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

機床是(shì)其他機器(qi)的“母機”。

煉(liàn)鋼廠出産(chǎn)的鋼鐵并(bìng)不是我們(men)在生活中(zhong)見到的❓各(gè)種奇奇怪(guai)怪的形狀(zhuàng)，而是闆材(cái)、管材、鑄錠(ding)等等形狀(zhuang)比🛀🏻較規則(ze)的材料，這(zhe)些材料要(yao)加工成各(ge)種形狀的(de)零件就需(xū)要使用機(ji)床進行切(qie)削；還有一(yi)些精度🧑🏾‍🤝‍🧑🏼要(yao)求較高和(he)表面粗糙(cāo)度要求較(jiào)細的零件(jiàn)，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(suo)有的機器(qì)一樣，最初(chū)的機床包(bao)括動力裝(zhuang)置、傳動🧑🏾‍🤝‍🧑🏼裝(zhuāng)置和執🈲行(hang)裝置，靠電(dian)機轉動輸(shu)入動力，通(tong)過傳動裝(zhuāng)置帶着被(bèi)🥵加工的工(gong)⁉️件或者刀(dāo)具進行相(xiang)對運動，至(zhi)于在哪兒(ér)下刀、切多(duo)少、多🌈快速(su)度切等等(děng)問題，則由(you)人在💯加工(gōng)過程中直(zhi)接進行控(kong)制。

由于傳(chuan)統機床使(shi)用的電機(ji)的轉速在(zai)工作時基(jī)本📞上是不(bú)變的，為了(le)實現不同(tong)的切削速(su)度，傳統的(de)機床設計(jì)了極為複(fú)雜的傳動(dòng)系統。這種(zhǒng)複雜度的(de)機械在現(xian)🔅今的設計(ji)中已經不(bú)多見了。

而(ér)随着伺服(fú)電機（伺服(fú)電機就是(shì)可以在一(yī)定範圍内(nèi)精确控制(zhi)電機的位(wei)置和轉速(sù)的電機）技(jì)術的發展(zhan)及🔅其在數(shù)控機床上(shàng)的應用，直(zhí)接控制電(diàn)機的轉速(su)變得⛷️方便(bian)快💜捷效率(lü)高，而且基(ji)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(diàn)機直接連(lian)接到執行(hang)機構上，而(er)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(gou)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(kòng)制多台電(diàn)機合作完(wán)成整個加(jiā)工過程。

這(zhe)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(shù)控系統，數(shù)控系統的(de)水平高低(dī)決定了數(shu)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(ta)的操作者(zhě)的身價。

（二(èr)）數控系統(tǒng)能幹嘛？處(chù)理信息并(bìng)控制動力(li)

數控系統(tǒng)（Numerical Controller System）是數控機(jī)床的大腦(nao)。

對于一般(ban)數控機床(chuang)而言，往往(wang)包含人機(jī)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(zào)軟件的幫(bāng)助下，将加(jiā)工過程所(suo)需的👈各種(zhǒng)操作（如主(zhu)軸變速等(děng)步驟以及(ji)工件的形(xíng)狀尺寸）用(yong)零件程序(xù)🐆代碼表示(shì)，并通過人(rén)及控制界(jie)面輸入到(dao)數控機床(chuáng)，之後由數(shu)控系統對(dui)這些信息(xī)進行處理(li)和運算，并(bìng)按零件程(cheng)序的要求(qiu)控制伺服(fu)電機，實現(xian)刀具與工(gōng)件的相對(dui)運動，以完(wán)㊙️成零件的(de)加工。

數控(kong)系統完成(cheng)諸多信息(xi)的存儲和(he)處理的工(gōng)作，并将㊙️信(xìn)息的🔆處理(lǐ)結果以控(kong)制信号的(de)形式傳給(gěi)後續的伺(si)服電🧡機，這(zhè)些控制信(xìn)号的工作(zuo)效果依賴(lài)于兩大核(he)心技術：一(yi)個是曲線(xian)曲面的插(cha)補運算，一(yi)個是機床(chuáng)多軸的運(yun)動控制。

（三(san)）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠(kào)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(yun)動就可以(yi)分解為幾(ji)個坐标的(de)獨立運動(dòng)的合成運(yùn)動，就可以(yi)直接控制(zhì)電機生成(cheng)了。

但是制(zhì)造過程中(zhong)很多零件(jiàn)的形狀可(kě)以說是十(shí)分🈲“自由”的(de)，既不圓、也(yě)不方，甚至(zhi)都不知道(dào)是什麼形(xíng)狀，例如🌏汽(qì)車、輪船🤩、飛(fēi)機、模具、藝(yì)術品等産(chan)品常遇到(dao)不能用解(jie)析式描述(shu)的曲線曲(qu)面🛀，這類曲(qǔ)線曲面稱(cheng)為自由曲(qu)線（Free Form Curves）或自由(yóu)曲☂️面。

