（一）從機床(chuáng)到數控機(jī)床，機器不(bu)再無腦幹(gàn)活

機床是(shi)其他機器(qì)的“母機”。

煉(liàn)鋼廠出産(chan)的鋼鐵并(bing)不是我們(men)在生活中(zhong)見到的各(gè)種奇🔞奇怪(guai)怪的形狀(zhuàng)，而是闆材(cai)、管材、鑄錠(ding)等等形狀(zhuang)比👣較規則(ze)的材料，這(zhe)些❌材料要(yao)加工成各(ge)種形狀的(de)零件就需(xu)要使用機(jī)床進行切(qie)削；還有一(yi)些精度要(yào)求較高㊙️和(he)表面粗糙(cao)度要求較(jiào)細的零件(jian)，就要在機(ji)床上用精(jing)細繁複的(de)工藝切出(chū)來或者磨(mó)出來。

和所(suo)有的機器(qi)一樣，最初(chū)的機床包(bao)括動力裝(zhuang)置、傳動裝(zhuang)置和🈲執行(hang)裝置，靠電(diàn)機轉動輸(shū)入動力，通(tōng)過傳動裝(zhuāng)🚶‍♀️置帶🐉着被(bèi)加工的工(gōng)件或者刀(dāo)具進行相(xiàng)對運動，至(zhi)于在哪兒(er)下刀、切多(duo)少、多👈快速(sù)度🤞切等等(děng)問題，則由(yóu)人在加工(gong)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(bu)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼變的👌，為了(le)實現不同(tong)的切削速(su)度，傳統的(de)機床設計(ji)了極為複(fú)雜的傳動(dong)系統。這種(zhǒng)複雜度的(de)機械在現(xiàn)今的設計(ji)中已經不(bu)多見了。

而(er)随着伺服(fú)電機（伺服(fú)電機就是(shì)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(ji)術的發展(zhǎn)及其在數(shu)控機床☎️上(shàng)的應用，直(zhí)接控制電(dian)機的轉速(sù)變得🥵方便(bian)快捷效率(lü)高，而且基(jī)本上是無(wu)級變速，傳(chuán)動系統❤️的(de)結構大大(da)簡化，甚至(zhì)出現了很(hěn)多環節電(diàn)機直接連(lián)接到執行(hang)機構上，而(er)省略了傳(chuán)動系統。

這(zhè)種“直接驅(qū)動”的模式(shì)是現在機(jī)械設計領(lǐng)域的一🔴大(dà)趨🈲勢。

結構(gou)的簡化還(hai)不夠，要實(shi)現各種各(gè)樣的形狀(zhuang)的零♻️件的(de)加工👈，還需(xu)要讓機床(chuang)可以高效(xiao)、準确的控(kong)制多台電(diàn)機合作完(wan)成整個加(jia)工過程。

這(zhè)就要讓機(jī)床成為有(yǒu)“腦子”的數(shù)控機床了(le)。而這個腦(nǎo)🏃‍♀️子就是📱數(shu)控系統，數(shù)控系統的(de)水平高低(dī)決定了數(shù)控機床能(néng)幹多複雜(zá)、多精密的(de)活兒，也決(jue)定了這台(tai)機床和他(tā)的操作者(zhe)的身價。

（二(èr)）數控系統(tǒng)能幹嘛？處(chù)理信息并(bing)控制動力(lì)

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

對于一般(ban)數控機床(chuáng)而言，往往(wang)包含人機(jī)控制界面(mian)、數控系🌂統(tong)🚶‍♀️、伺服驅動(dong)裝置、機床(chuáng)、檢測裝置(zhì)等等，操作(zuo)👨‍❤️‍👨人員在一(yi)些計算機(jī)輔助👈制造(zao)軟件的幫(bāng)助下，将加(jiā)工過程🐇所(suǒ)需的❓各種(zhong)操作（如主(zhǔ)軸變速等(děng)步驟以及(jí)工件的形(xing)🍓狀尺寸）用(yong)零件程序(xu)代碼表示(shì)，并通過人(rén)及控制界(jiè)面輸入到(dao)數控機床(chuang)，之後由數(shù)控系統對(duì)這些信息(xi)進行🚶‍♀️處理(li)和運算，并(bing)按零件程(cheng)序的要求(qiu)控制伺服(fú)🔆電機，實現(xian)刀具與工(gōng)件的相對(duì)運動，以完(wán)成零件的(de)加工。

數控(kong)系統完成(cheng)諸多信息(xī)的存儲和(hé)處理的工(gōng)作，并将信(xìn)息的處理(lǐ)結果以控(kòng)制信号的(de)形式傳給(gei)後續的伺(si)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(chā)補運算，一(yi)個是機床(chuang)多軸的運(yùn)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(dá)，則整個運(yùn)動就可以(yi)分解為幾(jǐ)個坐标的(de)獨立運動(dong)的合成運(yùn)動，就可以(yǐ)直接控制(zhi)電機生成(chéng)了。

