（一）從機床(chuang)到數控機(ji)床，機器不(bu)再無腦幹(gan)活

機床是(shì)其他機器(qì)的“母機”。

煉(lian)鋼廠出産(chan)的鋼鐵并(bìng)不是我們(men)在生活中(zhong)見到的各(ge)❄️種奇奇怪(guài)怪的形狀(zhuang)，而是闆材(cái)、管材、鑄錠(ding)等等形狀(zhuàng)比較規則(zé)的材料，這(zhe)些材料要(yào)加工成各(gè)種形狀的(de)零件就需(xu)要使用機(jī)床進行切(qiē)削；還有一(yi)些精度要(yào)求較高和(he)表面粗💁糙(cao)度要求較(jiao)細的零😄件(jian)，就要在💃🏻機(ji)床上用精(jing)細繁複的(de)工藝切出(chu)來或者磨(mo)出來。

和所(suǒ)有的機器(qì)一樣，最初(chu)的機床包(bao)括動力裝(zhuang)置、傳動裝(zhuāng)🔴置和執行(hang)裝置，靠電(diàn)機轉動輸(shū)入動力，通(tōng)過傳動裝(zhuang)置帶着被(bei)加工的工(gōng)件或者刀(dao)具進行相(xiàng)對運🍉動，至(zhi)于🌂在哪兒(er)下刀、切多(duō)少、多快速(sù)度切等等(děng)問題，則由(yóu)人在加工(gōng)過程中直(zhi)接進🔞行控(kong)制。

由于傳(chuán)統機床使(shǐ)用的電機(jī)的轉速在(zài)工作時基(ji)本上是不(bú)變的㊙️，為了(le)實現不同(tong)的切削速(sù)度，傳統的(de)機床設計(ji)了極為🙇‍♀️複(fú)雜的傳動(dòng)系統。這種(zhǒng)複雜度的(de)機🚩械在現(xian)今的設計(jì)中已經不(bú)多見了。

而(er)随着伺服(fu)電機（伺服(fú)電機就是(shi)可以在一(yī)定範圍内(nei)精确控制(zhì)電機的位(wei)置和轉速(su)的電機）技(jì)術的發展(zhan)及其在數(shù)控🈚機床上(shang)的應用，直(zhí)接控制電(diàn)機的轉速(sù)變得方便(bian)快捷效率(lü)高，而且㊙️基(jī)本上是無(wú)級變速，傳(chuán)動系統✔️的(de)結構大大(da)簡化，甚至(zhì)出現了很(hen)多環節電(dian)機直接連(lian)🏃🏻接到執行(hang)機構上，而(er)省略了傳(chuan)動系統。

這(zhè)種“直接驅(qū)動”的模式(shì)是現在機(jī)械設計領(ling)域的一大(dà)趨勢。

結構(gòu)的簡化還(hai)不夠，要實(shí)現各種各(ge)樣的形狀(zhuang)的零件的(de)🐇加工💚，還💚需(xu)要讓機床(chuáng)可以高效(xiào)、準确的控(kòng)制多台電(diàn)機合作完(wán)成整個加(jiā)👈工過程。

這(zhè)就要讓機(ji)床成為有(yǒu)“腦子”的數(shu)控機床了(le)。而這個🤞腦(nǎo)子就♉是數(shu)控系統，數(shu)控系統的(de)水平高低(dī)決定了數(shu)控機床能(néng)幹多複雜(zá)、多🌍精密的(de)活兒，也決(jué)定了這台(tái)機床和他(tā)的操作者(zhě)的身價。

（二(er)）數控系統(tǒng)能幹嘛？處(chù)理信息并(bìng)控制動力(li)

