（一(yī)）從機床到(dào)數控機床(chuáng)，機器不再(zai)無腦幹活(huo)

機床是其(qi)他機器的(de)“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的(de)鋼鐵并不(bu)是我們在(zai)生活中見(jiàn)到的各種(zhǒng)奇奇🛀🏻怪怪(guài)的形狀，而(ér)是闆材、管(guan)材、鑄錠等(děng)等形狀比(bi)較規則的(de)材料，這些(xiē)材料要加(jiā)工成各種(zhǒng)形狀🍓的零(ling)件就需要(yao)使用機✌️床(chuáng)進行切削(xuē)；還有一些(xiē)精度要求(qiú)較高和表(biǎo)面粗糙度(dù)要求較細(xì)的零件，就(jiù)要在機床(chuang)上用精細(xi)繁複的工(gōng)藝切出來(lái)或者磨出(chu)來。

和所有(yǒu)的機器一(yi)樣，最初的(de)機床包括(kuo)動力裝置(zhi)、傳動裝置(zhì)和執行裝(zhuang)置，靠電機(jī)轉動輸入(rù)動力，通過(guo)傳動裝置(zhi)帶着被加(jiā)工的工🧡件(jian)或者刀具(jù)進行相對(dui)運動，至于(yu)🈚在哪兒下(xià)刀、切多少(shǎo)、多快速度(dù)🏃🏻‍♂️切等等問(wen)題，則由人(ren)在加工過(guò)程中直接(jie)進行控制(zhi)。

由于傳統(tong)機床使用(yòng)的電機的(de)轉速在工(gōng)作時基本(ben)💯上是⭐不🛀🏻變(bian)的，為了實(shí)現不同的(de)切削速度(dù)，傳統的機(jī)床設計了(le)極為複雜(zá)的傳😄動系(xì)統。這種複(fu)雜度的機(ji)械在現今(jīn)的設計中(zhong)已經不多(duo)見了。

而随(sui)着伺服電(dian)機（伺服電(diàn)機就是可(kě)以在一定(dìng)範圍👉内精(jīng)确❗控制🍓電(diàn)機的位置(zhì)和轉速的(de)電機）技術(shu)的發展及(ji)💘其在數控(kòng)機床‼️上的(de)應用，直接(jiē)控制電機(jī)的轉🌍速變(biàn)得方便快(kuai)捷效率高(gao)，而且基本(ben)上是無級(ji)變速，傳動(dong)系統的結(jie)構大大簡(jiǎn)化，甚至出(chū)現了很多(duō)環節📧電機(jī)直接連接(jie)到執行機(ji)構上，而省(shěng)略了傳動(dòng)系統。

這種(zhǒng)“直接驅動(dong)”的模式是(shì)現在機械(xie)設計領域(yu)的一大❄️趨(qū)勢。

結構的(de)簡化還不(bú)夠，要實現(xian)各種各樣(yàng)的形狀的(de)零🏃🏻‍♂️件✊的加(jiā)工，還需要(yao)讓機床可(kě)以高效、準(zhǔn)确的控制(zhi)多台電💋機(jī)合作完成(chéng)整個加工(gōng)過程。

這就(jiu)要讓機床(chuáng)成為有“腦(nao)子”的數控(kong)機床了。而(ér)這個腦子(zi)就是數控(kong)系統，數控(kong)系統的水(shuǐ)平高低決(jué)定了💔數控(kong)機床能幹(gan)多複雜、多(duō)精密的活(huo)兒，也決定(ding)了這台機(ji)床和他的(de)操作者的(de)身價。

