（一）從機床(chuang)到數控機(jī)床，機器不(bú)再無腦幹(gan)活

機床是(shi)其他機器(qi)的“母機”。

煉(lian)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(zhè)些材料要(yào)加工成各(ge)種形狀的(de)零件♊就需(xu)要使用機(jī)床進行切(qiē)削；還有一(yi)些精度要(yào)求較高和(he)表面粗糙(cao)度要求較(jiao)細的零件(jiàn)，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(bāo)括動力裝(zhuang)置、傳動裝(zhuang)置和執行(háng)裝置，靠電(diàn)機轉動輸(shu)入動力，通(tōng)過傳動裝(zhuang)置帶♈着被(bèi)加工的工(gōng)件或者刀(dāo)具進行相(xiang)對運動，至(zhi)于在哪兒(er)下刀、切多(duo)少、多快速(sù)度切等等(deng)問題，則由(you)人在加工(gōng)過程中直(zhí)接進行控(kong)制。

由于傳(chuán)統機床使(shǐ)用的電機(ji)的轉速在(zai)工作時基(jī)本上是不(bú)變的，為了(le)實現不同(tong)的切削速(sù)度，傳統的(de)機床設🍓計(jì)了極為複(fu)雜的傳動(dòng)系統。這種(zhǒng)複雜度的(de)機械在現(xian)今的設計(jì)中已經不(bú)多見了。

而(er)随着伺服(fu)電機（伺服(fú)電機就是(shì)可以在一(yī)定範圍内(nei)精确🙇‍♀️控💜制(zhi)電機的位(wèi)置和轉速(sù)的電機）技(jì)術的發👨‍❤️‍👨展(zhǎn)及其在數(shù)控㊙️機床🏃‍♀️上(shang)的🐕應用，直(zhi)接控制電(diàn)機的轉速(sù)變得方便(biàn)快捷效率(lǜ)高，而且基(ji)本上是無(wú)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(dian)機直接連(lián)接到執行(hang)機構上，而(ér)省略了傳(chuan)動系統。

這(zhe)種“直接驅(qu)動”的模式(shi)是現在機(jī)械設計領(ling)域的一大(dà)趨🔞勢。

結構(gou)的簡化還(hái)不夠，要實(shi)現各種各(ge)樣的形狀(zhuang)的零件的(de)加☀️工，還需(xu)要讓機床(chuáng)可以高效(xiao)、準确的控(kong)制多台電(diàn)機合作完(wán)成整個加(jia)工過程。

這(zhe)就要讓機(jī)床成為有(you)“腦子”的數(shù)控機床了(le)。而這個腦(nao)子就是數(shù)控系統，數(shù)控系統的(de)水平高低(di)決定了數(shù)控機床能(neng)幹多複雜(za)、多精密的(de)活兒，也決(jué)定了這台(tái)機床和他(tā)的操作者(zhe)🈲的身價。

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

數控系統(tǒng)（Numerical Controller System）是數控機(jī)床的大腦(nao)。

對于一般(bān)數控機床(chuang)而言，往往(wǎng)包含人機(jī)控制界面(miàn)、數控系❤️統(tǒng)、伺服驅動(dòng)裝置、機床(chuáng)、檢測裝置(zhì)等等，操作(zuò)人員✨在一(yi)㊙️些計🚶算機(ji)🙇🏻輔助制造(zao)軟件的幫(bang)助下，将加(jiā)工過程所(suo)需的各種(zhong)操作（如主(zhu)軸變速等(děng)步驟以及(ji)工件的形(xíng)狀尺寸）用(yòng)零件程序(xu)代碼表示(shi)，并通過人(rén)🌈及控制界(jie)面輸入到(dao)數控機床(chuáng)，之後由數(shu)控系統對(dui)🏃🏻這些信息(xī)進行處理(li)和運算，并(bing)按零件程(cheng)序的要求(qiú)控制伺服(fú)電機，實🔴現(xian)刀具與工(gong)件的🛀🏻相對(duì)運動，以完(wan)成零件的(de)加工。

數控(kòng)系統完成(chéng)諸多信息(xī)的存儲和(he)處理的工(gong)作，并将信(xìn)息的處理(li)結果以控(kòng)制信号的(de)形式傳給(gěi)後續的伺(sì)服電機，這(zhe)些控制信(xìn)号的工作(zuò)效果依賴(lài)于兩大核(hé)心技術：一(yī)個是曲線(xiàn)曲面的插(cha)補運算，一(yī)個是機床(chuáng)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(guo)運動軌迹(jì)可以用解(jiě)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(yi)直接控制(zhi)⭕電機生成(cheng)🔞了。

但是制(zhi)造過程中(zhong)很多零件(jian)的形狀可(kě)以說是十(shi)分“自由”的(de)，既不圓、也(yě)不方，甚至(zhì)都不知道(dao)是什麼形(xíng)狀，例如汽(qì)車🤟、輪船、飛(fei)機、模具、藝(yi)術品等産(chǎn)品常遇到(dao)不能用解(jie)析式描述(shù)的曲線曲(qu)面，這類曲(qu)線曲面稱(cheng)為自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由(yóu)曲面。

