（一）從機床(chuáng)到數控機床(chuang)，機器不再無(wú)腦幹活

機床(chuang)是其他機器(qì)的“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的鋼(gāng)鐵并不是我(wǒ)們在生活中(zhōng)見到的各種(zhong)奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆(pǎn)材、管材、鑄錠(ding)等等形狀比(bǐ)較規則的材(cai)料🍉，這些材料(liao)要加工成各(ge)種形狀🌏的零(líng)件就需要使(shi)用機床進行(háng)切削；還有一(yī)些精度♊要求(qiu)較高和表面(mian)粗糙度要求(qiu)較細的零💁件(jian)，就要在🏃🏻‍♂️機床(chuang)上用精細繁(fán)複的工藝切(qiē)出來或者磨(mó)出來。

和所有(yǒu)的機器一樣(yang)，最初的機床(chuáng)包括動力裝(zhuāng)置、傳✨動裝置(zhi)和執行裝置(zhi)，靠電機轉動(dong)輸入動力，通(tong)過傳動裝🔞置(zhì)帶着被加工(gong)的工件或者(zhě)刀具進行相(xiang)對運動，至于(yu)在哪兒下刀(dāo)、切多少、多🌈快(kuai)速度切等等(deng)問題☀️，則由人(rén)在✍️加工過程(cheng)中直接進行(háng)控制。

由于傳(chuan)統機床使用(yòng)的電機的轉(zhuǎn)速在工作時(shi)基本上是不(bu)變🍓的，為了實(shi)現不同的切(qie)削速度，傳統(tǒng)的機床設計(jì)了極為複雜(za)的傳動系統(tong)。這種複雜度(dù)的機械在現(xiàn)今的設計中(zhong)已經不多見(jian)了。

而随着伺(sì)服電機（伺服(fu)電機就是可(ke)以在一定範(fan)圍内⛱️精确💋控(kòng)制電機的位(wèi)置和轉速的(de)電機）技術的(de)發展及其在(zài)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻數控機床🈚上(shàng)的🔞應用，直接(jie)控制電機的(de)轉速變得方(fang)便快捷效率(lǜ)高，而且基本(ben)上是無級變(biàn)速🈲，傳動系統(tong)的結構大大(da)簡化，甚至出(chū)現了很多環(huan)節🈚電機直接(jie)連接到執行(háng)機👌構上，而省(sheng)略🌈了傳動系(xì)統。

這種“直接(jiē)驅動”的模式(shì)是現在機械(xiè)設計領域的(de)一大趨勢。

結(jié)構的簡化還(hai)不夠，要實現(xian)各種各樣的(de)形狀的零件(jian)的加工，還需(xu)要讓機床可(kě)以高效、準确(què)的控制多台(tái)電機合作完(wán)成整個加工(gōng)過程。

這就要(yao)讓機床成為(wei)有“腦子”的數(shu)控機床了。而(ér)這個🍓腦子🐅就(jiù)是數💞控系統(tǒng)，數控系統的(de)水平高低決(jué)定了數控🈲機(jī)床能幹多複(fu)雜、多🚶精密的(de)活兒，也決定(dìng)了這台機床(chuáng)和他的㊙️操作(zuò)者的身價。

（二(er)）數控系統能(néng)幹嘛？處理信(xìn)息并控制動(dong)力

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機床(chuáng)的大腦。

對于(yú)一般數控機(jī)床而言，往往(wǎng)包含人機控(kong)制界面、數控(kong)系🌐統、伺服驅(qū)動裝置、機床(chuang)、檢測裝置等(děng)等，操作人員(yuán)在一些計🔞算(suàn)機輔助‼️制造(zào)軟件的幫助(zhù)下，将加工過(guo)程所需的各(gè)種操作（如主(zhǔ)軸變速等步(bu)驟以及工件(jian)的形狀尺寸(cun)）用零件程序(xù)代碼表示，并(bìng)通過人及控(kong)制界面輸入(ru)到數控機床(chuang)，之後由⭐數控(kong)系統對🐉這些(xiē)信息進行處(chù)理和運算，并(bing)按零件程序(xu)的要求❤️控制(zhì)伺服電機，實(shi)💛現刀具與工(gong)件的🌂相對運(yùn)動，以完成零(ling)件的加工。

數(shu)控系統完成(cheng)諸多信息的(de)存儲和處理(li)的工作，并将(jiāng)🌍信息的♌處理(li)結果以控制(zhì)信号的形式(shi)傳給後續的(de)伺服電機，這(zhe)些控制信🔱号(hao)的工作效果(guo)依賴于兩大(da)核心技術：一(yi)🌐個是曲⚽線曲(qǔ)面的插補運(yun)算，一個是機(ji)床多軸的運(yun)動控制。

（三）零(líng)件形狀太“自(zi)由”？靠插補運(yun)算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可(ke)以用解析式(shì)表達，則整個(ge)運動就可以(yi)分解為幾個(ge)坐标的獨立(lì)運動的合成(chéng)運動，就👅可以(yi)直接控制📐電(diàn)機生成了。

但(dàn)是制造過程(cheng)中很多零件(jian)的形狀可以(yi)說是十分🏃‍♂️“自(zì)由”的，既不圓(yuán)、也不方，甚至(zhì)都不知道是(shì)什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船(chuán)、飛機、模具、藝(yì)術品等産品(pin)常遇到不能(neng)用解析式描(miao)述的曲❄️線曲(qu)面，這類曲🐪線(xian)曲面稱為自(zi)由曲線（Free Form Curves）或自(zi)由曲面。

