（一）從(cóng)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(chang)出産的鋼鐵并不(bú)是我們在生活中(zhōng)見到的各種奇奇(qi)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(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(jī)床上用精細繁複(fú)的工藝切出來或(huo)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(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(er)下刀、切多少、多快(kuai)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(zhuǎn)速在工作時基本(ben)上是不變的，為了(le)實現不同的切削(xuē)速度，傳統的機床(chuang)設計了極為🧑🏽‍🤝‍🧑🏻複雜(za)的傳動系統。這種(zhǒng)複雜度的機㊙️械在(zài)現今的設計中已(yǐ)經不多見了。

而随(sui)着伺服電機（伺服(fu)電機就是可以在(zài)一定範圍内精确(què)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(ying)用，直接控制電機(ji)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(jié)構大大簡化，甚🔴至(zhi)出現了很多環節(jie)🈲電機直接連接到(dào)執行機構上，而省(sheng)略了傳動系統。

這(zhe)種“直接驅動”的模(mó)式是現在機械設(shè)計領域的一♊大㊙️趨(qū)勢。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各種(zhǒng)各樣的形狀的零(ling)件的加😄工，還需要(yào)讓機床可以高效(xiào)、準确的控制多台(tái)電機合作完成整(zhěng)個加工過程。

這就(jiù)要讓機床成為有(yǒu)“腦子”的數控機床(chuang)了。而這個腦子就(jiù)是🙇‍♀️數控系統，數控(kòng)系統的水平高低(di)決定了數控🧑🏾‍🤝‍🧑🏼機床(chuang)能幹多複雜、多🔴精(jing)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(kong)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(kong)機床而言，往往包(bao)含人機控制界面(miàn)、數控系統、伺服驅(qū)動裝置、機床、檢測(ce)裝置等等，操作🈲人(rén)員在一些計算機(ji)輔助制造軟件的(de)幫助下，将加工過(guò)程所需的🚶各種操(cāo)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(jie)面輸入到數控機(ji)床，之後由數控系(xi)統對這些信息進(jìn)行處理和運算，并(bing)🔆按零件程序的要(yào)求💛控制伺服電機(jī)，實現刀具與工件(jian)的相對運動，以完(wán)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(shì)傳給後續的伺📱服(fu)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(jiàn)形狀太“自由”？靠插(cha)補運算搞定

如果(guo)運動軌迹可以用(yòng)解析式表達，則整(zheng)個運動就可以分(fen)解為⛱️幾個坐标的(de)獨立運動的合成(chéng)運動，就可以直接(jie)控制電機生成了(le)。

但是制造過程中(zhōng)很多零件的形狀(zhuang)可以說是十分“自(zì)由”的，既不圓、也不(bú)方，甚至都不知道(dao)是什麼形狀，例如(ru)👄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(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(qiē)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(fú)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(jian)曲線進行運動，控(kòng)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(zài)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(tiáo)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(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(yi)⛹🏻‍♀️知點之間，增加一(yi)些新的中間點，并(bing)控制工件台和刀(dao)具通過這些中間(jiān)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(yuan)弧去逼近要求的(de)曲線和曲面，這就(jiù)是插補的本質。

流(liú)行的插補算法包(bao)括逐點比較法、數(shù)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(dao)了高端數控機床(chuáng)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(hai)需要考🌐慮刀具和(he)被加工的表面之(zhi)間的相對位置關(guān)系。

一方面如果刀(dao)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(he)加工好的零件結(jié)構互相幹涉，不調(diao)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(duo)的運動自由度，使(shi)之更為靈巧。

由于(yu)我們所處的三維(wéi)空間的相對運動(dòng)隻包含六🆚個自由(yóu)😍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(jiu)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(liǎng)個方向的轉動的(de)自由度，再加💞上刀(dāo)具本身的用于切(qie)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(liu)個自由度🏃，使得刀(dao)具和工件之間可(kě)以呈現任意的相(xiàng)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(shí)質上是一個五坐(zuò)标聯動機床。

（五）國(guo)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(neng)🏒和成套化應用方(fāng)面均取得了長足(zú)進步。

其中，低檔數(shù)控系統幾乎完全(quán)取代了進口，中檔(dàng)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(zhou)聯動功能，并在六(liu)軸數控砂帶磨床(chuang)、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(ru)手機殼）的大批量(liang)、表面光潔度高等(děng)特點，各自開發了(le)多款專用系統和(he)小型高速加工中(zhōng)心，大🛀大降💯低了生(shēng)産成本，該市場現(xiàn)已基本被國産🔴系(xi)統和主機占領。

不(bu)過，還是應該看到(dào)，國際上的數控系(xì)統已經有很🐅多㊙️成(cheng)熟的❤️高端産品，與(yu)世界機床強國相(xiang)比，中國的機床産(chan)品在全✊球機床市(shi)場的競争力差距(ju)依然很大。