要切(qiē)出來這些(xie)“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(fu)雜。具體到(dao)操作中，就(jiu)是要控制(zhi)工件台、刀(dao)具都按照(zhao)設計好的(de)位置-時間(jiān)曲線進行(hang)運動，控制(zhi)這二者♻️在(zai)規定的時(shi)間♌以指定(dìng)的姿态到(dao)達指🏃🏻‍♂️定的(de)位置。

機床(chuáng)可以在工(gong)件和刀具(ju)之間很好(hao)地完成直(zhi)線段、圓🚶弧(hú)或其🐆他的(de)有解析式(shì)的樣條曲(qǔ)線的相對(dui)運動，而這(zhe)種複雜的(de)“自由”運動(dòng)又該怎麼(me)完成呢？答(da)案是依靠(kao)插補運算(suan)。

所謂插補(bu)，就是按照(zhào)一定方法(fa)确定數控(kong)機床上刀(dao)💋具🔱的運動(dòng)軌迹的過(guo)程。根據給(gei)定的速度(dù)和軌迹，在(zai)軌迹的已(yǐ)知點🛀之間(jian)，增加一些(xiē)新的中間(jian)點，并控制(zhi)工件台🔴和(he)刀具通過(guò)這些中間(jiān)點，進而就(jiu)能完成整(zhěng)個運動。

而(ér)這些中間(jian)點之間，則(ze)通過線段(duan)、圓弧或者(zhe)樣條曲線(xiàn)等來連接(jie)。相當于用(yòng)數段微小(xiao)的線段和(hé)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(fǎ)包括逐點(diǎn)比較法、數(shu)字增量法(fa)等，而利用(yong)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(dao)了高端♌數(shu)控🙇‍♀️機床📞的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态不(bu)對無法加(jiā)工？五坐标(biao)聯動分分(fèn)鐘搞定

加(jia)工複雜曲(qu)面不光要(yào)理論上可(ke)以加工，還(hai)需要考慮(lǜ)刀具和被(bèi)加工的表(biǎo)面之間的(de)相對位置(zhì)關系。

一方(fāng)面如果刀(dao)具的姿态(tai)不合适會(huì)導緻加工(gong)的表面質(zhi)量低👅下㊙️；另(ling)一方面刀(dāo)具還會和(he)加工好的(de)零件結構(gòu)互相幹涉(shè)，不調整刀(dāo)🥰具的相對(dui)姿态根本(ben)沒有🔴辦法(fǎ)加❤️工。這就(jiù)🏃🏻‍♂️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(yú)我們所處(chu)的三維空(kong)間的相對(dui)運動隻包(bāo)含六個自(zì)由⚽度（3個平(ping)動自由度(dù)以及3個轉(zhuǎn)動自由度(dù)），五坐标聯(lian)💃動就是使(shǐ)數控機床(chuang)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(dong)的自由度(dù)，再加上刀(dāo)具本身的(de)用于切削(xuē)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(quán)部的六個(gè)自由度，使(shi)得刀具和(he)工件之間(jiān)可以呈現(xiàn)✂️任意的相(xiang)對位🔴置和(he)相對姿态(tai)。

雖然标了(le)4個平動自(zi)由度，但是(shi)其實質上(shàng)也隻是實(shi)現了x、y、z三個(ge)方向的運(yun)動，有一個(ge)自由度是(shì)冗餘的，其(qi)實質上是(shì)一個🔞五坐(zuò)标聯動機(ji)床。

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

中國是當(dāng)今世界機(ji)床制造大(dà)國，數控系(xi)統在性能(neng)、功能和💁成(cheng)套🔞化應用(yòng)方面均取(qǔ)得了長足(zú)進步。

其中(zhong)，低檔數控(kòng)系統幾乎(hū)完全取代(dai)了進口，中(zhōng)檔數💛控系(xi)💛統在系列(lie)化、商品化(huà)和産業化(huà)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(neng)，并在六軸(zhóu)數控砂帶(dài)磨床、五軸(zhóu)葉片銑床(chuang)和車銑複(fú)合機床等(deng)設備上得(dé)到了示範(fan)應用。

此外(wài)，中國企業(ye)針對零件(jian)（如手機殼(ke)）的大批量(liàng)、表面光潔(jie)度高等特(tè)點，各自開(kai)發了多款(kuan)專用系統(tǒng)和小型高(gao)速加工中(zhōng)心，大大降(jiàng)低了生産(chan)成本，該市(shì)場現🏃‍♂️已基(ji)本被國産(chǎn)🍓系統和❓主(zhǔ)機占領。

不(bu)過，還是應(ying)該看到，國(guó)際上的數(shù)控系統已(yi)經有很多(duo)成熟的✂️高(gāo)端産品，與(yǔ)世界機床(chuang)強國相比(bǐ)，中國的機(ji)床産品在(zai)全球機床(chuang)市場的競(jing)争力差距(jù)依然很大(dà)。