（一）從(cóng)機床到數(shu)控機床，機(ji)器不再無(wú)腦幹活

機(jī)床是其他(ta)機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼(gang)鐵并不是(shi)我們在生(shēng)活中見到(dao)的各種奇(qi)奇怪怪的(de)形狀，而是(shì)闆材、管材(cái)、鑄錠等等(děng)形狀比較(jiao)規則的材(cai)料，這些🐇材(cai)料要加工(gōng)成各種形(xing)狀的零件(jian)就需要使(shi)用機床進(jin)行切削；還(hái)有一些精(jing)度要求較(jiao)高和表面(miàn)粗糙度要(yao)求較細的(de)零件，就要(yao)在機床上(shàng)用精🈚細繁(fán)複的工藝(yì)切出來或(huo)者磨出來(lai)。

和所有的(de)機器一樣(yang)，最初的機(ji)床包括動(dong)力裝置、傳(chuán)動裝置和(he)✉️執⚽行裝置(zhi)，靠電機轉(zhuǎn)動輸入動(dong)力，通過傳(chuan)動裝🔞置帶(dai)着被加工(gōng)的工件或(huò)者刀具進(jin)行相對運(yun)動，至于在(zai)哪兒下刀(dāo)、切🙇🏻多少、多(duō)快速度切(qie)等等問題(ti)，則由人在(zai)👣加工過程(chéng)中直接進(jin)行控制。

由(you)于傳統機(ji)床使用的(de)電機的轉(zhuǎn)速在工作(zuo)時基本上(shang)是不變的(de)，為了實現(xian)不同的切(qiē)削速度，傳(chuan)統的機床(chuang)設計了極(ji)為複雜的(de)傳動系統(tǒng)。這種複雜(zá)度的機械(xie)在現今的(de)設🈲計中已(yi)🚩經不多見(jiàn)了。

而随着(zhe)伺服電機(ji)（伺服電機(jī)就是可以(yi)在一定範(fàn)圍内精🔅确(que)💞控制💞電機(jī)的位置和(he)轉速的電(dian)機）技術的(de)發展及其(qi)在數控🏃🏻機(jī)床上的應(yīng)用，直接控(kòng)制電機的(de)轉速變得(de)方便快捷(jié)效率🏃🏻‍♂️高，而(ér)且基本上(shang)是無級變(biàn)速，傳動系(xì)統的結構(gou)大大簡化(hua)，甚至出現(xian)了很多環(huán)節電機直(zhí)接連🈚接到(dào)執行機構(gou)上，而省略(lue)了傳動系(xi)統。

這種“直(zhi)接驅動”的(de)模式是現(xiàn)在機械設(she)計領域的(de)一大趨🤟勢(shi)。

結構的簡(jiǎn)化還不夠(gou)，要實現各(gè)種各樣的(de)形狀的零(ling)件的♊加工(gong)🐕，還需要讓(rang)機床可以(yǐ)高效、準确(què)的控制多(duo)台電機合(he)作完成整(zheng)個加💚工過(guo)程。

這就要(yào)讓機床成(cheng)為有“腦子(zi)”的數控機(jī)床了。而這(zhè)個腦子就(jiù)是數控系(xi)統，數控系(xi)統的水平(píng)高低決定(ding)了⁉️數控機(ji)床能幹㊙️多(duō)複雜、多精(jīng)密的活兒(ér)，也決定了(le)這台機床(chuáng)和他的操(cāo)作者🥰的身(shēn)價。

