（一）從(cóng)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(shi)我們在生活中(zhōng)見到的⚽各🆚種奇(qí)奇怪怪的形狀(zhuang)，而是闆材、管材(cái)、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(xing)狀的零件就需(xu)要使用機床進(jin)行切削；還有一(yi)些精度要求較(jiao)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(chū)來或者磨出來(lai)。

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(he)執行裝置，靠電(dian)機轉動輸入動(dong)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(duo)快速度切等等(děng)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(shi)用的電機的轉(zhuan)速在工作時基(ji)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(jian)了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機(ji)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(diàn)機）技術的發展(zhǎn)及其在數控機(ji)床上的🐪應用，直(zhí)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(wú)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(dian)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(lǐng)域的一大☎️趨⭐勢(shì)。

結構的簡化還(hái)不夠，要實現各(ge)種各樣的形狀(zhuàng)的零件的🔴加工(gong)，還需要讓機床(chuang)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(chéng)為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這(zhè)個腦子就是🌏數(shù)控系統，數控系(xi)統的水平高低(di)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(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(fú)驅動裝置、機床(chuáng)、檢測裝置等等(deng)，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(zhǒng)操作（如主軸變(biàn)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(kòng)機床，之後由數(shù)控系統對🧑🏾‍🤝‍🧑🏼這些(xiē)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(dong)，以完成零件的(de)加工。

數控系統(tǒng)完成諸多信息(xī)的存儲和處理(li)的工作，并将信(xin)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(zhe)些控制信号的(de)工作效果依賴(lài)于兩大核心技(ji)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(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(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(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(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(zuò)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(zhi)這二者在規定(dìng)的時間以指定(dìng)的姿态到達指(zhi)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(yang)條曲線的相對(duì)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(kao)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(gei)定的速度和軌(guǐ)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(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(xiē)中間點之間，則(ze)通過線段、圓弧(hú)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(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(er)得到了🈲高端數(shù)控機床的青睐(lai)

（四）刀的姿(zī)态不對無法加(jia)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(bei)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(zhì)量低🈲下；另一方(fang)面刀具還會和(he)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(gong)。這就需要賦予(yu)數控機床更📞多(duō)的運動自由度(du)，使之🚶更為靈巧(qiǎo)。

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(lian)🐪動就是使數控(kòng)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(liang)💔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(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(jian)之間可以呈現(xiàn)任意的相對位(wei)置和相對姿态(tai)。

雖然标了4個平(ping)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(yǒu)一個自由度是(shì)冗餘的，其實質(zhi)上是一個五坐(zuò)标聯動機床。

（五(wu)）國産數控系統(tong)：逐漸邁向高端(duān)市場

中國是當(dāng)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(zhong)，低檔數控系統(tong)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(chan)業化方面成效(xiao)顯著。高檔數控(kong)系統已突破實(shi)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(ye)針對零件（如手(shou)機殼）的大批量(liang)、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(gao)速加📧工中心，大(dà)⛱️大降低了生産(chǎn)成本，該市場現(xian)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(yǔ)世界機床強國(guó)相比，中國的機(ji)床産品在全球(qiu)機㊙️床市場的競(jing)争力差距依然(rán)很大。