（一）從(cong)機床到數控機床(chuáng)，機器不再無腦幹(gan)活

機床是其他機(ji)器的“母機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼鐵并不(bu)是我們在生活中(zhōng)見到的各🙇‍♀️種奇奇(qi)怪怪的形狀，而是(shi)闆材、管材、鑄錠等(deng)等形☂️狀比較規則(ze)的材料🛀，這些👈材料(liao)要加工成各種形(xing)狀的零件就需要(yào)使用機🏃🏻床進行🏃‍♂️切(qiē)削；還有一些精度(du)🛀要求較高和表面(miàn)粗糙度要求較細(xì)的零件，就要在✏️機(jī)床上用精細繁複(fú)的工藝切出來或(huò)者磨出來。

和所有(yǒu)的機器一樣，最初(chu)的機床包括動力(li)裝置、傳動裝置和(he)執📧行裝置，靠電機(jī)轉動輸入動力，通(tong)過傳✂️動裝置帶着(zhe)被😘加工🐕的工件或(huò)者刀具進行相對(duì)運👅動，至于♍在哪兒(er)下刀、切🥰多少、多快(kuai)速度切等等問題(tí)，則由人在加工過(guò)程中直接進行控(kòng)制。

由于傳統機床(chuang)使用的電機的轉(zhuan)速在工作時基本(ben)上是不變的✉️，為了(le)實現不同的切削(xuē)速度，傳統的機床(chuang)設計了極為複雜(zá)的傳動系統。這種(zhong)複雜度的機械在(zài)現今的設👈計中已(yǐ)經不多見了。

而随(suí)着伺服電機（伺服(fu)電機就是可以在(zài)一定範圍内精确(que)控🔞制🌈電機的位置(zhì)和轉速的電機）技(ji)術的發展及㊙️其在(zai)數控㊙️機床上的應(yīng)用，直接控制電機(jī)的轉速變得✌️方便(biàn)快捷效率高，而且(qiě)基本上是無級變(biàn)速，傳動系統🤟的結(jie)構大⭐大簡化，甚至(zhì)出現了很多環節(jie)💋電機直接連接到(dao)執行機構上，而省(sheng)略了傳動系統。

這(zhè)種“直接驅動”的模(mó)式是現在機械設(shè)計領域的一大趨(qū)勢。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各種(zhong)各樣的形狀的零(líng)件的加工，還需要(yào)讓機床可以高效(xiào)、準确的控制多台(tái)電機合作完💋成整(zheng)個加工過程。

這就(jiù)要讓機床成為有(yǒu)“腦子”的數控機床(chuáng)了。而這個腦子就(jiù)是數控系統，數控(kong)系統的水平高低(dī)決定了數控機床(chuáng)能幹多複雜、多✊精(jīng)密的活兒，也決定(ding)了這台機床和他(ta)的操作者的身價(jià)。

（二）數控系統能幹(gan)嘛？處理信息并控(kòng)制動力

數控系統(tǒng)（Numerical Controller System）是數控機床的大(da)腦。

對于一般數控(kòng)機床而言，往往包(bāo)含人機控制界面(mian)、數控系統、伺服驅(qū)動裝置、機床、檢測(ce)裝置等等，操作人(rén)員在一些計算機(jī)輔助制造軟件的(de)幫助下，将加工過(guò)程🏃所需的各種操(cao)作（如主軸變速等(děng)步驟以及工件的(de)形狀尺寸）用零件(jiàn)程序代碼表示✍️，并(bìng)通過人及控制界(jie)面輸入到數控機(jī)床，之後由數控系(xì)統對💃這些信息進(jin)行⭕處理和運算，并(bìng)按零件程序的🈲要(yao)求控制伺服電機(ji)，實現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完(wan)成零件的加工。

數(shù)控系統完成諸多(duo)信息的存儲和處(chu)理的工作，并将信(xìn)息的處理結果以(yi)控制信号的形式(shì)傳給後續的伺服(fu)電機，這些控✍️制信(xin)号的工作效果依(yi)賴于兩大核心技(ji)術：一個是曲線曲(qǔ)面的插補運算，一(yī)個是機床多軸的(de)運動控制。

（三）零件(jian)形狀太“自由”？靠插(cha)補運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以用(yong)解析式表達，則整(zheng)個運動就可㊙️以分(fen)解💋為幾個坐标的(de)獨立運動的合成(cheng)運動，就可以直接(jiē)控制電機生成了(le)。

但是制造過程中(zhong)很多零件的形狀(zhuang)可以說是十分🆚“自(zì)‼️由”的，既不圓、也不(bú)方，甚至都不知道(dào)是什麼形狀，例如(ru)汽車、輪船、飛機、模(mo)具、藝術品等産品(pǐn)常遇到不能用解(jie)析式描述的曲線(xiàn)曲面🐉，這類曲線曲(qu)面稱為自由曲線(xiàn)（Free Form Curves）或自由曲面。

