（一）從機床(chuáng)到數控機(ji)床，機器不(bu)再無腦幹(gàn)活

機床是(shi)其他機器(qi)的“母機”。

煉(lian)鋼廠出産(chǎn)的鋼鐵并(bing)不是我們(men)在生活中(zhōng)見到的各(gè)種⭐奇奇怪(guài)怪的形狀(zhuàng)，而是闆材(cai)、管材、鑄錠(dìng)等等形♉狀(zhuang)比📧較規則(zé)的材料，這(zhe)些材料要(yào)加工成各(ge)種形狀💋的(de)零件就需(xū)要使用機(jī)💛床進行切(qie)削；還🐕有一(yi)些精度要(yao)求較高和(he)表面粗糙(cao)度要求較(jiào)細的零件(jian)，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(suǒ)有的機器(qì)一樣，最初(chū)的機床包(bāo)括動力裝(zhuāng)置、傳♊動🏃🏻‍♂️裝(zhuang)置和執行(hang)裝置，靠電(diàn)機轉動輸(shū)入動力，通(tong)過傳動裝(zhuāng)置帶着被(bei)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼加工的工(gong)件或者刀(dāo)具進行相(xiàng)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(shi)用的電機(jī)的轉速在(zai)工作時基(ji)本上♋是不(bu)🥰變的☎️，為了(le)實現不同(tong)的切削速(su)度，傳統的(de)機床設🌍計(ji)了極為複(fú)雜的傳動(dòng)系統。這種(zhong)複雜度的(de)機械在現(xiàn)今的設計(ji)中已經不(bú)多見了。

而(er)随着伺服(fú)電機（伺服(fu)電機就是(shì)可以在一(yi)定範圍内(nèi)精确控制(zhì)🏃電機的位(wei)置和轉速(su)的電機）技(ji)術的發展(zhan)及其在數(shu)控機床上(shang)的應用，直(zhí)接控制電(dian)機的轉速(su)變得方便(biàn)快捷效率(lǜ)高，而且基(jī)本上是無(wu)級變速，傳(chuan)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(qū)動”的模式(shì)是現在機(ji)械設計領(lǐng)域的一大(da)趨勢。

結構(gòu)的簡化還(hai)不夠，要實(shí)現各種各(gè)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(wan)成整個加(jiā)工過程。

這(zhè)就要讓機(jī)床成為有(you)“腦子”的數(shu)控機床了(le)。而這個腦(nǎo)子就是⭐數(shu)控系統，數(shù)控系統的(de)水平高低(dī)決定了數(shù)控機床能(néng)幹多複雜(za)、多精密的(de)活兒，也決(jue)定了這台(tái)機床和他(tā)的🔞操作者(zhě)❤️的身價。

（二(er)）數控系統(tong)能幹嘛？處(chu)理信息并(bing)控制動力(li)

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦(nao)。

對于一般(ban)數控機床(chuáng)而言，往往(wǎng)包含人機(ji)控制界面(mian)、數控系統(tong)㊙️、伺服驅動(dong)裝置、機床(chuang)、檢測裝置(zhì)等等，操作(zuo)人員在一(yi)些計算機(jī)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(deng)步驟以及(ji)⛱️工件的形(xíng)狀尺寸）用(yong)零件程序(xù)代碼表示(shi)，并通過人(rén)❓及控制界(jie)面輸入到(dào)數控機床(chuáng)，之後由🙇‍♀️數(shù)控系統對(duì)這些信息(xī)進行處理(lǐ)和運算，并(bìng)按零件程(cheng)序的要求(qiú)控制伺服(fu)電機，實現(xiàn)刀具與工(gōng)件的相對(dui)運動，以完(wan)成零件的(de)加工。

數控(kong)系統完成(chéng)諸多信息(xi)的存儲和(he)處理的工(gong)作，并将🛀信(xin)息的處❓理(lǐ)結果以控(kong)制信号的(de)形式傳給(gěi)後續的伺(sì)服電機，這(zhè)些控制信(xin)号的工作(zuò)效果依賴(lai)于兩大核(he)心🏒技術：一(yi)💚個是曲🚶線(xian)曲面的插(chā)補運算，一(yi)個是機床(chuáng)多軸的運(yun)動控制。

（三(sān)）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠(kao)插補運算(suàn)搞定

如果(guǒ)運動軌迹(jì)可以用解(jie)析式表達(da)，則整個運(yùn)動就可以(yǐ)分解為🌏幾(ji)個坐标的(de)獨立運動(dòng)的合成運(yun)動，就💃🏻可以(yǐ)直接控制(zhi)🛀🏻電機生成(cheng)了。

但是制(zhi)造過程中(zhong)很多零件(jiàn)的形狀可(kě)以說是十(shi)分㊙️“自由”的(de)，既不圓、也(ye)不方，甚至(zhì)都不知道(dào)是什麼形(xing)狀🏃‍♀️，例如汽(qì)車、輪船、飛(fei)機、模具、藝(yì)術品等産(chan)品常遇到(dào)不🙇🏻能用解(jie)析式描述(shù)的曲線曲(qu)面，這類曲(qu)線曲面稱(chēng)為自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由(you)曲面。

