（一）從機床到(dao)數控機床，機器(qì)不再無腦幹活(huo)

機床是其他機(ji)器的“母機”。

煉鋼(gang)廠出産的鋼鐵(tie)并不是我們在(zài)生活中見到的(de)🐉各種奇🌈奇怪怪(guai)的形狀，而是闆(pǎn)材、管材、鑄錠等(děng)等形狀比較規(gui)✂️則的材料，這些(xiē)材料要加工成(chéng)各種形狀的零(líng)件就需要使用(yong)機床進行😄切削(xue)；還有一些精度(du)🐇要求較高♌和表(biǎo)面粗糙度要求(qiú)較細的零件，就(jiù)要在機床上用(yong)精細繁複的工(gōng)藝切出來或者(zhě)磨出來。

和所有(you)的機器一樣，最(zuì)初的機床包括(kuo)動力裝置、傳💰動(dòng)裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電機轉動(dòng)輸入動力，通過(guò)傳動裝置帶着(zhe)被加工的工☔件(jian)或者刀具進行(háng)相對運動，至于(yu)在哪兒下刀、切(qie)💚多少、多快速度(dù)🈲切等等問題，則(ze)由人在加工過(guo)程中直接進行(háng)控制。

由于傳統(tǒng)機床使用的電(diàn)機的轉速在工(gong)作時基本上是(shi)不變的，為了實(shi)現不同的切削(xue)速度，傳統的機(ji)床設計了極為(wei)複雜的傳動系(xi)統。這種複雜度(du)的機械在現今(jīn)的設計中已經(jing)不多見了。

而随(sui)着伺服電機（伺(sì)服電機就是可(ke)以在一定範圍(wei)内精确控制電(dian)機的位置和轉(zhuǎn)速的電機）技術(shù)的發展及其在(zài)數控機床上的(de)應用，直接控制(zhi)電機的轉速變(bian)得💘方便快捷效(xiào)率高，而且基本(ben)上是無級變速(sù)，傳動系統的結(jié)構大大簡化，甚(shèn)至出現了🐕很多(duo)環節電機直接(jiē)連接到執行機(jī)構上，而省略了(le)傳動系統。

這種(zhong)“直接驅動”的模(mó)式是現在機械(xie)設計領域的一(yī)大趨勢。

結構的(de)簡化還不夠，要(yào)實現各種各樣(yàng)的形狀的零件(jiàn)的加工，還需要(yào)讓機床可以高(gāo)效、準确的控制(zhi)多📱台電機合作(zuò)完🌈成整個加工(gōng)過程。

這就要讓(rang)機床成為有“腦(nǎo)子”的數控機床(chuang)了。而這個腦子(zǐ)就是數控系統(tǒng)，數控系統的水(shuǐ)平高低決定了(le)數控機床能幹(gàn)多複雜、多精密(mi)的活兒，也決定(ding)了這台機床和(hé)他的操作者🛀的(de)身價。

（二）數控系(xi)統能幹嘛？處理(li)信息并控制動(dong)力

數控系統（Numerical Controller System）是(shì)數控機床的大(da)腦。

對于一般數(shù)控機床而言，往(wǎng)往包含人機控(kong)制界面、數‼️控系(xì)統、伺服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢測裝(zhuang)置等等，操作人(rén)員在一些計算(suan)機輔助制造軟(ruǎn)件的幫助下，将(jiāng)加工過程所需(xu)的各種操作（如(ru)主軸變速🐆等步(bù)驟以及工件的(de)形狀尺寸）用零(líng)件程序🌐代碼表(biǎo)示，并通過人☁️及(jí)控制界面輸入(ru)到數控機床，之(zhī)後由數控系統(tǒng)對這些信息進(jin)行處理和運算(suan)，并按零件程序(xu)的要求控制伺(sì)服⁉️電機，實現刀(dao)具與工件的相(xiang)對運動，以完成(chéng)✨零件的加工。

數(shu)控系統完成諸(zhū)多信息的存儲(chǔ)和處理的工作(zuò)，并将信息的處(chù)理結果以控制(zhì)信号的形式傳(chuán)給後續💋的伺服(fú)電機，這🔞些控制(zhi)信号的工作效(xiào)果依賴于兩大(da)核心技術：一個(gè)是曲線曲面的(de)插補運算，一個(gè)是機床多軸的(de)運動控制。

（三）零(ling)件形狀太“自由(yóu)”？靠插補運算搞(gǎo)定

如果運動軌(guǐ)迹可以用解析(xi)式表達，則整個(gè)運動就可以分(fèn)解為幾個坐标(biao)的獨立運動的(de)合成運動，就可(kě)以💋直接控制電(diàn)機生成了。

但是(shi)制造過程中很(hěn)多零件的形狀(zhuang)可以說是十分(fèn)“自🈲由”的，既不圓(yuán)、也不方，甚至都(dou)不知道是什麼(me)形狀，例如汽車(che)、輪船、飛機、模具(ju)、藝術品等産品(pǐn)常遇到不能用(yong)解析式描述的(de)曲線曲面，這類(lei)曲⭐線曲面稱為(wei)自由曲線（Free Form Curves）或自(zi)由曲面。

