（一(yī)）從機床到數控機(ji)床，機器不再無腦(nao)幹活

機床是其他(ta)機器的“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的鋼鐵并(bing)不是我們在生活(huo)中見到的各種奇(qí)奇怪怪的形狀，而(ér)是闆材、管材、鑄錠(ding)等等形狀比較規(guī)♌則的材料，這些材(cai)料要加工成各種(zhong)形狀的零件就需(xu)要使用機床進行(háng)切削；還有一些精(jing)度要求較高和表(biǎo)面粗糙度要求較(jiào)細的零件，就要在(zai)機床上用精細繁(fán)複的工藝切出來(lai)或㊙️者磨出來。

和所(suo)有的機器一樣，最(zui)初的機床包括動(dong)力裝置、傳🔅動裝置(zhì)💞和💯執行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入動力(lì)，通過傳動裝置帶(dai)着被加工的工件(jian)或者刀具進行相(xiàng)對運動，至于在哪(nǎ)兒下刀、切多少、多(duo)快速度切等等問(wen)題，則由人在加工(gōng)過程🏃‍♀️中直接進✂️行(hang)控制。

由于傳統機(ji)床使用的電機的(de)轉速在工作時基(jī)本上👌是不變的，為(wei)了實現不同的切(qiē)削速度，傳統的機(jī)床設計了極為複(fú)雜的傳動系統。這(zhè)種複雜度的機械(xiè)在現今的設計中(zhong)已經不多見了。

而(ér)随着伺服電機（伺(sì)服電機就是可以(yi)在一定範圍内💰精(jing)确控制電機的位(wei)置和轉速的電機(jī)）技術的發展及其(qí)在數控機床上的(de)應用，直接控制電(dian)機的轉⭐速變得方(fang)便快捷效率高，而(er)且基本上是無級(jí)變速，傳動系統的(de)結構大大簡化，甚(shen)至出現了很多環(huán)節♌電機直接連接(jiē)到執行機構上，而(er)省略了傳動系統(tǒng)。

這種“直接驅動”的(de)模式是現在機械(xiè)設計領域的一大(dà)趨勢。

結構的簡化(huà)還不夠，要實現各(ge)種各樣的形狀的(de)零💯件的加工，還🌈需(xu)要讓機床可以高(gao)效、準确的控制多(duō)台電機合作完成(chéng)整😄個加♌工過程。

這(zhè)就要讓機床成為(wei)有“腦子”的數控機(jī)床了。而這個腦子(zi)就是數控系統，數(shù)控系統的水平高(gao)低決定了數控機(ji)床🔴能幹多複雜、多(duo)精密的活兒，也決(jué)定了這台機床和(hé)他的操作者🔱的身(shen)價。

（二）數控系統能(néng)幹嘛？處理信息并(bing)控制動力

數控系(xi)統（Numerical Controller System）是數控機床的(de)大腦。

對于一般數(shù)控機床而言，往往(wang)包含人機控制界(jie)面🥵、數控🚶系統、伺服(fú)驅動裝置、機床、檢(jian)測裝置等等，操作(zuo)人員在一些計算(suàn)機輔助制造軟件(jian)的幫助下，将加工(gong)過程所需的各種(zhǒng)操作（如主軸變速(su)等步驟以及工件(jiàn)的形狀尺寸）用零(ling)件程序代碼表示(shì)，并通過人🏃🏻‍♂️及控制(zhi)界面輸入到數控(kong)機床，之後由數控(kong)系統對這些信息(xi)進行處理和運算(suàn)，并按零件程序的(de)🌍要求控制伺服☂️電(diàn)機，實現刀具與工(gōng)件的相對運動，以(yi)完成零件的加工(gong)。

數控系統完成諸(zhu)多信息的存儲和(hé)處理的工作，并将(jiang)信息的處理結果(guǒ)以控制信号的形(xing)式傳給後續的伺(sì)服電機，這些控制(zhi)信号的工作效果(guǒ)依賴于兩大核心(xin)✍️技術：一🥰個是曲🤞線(xiàn)曲面的插補運算(suan)，一個是機床多軸(zhóu)的運動控制。

（三）零(ling)件形狀太“自由”？靠(kào)插補運算搞定

如(ru)果運動軌迹可以(yǐ)用解析式表達，則(ze)整個運動就💘可以(yǐ)分解為幾個坐标(biao)的獨立運動的合(hé)成運動，就可以直(zhi)接控制電機🛀🏻生成(cheng)了。

但是制造過程(chéng)中很多零件的形(xíng)狀可以說是十分(fen)🏃‍♀️“自由”的，既不圓、也(ye)不方，甚至都不知(zhī)道是什麼形狀，例(lì)如汽車、輪船🍓、飛機(jī)🌂、模具、藝術品等産(chan)品常遇到不能用(yòng)解析式描述的曲(qu)線曲面，這類曲線(xiàn)曲面稱為自由曲(qǔ)線✌️（Free Form Curves）或自由曲面。