（二）數控(kong)系統能幹(gan)嘛？處理信(xìn)息并控制(zhì)動力

數控(kong)系統（Numerical Controller System）是數(shù)控機床的(de)大腦。

對于(yú)一般數控(kòng)機床而言(yán)，往往包含(han)人機控制(zhì)界面、數控(kòng)系統、伺服(fu)驅動裝置(zhì)、機床、檢測(ce)裝置等等(děng)，操作人員(yuán)在一⚽些計(ji)🙇‍♀️算機輔助(zhù)👄制造軟件(jiàn)的幫助下(xia)，将加工過(guo)程😄所需的(de)各種操作(zuò)（如主軸變(biàn)速等步驟(zhòu)以及工件(jian)的形🚶‍♀️狀尺(chi)寸）用零件(jiàn)程序代碼(mǎ)表示，并通(tong)過人及控(kòng)制界面輸(shu)入到數控(kòng)機床，之後(hou)由⚽數控系(xì)統對💛這些(xie)信息進行(háng)處理和運(yùn)算，并按零(líng)件程序的(de)要求控制(zhi)伺服🧡電機(ji)，實現刀具(ju)與工件的(de)相對運動(dòng)，以完成零(líng)件的加工(gōng)。

數控系統(tǒng)完成諸多(duo)信息的存(cun)儲和處理(lǐ)的工作，并(bìng)将信息的(de)處理結果(guo)以控制信(xìn)号的形式(shi)傳給後續(xu)的伺服電(diàn)機，這些控(kong)🐉制信号的(de)工作效果(guo)依賴于兩(liǎng)大核心技(jì)術：一個是(shì)曲🍓線曲面(mian)的插補🔞運(yùn)算，一個是(shì)機床多軸(zhou)的運動控(kong)制。

（三）零件(jiàn)形狀太“自(zi)由”？靠插補(bǔ)運算搞定(dìng)

如果運動(dòng)軌迹可以(yǐ)用解析式(shi)表達，則整(zheng)個運動就(jiù)可以分解(jiě)為幾個坐(zuo)标的獨立(li)運動的合(he)成運動，就(jiù)可以直接(jie)控制電機(jī)㊙️生成了。

但(dàn)是制造過(guò)程中很多(duo)零件的形(xing)狀可以說(shuō)是十分❓“自(zì)由”的，既不(bú)圓、也不方(fāng)，甚至都不(bú)知道是什(shi)麼形狀，例(lì)如汽車、輪(lún)船、飛機、模(mo)具、藝術品(pǐn)等産品常(cháng)遇到不能(neng)用解析式(shi)描🥵述的曲(qu)線曲面，這(zhè)類曲線曲(qǔ)面稱為自(zì)由曲線（Free Form Curves）或(huo)自由曲面(mian)。

要切出來(lai)這些“自由(you)”的形狀，刀(dao)具和工件(jian)之間的相(xiàng)對運動也(yě)相🈚應的十(shi)分複雜。具(jù)體到操作(zuò)中，就是要(yào)控制工件(jian)台、刀具都(dōu)按照設計(ji)好的位置(zhì)-時間曲線(xian)進行運♊動(dòng)，控制這二(er)者在規定(ding)🐪的時間以(yi)指定的姿(zī)态到達指(zhi)定的位置(zhì)。

機床可以(yǐ)在工件和(he)刀具之間(jian)很好地完(wán)成直線段(duàn)、圓弧或其(qí)他的有解(jiě)析式的樣(yang)條曲線的(de)相對運動(dòng)🐇，而這種複(fu)雜的“自由(yóu)💔”運動又該(gāi)怎麼完成(cheng)呢？答案是(shi)🔴依靠插補(bǔ)運算。

所謂(wei)插補，就是(shì)按照一定(dìng)方法确定(dìng)數控機床(chuáng)上刀具的(de)運動🌏軌迹(ji)的過程。根(gēn)據給定的(de)速度和軌(gui)迹，在💃🏻軌迹(jì)⛱️的已🆚知點(dian)之間，增加(jia)一些新的(de)中間點，并(bìng)控制工件(jiàn)台和刀具(jù)通過這些(xiē)中間點，進(jin)而就能完(wán)成整個運(yùn)動。

而這些(xiē)中間點之(zhī)間，則通過(guo)線段、圓弧(hu)或者樣條(tiao)曲線等來(lái)連接📱。相當(dāng)于用數段(duàn)微小的線(xian)段和圓弧(hú)去⭐逼近要(yao)求的曲線(xiàn)和曲面，這(zhè)就是插補(bu)的本質。

