（一）從(cóng)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(bú)是我們在生活中(zhong)見到的各種奇奇(qi)怪怪的形狀，而是(shi)闆材、管材、鑄錠等(děng)等形狀比較規則(zé)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(qiē)削；還有一些精度(dù)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(fú)的工藝切出來或(huò)者磨出來。

和所有(yǒu)的機器一樣，最初(chū)的機床包括動力(lì)裝置、傳動裝置和(he)執行裝置，靠電機(ji)轉動輸入動力，通(tōng)過傳動裝置帶着(zhe)被加工的工件或(huo)者刀具進行相對(dui)運動，至于在哪兒(ér)下刀、切多少、多快(kuai)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(xue)速度，傳統的機床(chuáng)設計了極為💃🏻複雜(zá)的傳動系統。這種(zhong)複雜度的機❗械在(zai)現今的設計中已(yi)💚經不多見了。

而随(suí)着伺服電機（伺服(fu)電機就是可以在(zai)一定範圍内精确(què)控🌈制電機的位置(zhì)和轉速的電機）技(jì)術的發展及🏃🏻‍♂️其在(zài)數控機床上的應(yīng)用，直接控制電機(ji)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(mó)式是現在機械設(she)計領域的一大趨(qū)勢。

結構的簡化還(hái)不夠，要實現各種(zhǒng)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(tai)電機合作完成整(zheng)個加工過程。

這就(jiù)要讓機床成為有(you)“腦子”的數控機床(chuang)了。而這個腦子就(jiu)是🈚數控系統，數控(kong)系統的水平高低(dī)決定了數控機床(chuang)能幹多複🌈雜、多☔精(jīng)密的活兒，也決定(ding)了這台機床和他(tā)的操作者的身價(jià)。

（二）數控系統能幹(gàn)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(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(cè)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(cao)作（如主🈚軸變速等(deng)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(jiè)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(jī)，實現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完(wan)✌️成零件的加工。

數(shu)控系統完成諸多(duō)信息的存儲和處(chù)理的工作，并将信(xìn)息的♋處理結果以(yi)控制信号的形式(shi)傳給後續的伺服(fú)電機，這些控❄️制信(xìn)号的工作效果依(yī)賴于兩⛷️大核心💔技(ji)術：一個是曲線曲(qu)面的插補🐉運算，一(yi)個是機床多軸的(de)運動控制。

（三）零件(jiàn)形狀太“自由”？靠插(cha)補運算搞定

如果(guǒ)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(jie)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(zi)🚶‍♀️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(xian)曲面♈，這類曲線曲(qǔ)面稱為自由曲線(xian)（Free Form Curves）或自由曲面。

要切(qie)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(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(jiān)曲線進行運動，控(kong)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(zai)工件和刀具之間(jian)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(wèi)插補，就是按照一(yī)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(yī)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(lián)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(liu)行的插補算法包(bāo)括逐點比較法、數(shu)字增量法等，而利(li)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(jia)工？五坐标聯動分(fèn)分鐘搞定

加工複(fú)雜曲面不光要理(lǐ)論上可以加工，還(hái)需要考慮刀🧑🏽‍🤝‍🧑🏻具和(he)被加工的表面之(zhi)間的相對位置關(guan)系。

一方面如果刀(dāo)具的姿态不合适(shi)會導緻加工的表(biǎo)面質量♌低下；另一(yī)方面刀具還會和(hé)加工好的零件結(jié)構互相幹涉，不調(diao)整刀具的相對姿(zī)态根本沒有辦法(fa)加工。這就需要賦(fu)予數控機床更多(duo)的運動自由度，使(shi)之更為靈巧。

由于(yú)我們所處的三維(wéi)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(you)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(yóu)度外，又增🏃🏻‍♂️加了兩(liang)個方向的轉動的(de)自由度，再加上刀(dao)具本身的用于切(qie)削的轉🍉動自由度(du)🧡，這樣刀具和工件(jian)之間的相對運動(dòng)就有了全部的🏃六(liu)個自由度，使💋得刀(dāo)具和工件之間可(kě)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(shi)質🌈上是一個五坐(zuo)标聯動機床。

（五）國(guó)産數控系統：逐漸(jiàn)邁向高端市場

中(zhōng)國是當今世界機(jī)床制造大國，數控(kong)系統在性能、功能(neng)和🚶成☀️套🤟化應用方(fang)面均取得了長足(zu)進步。

其中，低檔數(shù)控系統幾乎完全(quán)取代了進口，中檔(dang)數控系統在系列(lie)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(zhóu)聯動功能，并在六(liu)軸數控砂帶磨床(chuang)、五💃🏻軸葉片銑床和(hé)🔴車銑複合機床等(deng)設備上得到了示(shì)範應用。

此外，中國(guo)企業針對零件（如(rú)手機殼）的大批量(liàng)、表面光潔度高等(deng)特點，各自開發了(le)多款專用系統和(hé)小💘型高速加🔱工中(zhong)心，大大降低了生(shēng)産成本，該市場現(xian)㊙️已基本被國産系(xì)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(chéng)熟的🈲高端産品，與(yǔ)世界機床強國相(xiang)比，中國的機床産(chǎn)品在全球機床市(shì)場的競争力差距(ju)依然很大。