要(yào)切出來這些“自由(yóu)”的形狀，刀具和工(gong)件之間的相對運(yun)動🔞也相應的十分(fèn)複雜。具體到操作(zuo)中，就是要控制工(gōng)件台、刀具都按照(zhao)設計好的位置-時(shi)間曲線進行運動(dong)，控制這二者在規(gui)定的時間以指定(dìng)的姿态到達指定(ding)的位置。

機床可以(yi)在工件和刀具之(zhī)間很好地完成直(zhí)線段、圓弧或其他(ta)的有解析式的樣(yang)條曲線的相對運(yùn)動，而這種複💛雜的(de)“自由”運動又該怎(zěn)麼完成呢？答案是(shi)依靠插補運算。

所(suǒ)謂插補，就是按照(zhào)一定方法确定數(shu)控機床上刀具的(de)運🚶動軌🐕迹的過程(chéng)。根據給定的速度(du)和軌迹，在軌迹的(de)已知點之間，增加(jiā)一些新的中間點(dian)，并控制工件台和(hé)刀具通過這些中(zhong)間點，進而就能完(wán)成整個運動。

而這(zhe)些中間點之間，則(ze)通過線段、圓弧或(huo)者樣條曲🏃‍♂️線等💃🏻來(lai)連接🚶‍♀️。相當于用數(shù)段微小的線段和(he)圓弧去逼近要求(qiu)💋的曲線和曲面，這(zhè)就是插補的本質(zhì)。

流行的插補算法(fǎ)包括逐點比較法(fa)、數字增量法等，而(er)利用Nurbs樣條曲線進(jin)行插補因為其效(xiào)率高、精度好而得(dé)到了高端數控機(jī)床👈的青睐

（四）刀(dao)的姿态不對無法(fǎ)加工？五坐标聯動(dong)分分鐘搞定

加工(gōng)複雜曲面不光要(yao)理論上可以加工(gong)，還需要考♉慮刀🍉具(ju)和☔被加工的表面(miàn)之間的相對位置(zhì)關系。

一方面如果(guǒ)刀具的姿态不合(hé)适會導緻加工的(de)表面質量低下；另(ling)一方面刀具還會(hui)和加工好的零件(jian)結構互相幹涉，不(bú)調🌈整刀具的相對(dui)姿态根本沒有辦(ban)法加工。這就🌈需要(yào)賦予數控🌐機床更(geng)多的運動自由度(dù)，使之🏃‍♂️更為靈巧。

由(you)于我們所處的三(san)維空間的相對運(yùn)動隻包含六個自(zì)由度（3個平動自由(you)度以及3個轉動自(zi)由度），五坐☁️标聯動(dòng)就是使數控機床(chuáng)在具有空間上x、y、z三(san)個方向的平動自(zi)由度外，又增加了(le)兩個方向的轉動(dong)的自由度，再加上(shang)刀具本身的用于(yú)切削的轉動自由(you)度🌍，這樣刀具和工(gōng)件之間的相對運(yun)動就有了全部的(de)六個自由度，使得(dé)刀具和工件之間(jian)可以呈現任意的(de)相對位置和相對(dui)姿态。

雖然标了4個(gè)平動自由度，但是(shì)其實質上也隻是(shì)實現了x、y、z三🧡個方向(xiang)的運動，有一個自(zi)由度是冗餘的，其(qi)實質上是🚶‍♀️一個五(wu)坐㊙️标聯🥵動機床。

（五(wǔ)）國産數控系統：逐(zhú)漸邁向高端市場(chang)

中國是當今世界(jiè)機床制造大國，數(shù)控系統在性能、功(gong)能和💋成套化應用(yong)方面均取得了長(zhang)足進步。

其中，低檔(dàng)數控系統幾乎完(wan)全取代了進口，中(zhōng)檔數控系統🈲在💘系(xì)列化、商品化和産(chǎn)業化方面成效顯(xiǎn)著。高檔數控系統(tǒng)已突✨破實現了五(wu)軸聯動功能，并在(zài)六軸數控砂帶磨(mo)床、五軸葉片🔴銑床(chuáng)和車銑複合機床(chuáng)等設備上得到了(le)示範應用。

此外，中(zhōng)國企業針對零件(jian)（如手機殼）的大批(pī)量、表面光潔度高(gāo)等特點，各自開發(fā)了多款專用系統(tong)和小⛹🏻‍♀️型高速加工(gōng)中心，大大降低了(le)生産成本，該市場(chang)現🔞已基本被國産(chan)系統和主機占🌏領(lǐng)。

不過，還是應該看(kan)到，國際上的數控(kòng)系統已經有很多(duō)成熟的高端産品(pin)，與世界機床強國(guó)相比，中國的機床(chuáng)産品在全💃🏻球機床(chuáng)市場的競争力差(cha)距依然很大。