（一）從(cong)機床到數控機(ji)床，機器不再無(wu)腦幹活

機床是(shi)其他機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠出産(chan)的鋼鐵并不是(shi)我們在生活中(zhōng)見到的各種奇(qí)✔️奇怪🏒怪的形狀(zhuang)，而是闆材、管材(cai)、鑄錠等等形狀(zhuàng)比較規則的材(cai)料，這些材料要(yao)加工成各種形(xíng)狀的零件🥵就需(xu)要使用機床進(jìn)行切削；還有一(yi)些精度要求較(jiao)高和表面粗糙(cao)度要求🌈較細的(de)零件，就要在🌂機(jī)床上用精細繁(fan)複的工藝切出(chū)來或者磨出來(lai)。

和所有的機器(qì)一樣，最初的機(jī)床包括動力裝(zhuāng)置、傳動裝置和(he)執行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入動(dong)力，通過傳動裝(zhuāng)置帶着被加工(gōng)的工件或者刀(dāo)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(deng)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(ji)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(ji)了極為複雜的(de)傳動系統。這種(zhǒng)複雜度的機械(xiè)在現今的設計(ji)中已經不多見(jiàn)了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機(ji)就是可以在一(yī)定範圍内精确(que)控👅制電機的位(wèi)置和轉速的電(diàn)機）技術的發展(zhǎn)及其在數控機(jī)床🚶上的應用，直(zhí)接控制電機的(de)轉速變得方便(biàn)快🔞捷效率👅高，而(ér)且基本上是無(wu)級變速，傳動系(xì)統的結構大大(da)簡化，甚至出現(xian)了🛀🏻很多環節電(diàn)機直接連⭕接到(dào)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(ling)域的一大趨勢(shi)。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀(zhuang)的零件的加工(gōng)，還需要讓機床(chuáng)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(zhè)就要讓機床成(cheng)為有“腦子”的數(shu)控機床了。而這(zhe)個腦子👉就是數(shu)控系統，數控系(xi)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(cao)作者的身價。

（二(er)）數控系統能幹(gan)嘛？處理信息并(bing)控制動力

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

對于(yú)一般數控機床(chuáng)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(deng)，操作人員🔞在一(yi)些計算機輔助(zhu)制造軟件的幫(bāng)助下，将加工過(guo)程所需的各種(zhong)操作（如主💃🏻軸變(biàn)速等步驟以及(jí)工件的形☀️狀尺(chi)寸）用零件程序(xù)代碼表示，并通(tong)過人及控制界(jiè)面🐇輸入到數控(kòng)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(ling)件程序的要求(qiu)♊控制伺服電機(ji)，實♉現刀具與工(gong)件的相對運動(dòng)，以完🔱成零件的(de)加工。

數控系統(tong)完成諸多信息(xi)的存儲和處理(li)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(xu)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(xiàn)曲面的插補運(yùn)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(bǔ)運算搞定

如果(guo)運動軌迹可以(yǐ)用解析式表達(dá)，則整個運動就(jiù)可以🏃🏻分解為幾(jǐ)個坐标的獨立(li)運動的合成運(yun)動，就可以😘直接(jiē)控制🔱電機💞生成(chéng)了。

但是制造過(guò)程中很多零件(jian)的形狀可以說(shuō)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(pǐn)等産品常遇到(dào)不能用解♋析式(shì)描述的曲線曲(qu)面，這類曲線曲(qu)面稱為自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由曲面(miàn)。

要切出來這些(xie)“自由”的形狀，刀(dāo)具和工件之間(jian)的相對運動也(ye)❗相應的十分複(fú)雜。具體到操作(zuo)中，就是要控制(zhi)工件台、刀💞具都(dōu)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(dìng)的時間以指定(ding)的姿态到達指(zhi)定的位置。

機床(chuang)可以在工件和(he)刀具之間很好(hǎo)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(fú)雜的“自由”運動(dòng)又該怎麼完成(chéng)呢？答案是依靠(kào)插🏒補運算。

所謂(wei)插補，就是按照(zhao)一定方法确定(dìng)數控機床上刀(dao)具⛷️的🈲運動軌迹(ji)的過程。根據給(gei)定的速度和軌(gui)迹，在🍉軌迹✔️的已(yǐ)知點☀️之間，增加(jia)一些新的中間(jian)點，并控制工件(jiàn)台🔴和刀具通過(guò)這些中間點，進(jin)而就能完成整(zheng)個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則(zé)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲線(xian)等來連接。相當(dang)于用數段微小(xiǎo)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(bu)算法包括逐點(diǎn)比較法、數字增(zēng)量法等，而利用(yòng)Nurbs樣條曲線進行(háng)插補因為其效(xiào)率高、精度好而(er)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(jiā)工？五坐标聯動(dòng)分分鐘搞定

加(jia)工複雜曲面不(bu)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(ru)果刀具的姿态(tai)不合适會導緻(zhi)加工的表面📐質(zhì)量低下；另一方(fāng)面刀具還會和(he)加工好的零件(jiàn)結構互相幹涉(she)，不調💁整刀具的(de)相對姿态根本(běn)沒有辦法加工(gong)。這就需要賦予(yu)數控機床更多(duo)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(bāo)含六個自由度(dù)（3個平動自由度(dù)以及3個轉動自(zi)由度），五坐💋标聯(lian)動就是使數控(kòng)機床在具有空(kong)間上x、y、z三個方向(xiàng)的平動自由度(du)外，又增加了兩(liang)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(yàng)刀具和工件之(zhi)間的相對運動(dòng)就☎️有了全部的(de)👅六個自由度🈲，使(shǐ)得刀具和工件(jian)之間可以呈現(xian)任意的相對位(wei)🥰置和相對姿态(tài)。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是(shì)其實質上也隻(zhi)是實現了x、y、z三個(ge)方向的運動，有(you)一個自由度是(shi)冗餘的，其實質(zhi)🧡上是一個五坐(zuo)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻标聯動機床。

（五(wu)）國産數控系統(tǒng)：逐漸邁向高端(duān)市場

中國是當(dāng)今世界機床制(zhi)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(tong)幾乎完全取代(dai)了進口，中檔數(shu)控🈲系🔞統在系列(liè)化、商品化和産(chǎn)業化方面成效(xiao)顯著👨‍❤️‍👨。高檔數控(kong)系統🚶已突破實(shi)現了五軸聯動(dòng)功能，并在六軸(zhóu)數控砂帶👄磨床(chuang)、五軸葉片銑床(chuáng)和🚶車銑複合機(jī)床等設備上得(dé)到了示範應用(yong)。

此外，中國企業(yè)針對零件（如手(shou)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(gāo)速加🐪工中心，大(da)大降低了生産(chan)成本，該市場現(xiàn)已基本💋被國産(chǎn)系統和🚶‍♀️主機占(zhàn)領。

不過，還是應(ying)該看到，國際上(shang)的數控系統已(yi)經有很♻️多成熟(shú)的高端産品，與(yǔ)世界機床強國(guo)相比，中國的機(ji)床産品在全球(qiu)機床市場的競(jing)争力差距依然(ran)很☔大。