（一）從(cóng)機床到數控機床(chuang)，機器不再無腦幹(gan)活

機床是其他機(jī)器的“母機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼鐵并不(bú)是我們在生活中(zhōng)見到的各種奇奇(qi)怪怪的形狀，而是(shì)闆材、管材、鑄錠等(děng)等形狀比較規則(ze)的材料，這些材料(liào)要加工成各種形(xing)狀的零件就需要(yào)✨使用機床進行🤩切(qiē)削；還有一些精度(dù)要求較高和表面(mian)粗糙度要求較細(xì)的零件，就要在機(jī)床上用精📧細繁複(fú)的工藝切出來或(huo)者磨出來。

和所有(you)的機器一樣，最初(chū)的機床包括動力(lì)裝置、傳動裝置和(he)🔴執行裝置，靠電機(jī)轉動輸入動力，通(tong)過傳👣動裝置帶着(zhe)被加工的工件或(huò)者刀具進行相對(duì)運動，至于㊙️在哪兒(er)下刀、切多少、多快(kuai)速度切等等問題(ti)，則由人在加工過(guo)程中直接進行控(kòng)制。

由于傳統機床(chuáng)使用的電機的轉(zhuan)速在工作時基本(běn)🌈上是不變🚩的，為了(le)實現不同的切削(xue)速度，傳統的機床(chuáng)設計了極為㊙️複雜(za)的傳🈲動系統。這種(zhong)複雜度的機械在(zài)現今的設🔞計中已(yǐ)經不多見了。

而随(suí)着伺服電機（伺服(fú)電機就是可以在(zài)一定範圍内精确(que)控制❌電機的位置(zhi)和轉速的電機）技(ji)術的發展及其在(zài)數控機床上的應(yīng)用，直接控制電機(jī)的轉速變得方便(biàn)快捷效率高，而且(qiě)基本上是無級變(biàn)速，傳動系統的結(jie)構大大簡化，甚至(zhì)出現了很多環節(jiē)電機直接連♊接到(dào)執行機構上，而省(shěng)略了傳動系統。

這(zhè)種“直接驅動”的模(mó)式是現在機械設(she)計領域的一大🐉趨(qu)勢。

結構的簡化還(hái)不夠，要實現各種(zhong)各樣的形狀的零(líng)件的👅加工㊙️，還需要(yao)讓機床可以高效(xiào)、準确的控制多台(tái)電機合作完成整(zheng)🐆個加工過程。

這就(jiu)要讓機床成為有(you)“腦子”的數控機床(chuang)了。而這個🔞腦🛀子就(jiu)是數控系統，數控(kong)系統的水平高低(di)決定了數控機床(chuáng)能幹多複☁️雜、多精(jīng)密的活兒，也決定(dìng)了這台機床和他(ta)的操作者的身價(jia)。

（二）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并控(kong)制動力

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機床的大(dà)腦。

對于一般數控(kòng)機床而言，往往包(bāo)含人機控制界面(mian)、數😄控系統、伺服驅(qu)動裝置、機床、檢測(cè)裝置等等，操作人(rén)員在一些計算機(jī)輔助☂️制造軟件的(de)幫助下，将加工過(guò)程所需的各種操(cāo)作（如主軸變速等(děng)步驟以及工件的(de)形狀尺寸）用零件(jian)程序代碼表示，并(bìng)通過人及控制界(jiè)面輸入到數控機(ji)床，之後由數控系(xi)統對這些信息進(jin)行處理和運算，并(bing)按零件程序的要(yào)求控制伺服電機(ji)，實現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完(wan)成零件的加工。

數(shù)控系統完成諸多(duo)信息的存儲和處(chù)理的工作，并✏️将信(xìn)息👈的處🙇🏻理結果以(yǐ)控制信号的形式(shì)傳給後續的伺服(fu)電機，這些控♈制信(xin)号的工作效果依(yi)賴于兩大核心技(ji)術：一🔞個是曲線曲(qǔ)面的插補運算，一(yi)個是🆚機床多軸的(de)運動控制。

（三）零件(jiàn)形狀太“自由”？靠插(chā)補運算搞定

如果(guǒ)運動軌迹可以用(yòng)解析式表達，則整(zhěng)個運動就可以分(fèn)解🐆為幾個坐标的(de)獨立運動的合成(cheng)運動，就可以💘直接(jiē)控制電機🌐生成了(le)。

但是制造過程中(zhōng)很多零件的形狀(zhuang)可以說是十分“自(zì)由”的，既不圓、也不(bú)方，甚至都不知道(dào)是什麼形狀，例如(rú)汽車、輪船、飛機、模(mó)具、藝術品等産品(pǐn)常遇到不能用解(jiě)析式描述的曲線(xiàn)曲面✏️，這類曲線曲(qu)面稱為自由曲線(xiàn)（Free Form Curves）或自由曲面。