要切(qiē)出來這些(xiē)“自由”的形(xíng)狀，刀具和(hé)工件之間(jiān)的相對運(yun)動也🔅相應(ying)的十分複(fú)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(jian)曲線進行(háng)運🌈動，控制(zhì)這二者在(zai)規定的時(shí)間⛷️以指定(ding)的姿态到(dào)達指定的(de)位置。

機床(chuang)可以在工(gōng)件和刀具(jù)之間很好(hǎo)地完成直(zhi)線段、圓弧(hu)或其♻️他的(de)有解析式(shì)的樣條曲(qu)線的相對(duì)運動，而這(zhè)種複雜的(de)🌈“自由❓”運動(dòng)又該怎麼(me)完成呢？答(dá)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(kòng)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(zài)軌迹的已(yǐ)知點之間(jiān)，增加一些(xiē)新的中間(jiān)點，并控制(zhì)工件台和(hé)刀具通過(guo)這些中間(jiān)點，進而就(jiù)能完成整(zheng)個運動。

而(er)這些中間(jian)點之間，則(ze)通過線段(duàn)、圓弧或者(zhe)樣條曲線(xiàn)等🌈來連接(jiē)。相當于用(yong)數段微小(xiao)的線段和(hé)圓弧去逼(bī)近要求🚩的(de)曲線和✔️曲(qu)面，這就是(shì)插補的本(běn)質。

流行的(de)插補算法(fa)包括逐點(dian)比較法、數(shù)字增量法(fa)等，而利用(yong)Nurbs樣條曲線(xian)進行插補(bǔ)因為其效(xiao)率高、精度(du)好🧑🏾‍🤝‍🧑🏼而得到(dào)了高端數(shù)控機床的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态不(bú)對無法加(jia)工？五坐标(biao)聯動分分(fen)鐘搞定

加(jiā)工複雜曲(qu)面不光要(yào)理論上可(kě)以加工，還(hái)需要考👣慮(lǜ)刀具和💞被(bei)加工的表(biǎo)面之間的(de)相對位置(zhi)關系。

一方(fāng)面如果刀(dao)具的姿态(tai)不合适會(hui)導緻加工(gong)的表面質(zhi)量低🏃🏻‍♂️下；另(lìng)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(duì)姿态根本(ben)沒有辦法(fa)加工。這就(jiù)需要賦予(yǔ)數控機床(chuáng)更多的運(yùn)動自由度(du)，使之更為(wéi)靈巧。

由于(yu)我們所處(chù)的三維空(kong)間的相對(duì)運動隻包(bao)含六個自(zi)由度（3個平(ping)動自由度(dù)以及3個轉(zhuan)動自由度(dù)），五坐标聯(lián)動就🔴是使(shi)數控機床(chuang)在具有空(kong)間上x、y、z三個(ge)方向的平(ping)動⛱️自由度(du)㊙️外，又增加(jiā)了兩個方(fang)向⚽的轉動(dong)的自由度(du)，再加上刀(dāo)具本身的(de)用于切削(xuē)的轉動自(zi)由度🙇‍♀️，這樣(yàng)刀具和工(gōng)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(hé)相對姿态(tai)。

雖然标了(le)4個平動自(zi)由度，但是(shì)其實質上(shang)也隻是實(shí)現了x、y、z三個(ge)方向的運(yun)動，有一個(gè)自由度是(shì)冗餘的，其(qí)實質上是(shì)一個五坐(zuo)💘标聯動機(ji)床。

（五）國産(chǎn)數控系統(tong)：逐漸邁向(xiàng)高端市場(chǎng)

中國是當(dang)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(yong)方面均取(qǔ)得了長足(zú)進步。

其中(zhōng)，低檔數控(kòng)系統幾乎(hu)完全取代(dài)了進口，中(zhōng)檔數控🈚系(xì)統🈲在系列(liè)化、商品化(hua)和産業化(huà)方面成效(xiao)顯著。高檔(dàng)數控系統(tong)已突💰破實(shí)現了五軸(zhóu)聯動功能(néng)，并在✌️六軸(zhou)數控砂帶(dai)磨床、五軸(zhou)葉片❄️銑床(chuang)和⚽車銑複(fu)合機🍓床等(děng)設備上得(de)到了示範(fàn)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(kuǎn)專用系統(tong)和小型高(gāo)速加工中(zhong)心，大大降(jiang)低了生産(chǎn)成本，該市(shi)場現已基(jī)本被國産(chǎn)系統和主(zhu)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(duō)成熟的高(gao)端産品，與(yu)世界機床(chuáng)強國相比(bi)，中國的機(jī)床産品在(zài)全🚶‍♀️球機床(chuáng)市場的競(jìng)争力差距(jù)依然很大(da)。