（一）從(cóng)機床到(dao)數控機(jī)床，機器(qì)不再無(wu)腦幹活(huo)

機床是(shì)其他機(jī)器的“母(mǔ)機”。

煉鋼(gang)廠出産(chan)的鋼鐵(tie)并不是(shi)我們在(zai)生活中(zhōng)見到的(de)各種奇(qi)奇怪怪(guài)的形狀(zhuang)，而是闆(pan)材、管材(cai)、鑄錠等(děng)等形狀(zhuang)比較規(gui)則的材(cái)料，這些(xiē)材料要(yao)加工成(chéng)各種形(xing)狀的零(ling)件就需(xu)要使用(yong)機床進(jin)行切削(xue)；還🌈有一(yī)些精度(dù)要求較(jiào)高和表(biǎo)面粗🏃糙(cao)度要求(qiú)💛較細的(de)零件，就(jiù)要在🈚機(ji)床上用(yong)精細繁(fan)複的工(gong)藝切出(chu)來或🙇🏻者(zhe)磨出來(lai)。

和所有(yǒu)的機器(qi)一樣，最(zuì)初的機(ji)床包括(kuo)動力裝(zhuāng)置、傳動(dòng)裝置💃和(he)執行裝(zhuang)置，靠電(diàn)機轉動(dòng)輸入動(dong)力，通過(guò)傳動裝(zhuang)置帶着(zhe)被🆚加工(gong)🏃🏻的工件(jian)或者刀(dāo)具進行(hang)相對運(yun)動，至于(yú)🈲在哪兒(er)下刀、切(qie)🐉多少、多(duō)快速度(dù)💜切等等(deng)問題，則(zé)由人在(zai)加工過(guo)程中直(zhi)接進行(háng)控制。

由(yóu)于傳統(tong)機床使(shǐ)用的電(diàn)機的轉(zhuan)速在工(gōng)作時基(jī)本上是(shi)不變的(de)，為了實(shí)現不同(tong)的切削(xuē)速度，傳(chuan)統的機(ji)床設🥵計(ji)了極為(wéi)💃複雜🌐的(de)傳動系(xi)統。這種(zhǒng)複雜度(du)的機械(xiè)在現今(jīn)的設計(ji)中已❄️經(jīng)不多見(jiàn)了。

而随(sui)着伺服(fú)電機（伺(sì)服電機(jī)就是可(ke)以在一(yī)定範圍(wéi)内精🐕确(què)控制電(dian)機的位(wei)置和轉(zhuǎn)速的電(diàn)機）技術(shu)的發💃展(zhan)及其在(zai)數控機(jī)床上的(de)應用，直(zhi)接控制(zhì)電機的(de)轉速變(bian)得方便(biàn)快捷效(xiào)率高，而(er)且基本(běn)上是無(wú)級變速(sù)，傳動系(xi)統🤩的結(jié)構大👉大(da)簡化，甚(shèn)至出現(xiàn)了很多(duo)環節😘電(diàn)機直接(jiē)連接到(dao)執行機(jī)構上，而(er)省略☀️了(le)傳動系(xì)統。

這種(zhǒng)“直接驅(qu)動”的模(mó)式是現(xian)在機械(xie)設計領(lǐng)域的一(yi)大趨勢(shi)。

結構的(de)簡化還(hái)不夠，要(yao)實現各(ge)種各樣(yang)的形狀(zhuang)的零件(jiàn)的加工(gōng)，還需要(yào)讓機床(chuang)可以高(gāo)效、準确(què)的控制(zhì)多台電(diàn)機合作(zuò)完成整(zheng)個加工(gōng)過程。

這(zhè)就要讓(rang)機床成(chéng)為有“腦(nao)子”的數(shu)控機床(chuáng)了。而這(zhè)個腦✏️子(zǐ)就是數(shu)控系統(tǒng)，數控系(xì)統的水(shui)平高低(dī)決定了(le)數控機(jī)床能幹(gan)多複雜(zá)、多精密(mì)的活兒(ér)，也決定(ding)了這台(tái)機床和(hé)他的操(cao)作者㊙️的(de)身價。

