（一）從機(ji)床到數控(kong)機床，機器(qì)不再無腦(nao)幹活

機床(chuáng)是其他機(ji)器的“母機(ji)”。

煉鋼廠出(chū)産的鋼鐵(tie)并不是我(wǒ)們在生活(huó)中見到的(de)🔞各種奇奇(qi)怪⭐怪的形(xing)狀，而是闆(pan)材、管材、鑄(zhu)錠等等形(xíng)狀比👨‍❤️‍👨較規(guī)則的❓材料(liao)，這些材料(liào)要加工成(cheng)各種形狀(zhuang)的零件就(jiù)需要使用(yong)機床進行(hang)🌈切削；還有(yǒu)一些精度(du)要求較高(gao)🔞和表面粗(cu)💋糙度要求(qiú)較細的零(ling)件，就要在(zai)機床上用(yòng)精細繁複(fu)的工藝切(qiē)出來或者(zhě)磨出來。

和(hé)所有的機(jī)器一樣，最(zuì)初的機床(chuáng)包括動力(li)裝置、傳動(dòng)裝置和執(zhi)行裝置，靠(kao)電機轉動(dong)輸入動力(lì)，通過傳動(dong)裝置帶着(zhe)被加工的(de)工件或者(zhě)刀具進行(háng)相對運動(dòng)，至于在哪(nǎ)兒下刀、切(qiē)⭐多少、多快(kuai)速度切等(děng)等問題，則(ze)由人在🏃‍♂️加(jiā)工過程中(zhong)直接進行(hang)控制。

由于(yu)傳統機床(chuáng)使用的電(diàn)機的轉速(sù)在工作時(shi)基本上🐇是(shi)不👅變的，為(wéi)了實現不(bú)同的切削(xuē)速度，傳統(tǒng)的機床設(shè)🌈計了極為(wéi)複雜的傳(chuán)動系統。這(zhe)種複雜度(du)的機械在(zai)現今的設(she)計中已經(jīng)不多見了(le)。

而随着伺(si)服電機（伺(si)服電機就(jiù)是可以在(zài)一定範圍(wei)✊内精确🔱控(kòng)制電機的(de)位置和轉(zhuǎn)速的電機(jī)）技術的發(fā)🥰展及其在(zài)數控🌍機床(chuáng)🔴上的✔️應用(yong)，直接控制(zhì)電機的轉(zhuan)速變得方(fang)便快捷效(xiào)率高，而且(qiě)基本上⭐是(shi)無級變速(sù)，傳動系統(tong)的結構大(dà)大簡化，甚(shèn)至出現了(le)很多環節(jie)電機直接(jiē)連🈲接到執(zhí)行機構上(shang)，而省略了(le)傳動系統(tǒng)。

這種“直接(jiē)驅動”的模(mo)式是現在(zài)機械設計(ji)領域的一(yi)大趨勢。

結(jié)構的簡化(huà)還不夠，要(yào)實現各種(zhong)各樣的形(xing)狀的零件(jiàn)📐的😍加工，還(hai)需要讓機(jī)床可以高(gāo)效、準确的(de)控制多♻️台(tái)電機合作(zuo)完♊成整個(ge)加工過程(chéng)。

這就要讓(ràng)機床成為(wei)有“腦子”的(de)數控機床(chuang)了。而這個(ge)✍️腦子就是(shì)數控系統(tong)，數控系統(tǒng)的水平高(gao)低決定了(le)數控機床(chuáng)能幹🌈多複(fu)雜、多💋精密(mì)的活兒，也(ye)決定了這(zhè)台機床和(hé)他的操作(zuò)者的身價(jià)。