要切出(chū)來這些“自由”的(de)形狀，刀具和工(gōng)件之間的相對(dui)運🌈動也相💋應的(de)十分複雜。具體(tǐ)到操作中，就是(shì)要控制工件台(tái)、刀具都按照設(she)計好的位置-時(shí)間曲線進行運(yùn)動，控制這二者(zhě)在規定的時間(jiān)⭕以指定的姿态(tai)到達指定的位(wèi)置。

機床可以在(zài)工件和刀具之(zhī)間很好地完成(cheng)直線段、圓弧或(huò)其他的有解析(xi)式的樣條曲線(xiàn)的相對運動，而(ér)這種複雜的“自(zì)由”運動💯又該怎(zěn)麼完成呢？答案(àn)是依靠插🍓補運(yùn)算。

所謂插補，就(jiù)是按照一定方(fang)法确定數控機(jī)床上刀具的運(yùn)動軌💞迹的過程(chéng)。根據給定的速(su)度和軌迹，在軌(guǐ)迹的已知點之(zhī)間，增加⛱️一些新(xīn)的中間點，并控(kong)制工件台🔞和刀(dāo)具通過這🌍些中(zhong)間點，進而就能(neng)完成整個運動(dòng)。

而這些中間點(dian)之間，則通過線(xian)段、圓弧或者樣(yàng)條曲🔴線👈等來🚩連(lián)接。相當于用數(shù)段微小的線段(duan)和圓弧去逼近(jin)要求的曲線和(hé)🐉曲面🎯，這就是插(cha)補的本質。

流行(háng)的插補算法包(bao)括逐點比較法(fǎ)、數字增量法等(děng)，而利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補因(yīn)為其效率高、精(jīng)度好而得到了(le)高端數控機床(chuáng)的青睐

（四(si)）刀的姿态不對(duì)無法加工？五坐(zuò)标聯動分分鐘(zhong)搞定

加工複雜(za)曲面不光要理(li)論上可以加工(gōng)，還需要考慮刀(dao)具和被✂️加工的(de)表面之間的相(xiàng)對位置關系。

一(yi)方面如果刀具(jù)的姿态不合适(shì)會導緻加工的(de)表面質㊙️量低下(xià)👌；另一方面刀具(ju)還會和加工好(hǎo)的零件結構互(hu)相幹涉🔞，不調整(zheng)刀📐具的相對姿(zī)态根本沒有辦(ban)法加工。這就需(xu)要賦🈲予數控機(jī)床更多的運動(dòng)自由度，使之更(gèng)為靈巧。

由于我(wo)們所處的三維(wéi)空間的相對運(yun)動隻包含六個(ge)自由度（3個平動(dòng)自由度以及3個(ge)轉動自由度），五(wu)坐标聯動就🐇是(shi)使數控機床在(zai)具有空間上x、y、z三(san)個方向的平動(dòng)自由度外，又增(zēng)加了兩個方向(xiàng)的轉動的自由(you)度，再加上刀具(jù)本身的用于切(qie)削的轉動自由(you)度，這樣刀具和(hé)工件之間的相(xiàng)對運動就有了(le)全部的👅六個自(zi)由度，使得刀具(ju)和工件之間可(ke)以呈現任意的(de)相對位🔅置和相(xiàng)對姿态。

雖然标(biao)了4個平動自由(yóu)度，但是其實質(zhì)上也隻是實現(xian)📐了x、y、z三個方向的(de)運動，有一個自(zì)由度是冗餘的(de)，其實質上是一(yī)個五坐标聯動(dong)機床。

（五）國産數(shù)控系統：逐漸邁(mài)向高端市場

中(zhōng)國是當今世界(jie)機床制造大國(guó)，數控系統在性(xìng)能🏃🏻、功能和成套(tao)化應用方面均(jun)取得了長足進(jin)步。

其中，低檔數(shu)控系統幾乎完(wan)全取代了進口(kou)，中檔數⛱️控系統(tong)在系列化、商品(pǐn)化和産業化方(fāng)面成效顯著。高(gāo)檔數控系統💯已(yi)突破實現了五(wu)軸聯動功能，并(bìng)在六軸數🆚控砂(sha)帶磨床、五軸葉(yè)片銑床和車銑(xi)複合機床等設(she)備上得到了👌示(shi)範應用。

此外，中(zhōng)國企業針對零(ling)件（如手機殼）的(de)大批量、表面光(guāng)潔度‼️高👄等特點(diǎn)，各自開發了多(duō)款專用系統和(he)小型高速加工(gōng)中心，大大降低(di)了生産成本，該(gāi)市場現已基本(ben)被國産系統和(hé)主機占領。

不過(guò)，還是應該看到(dao)，國際上的數控(kòng)系統已經有很(hen)🐪多成熟的高端(duan)産品，與世界機(ji)床強國相比，中(zhong)國的機床産品(pǐn)在全㊙️球機✂️床市(shi)場的競争力差(chà)距依然很大。