（二(er)）數控系(xi)統能幹(gàn)嘛？處理(li)信息并(bìng)控制動(dòng)力

數控(kong)系統（Numerical Controller System）是(shì)數控機(ji)床的大(dà)腦。

對于(yu)一般數(shu)控機床(chuang)而言，往(wang)往包含(han)人機控(kòng)制界面(miàn)、數控系(xì)統、伺服(fu)驅動裝(zhuang)置、機床(chuang)、檢測裝(zhuang)置等等(deng)，操作人(rén)員在一(yī)些計算(suan)機輔助(zhù)⭐制造軟(ruan)件的幫(bāng)助下，将(jiang)加㊙️工過(guò)程所需(xu)的各種(zhǒng)操作（如(ru)主軸變(biàn)速等步(bù)驟以及(jí)工件的(de)形狀尺(chi)寸）用零(líng)件程序(xù)🔞代碼表(biao)示，并通(tōng)過人及(ji)控制界(jiè)面輸入(rù)到數控(kong)機床，之(zhī)後由數(shù)控系統(tong)對這些(xie)信息進(jin)🚶‍♀️行處理(li)和運算(suan)，并按零(líng)件程序(xu)的要求(qiu)🐆控制伺(sì)服電機(jī)，實現刀(dāo)具與工(gōng)件的相(xiang)對運動(dòng)，以完🧑🏾‍🤝‍🧑🏼成(cheng)零件的(de)加工。

數(shu)控系統(tong)完成諸(zhu)多信息(xi)的存儲(chǔ)和處理(lǐ)的工作(zuo)，并将信(xìn)息的處(chù)理結果(guo)以控制(zhi)信号的(de)形式傳(chuán)給後續(xu)的伺服(fu)電機，這(zhe)些控制(zhi)信号的(de)工作效(xiào)果依賴(lài)于兩大(da)核心技(jì)術：一個(ge)是曲線(xian)曲面♌的(de)插補運(yùn)算，一個(ge)是機床(chuáng)多軸的(de)運動控(kong)制。

（三）零(ling)件形狀(zhuang)太“自由(you)”？靠插補(bu)運算搞(gao)定

如果(guǒ)運動軌(guǐ)迹可以(yi)用解析(xi)式表達(da)，則整個(ge)運動就(jiù)🔞可以🙇‍♀️分(fèn)❗解✨為幾(jǐ)個坐标(biao)的獨立(lì)運動的(de)合成運(yùn)動，就可(ke)以直接(jiē)控制電(diàn)機生成(chéng)了。

但是(shi)制造過(guò)程中很(hěn)多零件(jiàn)的形狀(zhuàng)可以說(shuo)是十分(fèn)“自由”的(de)，既不圓(yuán)、也不方(fāng)，甚至都(dou)不知道(dao)是什麼(me)形狀，例(lì)如汽車(che)、輪船、飛(fei)機、模具(ju)、藝術品(pǐn)等産品(pin)常遇到(dao)不能用(yong)解析式(shi)描💚述的(de)曲線曲(qǔ)面，這類(lei)曲🥵線曲(qǔ)面稱為(wei)自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自(zi)由曲面(mian)。

要切出(chu)來這些(xie)“自由”的(de)形狀，刀(dāo)具和工(gong)件之間(jian)的相對(dui)運動也(ye)🌈相應的(de)十分複(fú)雜。具體(ti)到操作(zuò)中，就是(shi)要控制(zhì)工件台(tai)、刀具都(dou)按照設(she)計好的(de)位置-時(shí)間曲線(xiàn)🈲進行運(yùn)動，控制(zhì)這二者(zhe)🌈在規定(dìng)的時間(jiān)㊙️以指定(ding)的姿态(tai)到達指(zhǐ)定的位(wei)置。

機床(chuang)可以在(zai)工件和(hé)刀具之(zhi)間很好(hǎo)地完成(cheng)直線段(duàn)、圓弧或(huò)其他的(de)有解析(xī)式的樣(yàng)條曲線(xiàn)的相對(duì)運動，而(er)這種複(fú)雜的“自(zi)由”運動(dong)又該怎(zen)麼完成(chéng)呢？答案(an)是依靠(kao)插補運(yùn)算。

所謂(wèi)插補，就(jiù)是按照(zhào)一定方(fāng)法确定(dìng)數控機(ji)床上刀(dao)具的🈲運(yùn)動⛷️軌迹(jì)的過程(chéng)。根據給(gei)定的速(su)度和軌(guǐ)迹，在軌(gui)迹的已(yǐ)知點之(zhī)間，增加(jiā)一些新(xin)的中間(jian)點，并控(kong)制工件(jiàn)台和刀(dāo)具通過(guo)這些中(zhong)間點，進(jìn)而🎯就能(néng)完成整(zheng)✊個運動(dong)。

而這些(xiē)中間點(dian)之間，則(zé)通過線(xian)段、圓弧(hu)或者樣(yàng)條曲線(xiàn)等來連(lian)💰接。相當(dāng)于用數(shù)段微小(xiao)的線段(duàn)和圓弧(hu)去逼近(jìn)要求的(de)曲線和(hé)曲面，這(zhe)就是插(chā)補的本(běn)質。

