（一）從(cóng)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(qí)奇怪怪的形狀(zhuang)，而是闆材、管材(cai)、鑄錠等等形狀(zhuàng)比較規則的材(cái)料，這些材料要(yào)加工成各種形(xing)狀的零件就需(xu)要使用機床進(jin)行切削；還🌈有一(yī)些精度要求較(jiao)高和表面粗糙(cao)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(lái)。

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(he)執行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入動(dòng)力，通過傳動裝(zhuang)置帶着被加工(gōng)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(duo)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(yóu)于傳統機床使(shi)用的電機的轉(zhuǎn)速在工作時基(jī)本上是不變的(de)，為了實現不同(tong)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(zhǒng)複雜度的機械(xie)在現今的設㊙️計(jì)中已經不多見(jiàn)了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機(jī)就是可以在一(yī)定範圍内💚精确(que)控制電機的位(wei)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(zhi)接控制電機的(de)轉速變得方便(bian)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(da)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(qū)動”的模式是現(xiàn)在機械設計領(lǐng)域的一大趨🐪勢(shì)。

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

這(zhe)就要讓機床成(chéng)為有“腦子”的數(shù)控機床了。而這(zhe)個腦子就🔞是數(shù)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(zá)、多精密的活兒(ér)，也決定了這台(tái)機床和他的🧑🏾‍🤝‍🧑🏼操(cāo)作者的身價。

（二(èr)）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并(bìng)控制動力

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

對于(yu)一般數控機床(chuáng)而言，往往包含(hán)人機控制界面(mian)、數控系統、伺服(fu)驅動裝置、機床(chuang)、檢測裝置等等(deng)，操作☔人員在一(yi)☁️些計算機輔助(zhu)👌制造軟件的幫(bāng)助下，将加👄工過(guò)程所需的各種(zhǒng)操作（如主軸變(bian)速等步驟以及(ji)工件的形狀尺(chi)寸）用零件程序(xu)代碼表示，并通(tōng)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(li)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(gōng)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(xi)的存儲和處理(lǐ)的工作，并将信(xin)息的處理結果(guo)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(lài)于兩大核心技(jì)術：一個是曲線(xiàn)曲面⛱️的插補運(yùn)算，一個是機床(chuang)多軸㊙️的運動控(kòng)制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如果(guo)運動軌迹可以(yi)用解析式表達(da)，則整個運動就(jiù)可以分解為幾(ji)個坐标的獨立(lì)運動的合成運(yun)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(jian)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(fei)機、模具、藝術品(pǐn)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(qǔ)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(jian)的相對運動也(ye)相應的十分複(fú)雜。具體到操作(zuo)中，就是要🔞控制(zhì)工件台、刀具都(dōu)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(dìng)的姿态到達指(zhǐ)定的位置。

機床(chuáng)可以在工件和(hé)刀具之間很好(hǎo)地完成直線段(duàn)、圓弧或其他的(de)有解析式的樣(yang)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(chéng)呢？答案是依靠(kao)插補運算。

所謂(wei)插補，就是按照(zhào)一定方法确定(ding)數控機床上刀(dāo)🙇🏻具🚩的運🔅動軌迹(ji)的過程。根據給(gěi)定的速度和軌(guǐ)迹，在⛷️軌迹📱的已(yi)知點之間，增加(jia)一些新的中間(jian)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(zheng)個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則(zé)通過線段、圓弧(hu)或者樣條曲😘線(xian)🈲等🔴來連接。相當(dāng)于用數段微小(xiao)的線段和圓弧(hú)去逼近要求的(de)曲線和👉曲面，這(zhè)就是插補的本(běn)質。

流行的插補(bu)算法包括逐點(diǎn)比較法、數字增(zeng)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(shu)控機床的青睐(lai)

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

加(jia)工複雜曲面不(bú)光要理論上可(kě)以加工，還需要(yào)考💛慮刀具😍和被(bei)加工的表面之(zhi)間的相對位置(zhì)關系。

一方面如(rú)果刀具的姿态(tài)不合适會導緻(zhì)加工的表面質(zhì)量低下；另一方(fang)面刀具還會和(hé)加工好的零件(jiàn)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(gōng)。這就需要賦予(yu)數控機床更多(duo)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(bāo)含六個自由度(dù)（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(kong)機床🌈在具有空(kōng)間上x、y、z三個方向(xiang)的平動自由度(du)外，又增加了兩(liǎng)個方向的轉動(dong)的自🏃🏻由度，再加(jiā)上刀具本身的(de)用于切削的轉(zhuǎn)🐕動自由度🍓，這樣(yàng)刀具和工件之(zhī)間的相對運動(dong)就🔱有了全部的(de)六個自由度，使(shǐ)得刀具和工件(jian)💜之間可以呈現(xiàn)任意的相對位(wei)🐅置和相對姿态(tai)。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是(shi)其實質上也隻(zhī)是實現了x、y、z三個(gè)方向的運動，有(yǒu)一個自由度是(shi)冗餘的，其實質(zhì)上是一個五坐(zuo)🐇标聯動機床。

（五(wǔ)）國産數控系統(tong)：逐漸邁向高端(duān)市場

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

其中(zhong)，低檔數控系統(tong)幾乎完全取代(dài)了進口，中檔數(shu)控⛱️系❄️統在🐪系列(lie)化、商品化和産(chǎn)業化方面成效(xiào)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(zhóu)數控砂帶磨床(chuang)、五軸葉片🔆銑床(chuang)和🏃車銑複合機(jī)床等設備🌐上得(dé)到了示範應用(yong)。

此外，中國企業(ye)針對零件（如手(shǒu)機殼）的大批量(liàng)、表面光潔度高(gao)等特點，各自開(kai)發了多款專用(yong)系統和小型高(gao)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(chan)系統和主機占(zhàn)領。

不過，還是應(yīng)該看到，國際上(shàng)的數控系統已(yǐ)經有很🏃多成熟(shú)的高端産品，與(yǔ)世界機床強國(guó)相比，中國的機(ji)床産品✍️在全🤩球(qiu)機✔️床市場的競(jing)争力差距依然(rán)很大。