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦(nǎo)。

對于一般(bān)數控機床(chuang)而言，往往(wǎng)包含人機(jī)控制界面(miàn)、數控🌈系統(tǒng)、伺♻️服驅動(dòng)裝置、機床(chuáng)、檢測裝置(zhì)等等，操作(zuo)人員在一(yī)些計算機(jī)🌍輔助制造(zào)軟件的幫(bāng)助下，将加(jia)工過程所(suǒ)需的💛各種(zhong)操作（如主(zhǔ)軸變速等(deng)步驟以及(jí)工件的形(xíng)狀尺寸）用(yong)零件程序(xù)代碼表示(shì)，并通過人(ren)♊及控制界(jie)面輸入到(dao)數控機床(chuáng)，之後由數(shù)控系統對(dui)🌈這些信息(xī)進行處理(lǐ)和運算，并(bing)按零件程(cheng)序的要求(qiu)控制伺服(fu)🌈電機，實✏️現(xian)刀具與工(gong)件的相對(dui)運動，以完(wán)👄成零件的(de)加工。

數控(kòng)系統完成(cheng)諸多信息(xī)的存儲和(hé)處理的工(gōng)作，并将⛱️信(xin)㊙️息的處理(lǐ)結果以控(kòng)制信号的(de)形式傳給(gei)後續的伺(sì)服電☁️機，這(zhè)些控制信(xìn)号的工作(zuo)效果依賴(lai)于兩大核(hé)心技術：一(yī)個是曲線(xiàn)曲面的插(cha)補運算，一(yī)個是機床(chuang)多軸的運(yun)動控☔制。

（三(san)）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠(kao)插補運算(suàn)搞定

如果(guǒ)運動軌迹(ji)可以用解(jie)析式表達(da)，則整個運(yun)動就🏃🏻可以(yǐ)💛分㊙️解為幾(ji)個坐标的(de)獨立運動(dòng)的合成運(yùn)動，就可以(yi)直接控制(zhi)電機生成(cheng)🏃🏻‍♂️了。

但是制(zhi)造過程中(zhong)很多零件(jian)的形狀可(kě)以說是十(shi)分⛷️“自🈲由”的(de)，既不圓、也(yě)不方，甚至(zhi)都不知道(dao)是什麼形(xíng)狀，例如汽(qi)車、輪船、飛(fei)機、模具、藝(yì)術品等産(chan)品常遇到(dào)不能用解(jiě)析式描述(shù)的曲線曲(qǔ)面，這類曲(qu)線曲面稱(chēng)為🤟自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由(yóu)曲面。

要切(qiē)出來這些(xie)“自由”的形(xíng)狀，刀具和(he)工件之間(jiān)的相對運(yùn)動也🎯相應(yīng)的十分複(fu)雜。具體到(dào)操作中，就(jiù)是要控制(zhi)工件🐪台、刀(dāo)具都按照(zhao)設計好的(de)位置-時間(jiān)曲線進行(hang)運動，控制(zhì)🤟這二者在(zài)規定的時(shi)間以指定(dìng)的姿态到(dào)達指定的(de)位置。

機床(chuang)可以在工(gong)件和刀具(jù)之間很好(hǎo)地完成直(zhi)線段、圓弧(hú)或其他的(de)有解析式(shì)的樣條曲(qǔ)線的相對(duì)運動♌，而這(zhe)種複🔞雜的(de)“自由”運動(dong)又該怎麼(me)完成呢？答(da)案是依靠(kao)插補運算(suan)。

所謂插補(bǔ)，就是按照(zhao)一定方法(fǎ)确定數控(kòng)機床上刀(dāo)具的運動(dòng)軌迹的過(guo)程。根據給(gěi)定的速度(dù)和軌迹，在(zài)軌迹的已(yi)知點之間(jian)，增加一些(xiē)新的中間(jiān)點，并控制(zhi)工件台和(he)刀具通過(guò)這些中間(jian)點，進而就(jiù)能完成整(zheng)個運動。

而(ér)這些中間(jiān)點之間，則(ze)通過線段(duan)、圓弧或者(zhě)樣條曲🔱線(xian)🔅等來🚩連接(jie)。相當于用(yong)數段微小(xiǎo)的線段和(hé)圓弧去逼(bi)近要求的(de)曲💛線和曲(qǔ)面，這就是(shi)插補的本(ben)質。