流行(háng)的插補(bu)算法包(bao)括逐點(diǎn)比較法(fǎ)、數字增(zeng)量法等(deng)🍓，而利用(yòng)Nurbs樣條曲(qǔ)線進行(hang)插補因(yin)為其效(xiào)率高、精(jīng)度好㊙️而(ér)得到了(le)高端🔴數(shù)控機床(chuáng)的青睐(lai)

（四(si)）刀的姿(zī)态不對(dui)無法加(jia)工？五坐(zuò)标聯動(dòng)分分鐘(zhong)搞定

加(jiā)工複雜(zá)曲面不(bu)光要理(li)論上可(kě)以加工(gōng)，還需要(yào)考慮刀(dao)具和被(bèi)加工的(de)表面之(zhī)間的相(xiang)對位置(zhi)關系。

一(yi)方面如(rú)果刀具(jù)的姿态(tài)不合适(shì)會導緻(zhì)加工的(de)表面質(zhi)量🔞低㊙️下(xia)；另一方(fāng)面刀具(ju)還會和(he)加工好(hǎo)的零件(jian)結構🌈互(hù)相幹涉(shè)，不調整(zheng)刀具的(de)相對姿(zī)态根本(běn)沒有🥰辦(ban)法加工(gōng)。這就👅需(xu)要賦予(yǔ)數控機(jī)床更多(duo)的運動(dong)自由度(du)，使之更(geng)為靈巧(qiao)。

由于我(wo)們所處(chù)的三維(wei)空間的(de)相對運(yun)動隻包(bāo)含六個(gè)自由👄度(du)（3個平動(dòng)自由度(du)以及3個(ge)轉動自(zì)由度），五(wu)坐标聯(lián)動就是(shi)使數控(kòng)🏃🏻‍♂️機床在(zài)具有空(kong)間上x、y、z三(sān)個方向(xiàng)的平動(dòng)自由度(du)外，又增(zeng)加了兩(liang)個方向(xiang)🍓的轉動(dong)的自由(yóu)度，再加(jiā)上刀具(jù)本身的(de)用于💛切(qiē)削的轉(zhuan)動自由(yóu)度，這樣(yàng)刀具和(hé)工件之(zhī)間的相(xiang)對運動(dòng)就有了(le)全部的(de)🈲六個自(zì)由度，使(shǐ)得刀具(ju)和工件(jian)之間可(kě)以呈現(xian)任意的(de)相對位(wèi)置和相(xiang)對姿态(tài)。

雖然标(biāo)了4個平(ping)動自由(yóu)度，但是(shì)其實質(zhì)上也隻(zhi)是實現(xiàn)了🔞x、y、z三個(ge)方向的(de)運動，有(you)一個自(zì)由度是(shì)冗餘的(de)，其實質(zhì)🆚上是一(yī)個五坐(zuò)标聯動(dong)機床。

（五(wǔ)）國産數(shù)控系統(tǒng)：逐漸邁(mài)向高端(duān)市場

中(zhong)國是當(dang)今世界(jiè)機床制(zhì)造大國(guó)，數控系(xì)統在性(xìng)能、功❗能(neng)和成套(tao)化應用(yong)方面均(jun1)取得了(le)長足進(jin)步。

其中(zhōng)，低檔數(shù)控系統(tong)幾乎完(wan)全取代(dài)了進口(kou)，中檔數(shu)控系統(tong)在系💃🏻列(lie)化、商品(pin)化和産(chan)業化方(fāng)面成效(xiao)顯著。高(gao)檔👈數控(kòng)系統☁️已(yi)突破實(shi)⭐現了五(wǔ)軸聯動(dòng)功能，并(bìng)在六軸(zhou)數控砂(sha)帶磨床(chuang)、五軸葉(ye)片銑床(chuang)和車銑(xi)複合機(ji)床等設(she)備上得(dé)到了示(shi)範應用(yong)。

此外，中(zhong)國企業(yè)針對零(líng)件（如手(shǒu)機殼）的(de)大批量(liàng)、表面光(guang)潔度高(gao)等特點(dian)，各自開(kai)發了多(duo)款專用(yòng)系統和(hé)小型高(gāo)速加工(gōng)中❤️心，大(da)大降低(di)了生産(chǎn)成本，該(gāi)市場現(xian)已基本(ben)被國産(chan)🔞系統和(he)主機占(zhàn)💞領。

不過(guo)，還是應(ying)該看到(dào)，國際上(shàng)的數控(kong)系統已(yi)經有很(hen)多成熟(shu)的高端(duan)産品，與(yǔ)世界機(ji)床強國(guo)相比，中(zhong)國的機(ji)床産品(pǐn)🈲在全球(qiú)機🈚床市(shi)場的競(jìng)争力差(cha)距依然(rán)很大。