（一）從機(jī)床到數控機床(chuáng)，機器不再無腦(nao)幹活

機床是其(qi)他機器的“母機(ji)”。

煉鋼廠出産的(de)鋼鐵并不是我(wǒ)們在生活中見(jiàn)到的各種🈚奇👄奇(qi)怪怪的形狀，而(er)是闆材、管材、鑄(zhù)錠等等形狀比(bǐ)🛀較規則的材料(liào)，這些材料要加(jiā)工成各種形狀(zhuàng)的零件就需要(yao)使用機🈲床進行(hang)切削；還💚有一些(xiē)精度要求較高(gao)和表面粗糙度(du)要求較細的零(líng)🌈件，就要在機床(chuang)上用精細繁複(fú)的工藝切出來(lai)或者磨出來。

和(he)所有的機器一(yī)樣，最初的機床(chuáng)包括動力裝置(zhì)、傳動💘裝置和執(zhi)行裝置，靠電機(ji)轉動輸入動力(li)，通過傳動裝置(zhi)帶着被🔆加工的(de)工件或者刀具(ju)進行相對運動(dòng)，至于在哪兒下(xià)刀、切多少、多快(kuài)速度切等等問(wèn)題，則由人在加(jiā)工過程中直接(jie)進行控制。

由于(yu)傳統機床使用(yong)的電機的轉速(sù)在工作時基本(běn)♈上是🐅不變的，為(wei)了實現不同的(de)切削速度，傳統(tong)的機床設計了(le)極為複雜的傳(chuan)👣動系統。這種複(fú)雜度的機械在(zai)現今的設計中(zhōng)已🛀🏻經不多⁉️見了(le)。

而随着伺服電(diàn)機（伺服電機就(jiu)是可以在一定(ding)範圍内精确控(kong)制電機的位置(zhì)和轉速的電機(jī)）技術的發展及(jí)其在數控機床(chuang)上的🔱應用，直接(jie)控制電機的轉(zhuǎn)🐇速變得方便快(kuai)捷效率高，而且(qie)💰基本上是無級(ji)變速🏃‍♂️，傳動系統(tong)🎯的結構大大簡(jiǎn)化，甚✊至出現了(le)很多環節❤️電機(jī)直接連接到執(zhi)行機構上，而省(sheng)略了傳動系統(tong)。

這種“直接驅動(dong)”的模式是現在(zài)機械設計領域(yù)的一💃🏻大㊙️趨勢。

結(jié)構的簡化還不(bu)夠，要實現各種(zhong)各樣的形狀的(de)零件✉️的📧加工🧑🏽‍🤝‍🧑🏻，還(hai)需要讓機床可(ke)以高效、準确的(de)控制多台電機(jī)合作完成整個(ge)加工過程。

這就(jiu)要讓機床成為(wéi)有“腦子”的數控(kong)機床了。而這個(gè)腦💯子就是數控(kong)系統，數控系統(tong)的水平高低決(jué)定了⚽數控機床(chuáng)能幹多複雜、多(duo)精密的活兒，也(yě)決定了這台機(ji)床和他的🐇操作(zuò)者⭕的身價。

（二）數(shu)控系統能幹嘛(ma)？處理信息并控(kòng)制動力

數控系(xi)統（Numerical Controller System）是數控機床(chuáng)的大腦。

對于一(yi)般數控機床而(ér)言，往往包含人(rén)機控制界面、數(shù)控💜系🏃‍♂️統、伺服驅(qu)動裝置、機床、檢(jian)測裝置等等，操(cāo)作人員在一些(xiē)計算機🥵輔助制(zhì)造軟件的幫助(zhu)下，将加工過程(chéng)所需的📐各種操(cāo)作（如主軸變速(sù)等步驟以及工(gong)件的形狀尺寸(cùn)）用零件程序代(dài)碼表示，并通過(guò)人♻️及控制界面(miàn)🔞輸入到數控機(ji)床，之後由數控(kong)系統對這些信(xìn)息進行處理和(he)運算，并按零件(jian)程序的要求控(kòng)制伺服電機，實(shi)現刀具🎯與工件(jiàn)的相對運動，以(yǐ)完💔成零件的加(jiā)工。

數控系統完(wan)成諸多信息的(de)存儲和處理的(de)工作，并将信息(xī)的處㊙️理結果以(yǐ)控制信号的形(xing)式傳給後續的(de)伺服電機，這些(xiē)控制信🔴号的工(gōng)作效果依賴于(yú)兩大核心✉️技術(shù)：一個是曲🤞線曲(qu)面的插補運算(suan)，一個是機床多(duo)軸的運動控制(zhi)。

（三）零件形狀太(tài)“自由”？靠插補運(yun)算搞定

如果運(yùn)動軌迹可以用(yong)解析式表達，則(zé)整個運動就📱可(kě)‼️以分解為幾個(ge)坐标的獨立運(yun)動的合成運動(dong)，就可以直接控(kòng)制電機生成❄️了(le)。

但是制造過程(chéng)中很多零件的(de)形狀可以說是(shì)十分“自由”的，既(ji)♉不☔圓、也不方，甚(shen)至都不知道是(shi)什麼形狀，例如(rú)汽車、輪船、飛機(jī)、模具、藝術品等(děng)産品常遇到不(bu)能用解析式描(miáo)述的曲線曲面(mian)，這類曲線曲面(mian)稱為自由曲線(xiàn)（Free Form Curves）或自由曲面。

