（一）從(cong)機床到數控機(ji)床，機器不再無(wú)腦幹活

機床是(shì)其他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出産(chǎn)的鋼鐵并不是(shi)我們在生活中(zhōng)見到的各種奇(qi)💋奇怪✂️怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管材(cái)、鑄錠等等形狀(zhuang)比較規則的材(cái)料，這些材料要(yao)加工成各種形(xíng)狀的零件就需(xū)要使用機床進(jìn)行切削；還有一(yi)些精度要求較(jiào)高和表面粗糙(cāo)度要求較細的(de)零🐅件，就要在🏃‍♂️機(jī)床上用精細繁(fán)複的工藝切出(chu)來或者磨出來(lai)。

和所有的機器(qì)一樣，最初的機(ji)床包括動力裝(zhuāng)置、傳動👉裝置和(hé)🏃🏻‍♂️執行裝置，靠電(dian)機轉動輸入動(dòng)力，通過傳動裝(zhuang)🍉置帶着被加工(gong)的工件或者刀(dao)具進行相對運(yùn)動，至于在哪兒(ér)下刀、切多少、多(duō)快速度🏃🏻切等等(děng)問題，則由人在(zài)加工過程中直(zhí)接進行控制。

由(you)于傳統機床使(shǐ)用的電機的轉(zhuan)速在工作時基(jī)本上☎️是不變的(de)，為了實現不同(tóng)的切削速度，傳(chuán)統的機床設🚶計(ji)了極為複雜的(de)傳動系統。這種(zhong)複雜度的機械(xiè)在現☂️今的設🧑🏽‍🤝‍🧑🏻計(ji)中已經不多見(jian)了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機(jī)就是可以在一(yī)定範圍内精确(què)控制電機的位(wèi)置和轉速的電(diàn)機）技術的發💚展(zhǎn)及其在數控機(jī)床上的應用，直(zhí)接控制電機的(de)轉速變得方便(biàn)快捷效率💜高，而(ér)且基本上是無(wú)級變速，傳動系(xi)統的結構大大(dà)簡化，甚至出現(xiàn)了很多環節電(dian)機直接連接到(dao)執行機構上，而(er)省略了傳動系(xì)統。

這種“直接驅(qu)動”的模式是現(xiàn)在機械設計領(lǐng)域的一大趨😍勢(shi)。

結構的簡化還(hai)不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀(zhuàng)的零件❗的加工(gong)，還需要讓機床(chuáng)可以高效、準确(què)的控制多台電(diàn)機合作完成整(zhěng)個加工過程。

這(zhè)就要讓機床成(cheng)為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這(zhè)個腦子🔞就是數(shu)⛹🏻‍♀️控系統，數控系(xi)統的水平高低(di)決定了數控機(jī)床能幹多複雜(za)、多精密的活兒(er)，也決定了這台(tái)機床和他的操(cao)作者的身價。

（二(èr)）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并(bing)控制動力

數控(kong)系統（Numerical Controller System）是數控機(jī)床的大腦。

對于(yú)一般數控機床(chuang)而言，往往包含(hán)人機控制界面(miàn)☔、數控系統、伺服(fú)驅動裝置、機床(chuang)、檢測裝置等等(deng)，操作人員在一(yī)些計算機輔助(zhù)制造軟件的幫(bang)助下，将加工過(guò)程所需的各種(zhong)操作（如主軸變(bian)速等步驟以及(ji)👄工件的形💋狀尺(chǐ)寸）用零件程序(xu)代碼表示，并通(tong)過人及控制界(jie)面⛹🏻‍♀️輸入到數控(kòng)機床，之後由🐅數(shù)控系統對☂️這些(xie)信息進行處理(lǐ)和運算，并按零(ling)件程序的要求(qiú)控制伺服電機(jī)，實現刀具與工(gong)件的相對運動(dòng)，以完成零件的(de)加工。

數控系統(tong)完成諸多信息(xī)的存儲和處理(li)的工作，并🏃将⛱️信(xìn)息的📞處❌理結果(guǒ)以控制信号的(de)形式傳給後續(xu)的伺服電機，這(zhe)些控制信号的(de)工作效果依賴(lai)于兩大核心技(ji)術：一個是曲線(xian)曲面的插補運(yun)算，一個是機床(chuang)多軸的運動控(kong)制。

（三）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以(yi)用解析式表達(dá)，則整個運動就(jiu)可以分解為幾(jǐ)個坐标的獨立(lì)運動的合成運(yùn)動，就👄可以直接(jiē)控制🏃電機生成(cheng)了。

但是制造過(guò)程中很多零件(jiàn)的形狀可以說(shuō)是十分“自♊由🌈”的(de)，既不圓、也不方(fāng)，甚至都不知道(dao)是什麼形狀，例(li)如汽車、輪船、飛(fēi)機、模具、藝術品(pin)等産品常遇到(dào)不能用解析式(shì)描述的曲線曲(qu)面，這類曲🛀🏻線曲(qu)面稱為自由曲(qu)線（Free Form Curves）或自由曲♌面(mian)。