要切(qiē)出來這些“自由”的(de)形狀，刀具和工件(jian)之間的相✏️對運動(dong)也相應的十分複(fu)雜。具體到操作中(zhōng)，就是要控制❓工件(jian)台、刀具都按照設(she)計好的位置-時間(jian)曲線進行運動，控(kòng)制這二者在規定(dìng)的時間🈲以指定的(de)姿态到達指定的(de)位置。

機床可以在(zài)工件和刀具之間(jiān)很好地完成直線(xian)段、圓弧或其✏️他的(de)有解析式的樣條(tiao)曲線的相對運動(dong)，而這種複雜的“自(zi)由”運動又該怎麼(me)完成呢？答案是依(yi)靠插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照一(yī)定方法确定數控(kòng)機床上刀具的運(yun)動軌迹的過程。根(gēn)據給定的速度和(hé)軌迹，在軌迹的已(yi)👉知點之間，增加一(yi)些新的中間點，并(bìng)控制㊙️工件台和刀(dao)具通過這些中間(jian)點，進而就能完成(chéng)整個運動。

而這些(xie)中間點之間，則通(tong)過線段、圓弧或者(zhě)樣條曲線等來連(lian)🧡接。相當于用數段(duan)微小的線段和圓(yuán)弧去逼近要求的(de)曲線和曲面，這就(jiu)是插補的本質。

流(liú)行的插補算法包(bāo)括逐點比較法、數(shu)字增量法等，而㊙️利(lì)用Nurbs樣條曲線進行(hang)插補因為其效率(lǜ)高、精度好而得到(dào)了高端數控機床(chuang)的青睐

（四）刀的(de)姿态不對無法加(jiā)工？五坐标聯動分(fèn)分鐘搞定

加工複(fu)雜曲面不光要理(li)論上可以加工，還(hai)需要考慮刀具和(he)被🔞加工的表面之(zhī)間的相對位置關(guān)系。

一方面如果刀(dāo)具的姿态不合适(shi)會導緻加工的表(biao)面質量低下；另一(yi)方面刀具還會和(hé)加工好的零件🔴結(jie)構👄互相🐪幹涉，不調(diao)整刀具的相對姿(zī)态根本沒有辦法(fǎ)加工。這就需要賦(fu)予數控機床更多(duo)的運動自由度，使(shǐ)之更為靈巧。

由于(yú)我們所處的三維(wéi)空間的相對運動(dòng)隻包含六個🈚自✔️由(you)度（3個平動自由度(du)以及3個轉動自由(yóu)度），五坐标聯動就(jiu)是使數控機床在(zài)具有空間上x、y、z三個(ge)方向的平動自由(yóu)度🌈外，又增💔加了兩(liang)個方向🏃‍♀️的轉動的(de)自由度，再加上刀(dāo)具本身的用于👣切(qiē)削的轉動自由度(du)，這樣刀具和🔆工件(jian)之間的相對運動(dong)就有了全部的㊙️六(liu)個自由度，使得刀(dao)具和工件之間可(ke)以呈現任意的相(xiang)對位置和相對姿(zī)态。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是其(qi)實質上也隻是實(shí)現了x、y、z三📞個方向的(de)運動，有一個自由(yóu)度是冗餘的，其實(shí)質上是一個五坐(zuò)标聯動機床。

（五）國(guo)産數控系統：逐漸(jiàn)邁向高端市場

中(zhong)國是當今世界機(jī)床制造大國，數控(kòng)系統在性能❄️、功🍓能(néng)和成🈲套化應用方(fang)面均取得了長足(zu)進步。

其中，低檔數(shu)控系統幾乎完全(quán)取代了進口，中檔(dàng)數控系統在系列(liè)化、商品化和産業(ye)化方面成效顯著(zhe)。高檔數控系統已(yǐ)突破實現了五軸(zhou)聯動功能，并在六(liù)軸數💛控砂帶磨床(chuáng)、五軸葉片銑床和(he)車銑複合機床等(děng)設備上得到了示(shi)範應用。

此外，中國(guo)企業針對零件（如(rú)手機殼）的大批量(liang)、表面光潔度高等(děng)🤟特點，各自開發了(le)多款專用系統和(he)小型高速加⭐工中(zhong)心，大👨‍❤️‍👨大降🏃低了生(sheng)産成本，該市場現(xiàn)🏃‍♀️已基本👌被國産💞系(xi)統和👣主機占領。

不(bú)過，還是應該看到(dao)，國際上的數控系(xi)統已經有很㊙️多成(cheng)熟🏒的高端産品，與(yu)世界機床強國相(xiang)比，中國的機床産(chǎn)品在全球機床市(shi)場的競争力差距(ju)依然很大。