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

機床是(shì)其他機器(qì)的“母機”。

煉(lian)鋼廠出産(chan)的鋼鐵并(bing)不是我們(men)在生活中(zhong)見到的各(ge)種奇奇‼️怪(guài)怪的形狀(zhuang)，而是闆材(cái)、管材、鑄錠(ding)等等形狀(zhuang)比較規🌈則(zé)的材料，這(zhe)些材料要(yao)加工成各(ge)種形狀的(de)零件就需(xu)要💃使用機(jī)床進行切(qie)削；還有一(yī)些精度要(yào)求較高和(hé)表面粗糙(cāo)度要求較(jiao)細的零件(jiàn)，就要在機(jī)床上用精(jīng)細繁複的(de)工藝切出(chu)來或者磨(mó)出來。

和所(suǒ)有的機器(qi)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(bei)🔞加工的工(gong)✉️件或者刀(dāo)具進行相(xiàng)對運動，至(zhì)于💘在哪兒(ér)下刀、切多(duo)少、多快速(su)度切等等(děng)問題，則由(yóu)人在加工(gong)過程中直(zhí)接進行控(kòng)制。

由于傳(chuan)統機床使(shi)用的電機(jī)的轉速在(zài)工作時基(ji)本🏃🏻‍♂️上是不(bu)變🤞的♊，為了(le)實現不同(tóng)的切削速(su)度，傳統的(de)機床設㊙️計(jì)了👅極為複(fu)雜的傳動(dòng)系統。這種(zhǒng)複雜度的(de)機械在現(xian)💰今的設🏃計(jì)中已經不(bu)多見了。

而(er)随着伺服(fu)電機（伺服(fú)電機就是(shi)可以在一(yi)定範圍内(nèi)精确控制(zhì)電機的位(wèi)置和轉速(su)的電機）技(ji)術的發展(zhan)及其在數(shu)控機床上(shàng)的應用，直(zhi)接控制電(dian)機的轉速(su)變得方便(bian)快🌍捷效率(lü)高，而且基(jī)本上是無(wu)級變速，傳(chuán)動系統的(de)結構大大(dà)簡化，甚至(zhì)出現了🤩很(hen)多環節電(dian)機直接連(lián)接到執行(háng)機構上，而(ér)省略了傳(chuán)動系統。

這(zhe)種“直接驅(qū)動”的模式(shi)是現在機(ji)械設計領(lǐng)域的一大(dà)趨✨勢。

結構(gòu)的簡化還(hái)不夠，要實(shí)現各種各(ge)樣的形狀(zhuang)的零件的(de)加工，還需(xū)要讓機床(chuáng)可以高效(xiào)、準确的控(kong)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(shù)控機床了(le)。而這個腦(nao)子就是🌏數(shu)控系統，數(shù)控系統的(de)水平高低(dī)決定了數(shu)控機床能(neng)幹♍多複雜(za)、多精密的(de)活兒，也決(jue)定了這台(tai)機床和他(ta)的操作者(zhe)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(bān)數控機床(chuáng)而言，往往(wang)包含人機(jī)控制界面(miàn)、數控系🈲統(tǒng)💛、伺服驅動(dòng)裝置、機床(chuang)、檢測裝置(zhi)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(zhǒng)操作（如主(zhu)軸變速等(deng)步驟以及(jí)工件的形(xíng)💜狀尺寸）用(yong)零件程序(xu)代碼表示(shi)，并通過人(rén)及控制界(jiè)面輸入到(dào)數控機床(chuáng)，之後由數(shù)控系統對(dui)⭕這些信息(xī)進行處理(lǐ)和運算，并(bìng)⛱️按零件程(chéng)序的要求(qiú)控制伺服(fu)電機，實現(xian)刀具與工(gōng)件的相對(dui)運動，以完(wan)成零件的(de)加工。

數控(kòng)系統完成(cheng)諸多信息(xī)的存儲和(hé)處理的工(gong)作，并将信(xìn)息的處理(lǐ)結果以控(kong)制信号的(de)形式傳給(gei)後續的伺(si)服電機，這(zhè)🥰些控✍️制信(xìn)号的工作(zuò)效果依賴(lài)于兩大核(hé)心技術：一(yī)個是曲線(xiàn)曲面的插(cha)補🚩運算，一(yi)個是🍉機床(chuang)多軸的運(yun)動控制。

（三(san)）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠(kào)插補運算(suàn)搞定

如果(guo)運動軌迹(jì)可以用解(jiě)析式表達(da)，則整個運(yun)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(yi)直接控制(zhi)電機生成(chéng)了。