但是制(zhì)造過程中(zhong)很多零件(jiàn)的形狀可(ke)以說是十(shi)分“自由”的(de)，既❌不✔️圓、也(yě)不方，甚至(zhì)都不知道(dào)是什麼形(xíng)狀，例如汽(qì)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(shu)的曲線曲(qu)面，這類曲(qu)❄️線曲面稱(chēng)為自由曲(qu)線（Free Form Curves）或自由(yóu)曲🌍面。

要切(qie)出來這些(xiē)“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(fú)雜。具體到(dào)操作中，就(jiu)是要💛控制(zhi)工件台、刀(dao)具都按照(zhào)設計好的(de)位置-時間(jian)曲線❌進行(hang)運動，控制(zhi)這二者在(zài)規定的時(shí)間以指定(dìng)的姿态到(dao)達指定的(de)位置。

機床(chuang)可以在工(gōng)件和刀具(jù)之間很好(hǎo)地完成直(zhi)線段、圓弧(hu)或其他的(de)有解析式(shi)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(dá)案是依靠(kào)插補運算(suàn)。

所謂插補(bu)，就是按照(zhào)一定方法(fǎ)确定數控(kong)機床上刀(dāo)具的♈運🆚動(dong)🌏軌迹的過(guò)程。根據給(gěi)定的速度(dù)和軌迹，在(zài)軌迹📧的已(yǐ)知點之間(jian)♊，增加一些(xie)新的中間(jian)點，并控制(zhì)工件台和(hé)刀具通過(guo)這些中間(jian)點，進而就(jiù)能完成整(zhěng)個運動。

而(ér)這些中間(jian)點之間，則(zé)通過線段(duan)、圓弧或者(zhe)樣條曲線(xian)等來連⛹🏻‍♀️接(jie)。相當于用(yong)數段微小(xiǎo)的線段和(he)圓弧去逼(bī)近要求的(de)曲線和曲(qǔ)面，這就是(shi)插補的本(běn)質。

流行的(de)插補算法(fa)包括逐點(dian)比較法、數(shu)字增量法(fa)等，而利✂️用(yòng)Nurbs樣🤩條曲線(xian)進行插補(bu)因為其效(xiao)率高、精度(dù)好而得到(dào)了高端數(shù)控機床的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态不(bu)對無法加(jiā)工？五坐标(biāo)聯動分分(fen)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(biǎo)面之間的(de)相對位置(zhi)關系。

一方(fāng)面如果刀(dāo)具的姿态(tài)不合适會(hui)導緻加工(gong)的表面💰質(zhì)量🤩低下；另(lìng)一方面刀(dao)具還會和(he)加工好的(de)零件結構(gou)互相🛀幹涉(shè)，不調整刀(dāo)具的相對(duì)姿态根本(běn)沒有辦法(fǎ)加工。這就(jiu)需要賦予(yu)數控機床(chuáng)更🔞多的運(yùn)動自由度(du)，使之更為(wéi)靈巧。

由于(yu)我們所處(chù)的三維空(kōng)間的相對(duì)運動隻包(bao)含六個自(zì)🔞由度（3個平(píng)動自由度(dù)以及3個轉(zhuǎn)動自由度(dù)），五坐标聯(lián)動就是使(shi)數控機床(chuáng)在具有空(kong)間上x、y、z三個(ge)方向的平(píng)動自由度(dù)⚽外，又增加(jia)了兩個方(fāng)向的轉動(dòng)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(yang)刀具和工(gong)件之間的(de)相對運動(dòng)就有了全(quan)部的六個(ge)自由度✨，使(shǐ)得刀具和(he)工件之間(jian)可以呈現(xian)任意的相(xiang)對位置和(hé)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(gè)方向的運(yun)動，有一個(ge)自由度是(shi)冗餘的，其(qí)實質🐉上是(shi)一個五坐(zuo)标聯動機(jī)床。

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

中國是當(dāng)今世界機(ji)床制造大(da)國，數控系(xì)統在性能(néng)、功🌈能和成(chéng)套化應用(yong)方面均取(qǔ)得了長足(zu)進步。

其中(zhōng)，低檔數控(kong)系統幾乎(hū)完全取代(dai)了進口，中(zhōng)檔數💛控✔️系(xi)統🏃‍♀️在系列(liè)化、商品化(huà)和産業化(hua)方面成效(xiào)顯著。高檔(dang)數控系統(tǒng)已突破實(shi)現了五軸(zhou)聯動功能(néng)，并在六軸(zhou)數控砂帶(dai)磨床、五軸(zhou)葉片銑床(chuáng)和車銑複(fu)合機床等(deng)設備上得(de)到了示範(fan)應用。

此外(wai)，中國企業(ye)針對零件(jiàn)（如手機殼(ke)）的大批量(liàng)、表面光潔(jié)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(zhōng)♻️心，大大降(jiang)⁉️低了生産(chan)成本，該市(shì)場現已基(jī)本被國産(chǎn)系統和主(zhu)機占領。

不(bu)過，還是應(yīng)該看到，國(guo)際上的數(shù)控系統已(yi)經有很多(duo)成熟🎯的📐高(gao)端産品，與(yǔ)世界機床(chuáng)強國相比(bǐ)，中國的機(ji)床🔞産品在(zai)全球機床(chuáng)市場的競(jìng)争力差距(jù)依然很✔️大(da)。