（一）從(cóng)機床到數控機(ji)床，機器不再無(wu)腦幹活

機床是(shì)其他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出産(chǎn)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(zhuang)，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(fan)複的工藝切出(chū)來或者磨出來(lai)。

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(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(dao)具進行相對運(yun)動，至于在哪兒(er)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(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(tong)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(xie)在現今的設計(ji)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(yī)定範圍内精确(què)控制電機的位(wei)置和轉速的電(diàn)機）技術的發展(zhan)及🏒其在💃🏻數控機(jī)床上的應用，直(zhí)接控制電機的(de)轉速變得方便(biàn)快🤟捷效率高，而(er)且基本上是無(wu)級變速，傳動系(xì)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(er)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(hai)不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀(zhuang)的零件的加工(gong)，還👅需要讓機床(chuáng)可以高效、準确(què)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(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(xì)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(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(kong)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(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(zhu)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(jí)💜工件的形⛱️狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xu)🏃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(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(jī)，實現刀具與工(gōng)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(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(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(zhuàng)太“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以(yǐ)用解析式表達(da)，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(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(li)如⛷️汽車、輪船、飛(fēi)機🏃🏻‍♂️、模具😄、藝術品(pin)等産品常遇到(dao)不能用解析式(shì)描述的曲線曲(qu)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(xiē)“自由”的形狀，刀(dao)具和工件之間(jian)的相對㊙️運動💔也(ye)相🐇應的十分複(fu)雜。具體到操作(zuò)中，就是要㊙️控制(zhi)工件台、刀具都(dou)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(zhǐ)定的位置。

機床(chuáng)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(dui)運動，而這🚶種複(fu)🐇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(wei)插補，就是按照(zhao)一定方法确定(ding)數控機床上刀(dao)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(yi)🏃‍♂️知點📱之間，增加(jia)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(zheng)😍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(xian)等來㊙️連接。相當(dang)于用數段微小(xiǎo)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(dian)比較法、數字增(zēng)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(zi)态不對無法加(jiā)工？五坐标聯動(dòng)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(zhi)關系。

一方面如(rú)果刀具的姿态(tài)不合适會導緻(zhi)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(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(dù)，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(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(kong)機床☁️在具有空(kong)間上x、y、z三個方向(xiàng)的平動🌈自由度(du)外，又增加了兩(liang)個方向的轉動(dong)的自由度，再加(jia)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(zhī)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(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(zhi)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(dang)今世界機床制(zhì)造大國，數控系(xì)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(tǒng)幾乎完全取代(dai)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(kòng)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(chuang)、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(gāo)等特點，各自開(kai)發了多款專用(yòng)系統和小☎️型高(gao)速加工中心，大(da)㊙️大降低了生産(chan)成本，該市場現(xian)🔆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(yu)世界機床強國(guo)相比，中國的機(ji)床産品在全💯球(qiú)機床市場的競(jing)争力差距依然(rán)很🍓大。