（一）從(cóng)機床到數控機(jī)床，機器不再無(wú)腦幹活

機床是(shì)其他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出産(chan)的鋼鐵并不是(shi)我們在生活中(zhong)見到的各💋種奇(qí)奇怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管材(cai)、鑄錠等等形狀(zhuang)比較規則的材(cái)料，這些材料要(yao)加工成各種形(xing)狀的零件就需(xu)要使用機床進(jin)行🔞切削；還有一(yi)些精度要求較(jiao)高和表面粗🐕糙(cāo)度要求較細的(de)零件，就要在👨‍❤️‍👨機(ji)床上用精細繁(fán)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(diàn)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(ér)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(chuán)統的機床設👅計(jì)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(jì)中已經不多見(jian)了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機(jī)就是可以在一(yi)定範圍内精确(què)控制電機的位(wei)置和轉速的電(dian)機）技術的發展(zhan)及其在數控機(ji)床上的應用，直(zhi)接控制電機的(de)轉速變得方便(bian)快捷效率高，而(ér)且基本上📞是無(wú)級變速，傳動系(xi)統的結構大大(da)簡化，甚♍至出現(xian)了很多環節🤞電(dian)機直接連接到(dao)執行機構上，而(ér)省略了傳動系(xì)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(shi)。

結構的簡化還(hái)不夠，要實現各(ge)種各樣的形狀(zhuàng)的零件的加🛀🏻工(gong)，還需要讓機床(chuang)可以高效、準确(que)的控制多台電(dian)機合作完成整(zhěng)🤟個加工過程。

這(zhe)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(er)，也決定了這台(tai)機床和他的操(cāo)作者的身價。

（二(er)）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并(bing)控制動力

數控(kòng)系統（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦。

對于(yu)一般數控機床(chuang)而言，往往包含(hán)人機控制界面(mian)、數控⭕系統、伺服(fu)驅動裝置、機床(chuang)、檢測裝置等等(děng)，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(guò)程所需的各種(zhǒng)操作（如主👉軸變(biàn)速等步驟以及(ji)工件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xu)代碼表示，并通(tong)過人及控制界(jie)面輸入到數控(kong)機床，之後由✍️數(shu)控系統對🌈這些(xiē)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(gong)件的相對運動(dong)，以完成零件的(de)加工。

數控系統(tong)完成諸多信息(xī)的存儲和處理(lǐ)的工作，并将🔞信(xin)息的🔞處理結果(guǒ)以控制信号的(de)形式傳給後續(xù)的伺🔅服電機，這(zhè)🈚些控制信号的(de)工作效果依賴(lai)于兩❄️大核心技(jì)術：一👅個是曲線(xian)曲面的插補運(yun)算，一個是機床(chuang)多軸📞的運動控(kong)制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如果(guo)運動軌迹可以(yǐ)用解析式表達(da)，則整個運動就(jiù)可以分解為幾(ji)個坐标的獨立(li)運動的合成運(yùn)動，就☔可以直接(jie)控制電機生成(chéng)了。

但是制造過(guo)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(dào)是什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船、飛(fei)機、模具、藝術品(pin)等産品常遇到(dào)不能用解🔴析式(shi)描述的曲線曲(qǔ)面，這類曲線曲(qu)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(jiān)的相🈲對運動💛也(yě)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(xian)⛷️進行運動，控制(zhi)🤩這二者在規定(ding)的時間以指定(ding)的姿态到達指(zhǐ)定的位置。

機床(chuang)可以在工件和(hé)刀具之間很好(hao)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(chéng)呢？答案是依靠(kao)插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照(zhào)一定方法确定(dìng)數控機床上刀(dāo)具✊的運動軌♊迹(jì)的過程。根據給(gěi)定的速度和軌(guǐ)迹，在🚶軌迹的已(yǐ)知點之間，增加(jiā)一些新的中間(jiān)點，并控制♈工件(jian)台和刀具通過(guò)這些中間點，進(jìn)而就能完成整(zhěng)個運動。

而這些(xie)中間點之間，則(ze)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲線(xiàn)👌等來連接。相當(dāng)于用數段微小(xiao)的線段和圓弧(hu)去逼近要求🔆的(de)曲線和曲面，這(zhè)就是插補的本(běn)質。

流行的插補(bǔ)算法包括逐點(diǎn)比較法、數字增(zēng)量法等🐉，而利用(yong)☎️Nurbs樣條曲線進行(hang)插補因為其效(xiao)率高、精度好而(ér)得㊙️到了高端😍數(shù)控🌍機床的青睐(lai)

（四）刀的姿(zī)态不對無法加(jia)工？五坐标聯動(dong)分分鐘搞定

加(jia)工複雜曲面不(bú)光要理論上可(kě)以加工，還需要(yao)考慮刀🧡具和被(bèi)加工的表面之(zhī)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(zhì)加工的表❗面質(zhi)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼量㊙️低🛀🏻下；另一方(fang)面刀具還會和(hé)加工好的零件(jian)🏃🏻‍♂️結構互相幹涉(she)，不調整刀💰具的(de)相對姿态根本(ben)沒有辦法加㊙️工(gōng)。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(qiǎo)。

由于我們所處(chu)的三維空間的(de)相對運動隻包(bao)含六個㊙️自由度(dù)👌（3個💰平動自由度(du)以及3個轉動自(zì)由度），五坐标聯(lián)動就是使數控(kòng)💯機床在具有空(kong)間上x、y、z三個方向(xiang)的平動自由度(du)外，又增加了兩(liǎng)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(zhuan)動自由度，這樣(yang)刀具和工件之(zhi)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(jian)之間可以呈現(xiàn)任意的相對位(wèi)置和相👅對姿态(tai)。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是(shi)其實質上也隻(zhī)是實現了🙇‍♀️x、y、z三個(ge)方向的運動，有(yǒu)一個自由度是(shì)冗餘的，其實質(zhì)上是一個五坐(zuò)标聯動機床。

（五(wu)）國産數控系統(tǒng)：逐漸邁向高端(duan)市場

中國是當(dāng)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(dài)了進口，中檔數(shu)控系統🐅在系列(liè)化、商品化和産(chan)業化方面成效(xiào)顯著。高檔數控(kòng)系統已突破實(shi)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(ji)床等設備🤞上得(dé)到了示範應用(yong)。

此外，中國企業(ye)針對零件（如手(shǒu)機殼）的大批量(liang)、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(dà)大降低了生産(chǎn)成本，該市場現(xian)已基本被國産(chan)系統和主機占(zhan)❄️領。

不過，還是應(ying)該看到，國際上(shang)的數控系統已(yǐ)經有很多🍓成熟(shu)的高端産品，與(yǔ)世界機床強國(guó)相比，中國的機(jī)床産品在全😘球(qiú)機👄床市場的競(jing)争力差距依然(ran)很大。