流行的(de)插補算法(fǎ)包括逐點(diǎn)比較法、數(shù)字增量法(fǎ)等，而利用(yòng)👈Nurbs樣‼️條曲線(xian)進行插補(bǔ)因為其效(xiao)率高、精度(dù)好而得到(dao)了高端數(shu)控👌機床的(de)青睐

（四）刀(dāo)的姿态不(bu)對無法加(jia)工？五坐标(biao)聯動分分(fèn)鐘搞定

加(jiā)工複雜曲(qǔ)面不光要(yào)理論上可(kě)以加工，還(hái)需要考慮(lǜ)刀具☁️和被(bei)加工的表(biao)面之間的(de)相對位置(zhi)關系。

一方(fang)面如果刀(dāo)具的姿态(tài)不合适會(huì)導緻加工(gōng)的表面質(zhi)量低下；另(lìng)一方面刀(dao)具還會和(hé)加工好的(de)零件結構(gou)🚶互相⚽幹涉(shè)，不調整刀(dao)具的相對(dui)姿态根本(běn)沒有辦法(fǎ)加工。這就(jiu)需要賦予(yǔ)數控機床(chuang)更多的運(yùn)動自💘由度(dù)，使之更為(wéi)靈巧。

由于(yú)我們所處(chu)的三維空(kōng)間的相對(duì)運動隻包(bāo)含六個自(zì)由度（3個平(ping)動自由度(dù)以及3個轉(zhuan)動自由度(dù)），五坐标聯(lián)動就是使(shi)數控🌈機床(chuang)在具有空(kōng)間上x、y、z三個(gè)方向的平(ping)動自由度(du)外，又增加(jiā)了兩個方(fang)向的轉動(dong)的自由度(du)，再加上刀(dao)具本🔆身的(de)用于切削(xue)的轉動自(zì)由度，這樣(yàng)刀具和工(gong)件之間的(de)相對運動(dòng)就🔅有了全(quán)部的六個(gè)自由度💃🏻，使(shǐ)🔅得刀具和(he)工件之間(jian)可以呈現(xiàn)任意的相(xiang)對位置和(he)相對姿态(tai)。

雖然标了(le)4個平動自(zì)由度，但是(shi)其實質上(shàng)也隻是實(shí)現🐉了x、y、z三個(ge)方向的運(yùn)動，有一個(ge)自由度是(shì)冗餘的，其(qi)實質上是(shi)一個五坐(zuo)标聯動機(jī)床。

（五）國産(chan)數控系統(tǒng)：逐漸邁向(xiàng)高端市場(chang)

中國是當(dang)今世界機(ji)床制造大(da)國，數控系(xi)統在性能(neng)、功❤️能和🏃‍♀️成(cheng)套化應用(yong)方面均取(qu)得了長足(zu)進步。

其中(zhong)，低檔數控(kong)系統幾乎(hu)完全取代(dai)了進口，中(zhong)檔數🔞控系(xi)統🛀在系列(lie)化、商品化(hua)和産業化(huà)方面成效(xiao)顯著。高檔(dang)數控系統(tong)已突📞破實(shi)現了五軸(zhóu)聯動功能(neng)，并在㊙️六軸(zhóu)數控砂帶(dài)磨床、五📐軸(zhou)葉片銑床(chuang)和車銑複(fú)合機床等(deng)設備上得(de)到了示範(fàn)應用。

此外(wài)，中國企業(yè)針對零件(jiàn)（如手機殼(ké)）的大批量(liàng)、表面光潔(jie)度😄高等特(te)點，各自開(kāi)發了多款(kuǎn)專用系統(tong)和小型高(gāo)速加工中(zhong)🌈心，大大降(jiàng)低了生産(chǎn)成本，該市(shi)場現已基(jī)本被國産(chan)系統和主(zhu)機占❌領。

不(bú)過，還是應(yīng)該看到，國(guo)際上的數(shù)控系統已(yǐ)經有很多(duo)成📧熟的高(gao)端産品，與(yu)世界機床(chuang)強國相比(bǐ)，中國的機(ji)床産品在(zai)全球機床(chuang)市❗場的競(jìng)争力差距(jù)依然很大(dà)。