（一）從機床(chuang)到數控機(ji)床，機器不(bu)再無腦幹(gan)活

機床是(shi)其他機器(qi)的“母機”。

煉(lian)鋼廠出産(chan)的鋼鐵并(bing)不是我們(men)在生活中(zhong)見到的各(ge)種奇奇怪(guai)😈怪的形狀(zhuang)，而是闆材(cai)、管材、鑄錠(ding)等等形狀(zhuang)比較規則(ze)的材料👩🏼‍❤️‍👨🏾，這(zhe)些👩‍🍼材料要(yao)加工成各(ge)種形狀的(de)零件⛹🏻‍♂️就需(xu)要💌使用機(ji)床進行切(qie)削；還㊙️有一(yi)些精度要(yao)求較高🚶🏾‍♀️‍➡️和(he)表面粗糙(cao)度要求較(jiao)細的零件(jian)，就要在🙂‍↔️機(ji)床上用精(jing)細繁複的(de)工藝切出(chu)來或者磨(mo)出來。

和所(suo)有的機器(qi)一樣，最初(chu)的機床包(bao)括動力裝(zhuang)置、傳動裝(zhuang)置和執行(hang)裝置，靠電(dian)機轉動輸(shu)入動力，通(tong)過傳動裝(zhuang)置帶着被(bei)加工的工(gong)件或者刀(dao)具進行相(xiang)對運動，至(zhi)于在哪兒(er)下刀、切多(duo)少、多快速(su)度切等等(deng)問題，則由(you)人在加工(gong)過程中直(zhi)接進行控(kong)制。

由于傳(chuan)統機床使(shi)用的電機(ji)的轉速在(zai)工作時基(ji)本上是不(bu)變的，為了(le)實現不同(tong)的切削速(su)度，傳統的(de)機床設計(ji)了極為複(fu)雜的傳動(dong)系統。這種(zhong)複雜度的(de)機械在現(xian)🙂‍↔️今的設計(ji)中已經不(bu)多見了。

而(er)随着伺服(fu)電機（伺服(fu)電機就是(shi)可以在一(yi)定範圍内(nei)🙈精确😜控制(zhi)電機的位(wei)置和轉速(su)的電機）技(ji)術的發展(zhan)及其在數(shu)控機床👌上(shang)的應用，直(zhi)接控制電(dian)機的轉速(su)變得方便(bian)快捷效率(lü)高，而且基(ji)本上是無(wu)級變速，傳(chuan)動系統的(de)結構大大(da)簡化，甚至(zhi)出現了很(hen)多環節電(dian)機直接連(lian)接到執行(hang)機構上，而(er)省略了傳(chuan)動系統。

這(zhe)種“直接驅(qu)動”的模式(shi)是現在機(ji)械設計領(ling)域的一✡️大(da)趨勢。

結構(gou)的簡化還(hai)不夠，要實(shi)現各種各(ge)樣的形狀(zhuang)的零件的(de)加工，還需(xu)要讓機床(chuang)可以高效(xiao)、準确的控(kong)制多台電(dian)機合作完(wan)成整個加(jia)工過程。

這(zhe)就要讓機(ji)床成為有(you)“腦子”的數(shu)控機床了(le)。而這個腦(nao)子就是數(shu)♌️控系統，數(shu)控系統的(de)水平高低(di)決定了👽數(shu)控機床能(neng)幹多複雜(za)、多精密的(de)活兒，也決(jue)定了這👽台(tai)機床🙈和他(ta)的操作者(zhe)✋的身價。

（二(er)）數控系統(tong)能幹嘛？處(chu)理信息并(bing)控制動力(li)

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦(nao)。

對于一般(ban)數控機床(chuang)而言，往往(wang)包含人機(ji)控制界面(mian)😥、數控系統(tong)、伺服驅動(dong)裝置、機床(chuang)、檢測裝置(zhi)等等，操作(zuo)人員在一(yi)些計算機(ji)😁輔助制造(zao)軟件的幫(bang)助下，将加(jia)工過程所(suo)需的各種(zhong)操作（如主(zhu)軸變速😌等(deng)步驟以及(ji)工件的形(xing)狀尺寸）用(yong)🏊🏾‍♀️零件程序(xu)代碼表示(shi)，并通過人(ren)及控制界(jie)面輸入到(dao)數控👯🏾‍♂️機床(chuang)，之後由數(shu)控系統對(dui)這些信息(xi)進行處理(li)和運算，并(bing)🎅🏿按零件程(cheng)序的要求(qiu)控制伺服(fu)🤑電機，實現(xian)刀具👺與工(gong)件的相對(dui)運動，以完(wan)成零件的(de)加工。