要切(qiē)出來這些“自(zi)由”的形狀，刀(dao)具和工件之(zhī)間的相對👌運(yùn)動也😘相應的(de)十分複雜。具(ju)體到操作中(zhōng)，就是要控制(zhì)工件👣台、刀具(jù)都按照設計(jì)好的位置-時(shí)間曲線進行(hang)運動，控制這(zhe)二者在規定(dìng)的時間以指(zhi)定的姿态到(dao)達指定的位(wei)置。

機床可以(yi)在工件和刀(dao)具之間很好(hao)地完成直線(xiàn)段、圓弧或其(qí)👨‍❤️‍👨他的有解析(xi)式的樣條曲(qu)線的相對運(yùn)動，而這種複(fu)雜的㊙️“自由🙇‍♀️”運(yun)動又該怎麼(me)完成呢？答案(an)是依靠插補(bǔ)運算。

所謂插(chā)補，就是按照(zhào)一定方法确(que)定數控機床(chuáng)上刀💋具的運(yùn)動💛軌迹的過(guò)程。根據給定(dìng)的速度和軌(gui)迹，在軌迹的(de)已☎️知點之間(jian)⛱️，增加一些新(xīn)的中間點，并(bing)控制工件台(tái)和刀具通過(guò)這♌些中間🔴點(dian)，進而就能完(wán)成整👨‍❤️‍👨個運動(dong)。

而這些中間(jiān)點之間，則通(tōng)過線段、圓弧(hú)或者樣條曲(qǔ)線等來連接(jiē)。相當于用數(shu)段微小的線(xiàn)段和圓弧去(qu)逼近要求的(de)曲線和曲面(mian)，這就是插補(bǔ)的本質。

流行(háng)的插補算法(fa)包括逐點比(bǐ)較法、數字增(zeng)量法等，而利(li)用Nurbs樣條曲線(xiàn)進行插補因(yin)為其效率高(gāo)、精度好而得(de)❓到了高端⁉️數(shu)控機床的青(qīng)睐

（四(sì)）刀的姿态不(bú)對無法加工(gong)？五坐标聯動(dòng)分分鐘搞定(dìng)

加工複雜曲(qu)面不光要理(li)論上可以加(jia)工，還需要考(kao)慮刀具和🔅被(bei)加工的表面(mian)之間的相對(dui)位置關系。

一(yī)方面如果刀(dao)具的姿态不(bu)合适會導緻(zhi)加工的表面(mian)質量低下；另(lìng)一方面刀具(jù)還會和加工(gōng)好的零件結(jié)構互相幹涉(shè)，不調整刀具(ju)的相對姿态(tai)根本沒有辦(ban)法加🌈工。這就(jiù)需要賦♋予數(shù)控機床更多(duō)的運動自由(you)度，使之⭐更為(wéi)靈巧。

由于我(wo)們所處的三(sān)維空間的相(xiàng)對運動隻包(bāo)含六個自由(yóu)度（3個平動自(zi)由度以及3個(gè)轉動自由度(du)），五坐标聯動(dong)就是使數控(kòng)機床在具有(yǒu)空間上x、y、z三個(ge)方向的平動(dòng)自由度外，又(yòu)增加了兩個(ge)方向的轉動(dong)的自由度，再(zai)加上刀具本(běn)身的用于切(qiē)削的轉💋動自(zi)由度，這樣刀(dāo)具和工件之(zhi)間的相對運(yùn)動就有了全(quán)部的六個自(zi)由度，使得刀(dāo)具和工件🈲之(zhī)間可以呈現(xian)任意的相對(duì)位置和相💃🏻對(dui)姿态。

雖然标(biao)了4個平動自(zi)由度，但是其(qí)實質上也隻(zhī)是實現了x、y、z三(san)✨個🔴方向的運(yun)動，有一個自(zi)由度是冗餘(yu)的，其實質✍️上(shàng)是🌐一個五坐(zuo)标聯動機床(chuang)。

（五）國産數控(kong)系統：逐漸邁(mài)向高端市場(chang)

中國是當今(jin)世界機床制(zhì)造大國，數控(kong)系統在性能(neng)、功能和成套(tào)🌈化應用方面(mian)均取得了長(zhǎng)足進步。

其中(zhōng)，低檔數控系(xì)統幾乎完全(quán)取代了進口(kou)，中檔數🔴控♋系(xì)統在系💜列化(huà)、商品化和産(chǎn)業化方面成(cheng)效顯著㊙️。高檔(dang)數控🌈系統已(yǐ)突破實現了(le)五軸聯動功(gong)能，并在🔱六軸(zhou)數控砂帶磨(mó)床、五軸葉片(pian)銑床和車銑(xi)複合機🔞床等(deng)設備💋上得到(dào)了示範應用(yòng)。

此外，中國企(qǐ)業針對零件(jiàn)（如手機殼）的(de)大批量、表面(miàn)光潔度高等(děng)特點，各自開(kāi)發了多款專(zhuan)用系統和小(xiao)🌈型高速加♈工(gōng)中心，大大降(jiàng)❄️低了生産成(cheng)本，該市場現(xiàn)已基本被國(guo)産系統和主(zhu)機占領。

不過(guo)，還是應該看(kan)到，國際上的(de)數控系統已(yi)經有很多成(cheng)⛷️熟💛的高端産(chǎn)品，與世界機(jī)床強國相比(bǐ)，中國的機床(chuáng)産品在全㊙️球(qiu)機床市場的(de)競争力差距(ju)依然很大。