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

機床(chuang)是其他機器(qi)的“母機”。

煉鋼(gang)廠出産的鋼(gang)鐵并不是我(wo)們在生活中(zhōng)見到的各種(zhǒng)奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆(pǎn)材、管材、鑄錠(dìng)等等形狀比(bi)較規則的材(cai)料，這些🌐材料(liao)要加工成各(gè)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(qiú)較高和表面(mian)粗糙度要求(qiú)較細的零件(jian)，就要在機床(chuáng)上用精📞細繁(fan)複的工㊙️藝切(qie)出來或者磨(mó)出來。

和所有(yǒu)的機器一樣(yàng)，最初的機床(chuáng)包括動力裝(zhuāng)置、傳動裝置(zhì)和執行裝置(zhi)，靠電機轉動(dòng)輸入動力，通(tōng)過傳動裝置(zhi)帶着被加工(gōng)的工件或者(zhe)刀具進行相(xiàng)對運動，至于(yú)在哪兒下刀(dao)、切多少、多快(kuài)速度切等等(deng)問題，則由人(rén)在加工過程(chéng)🍉中直接進🔴行(háng)控制。

由于傳(chuan)統機床使用(yong)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(tong)的機床設🌍計(jì)了極為複雜(za)💰的傳動系統(tǒng)。這種複雜度(dù)的機械在現(xiàn)今的設計中(zhōng)已經不多見(jian)了。

而随着伺(si)服電機（伺服(fú)電機就是可(kě)以在一定範(fàn)圍内精确控(kòng)制電機的位(wei)置和轉速的(de)電機）技術的(de)發❤️展及其在(zai)數控機床上(shàng)的應用，直接(jiē)控制電機的(de)轉速變得方(fāng)便快捷效率(lü)高，而且基本(běn)上是無級變(bian)速，傳動系統(tong)的結構大大(dà)簡化，甚至出(chu)現了很多環(huan)節電機直接(jie)連接到執行(háng)機構上，而省(shěng)略了傳動系(xi)統。

這種“直接(jiē)驅動”的模式(shì)是現在機械(xie)設計領域的(de)一⭐大趨♊勢。

結(jié)構的簡化還(hái)不夠，要實現(xiàn)各種各樣的(de)形狀的零件(jiàn)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(wan)🔅成整個加工(gōng)過程。

這就要(yao)讓機床成為(wéi)有“腦子”的數(shù)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(jue)定了🛀🏻數控🌈機(ji)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(neng)幹嘛？處理信(xin)息并控制動(dòng)力

數控系統(tǒng)（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(wang)包含人機控(kong)制界面、數控(kòng)系統、伺❌服驅(qū)動裝置、機床(chuang)、檢測裝置等(děng)等，操作⚽人員(yuan)在一些計算(suan)機輔助制造(zào)軟件的幫助(zhu)下，将加🐕工過(guo)程所需的各(ge)種操♻️作（如主(zhu)♍軸變速等步(bù)驟以及工件(jian)的形狀尺寸(cun)）用☎️零件程序(xu)🌈代碼表示🈲，并(bing)通過人及控(kong)制界面輸入(ru)到數控機床(chuang)，之後由數控(kòng)系統對這些(xie)信息進行處(chu)理和運算，并(bing)按零件程序(xù)的♊要求控制(zhi)伺服👨‍❤️‍👨電機，實(shi)現刀具與工(gōng)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(lǐ)的工作，并将(jiāng)信📐息的處理(li)結果以控制(zhì)信号的形式(shì)傳給後續的(de)伺服電機，這(zhè)些控🥰制信号(hao)的工作效果(guo)依賴于兩大(dà)核心技術：一(yi)📐個是曲線曲(qǔ)面的插補運(yùn)算，一個是🚶‍♀️機(jī)床多軸的運(yùn)動控制。

（三）零(ling)件形狀太“自(zì)由”？靠插補運(yùn)算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可(ke)以用解析式(shi)表達，則整個(ge)運動就可以(yǐ)分解為幾個(ge)坐标的獨立(li)運動的合成(cheng)運動，就可以(yǐ)直接控制電(diàn)機生成了。

