（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(ji)器的“母機”。

煉鋼廠(chǎng)出産的鋼鐵并不(bu)是我們在生活中(zhōng)見到的各種❄️奇奇(qí)🐇怪怪的形狀，而是(shì)闆材、管材、鑄錠等(deng)等形💘狀比🍓較規則(ze)的材料，這些材料(liào)要加工成各種形(xíng)狀的零件就需要(yào)💰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(lì)裝置、傳🈲動裝置和(hé)執行裝置，靠電機(jī)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(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(guò)程中直接進行控(kong)制。

由于傳統機床(chuáng)使用的電機的轉(zhuan)速在工作時基本(ben)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(za)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(fú)電機就是可以在(zài)一定範圍内精确(que)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(qie)❓基本上☎️是無級變(biàn)速，傳動系統的結(jie)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(shěng)略了傳動系統。

這(zhè)種“直接驅動”的模(mo)式是現在機械設(shè)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(líng)件📱的加工，還需要(yao)讓機床可以高效(xiao)、準确的控制多台(tái)電機合作完成整(zheng)個加工過程。

這就(jiu)要讓機床成為有(you)“腦子”的數控機床(chuáng)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(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(jia)。

（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(ren)員🍉在一些計算機(ji)🌏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(jiàn)程序代碼表示，并(bing)通過人及控制界(jiè)面輸入到數控💯機(ji)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(yào)求控制伺服電機(ji)，實現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完(wan)成零件的加工。

數(shù)控系統完成諸多(duo)信息的存儲和處(chu)理的工作，并将信(xin)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(qǔ)面的插補🐅運算，一(yi)個是機床多軸的(de)運動控制。

（三）零件(jian)形狀太“自由”？靠插(chā)補運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以用(yong)解析式表達，則整(zheng)個運動就可✍️以分(fèn)解為幾個坐标的(de)獨立運動的合成(chéng)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(ru)汽車、輪船、飛機🤟、模(mó)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(qǔ)面稱為自由曲線(xiàn)（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(dong)也相應的十分複(fu)雜。具體到操作中(zhong)，就是要🍉控制工件(jian)台、刀⭕具都按照設(shè)計好的位置-時間(jian)曲線☀️進行運動，控(kòng)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(zi)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(kong)機床上刀具的運(yùn)動軌迹的過程。根(gēn)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(dāo)具💋通過這💋些中間(jian)點，進而就能完成(cheng)整個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則通(tong)過線段、圓弧或者(zhe)樣條曲線等來連(lian)💘接。相當于用數段(duan)微小的線段和圓(yuán)弧去逼近要求的(de)曲🐪線和💃🏻曲面，這就(jiu)是插補的本質。

流(liú)行的插補算法包(bāo)括逐點比較法、數(shù)字增量法等，而利(li)用Nurbs樣條曲線進行(háng)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(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(hé)被加工的表面之(zhī)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(biao)面質量😄低下；另一(yi)方面刀具還會和(hé)加工好的零件結(jié)構互相📞幹涉，不調(diào)整刀具的相對姿(zi)态根本沒有辦法(fǎ)加⛷️工。這就需要賦(fù)予數控機床更多(duō)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(dù)以及3個轉動自由(you)度），五坐标聯動就(jiu)是使數控機床🌈在(zài)具有空間上x、y、z三個(gè)方向🏒的平動🈚自由(yóu)度㊙️外，又增加了兩(liǎng)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(dù)，這樣刀具和工件(jiàn)之間的相對運動(dòng)就👣有了全部的六(liù)個自由度，使得刀(dao)具和工件之間可(ke)以呈現任意的相(xiang)對位置和相對姿(zī)态。

雖然标了4個平(ping)動自由度，但是其(qi)實質上也隻是實(shi)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(zuò)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(ji)床制造大國，數控(kong)系統在性能、功能(néng)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(yè)化方面成效顯著(zhe)。高檔數控系統已(yi)突破實現了五軸(zhou)聯動功能，并在💜六(liu)軸數控砂帶磨床(chuáng)、五🈲軸葉片銑床和(he)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(liang)、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(sheng)産成本，該市場現(xiàn)已基本🌍被國産🏃🏻系(xi)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(yu)世界機床強國相(xiang)比，中國的機床😘産(chǎn)品在全球機床市(shi)場的競争力差距(ju)依然很大。