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

機床是其他機(jī)器的“母機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼鐵并不(bú)是我們在生活中(zhong)見到的⭐各種奇奇(qi)怪怪的形狀，而是(shì)闆材、管材、鑄錠等(děng)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(yao)使用機床進行🔱切(qie)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(ji)床上用精細繁複(fu)的工藝切出來或(huo)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(hé)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(ér)👈下刀、切多少、多快(kuài)速度切等等問題(ti)，則由人在☀️加工過(guo)程🔱中直接進行控(kong)制。

由于傳統機床(chuáng)使用的電機的轉(zhuǎn)速在工作時基本(běn)✊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(za)的傳動系統。這種(zhong)複雜度的機械在(zài)現今的設計中已(yi)經不多見了。

而随(sui)着伺服電機（伺服(fu)電機就是可以在(zài)一定範圍内精确(què)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(bian)快捷效率高，而且(qiě)基本上是無級變(bian)速，傳動系統的結(jié)構大大簡化，甚至(zhi)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(mo)式是現在機械設(she)計領域的一大🌂趨(qu)勢。

結構的簡化還(hái)不夠，要實現各種(zhong)各樣的形狀的零(ling)🏃件的加工🈲，還⛹🏻‍♀️需要(yao)讓機床可以高效(xiào)、準确的控制多🌈台(tai)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(chuang)了。而這個腦子就(jiù)是數🔞控系統，數控(kong)系統的水平高低(di)決定了數控機床(chuáng)能幹多複雜、多精(jīng)密的活兒，也決定(dìng)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(tong)（Numerical Controller System）是數控機床的大(dà)腦。

對于一般數控(kong)機床而言，往往包(bao)含人機控制界面(miàn)、數控系🙇🏻統、伺♉服驅(qu)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(guo)程所需的各種操(cāo)作（如主😄軸變速等(děng)步驟以及🆚工件的(de)形狀尺寸）用零件(jian)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(xi)統對這些信息進(jìn)行🥵處理和運算，并(bing)按零件程序的要(yao)求控制伺服電機(jī)，實現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完(wán)📱成零件的加工。

數(shù)控系統完成諸多(duō)信息的存儲和處(chù)理的工作，并将信(xin)息的處理結果以(yi)控制信号的形式(shì)傳給後續的伺🚶服(fú)電機，這些控制信(xìn)号的工作效果依(yi)賴于兩大核心技(ji)術：一👌個是曲💛線曲(qu)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(guo)運動軌迹可以用(yòng)解析式表達，則整(zhěng)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(zhuàng)可以說是十分♻️“自(zì)由”的，既不圓、也不(bu)方，甚至都不知道(dào)是什麼形狀，例如(rú)汽車、輪船、飛機、模(mo)具、藝術品等産品(pin)常遇到不能用解(jiě)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(dòng)也相應的十分複(fú)雜。具體到操作中(zhong)，就是要控制工件(jiàn)台、刀具都🔴按照👉設(she)計好的位置-時間(jiān)曲線進行運動，控(kong)制這二者☀️在規定(ding)的時間以指定的(de)姿🐉态到達指定的(de)位置。

機床可以在(zai)工件和刀具之間(jian)很好地完成直線(xiàn)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(zì)由”運動又該怎麼(me)完成呢？答案是依(yī)靠插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照一(yi)定方法确定數控(kòng)機床上刀🔞具的運(yùn)動軌迹的過程。根(gen)據給定的速度和(he)軌迹，在軌迹的已(yǐ)知點之間，增加一(yi)些新的中間點，并(bing)控制工件台和刀(dao)具通過這些中間(jiān)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(duàn)微小的線段和圓(yuán)弧去逼近要求🔆的(de)曲線和曲面，這就(jiù)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(lü)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(fen)分鐘搞定

加工複(fu)雜曲面不光要理(lǐ)論上可以加工，還(hái)需要考慮刀具和(hé)🐪被加工的表面之(zhī)間的相對位置關(guan)系。

一方面如果刀(dao)具的姿态不合适(shì)會導緻加工的表(biǎo)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(wei)空間的相對運動(dong)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(jiù)是使數控機床在(zai)具有空間上x、y、z三個(ge)方向🧡的平動自由(you)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(jiàn)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(xiàng)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(you)度是冗餘的，其實(shi)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(ji)床制造大國，數控(kong)系統在性能、功能(neng)和📞成套🔆化應用方(fāng)面均取得了長足(zu)進步。

其中，低檔數(shu)控系統幾乎完全(quan)取代了進口，中檔(dàng)數控系統在系列(liè)化、商品化和産業(yè)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(liu)軸數控砂帶磨床(chuang)、五軸葉片銑床和(he)車銑複合機床等(deng)設備上得到了示(shi)範應用。

此外，中國(guó)企業針對零件（如(ru)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(zhōng)心，大大降低了生(shēng)産成本，該市場現(xiàn)已基本被國産系(xì)統和✨主機占領。

不(bu)過，還是應該看到(dào)，國際上的數控系(xì)統已經有很多成(cheng)熟☀️的高端産品，與(yǔ)世界機床強國相(xiàng)比，中國的機床✌️産(chǎn)品在全💁球機🈲床市(shi)場的競争力差距(jù)依然很大。