（二）數(shu)控系統能(neng)幹嘛？處理(li)信息并控(kong)制動力

數(shu)控系統（Numerical Controller System）是(shì)數控機床(chuang)的大腦。

對(dui)于一般數(shu)控機床而(ér)言，往往包(bāo)含人機控(kong)制界面、數(shu)控系統、伺(sì)服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢(jian)測裝置等(deng)等，操作人(rén)員❄️在一些(xiē)計算機輔(fǔ)助制造軟(ruan)件的幫助(zhu)下，将加工(gong)過程所需(xū)的各種操(cāo)♻️作（如主軸(zhóu)變速等步(bu)驟以及工(gong)件的形狀(zhuàng)尺寸）用零(líng)件程序代(dài)碼表示⭐，并(bing)通過人及(jí)控制界面(mian)輸入到數(shu)控機床，之(zhi)後由數控(kòng)系統對這(zhè)些信息進(jin)⭕行☁️處理和(hé)運算，并按(àn)零件程序(xù)的📐要求控(kong)制伺服🈲電(diàn)機，實現刀(dāo)具與工件(jiàn)的相對運(yùn)動，以完成(chéng)🔞零件的加(jia)工。

數控系(xì)統完成諸(zhu)多信息的(de)存儲和處(chu)理的工作(zuo)，并将信👄息(xi)的處理結(jié)果以控制(zhi)信号的形(xíng)式傳給後(hòu)續🐪的伺服(fú)電機，這些(xie)控制信号(hao)的工作效(xiào)果依賴于(yu)兩大核心(xin)技術：一🔱個(ge)是曲線曲(qu)面的插補(bǔ)運算，一個(gè)是💔機床多(duo)軸的運動(dòng)控制。

（三）零(líng)件形狀太(tài)“自由”？靠插(chā)補運算搞(gǎo)定

如果運(yun)動軌迹可(kě)以用解析(xi)式表達，則(ze)整個運動(dòng)就可以分(fèn)解🐆為幾個(ge)坐标的獨(du)立運動的(de)合成運動(dòng)，就可以🤞直(zhí)接控制電(dian)機生成了(le)。

但是制造(zao)過程中很(hen)多零件的(de)形狀可以(yi)說是十分(fen)“自🍉由”的☁️，既(ji)不圓、也不(bu)方，甚至都(dou)不知道是(shì)什麼形狀(zhuàng)，例如汽車(che)、輪船、飛機(jī)、模具、藝術(shu)品等産品(pǐn)常遇到不(bu)能用解析(xi)式描述的(de)曲🈲線曲面(miàn)🚶‍♀️，這類曲線(xian)曲面稱為(wéi)自由曲線(xiàn)（Free Form Curves）或自由曲(qǔ)面。

要切出(chu)來這些“自(zì)由”的形狀(zhuang)，刀具和工(gong)件之間的(de)相對運動(dòng)也相應的(de)十分複雜(za)。具體到操(cāo)作中，就是(shì)要🚶‍♀️控制㊙️工(gōng)件台、刀具(jù)都按照設(she)計好的位(wèi)置-時間曲(qǔ)線✂️進行運(yùn)動，控制這(zhe)二者在規(guī)定🚩的時間(jian)以指定的(de)姿💃态到達(da)指定的位(wèi)置。

機床可(kě)以在工件(jian)和刀具之(zhi)間很好地(di)完成直線(xiàn)段、圓弧或(huò)其他的有(you)解析式的(de)樣條曲線(xiàn)的相對運(yun)動，而這種(zhong)複雜的“自(zì)由”運動又(you)該怎麼完(wán)成呢？答案(àn)是依靠插(chā)補運算。

所(suǒ)謂插補，就(jiù)是按照一(yi)定方法确(que)定數控機(jī)床上刀具(ju)的運動軌(gui)迹的過程(cheng)。根據給定(dìng)的速度和(hé)軌迹，在軌(guǐ)迹的已知(zhī)點之間，增(zēng)加🐪一些新(xīn)的中間點(diǎn)，并控制工(gōng)件台和刀(dao)具通過這(zhè)些中間🌏點(dian)，進而就能(néng)完成整個(ge)運動。

而這(zhe)些中間點(dian)之間，則通(tōng)過線段、圓(yuan)弧或者樣(yang)條曲♌線等(děng)來🧑🏽‍🤝‍🧑🏻連接。相(xiang)當于用數(shu)段微小的(de)線段和圓(yuán)弧去逼近(jìn)🔴要求🌍的曲(qǔ)線和曲面(mian)，這就是插(cha)補的本質(zhì)。