但(dan)是制造過程(chéng)中很多零件(jiàn)的形狀可以(yi)說是十分“自(zì)由”的❌，既不圓(yuán)、也不方，甚至(zhi)都不知道是(shi)什麼形狀，例(li)如汽車、輪船(chuán)、飛機、模具💯、藝(yi)術品等産品(pin)常遇到不能(néng)用解析式描(miao)述的曲線曲(qu)面，這類曲🚶‍♀️線(xiàn)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(zì)由”的形狀，刀(dāo)具和工件之(zhi)間的相對⭐運(yun)✨動也相⛹🏻‍♀️應的(de)十分複雜。具(jù)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(dào)達指🔞定的位(wei)置。

機床可以(yǐ)在工件和刀(dāo)具之間很好(hǎo)地完成直線(xian)段🌍、圓弧♊或其(qi)他的有解析(xi)式的樣條曲(qǔ)線的相對運(yun)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(bu)運算。

所謂插(cha)補，就是按照(zhao)一定方法确(què)定數控機床(chuang)上刀具的運(yùn)動軌迹的過(guò)程。根據給定(ding)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(guo)這些中間點(diǎn)，進而就能完(wan)成整🌈個運動(dong)。

而這些中間(jian)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(xian)段和圓弧去(qu)逼近要求的(de)曲💋線和曲面(mian)，這就是插補(bu)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(lì)用Nurbs樣條曲線(xian)進行插補因(yīn)為其效率高(gao)、精度好而得(de)到了高端數(shu)控機床的青(qīng)睐

（四(si)）刀的姿态不(bu)對無法加工(gong)？五坐标聯動(dong)分分鐘搞定(ding)

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(bèi)加工的表面(miàn)之間的相對(dui)位置關系。

一(yi)方面如果刀(dao)具的姿态不(bú)合适會導緻(zhi)加工的表面(mian)質😍量🧡低🙇‍♀️下；另(ling)一方面刀具(ju)還會和加工(gōng)好的零件結(jie)構互相幹涉(shè)，不調整刀❤️具(ju)的相對姿态(tài)根本沒有辦(ban)法加🌐工。這就(jiù)需要賦予數(shù)控機床更多(duo)的運動自由(you)度，使之更為(wéi)靈巧。

由于我(wǒ)們所處的三(sān)維空間的相(xiang)對運動隻包(bao)含六個自由(you)度（3個平動自(zi)由度以及3個(ge)轉動自由度(dù)），五坐标聯動(dòng)就🐕是使數控(kòng)機床在具有(you)空間上x、y、z三個(gè)方向的平動(dong)✏️自由度❌外，又(you)增加了兩💃🏻個(ge)方向😘的轉動(dong)的自由度，再(zài)加上刀具本(běn)身的用于切(qiē)削的轉動自(zi)由度，這樣刀(dao)具和工件之(zhī)間的相對運(yun)動就有了全(quan)部的六個自(zì)由度，使🔴得刀(dao)具和工件之(zhi)間可以呈現(xian)任意🙇‍♀️的相對(dui)位🈲置和相對(duì)姿态。

雖然标(biāo)了4個平動自(zi)由度，但是其(qi)實質上也隻(zhi)是實🔞現📐了x、y、z三(sān)個方向的運(yùn)動，有一個自(zì)由度是冗餘(yú)的，其實質㊙️上(shang)是一個🌈五坐(zuo)标聯動機床(chuang)。

（五）國産數控(kòng)系統：逐漸邁(mài)向高端市場(chǎng)

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

其中(zhong)，低檔數控系(xi)統幾乎完全(quan)取代了進口(kou)，中檔數控系(xì)統♈在系列化(hua)、商品化和産(chan)業化方面成(cheng)效顯著。高檔(dang)數控系統已(yi)突破實☁️現了(le)五軸聯動功(gong)能，并在🌐六軸(zhóu)數控砂帶磨(mó)床、五軸葉片(pian)銑床和車銑(xǐ)複合機床等(deng)設備上得到(dao)了示範應用(yòng)。

此外，中國企(qi)業針對零件(jiàn)（如手機殼）的(de)大批量、表面(miàn)🏃🏻‍♂️光潔度高等(deng)特點，各自開(kāi)發了多款專(zhuān)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(xian)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(yǐ)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(chuang)産品🛀在全球(qiu)機⛹🏻‍♀️床市場的(de)競争力差距(ju)依然很大。