要切(qie)出來這些“自由”的(de)形狀，刀具和工件(jian)之間的相對🈲運動(dòng)也相📱應的十分複(fu)雜。具體到操作中(zhōng)，就是要控制❌工件(jian)台、刀具都按照設(she)計好的位置-時間(jiān)曲線進行運🌍動，控(kong)制❓這二者在規定(dìng)的時間以指定的(de)姿态到達指定的(de)位置。

機床可以在(zài)工件和刀具之間(jian)很好地完成直線(xian)段🐅、圓弧或其🏒他的(de)有解析式的樣條(tiao)曲線的相對運動(dòng)💋，而這🐇種複🆚雜的“自(zi)由”運動又該怎麼(me)完成呢？答案是依(yī)靠插補運算。

所謂(wèi)插補，就是按照一(yī)定方法确定數控(kong)機床上刀具的運(yun)🧑🏾‍🤝‍🧑🏼動軌迹的過程。根(gēn)據給定的速度和(he)軌迹，在軌迹的已(yǐ)知點之間，增加一(yi)些新的中間點，并(bing)控制工件台和刀(dāo)具通過這些中間(jian)點，進而就能完成(cheng)整💘個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則通(tōng)過線段、圓弧或者(zhe)樣條曲線等來連(lian)接👌。相當于用數段(duan)微小的線段和圓(yuán)弧去逼近要求的(de)曲線和⁉️曲面🈲，這就(jiù)是插補的本質。

流(liú)行的插補算法包(bāo)括逐點比較法、數(shu)字增量法等，而🏃‍♀️利(li)🐇用Nurbs樣條曲線進行(hang)插補因為其效率(lü)高、精度好而得到(dào)了高端數控機床(chuáng)🤟的青睐

（四）刀的(de)姿态不對無法加(jiā)工？五坐标聯動分(fèn)分鐘搞定

加工複(fu)雜曲面不光要理(lǐ)論上可以加工，還(hai)需要考☁️慮⁉️刀具和(hé)被加工的表面之(zhi)間的相對位置關(guān)系。

一方面如果刀(dāo)具的姿态不合适(shi)會導緻加工的表(biao)🌍面質量低🌂下；另一(yi)方面刀具還會和(hé)加工好的零件結(jié)構互相💚幹涉♌，不調(diao)整刀具的相對姿(zi)态根本沒有辦法(fǎ)加工。這就🈲需要賦(fù)予數控👣機床更多(duo)的運動自由度，使(shi)之更為靈巧。

由于(yu)我們所處的三維(wei)空間的相對運動(dòng)隻包含六個自由(yóu)度🔞（3個平動自由度(du)以及3個轉動自由(yóu)度），五坐标聯動就(jiu)😄是使♊數控💁機床在(zài)具有空間上x、y、z三個(gè)方向的平動自由(yóu)度外，又增🈲加了兩(liang)個方向的轉動的(de)自由度，再加上刀(dāo)具本身的用于切(qie)削的轉💚動自由度(du)🐅，這樣刀具和工件(jiàn)之間的❤️相對運動(dong)就有了全部的💚六(liu)個自由度，使💞得刀(dao)具和工件之間可(ke)以呈現任意的相(xiang)對位🍉置和相對姿(zī)态。

雖然标了4個平(píng)動自由度，但是其(qi)實質上也隻是實(shí)現了x、y、z三個方向的(de)運動，有一個自由(yóu)度是冗餘的，其🈲實(shi)質上是一個五坐(zuo)标聯動機床。

（五）國(guó)産數控系統：逐漸(jiàn)邁向高端市場

中(zhong)國是當今世界機(ji)床制造大國，數控(kòng)系統在性能、功能(néng)和成套化應用方(fang)面均取得了長足(zu)進步。

其中，低檔數(shù)控系統幾乎完全(quán)取代了進口，中檔(dàng)數控系統在系列(lie)化、商品化和産業(yè)化方面成效顯著(zhe)。高檔🙇‍♀️數控系統已(yi)突破實現了五軸(zhóu)聯動功能，并在六(liù)軸數控砂帶磨床(chuáng)、五㊙️軸葉片銑床和(he)車銑複合機床等(deng)設備上得到了示(shi)範應用。

此外，中國(guó)企業針對零件（如(rú)手機殼）的大批量(liàng)、表面光潔度🆚高🐕等(deng)🏒特點，各自開發了(le)多款專用系統和(hé)小型高速加工中(zhōng)心，大🤩大降低了生(sheng)産成本，該市場現(xiàn)🙇‍♀️已基本被國産🌐系(xì)統和主機占領。

不(bu)過，還是應該看到(dao)，國際上的數控系(xì)統已經有很多成(cheng)熟的高端産品，與(yu)世界機床強國相(xiàng)比，中國的機床産(chan)品在全球機🐇床市(shi)場的競争力差距(ju)依然很大。