要切(qiē)出來這些(xie)“自由”的形(xing)狀，刀具和(he)工件之間(jian)的相對⚽運(yùn)✂️動❓也相應(yīng)的十分複(fu)雜。具體到(dào)操作中，就(jiù)是要❤️控制(zhì)🐉工件台、刀(dao)具都按照(zhao)設計好的(de)位置-時間(jian)曲線🔞進行(hang)運動，控制(zhi)這二者在(zai)規定的時(shi)間以指定(dìng)的姿态到(dào)達指定的(de)位置。

機床(chuáng)可以在工(gōng)件和刀具(jù)之間很好(hao)地完成直(zhí)線段、圓📧弧(hú)💃🏻或其⛷️他的(de)有解析式(shi)的樣條曲(qu)線的相對(duì)運動，而這(zhè)種複雜的(de)“自由”運動(dong)又該怎麼(me)完成呢？答(dá)案是依靠(kào)插補運算(suan)。

所謂插補(bǔ)，就是按照(zhao)一定方法(fǎ)确定數控(kong)機床上刀(dao)❗具的運動(dong)軌迹的過(guo)程。根據給(gěi)定的速度(du)和軌迹，在(zai)軌迹的已(yǐ)知點之間(jiān)👉，增加一些(xie)新的中間(jian)點，并控制(zhì)工件台和(hé)刀具通過(guò)這些中間(jiān)點，進而就(jiù)能完成整(zhěng)個運動。

而(er)這些中間(jian)點之間，則(ze)通過線段(duan)、圓弧或者(zhě)樣條曲線(xiàn)等來連接(jie)。相當于用(yòng)數段微小(xiao)的線段和(he)圓弧去逼(bi)近要求的(de)曲線和曲(qǔ)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(yòng)Nurbs樣條曲線(xian)進行插補(bǔ)因為其效(xiao)率高、精度(dù)好而得到(dào)了高端數(shù)控機床的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态不(bu)對無法加(jiā)工？五坐标(biāo)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(zhì)關系。

一方(fang)面如果刀(dāo)具的姿态(tài)不合适會(hui)導緻加工(gong)的表面⭐質(zhi)✌️量低下；另(ling)一方面刀(dao)具還會和(he)加工好的(de)零件結構(gou)互相幹涉(she)，不調整刀(dao)具的相對(dui)姿态根本(ben)沒有辦法(fǎ)加工。這就(jiù)⭐需要賦💃予(yu)數控機床(chuang)更🌈多的運(yun)動自由度(du)，使之更為(wei)靈巧。

由于(yu)我們所處(chù)的三維空(kong)間的相對(dui)運動隻包(bao)含六個自(zì)由度（3個平(ping)動自由度(dù)以及3個轉(zhuǎn)動自由度(dù)），五坐标聯(lián)動就是使(shǐ)數控機床(chuáng)在具有空(kong)間上x、y、z三個(ge)方向♋的平(píng)動🔅自由度(dù)外，又增㊙️加(jia)了兩個方(fāng)向的轉動(dong)的自由度(dù)，再加上刀(dāo)具本🐉身的(de)用于切削(xue)的轉動自(zi)由度🈚，這樣(yàng)刀具和工(gong)件之間的(de)🌈相對運動(dòng)就有了全(quán)部的六個(ge)自由度，使(shǐ)得刀具和(hé)工件之間(jian)可以呈現(xian)任意的相(xiàng)對位置和(hé)相對姿态(tai)。

雖然标了(le)4個平動自(zì)由度，但是(shì)其實質上(shàng)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(shi)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(chang)

中國是當(dāng)今世界機(ji)床制造大(da)國，數控系(xì)統在性能(néng)、功能🚶‍♀️和成(chéng)套化應用(yong)方面均取(qǔ)得了長足(zú)進步。

其中(zhong)，低檔數控(kong)系統幾乎(hu)完全取代(dài)了進口，中(zhong)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(dang)數控🏃‍♂️系統(tong)已突🌈破實(shí)現了五軸(zhou)聯動功能(néng)，并在六軸(zhou)數控砂帶(dài)✂️磨床、五📧軸(zhóu)葉片銑床(chuang)和車銑複(fú)合機床等(děng)設備上得(dé)到了示範(fan)應用。

此外(wài)，中國企業(yè)針對零件(jiàn)（如手機殼(ké)）的大批量(liàng)、表面光潔(jié)度高等特(tè)點，各自開(kai)發了多款(kuan)專用系統(tong)和小型高(gao)速加✌️工中(zhong)心，大大降(jiàng)低了生産(chan)成本，該市(shi)場現已基(ji)本被國産(chǎn)系統和主(zhu)機占領。

不(bu)過，還是應(yīng)該看到，國(guó)際上的數(shu)控系統已(yǐ)經有很多(duo)成🚶熟的高(gao)🈲端産品，與(yǔ)世界機床(chuáng)強國相比(bǐ)，中國的機(ji)床産品在(zài)全球機床(chuáng)市場的競(jing)争力差距(jù)依然很大(da)。