)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(jiàn)了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機(ji)就是可以在一(yi)定範圍内🐆精确(que)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(ji)床上的應用，直(zhi)接控制電機的(de)轉速變得方便(biàn)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(dà)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(xì)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(gōng)👨‍❤️‍👨，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(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(shu)🌈控系統，數控系(xi)統的水平高低(di)決定了數控機(jī)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(cāo)作者的身價。

（二(èr)）數控系統能幹(gan)嘛？處理信息并(bing)控制動力

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

對于(yu)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(deng)，操作人員在一(yī)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(bian)速💋等步驟以及(jí)工件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xu)代碼表示㊙️，并通(tong)過人及控制界(jiè)面輸入到數控(kòng)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(ling)件程序的要求(qiú)控制伺服電機(jī)，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(xìn)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(lai)于兩大核心技(jì)術：一個是曲線(xian)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(bu)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(jiu)可以分解為幾(jǐ)個坐标的獨立(lì)運動的合成運(yùn)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(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(dao)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(miàn)。

要切出來這些(xie)“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(fu)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(dìng)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(hǎo)地完成直線段(duan)、圓弧或🐪其他的(de)有解析式的樣(yang)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(chéng)呢？答案是依靠(kao)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(dāo)具🍉的運動軌迹(ji)的過程。根據給(gěi)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(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(zhěng)💯個運動。

而這些(xie)中間點之間，則(ze)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲線(xian)等來☀️連接🈲。相當(dang)于用數段微小(xiao)的線段和圓弧(hu)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(háng)插補因為其效(xiào)率高、精度好而(er)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(yao)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(tai)不合适會導緻(zhi)加工的表面質(zhì)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(běn)沒有辦法加工(gong)。這就🌈需要賦予(yu)數控機床更多(duo)的運動自由度(dù)，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(dù)以及3個轉動自(zì)由度），五坐🔴标聯(lian)✔️動就🥰是使數控(kòng)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(liang)個方向的轉動(dòng)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(yàng)刀具和工件之(zhi)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(xian)任意的相對位(wei)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(gè)🐪方向的運動，有(you)一個自由度是(shì)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(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(yong)方面均取得了(le)長足進步。

其中(zhōng)，低檔數控系統(tǒng)幾乎完全取代(dài)了進口，中檔數(shù)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(shí)現了五軸聯動(dong)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(ji)床等設備上得(dé)到了🈲示範應用(yòng)。

此外，中國企業(yè)針對零件（如手(shou)機殼）的大批量(liang)、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(chan)成本，該市場現(xian)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(shàng)的數控系統已(yi)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。