要切出來這些(xie)“自由”的形狀，刀(dāo)具和工件之間(jiān)的相對運動也(yě)相🧡應的十分複(fú)雜。具體到操作(zuò)中，就是要控制(zhì)工件台、刀具都(dou)按照設計好的(de)位置-時間曲線(xian)進行運動，控制(zhi)這二者在規定(ding)🈲的時間以指定(ding)的姿态到達指(zhi)定的位置。

機床(chuang)可以在工件和(he)刀具之間很好(hǎo)地完成直線段(duan)、圓弧⛱️或其他的(de)有解析式的樣(yàng)條曲線的相對(duì)運動，而這種複(fú)雜的“自由”運動(dong)又該怎麼完成(cheng)呢？答案是⁉️依靠(kao)插補運算。

所謂(wèi)插補，就是按照(zhao)一定方法确定(ding)數控機床上刀(dao)具✌️的運動🔞軌👌迹(ji)的過程。根據給(gei)定的速度和軌(guǐ)迹，在軌迹的已(yi)知點之間，增加(jiā)一些新的中間(jiān)點，并控制工件(jian)台🧑🏾‍🤝‍🧑🏼和刀具通過(guo)這些中間點，進(jin)而就能完成整(zhěng)個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則(ze)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲🔅線(xiàn)💋等🍓來連接。相當(dang)于用數段微小(xiao)的線段和圓弧(hu)去👨‍❤️‍👨逼近🔞要求的(de)曲線和曲面，這(zhe)就是插補的本(ben)質。

流行的插補(bǔ)算法包括逐點(diǎn)比較法、數字增(zēng)量法等🔱，而利用(yong)✌️Nurbs樣條🌏曲線進行(háng)插補因為其效(xiao)率高、精度好而(er)得到了高端數(shù)控機床❗的青睐(lài)

（四）刀的姿(zi)态不對無法加(jiā)工？五坐标聯動(dong)分分鐘搞定

加(jiā)工複雜曲面不(bú)光要理論上可(ke)以加工，還需要(yao)考慮刀具和被(bèi)加工的表面之(zhi)間的相對位置(zhi)關系。

一方面如(ru)果刀具的姿态(tai)不合适會導緻(zhì)加工的表面質(zhi)量低下；另一方(fāng)面刀具還會和(he)加工好的零件(jian)結構互相幹涉(she)，不調🌍整刀具的(de)相對姿态根本(běn)沒有辦法加工(gong)。這就需要賦予(yu)數控機床更👈多(duō)的運動自由度(du)，使之更為靈巧(qiao)。

由于我們所處(chu)的三維空間的(de)相對運動隻包(bao)含六個自由度(du)🏃🏻‍♂️（3個平動自由度(dù)以及3個轉動自(zì)由度），五坐标聯(lian)動就是使數控(kòng)機床在具有空(kong)間上x、y、z三個方向(xiàng)的平動自由度(dù)外，又增加了兩(liang)個方向的轉動(dòng)的自由度，再加(jia)上刀具本身的(de)用于切削的轉(zhuan)✍️動自由度，這樣(yang)刀具和工件之(zhi)間的相對運動(dong)就✂️有了全部的(de)💋六個自由度，使(shi)得刀具和工件(jiàn)之間可以呈現(xian)任意🐕的相對位(wèi)置和相對姿态(tài)。

雖然标了4個平(ping)動自由度，但是(shì)其實質上也隻(zhi)是實現了x、y、z三個(ge)方向的運動，有(you)一個自由度是(shì)冗餘的，其實質(zhi)上是一個五坐(zuo)标聯動機床。

（五(wu)）國産數控系統(tong)：逐漸邁向高端(duan)市場

中國是當(dang)今世界機床制(zhì)造大國，數控系(xì)統在性能、功能(neng)和成套💁化應用(yong)方面均取得了(le)長足進步。

其中(zhōng)，低檔數控系統(tǒng)幾乎完全取代(dai)了進口，中檔數(shu)控系統在系列(lie)化、商品化和産(chan)業化方面成效(xiao)顯著。高檔數控(kòng)系統已突破實(shi)現了五軸聯動(dong)功能，并在六軸(zhou)數控砂帶磨床(chuang)、五軸葉片銑床(chuáng)和💋車銑複合機(ji)床等設備上得(de)到了♻️示範應用(yong)。

此外，中國企業(ye)針對零件（如手(shou)機殼）的大批量(liàng)、表面🤩光🔞潔度高(gāo)等🍓特點，各自開(kāi)發了多款專用(yòng)系統和小型高(gāo)速加工中心，大(da)大降低了生産(chǎn)成本，該市場現(xian)已基本被國産(chǎn)系統和主機占(zhàn)領。

不過，還是應(ying)該看到，國際上(shang)的數控系統已(yi)經有很多成熟(shú)的💚高端産品，與(yu)世界機床強國(guó)相比，中國的✌️機(jī)床🍉産品在全球(qiu)機床市場的競(jing)争力差距依然(ran)很大。