流(liú)行的插補(bǔ)算法包括(kuò)逐點比較(jiao)法、數字增(zeng)量法等，而(er)利用Nurbs樣條(tiao)✨曲線進行(hang)插補因為(wei)其效率高(gāo)、精度好🌈而(er)得⁉️到了高(gao)端數控機(ji)床的青睐(lài)

（四）刀的姿(zi)态不對無(wú)法加工？五(wǔ)坐标聯動(dong)分分鐘搞(gǎo)定

加工複(fu)雜曲面不(bu)光要理論(lùn)上可以加(jia)工，還需要(yào)考慮刀具(jù)和被加工(gong)的表面之(zhi)間的相對(duì)位置關系(xi)。

一方面如(rú)果刀具的(de)姿态不合(he)适會導緻(zhì)加工的表(biao)面質量低(di)下；另一方(fang)面刀具還(hái)會和加工(gōng)好的零件(jian)🌂結構互相(xiang)幹涉㊙️，不調(diào)整刀🔞具的(de)相對姿态(tai)根本沒有(you)辦法加⛱️工(gong)。這就♌需要(yao)賦予數控(kòng)㊙️機床更多(duo)的運動自(zì)由度，使之(zhi)👉更為靈巧(qiao)。

由于我們(men)所處的三(san)維空間的(de)相對運動(dòng)隻包含六(liu)個自由度(dù)（3個平動自(zi)由度以及(ji)3個轉動自(zi)由度），五坐(zuo)🈲标聯動就(jiu)是使數控(kong)機床在具(ju)有空間上(shàng)x、y、z三個方向(xiàng)的平動自(zì)由度外，又(you)增加了兩(liang)個方向的(de)轉動的自(zi)由度，再加(jiā)㊙️上刀具本(běn)身的用于(yu)✍️切削的轉(zhuan)動自由度(dù)🌂，這樣刀具(jù)和工件之(zhi)間的相對(duì)運動就有(you)了全部的(de)六個自由(you)度，使🈲得刀(dāo)具和工件(jian)之間可以(yǐ)呈現任意(yì)的相對位(wei)置和相對(dui)姿态。

雖然(rán)标了4個平(ping)動自由度(du)，但是其實(shi)質上也隻(zhi)是實現了(le)x、y、z三個方向(xiang)的運動，有(you)一個自由(yóu)度是冗餘(yu)的，其實質(zhì)上是一個(gè)五坐标聯(lián)動機床。

（五(wǔ)）國産數控(kong)系統：逐漸(jian)邁向高端(duan)市場

中國(guó)是當今世(shì)界機床制(zhì)造大國，數(shù)控系統在(zai)性能、功能(néng)🐆和成套👣化(hua)應用方面(mian)均取得了(le)長足進步(bu)。

其中，低檔(dàng)數控系統(tǒng)幾乎完全(quan)取代了進(jìn)口，中檔數(shù)🏃‍♂️控系統在(zai)☎️系🈲列化、商(shang)品化和産(chǎn)業化方面(mian)成效顯著(zhe)👅。高檔👌數控(kòng)系統💋已突(tu)破實♻️現了(le)五軸聯動(dong)功能，并在(zai)六軸數控(kòng)砂帶🔅磨床(chuáng)、五軸葉片(piàn)銑床和車(che)銑複合機(ji)㊙️床等設備(bei)上得到了(le)示範應用(yòng)。

此外，中國(guó)企業針對(duì)零件（如手(shǒu)機殼）的大(dà)批量、表面(miàn)光潔度🧡高(gao)等✨特點，各(gè)自開發了(le)多款專用(yòng)系統和小(xiǎo)🏃型高✂️速加(jiā)工中心，大(dà)大降💘低了(le)生産成本(ben)，該市場現(xian)🆚已基本被(bèi)國産系統(tǒng)和主機占(zhàn)👉領。

不過，還(hái)是應該看(kan)到，國際上(shang)的數控系(xì)統已經有(you)很多成🈲熟(shu)的高端産(chǎn)品，與世界(jiè)機床強國(guó)相比，中國(guo)的機床💰産(chǎn)品在全球(qiu)機床市場(chang)的競争力(li)差距依然(ran)很大。