但是制(zhi)造過程中(zhong)很多零件(jian)的形狀可(ke)以說是十(shi)分“自由”的(de)，既不圓、也(yě)不方，甚至(zhi)都不知道(dao)是什麼形(xing)狀🏃，例如汽(qi)車、輪船🔴、飛(fei)機、模具、藝(yì)術品等産(chǎn)品常遇到(dào)不🤟能用解(jiě)析式描述(shù)的曲⚽線曲(qǔ)面，這類曲(qǔ)線曲面稱(chēng)為❗自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自由(yóu)曲面。

要切(qie)出來這些(xiē)“自由”的形(xíng)狀，刀具和(he)工件之間(jian)的相對運(yun)動也🔆相應(yīng)的十分複(fú)雜。具體到(dao)操作中，就(jiù)是要控制(zhi)工件🧑🏽‍🤝‍🧑🏻台、刀(dāo)具都💋按照(zhào)設計好的(de)位置-時間(jian)曲線進行(hang)運動，控制(zhi)這二者在(zài)規定的時(shi)間以指定(dìng)的姿💚态到(dao)達指定的(de)位置。

機床(chuáng)可以在工(gōng)件和刀具(ju)之間很好(hǎo)地完成直(zhí)線段、圓弧(hú)或其他的(de)有解析式(shì)的樣條曲(qǔ)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(da)案是依靠(kao)插補運算(suan)。

所謂插補(bu)，就是按照(zhào)一定方法(fǎ)确定數控(kong)機床上刀(dāo)具的運動(dong)軌迹的過(guò)程。根據給(gěi)定的速度(du)和軌迹，在(zài)軌迹的已(yǐ)知點之間(jiān)，增加一些(xie)新的中間(jian)點，并控制(zhi)工件台🤞和(he)刀具通過(guò)這🔞些中間(jian)點，進而就(jiù)能完成整(zhěng)個運動。

而(ér)這些中間(jian)點之間，則(ze)通過線段(duan)、圓弧或者(zhe)樣條曲🙇🏻線(xiàn)等來連接(jie)。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(fǎ)包括逐點(diǎn)比較法、數(shù)字增量法(fa)等，而利用(yòng)📞Nurbs樣條曲線(xiàn)進行插補(bu)因為其效(xiao)率高、精度(du)好而得到(dao)了高端數(shù)控🥰機床的(de)青睐

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

加(jia)工複雜曲(qǔ)面不光要(yào)理論上可(ke)以加工，還(hái)需要考慮(lǜ)刀具⁉️和被(bèi)加工的表(biǎo)面之間的(de)相對位置(zhi)關系。

一方(fāng)面如果刀(dāo)具的姿态(tai)不合适會(huì)導緻加工(gong)的表面⭕質(zhi)量低下；另(ling)一方面刀(dāo)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(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(yun)動自由度(dù)，使之更為(wei)靈巧。

由于(yú)我們所處(chù)的三維空(kong)間的相對(duì)運動隻包(bāo)含六個🔞自(zi)由度（3個平(ping)動自由度(du)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(chuang)在具有空(kong)間上x、y、z三個(gè)方向的平(ping)動自由度(du)外，又增加(jiā)了兩個方(fāng)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(yang)刀具和工(gong)件之間的(de)相對運動(dong)就👨‍❤️‍👨有了全(quan)部的六個(ge)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(shi)其實質上(shàng)也隻是實(shí)現了🔴x、y、z三個(gè)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(chan)數控系統(tong)：逐漸邁向(xiàng)高端市場(chang)

中國是當(dang)今世界機(ji)床制造大(da)國，數控系(xì)統在性能(neng)、功能和成(chéng)套化應用(yòng)方面均取(qu)得了長足(zú)進步。

其中(zhong)，低檔數控(kòng)系統幾乎(hu)完全取代(dai)了進口，中(zhōng)檔數控系(xi)統在系💃列(liè)化、商品化(hua)和産業化(huà)方面成效(xiào)顯著🌈。高檔(dang)數控系統(tong)已突破實(shí)現了五軸(zhou)聯動功能(neng)，并在六軸(zhou)數✏️控砂帶(dai)💛磨床、五軸(zhou)葉片銑床(chuang)和車銑複(fú)合機床等(deng)設備上得(dé)到了示範(fan)應用。

此外(wai)，中國企業(yè)針對零件(jiàn)（如手機殼(ké)）的大批量(liang)、表面光潔(jie)度高等特(te)點，各自開(kai)發了多款(kuan)專用系統(tǒng)和小型高(gāo)速加工中(zhong)心，大大降(jiàng)低了生産(chǎn)成本，該市(shì)場現已基(jī)本被國産(chan)系統和主(zhǔ)機占領。

不(bú)過，還是應(yīng)該看到，國(guo)際上的數(shu)控系統已(yi)經有很多(duō)✌️成熟的高(gāo)端産品，與(yǔ)世界機床(chuang)強國相比(bǐ)，中國的機(jī)床産品在(zài)全球機床(chuang)市場的競(jing)争力差距(ju)依然很🏒大(da)。