流行的插(cha)補算法包(bao)括逐點比(bǐ)較法、數字(zì)增量法等(deng)，而利用Nurbs樣(yang)條曲線進(jìn)行插補因(yin)為其效率(lǜ)高、精度好(hǎo)🔅而得到了(le)高端數控(kòng)機床的青(qīng)睐

（四）刀的(de)姿态不對(duì)無法加工(gōng)？五坐标聯(lián)動分分鐘(zhōng)搞定

加工(gōng)複雜曲面(miàn)不光要理(lǐ)論上可以(yi)加工，還需(xu)要考慮刀(dāo)具和🔞被🔴加(jia)工的表面(miàn)之間的相(xiàng)對位置關(guan)系。

一方面(mian)如果刀具(ju)的姿态不(bú)合适會導(dǎo)緻加工的(de)表面質量(liàng)低下；另一(yī)方面刀具(jù)還會和加(jia)工好的零(ling)件♻️結構互(hù)相幹涉，不(bú)調整刀具(ju)的相對姿(zī)态根本沒(mei)有🔞辦法加(jia)工。這就需(xū)要賦予數(shu)控機床更(geng)多的運動(dòng)自由度，使(shǐ)之更為靈(líng)巧。

由于我(wo)們所處的(de)三維空間(jian)的相對運(yùn)動隻包含(han)六個自由(yóu)度（3個平動(dong)自由度以(yi)及3個轉動(dòng)自由度），五(wǔ)坐标聯動(dong)就是使數(shù)控機床在(zai)具有空間(jian)上x、y、z三個方(fang)向的平動(dòng)💯自由度外(wai)，又增加了(le)兩個方向(xiàng)的轉動的(de)自由度，再(zai)加上刀具(ju)本身的用(yong)于切削的(de)轉動自由(yóu)度，這樣刀(dāo)具和💘工件(jian)之間的相(xiàng)對運動就(jiu)💋有了全部(bù)的🐇六個自(zì)由度🔞，使得(de)刀具和工(gōng)件之間可(kě)以呈現任(rèn)意的相對(duì)位置和相(xiang)對姿态。

雖(sui)然标了4個(ge)平動自由(you)度，但是其(qi)實質上也(yě)隻是實現(xiàn)了x、y、z三個方(fāng)向的運動(dòng)，有一個自(zi)由度是冗(rong)餘的，其實(shí)質上是一(yī)個五坐标(biāo)聯動機床(chuang)。

（五）國産數(shù)控系統：逐(zhú)漸邁向高(gao)端市場

中(zhōng)國是當今(jīn)世界機床(chuáng)制造大國(guó)，數控系統(tǒng)在性能㊙️、功(gong)能和成🍉套(tào)化應用方(fang)面均取得(dé)了長足進(jin)步。

其中，低(di)檔數控系(xì)統幾乎完(wan)全取代了(le)進口，中檔(dang)數控系統(tǒng)在系💔列化(hua)、商品化和(he)産業化方(fang)面成效顯(xiǎn)著。高檔數(shù)控系統已(yǐ)突破實現(xiàn)了五軸聯(lian)動功能，并(bing)在六軸數(shù)控砂帶磨(mo)床、五軸葉(ye)片銑床和(hé)車銑複合(hé)機床等設(she)備🔅上得到(dao)了示範應(yīng)用。

此外，中(zhōng)國企業針(zhen)對零件（如(ru)手機殼）的(de)大批量、表(biǎo)面光潔度(du)高等特點(diǎn)，各自開發(fa)了多款專(zhuān)用系統和(he)小型高速(su)加🌐工中心(xīn)，大大降低(di)了生産成(cheng)本，該市場(chǎng)現已基本(běn)被國産系(xì)統和主機(jī)占領。

不過(guo)，還是應該(gāi)看到，國際(ji)上的數控(kong)系統已經(jing)有很多♍成(cheng)熟的高端(duān)産品，與世(shi)界機床強(qiáng)國相比，中(zhōng)國的機床(chuang)産品🚩在全(quan)💋球機床市(shi)場的競争(zhēng)力差距依(yi)然很大。