（二）數控系(xi)統能幹嘛(ma)？處理信息(xi)并控制動(dòng)力

數控系(xi)統（Numerical Controller System）是數控(kòng)機床的大(dà)腦。

對于一(yī)般數控機(jī)床而言，往(wang)往包含人(rén)機控制界(jie)面💋、數控系(xì)統、伺服驅(qū)動裝置、機(jī)床、檢測裝(zhuāng)置等等，操(cāo)作人員在(zai)一🙇🏻些計算(suan)機輔助制(zhì)造軟件的(de)幫助下，将(jiang)加工過程(chéng)所需的各(ge)種操🥰作（如(ru)主軸變速(sù)等步驟以(yǐ)及🔴工件的(de)形狀尺寸(cun)）用零件程(cheng)序代碼表(biao)示❗，并通過(guo)人及控制(zhi)界面輸入(rù)到數控機(ji)床，之後由(yóu)數控系統(tong)對這些信(xìn)息進行處(chu)理和運算(suàn)，并按零件(jian)程序的要(yao)求🏃‍♂️控制伺(sì)服電機，實(shi)現刀具🚶‍♀️與(yu)工件的相(xiàng)對運動，以(yi)完⭐成零件(jian)的加工。

數(shù)控系統完(wán)成諸多信(xìn)息的存儲(chǔ)和處理的(de)工作，并将(jiāng)信息的處(chù)‼️理結果以(yi)控制信号(hào)的形式傳(chuán)給後續🌈的(de)伺服電機(ji)，這些控制(zhì)信号的工(gōng)作效果依(yī)賴于兩大(dà)核心技術(shu)：一個是曲(qǔ)✉️線曲面的(de)插補運算(suàn)，一個是🌍機(jī)床多軸的(de)運動控制(zhì)。

（三）零件形(xíng)狀太“自由(yóu)”？靠插補運(yun)算搞定

如(rú)果運動軌(guǐ)迹可以用(yong)解析式表(biǎo)達，則整個(gè)運動就可(kě)💰以分解為(wei)🔴幾個坐标(biāo)的獨立運(yùn)動的合成(chéng)運動，就可(kě)以直接控(kòng)制電機生(sheng)成了。

但是(shi)制造過程(chéng)中很多零(ling)件的形狀(zhuàng)可以說是(shi)十分“自由(yóu)”的，既不圓(yuan)、也不方，甚(shèn)至都不知(zhi)道是什麼(me)形狀，例如(ru)汽車⛱️、輪船(chuan)、飛機、模具(ju)、藝術品等(děng)産品常遇(yu)到不能用(yong)解析式描(miáo)述的曲線(xian)曲面，這類(lei)曲線曲面(mian)稱為自由(yóu)曲線🔞（Free Form Curves）或自(zì)由曲面。

要(yào)切出來這(zhè)些“自由”的(de)形狀，刀具(ju)和工件之(zhi)間的相對(duì)運動也🥵相(xiàng)應的十分(fen)複雜。具體(ti)到操作中(zhōng)，就是要控(kong)制♈工件👣台(tai)、刀具都按(àn)照設計好(hao)的位置-時(shí)間曲線🏃‍♂️進(jin)行運動，控(kong)制這二者(zhe)在規定的(de)時間以指(zhǐ)定的姿态(tai)到達指定(dìng)的位置。

機(jī)床可以在(zai)工件和刀(dao)具之間很(hen)好地完成(cheng)直線段、圓(yuan)弧或🤞其他(ta)的有解析(xī)式的樣條(tiao)曲線的相(xiàng)對運動，而(ér)這種複♌雜(za)的🐇“自由”運(yùn)動又該怎(zen)麼完成呢(ne)？答案是依(yī)靠插補運(yùn)算。

所謂插(cha)補，就是按(an)照一定方(fang)法确定數(shù)控機床上(shàng)刀☎️具❗的運(yun)動🍉軌迹的(de)過程。根據(ju)給定的速(su)度和軌迹(jì)，在軌迹的(de)已🐕知點🛀之(zhi)間，增加一(yi)些新的中(zhōng)間點，并控(kòng)制☎️工件台(tái)和刀具通(tong)過這🚩些中(zhōng)間點，進而(er)就能完成(cheng)整個運動(dòng)。

而這些中(zhōng)間點之間(jiān)，則通過線(xiàn)段、圓弧或(huo)者樣條曲(qu)線等來連(lián)🌈接✏️。相當于(yu)用數段微(wei)小的線段(duàn)和圓弧去(qù)逼近要求(qiú)的曲線和(he)曲面，這就(jiù)是插補的(de)本質。