要(yao)切出來這些“自(zì)由”的形狀，刀具(ju)和工件之間的(de)相對運動也相(xiàng)應的十分複雜(zá)。具體到操作中(zhōng)，就是要控制工(gong)件🐉台、刀具都按(àn)照💞設計好的位(wei)置-時間曲線🙇🏻進(jìn)行運動，控制這(zhe)二者在規定‼️的(de)時間以指定的(de)姿❓态到達指定(ding)的位置。

機床可(ke)以在工件和刀(dao)具之間很好地(di)完成直線段💚、圓(yuan)弧或其他㊙️的有(yǒu)解析式的樣條(tiao)曲線的相對運(yùn)動，而這種複雜(za)的“自由”運動又(yòu)該怎麼完成呢(ne)？答案是🥰依靠插(cha)補運算。

所謂插(chā)補，就是按照一(yī)定方法确定數(shù)控機床上刀具(ju)的運動軌迹的(de)過程。根據給定(ding)的速度和軌迹(ji)，在軌迹的已知(zhi)點之間🔞，增加一(yī)些新的中間點(diǎn)，并控制工件台(tai)和刀具🚶通過這(zhè)些中間點，進而(er)就能完成整個(gè)運動。

而這些中(zhōng)間點之間，則通(tong)過線段、圓弧或(huo)者樣條曲線等(děng)來☀️連接🙇‍♀️。相當于(yu)用數段微小的(de)線段和圓弧去(qù)逼近要求的曲(qǔ)線和曲面，這就(jiù)是插補的本質(zhi)。

流行的插補算(suan)法包括逐點比(bi)較法、數字增量(liang)法等，而🔴利💜用㊙️Nurbs樣(yang)條曲線進行插(chā)補因為其效率(lü)高、精度好而得(de)到了高端數控(kong)機床的青睐

（四）刀的姿态(tài)不對無法加工(gōng)？五坐标聯動分(fèn)分鐘搞定

加工(gong)複雜曲面不光(guāng)要理論上可以(yǐ)加工，還需要考(kǎo)慮刀具和被加(jia)工的表面之間(jian)的相對位置關(guān)系。

一方面如果(guo)刀具的姿态不(bú)合适會導緻加(jia)工的表🔅面質量(liang)低下；另一方面(mian)刀具還會和加(jia)工好的零件結(jié)構互相幹涉，不(bú)調整刀具的相(xiàng)對姿态根本沒(mei)有辦法加工。這(zhe)就需要賦予數(shu)控機床更多的(de)運動自由度，使(shi)之更為靈巧。

由(you)于我們所處的(de)三維空間的相(xiàng)對運動隻包含(han)六個👄自🌈由度（3個(ge)平動自由度以(yi)及3個轉動自由(yóu)度），五坐标聯動(dòng)就📧是使數控機(ji)床在具有空間(jian)上x、y、z三個方向的(de)平動自由度外(wài)，又增加了兩個(ge)方向🐕的轉動的(de)自由度，再加上(shang)刀具本身的用(yòng)于切削的轉🌈動(dong)自由度，這樣刀(dāo)具和🔞工件之間(jiān)的相對運動就(jiù)有了全部的六(liù)個自由度🤟，使得(de)刀具和工件之(zhi)間可以呈現任(rèn)意的相對位💋置(zhi)和相對姿态。

雖(sui)然标了4個平動(dòng)自由度，但是其(qi)實質上也隻是(shi)實現了x、y、z三個方(fang)向的運動，有一(yī)個自由度是冗(rǒng)餘的，其實質上(shàng)是一個五坐标(biao)聯♻️動機床。

（五）國(guó)産數控系統：逐(zhú)漸邁向高端市(shi)場

中國是當今(jin)世界機床制造(zao)大國，數控系統(tǒng)在性能♍、功能🌈和(he)成套⛱️化應用方(fāng)面均取得了長(zhǎng)足進步。

其中，低(di)檔數控系統幾(jǐ)乎完全取代了(le)進口，中檔數‼️控(kòng)系統在系列化(huà)、商品化和産業(ye)化方面成效顯(xian)著。高檔數控系(xì)統💔已突破實❌現(xiàn)了五軸聯動功(gōng)能，并在六軸數(shù)控砂帶磨床、五(wǔ)軸葉片銑床和(hé)車銑複合機床(chuáng)等設備上得到(dào)了💔示範應用。

此(ci)外，中國企業針(zhēn)對零件（如手機(jī)殼）的大批量、表(biǎo)面光潔度高等(deng)特點，各自開發(fa)了多款專用系(xì)統和小型高速(sù)加工中心，大大(da)降低了生産成(cheng)本，該市場現已(yi)基本被國産系(xì)統和💘主機占領(lǐng)。

不過，還是應該(gai)看到，國際上的(de)數控系統已經(jing)有很多成熟的(de)高端産品，與世(shi)界機床強國相(xiàng)比，中國的機床(chuang)産品😄在全球機(ji)床市場的競争(zheng)力差距依然很(hen)大。