流行(háng)的插補算(suàn)法包括逐(zhu)點比較法(fa)、數字增量(liang)法等，而利(li)用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插(cha)補因為其(qí)效率高、精(jīng)度好而得(dé)到了高端(duān)數控機床(chuang)的青睐

（四(sì)）刀的姿态(tài)不對無法(fa)加工？五坐(zuò)标聯動分(fen)分鐘搞定(dìng)

加工複雜(za)曲面不光(guang)要理論上(shàng)可以加工(gōng)，還需要考(kao)慮刀具🤟和(he)被加工的(de)表面之間(jian)的相對位(wei)置關系。

一(yi)方面如果(guǒ)刀具的姿(zi)态不合适(shi)會導緻加(jia)工的表面(miàn)質量低下(xia)；另一方面(miàn)刀具還會(huì)和加工好(hǎo)的零件結(jie)構互相幹(gàn)涉，不調🥵整(zhěng)刀具的相(xiang)對姿态根(gēn)本沒有辦(bàn)法加工。這(zhè)就需要賦(fu)予數控機(jī)床更多的(de)運動自由(you)度，使之更(geng)為靈巧。

由(you)于我們所(suo)處的三維(wéi)空間的相(xiang)對運動隻(zhī)包含六📧個(ge)自由度♌（3個(ge)平動自由(yóu)度以及3個(ge)轉動自由(yóu)度），五坐🔆标(biao)聯動就👉是(shì)使數控機(jī)床在具有(yǒu)空間上x、y、z三(san)個方向📱的(de)平動自由(you)度外，又增(zeng)加了兩個(gè)方向的轉(zhuan)動的自由(yóu)度，再加上(shang)刀具本🏃🏻身(shēn)的用于🔴切(qie)削的轉💞動(dòng)自由度，這(zhe)樣刀具和(hé)工件之間(jian)的相對運(yun)動就有了(le)全部的🈲六(liù)個自由度(dù)，使🔞得刀具(ju)和工件之(zhī)間可以呈(chéng)現✍️任意的(de)相對位置(zhì)和相對姿(zi)态。

雖然标(biāo)了4個平動(dòng)自由度，但(dàn)是其實質(zhi)上也隻是(shi)實現了x、y、z三(san)個方💚向的(de)運動，有一(yi)個自由度(du)是冗餘的(de)，其實質上(shang)是一個🌐五(wu)坐标聯動(dong)機床。

（五）國(guó)産數控系(xi)統：逐漸邁(mài)向高端市(shì)場

中國是(shì)當今世界(jiè)機床制造(zào)大國，數控(kong)系統在性(xìng)能、功能和(he)成套化應(yīng)用方面均(jun)取得了長(zhǎng)足進步。

其(qí)中，低檔數(shu)控系統幾(ji)乎完全取(qǔ)代了進口(kǒu)，中檔數控(kong)系統在系(xì)💰列化、商品(pǐn)化和産業(yè)化方面成(chéng)效顯著。高(gāo)檔數控🤩系(xì)統已突破(po)實現了五(wǔ)軸聯動功(gōng)能，并在六(liu)軸數💋控砂(sha)帶磨床、五(wu)軸葉片銑(xǐ)床和車銑(xǐ)複合機床(chuáng)等設備上(shang)得到了示(shì)範應用。

此(ci)外，中國企(qǐ)業針對零(líng)件（如手機(ji)殼）的大批(pī)量、表面光(guang)潔度高等(deng)特點，各自(zi)開發了多(duō)款專用系(xi)統和小型(xing)高速加工(gong)中心，大大(da)降低了生(shēng)産成本，該(gai)市場現已(yǐ)基本被國(guó)産系統和(he)☔主機占領(lǐng)。

不過，還是(shì)應該看到(dao)，國際上的(de)數控系統(tǒng)已經有很(hen)多成熟的(de)高端産品(pǐn)，與世界機(ji)床強國相(xiang)比，中國的(de)機床産品(pǐn)在全球機(ji)床市場的(de)競争力差(chà)距依然很(hěn)大。