數控(kong)系統完成(cheng)諸多信息(xi)的存儲和(he)處理的工(gong)作，并将信(xin)息的處理(li)結果以控(kong)制信号的(de)形式傳給(gei)後續的伺(si)服電👽機，這(zhe)些控制信(xin)🛌🏻号的工作(zuo)效果依賴(lai)于兩大核(he)心技術：一(yi)個是曲線(xian)曲面的插(cha)補運算，一(yi)個是機床(chuang)多軸的運(yun)動控制。

（三(san)）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠(kao)插補運算(suan)搞定

如果(guo)運動軌迹(ji)可以用解(jie)析式表達(da)，則整個運(yun)動就👩‍🍼可👀以(yi)🧜🏼‍♂️分解為幾(ji)個坐标的(de)獨立運動(dong)的合成運(yun)動，就可以(yi)直接控制(zhi)電機生成(cheng)了。

但是制(zhi)造過程中(zhong)很多零件(jian)的形狀可(ke)以說是十(shi)分“自由”的(de)👀，既不圓、也(ye)不方，甚至(zhi)都不知道(dao)是什麼形(xing)狀，例如汽(qi)車、輪船、飛(fei)機、模具、藝(yi)術品等産(chan)品常遇到(dao)不能用解(jie)㊙️析式描🤶🏾述(shu)的曲線曲(qu)面，這類曲(qu)線曲面稱(cheng)為自由曲(qu)線👧🏾（Free Form Curves）或自由(you)曲面。

要切(qie)出來這些(xie)“自由”的形(xing)狀，刀具和(he)工件之間(jian)的相㊙️對運(yun)💯動也相💕應(ying)的十分複(fu)雜。具體到(dao)操作中，就(jiu)是要控制(zhi)工件台、刀(dao)具都按照(zhao)👹設計好的(de)位置-時間(jian)曲線進行(hang)運動，控制(zhi)💯這二者在(zai)規定的時(shi)間以指定(ding)的姿态到(dao)達指定的(de)位置。

機床(chuang)可以在工(gong)件和刀具(ju)之間很好(hao)地完成直(zhi)線段、圓弧(hu)或其😍他的(de)有解析式(shi)的樣條曲(qu)線的相對(dui)運動，而這(zhe)種複雜的(de)“自由”運動(dong)又該怎麼(me)完成呢？答(da)案是依靠(kao)插補運算(suan)。

所謂插補(bu)，就是按照(zhao)一定方法(fa)确定數控(kong)機床上刀(dao)具的運動(dong)軌🧜🏼‍♂️迹的過(guo)程。根據給(gei)定的速度(du)和軌迹，在(zai)軌迹的已(yi)😺知點之間(jian)，增加一些(xie)新的中間(jian)點，并控制(zhi)工件台和(he)刀具通過(guo)這些中間(jian)點，進而就(jiu)能完成整(zheng)🧑🏽‍❤️‍💋‍🧑🏻個運動。

而(er)這些中間(jian)點之間，則(ze)通過線段(duan)、圓弧或者(zhe)樣條曲線(xian)等來連接(jie)。相當于用(yong)數段微小(xiao)的線段和(he)圓弧去逼(bi)近要求🧛🏾‍♀️的(de)曲線和曲(qu)面，這就是(shi)插補的本(ben)質。

流行的(de)插補算法(fa)包括逐點(dian)比較法、數(shu)字增量法(fa)等，而利用(yong)Nurbs樣條曲線(xian)進行插補(bu)因為其效(xiao)率高、精度(du)好而得到(dao)了高端🧑🏻‍❤️‍🧑🏼數(shu)控👩‍🍼機床的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态不(bu)對無法加(jia)工？五坐标(biao)聯動分分(fen)鐘搞定

加(jia)工複雜曲(qu)面不光要(yao)理論上可(ke)以加工，還(hai)需要考慮(lü)👽刀具和被(bei)加工的表(biao)面之間的(de)相對位置(zhi)關系。

一方(fang)面如果刀(dao)具的姿态(tai)不合适會(hui)導緻加工(gong)的表面🚶🏾‍♀️‍➡️質(zhi)量低下；另(ling)一方面刀(dao)具還會和(he)加工好的(de)零件結構(gou)互相幹涉(she)♌️，不調整刀(dao)具的相對(dui)姿态根本(ben)沒有辦法(fa)加工。這就(jiu)需要賦予(yu)數控機床(chuang)更多的運(yun)動自由度(du)，使之更為(wei)靈巧。

由于(yu)我們所處(chu)的三維空(kong)間的相對(dui)運動隻包(bao)含六個自(zi)由度（3個平(ping)動自由度(du)以及3個轉(zhuan)動自由度(du)），五坐标聯(lian)動就是使(shi)數控😮‍💨機床(chuang)🏊🏿‍♀️在具有空(kong)間上x、y、z三個(ge)方向的平(ping)動👯🏾‍♂️自由度(du)外，又增加(jia)了兩個方(fang)向🧑🏽‍🎄的轉動(dong)的自由度(du)，再加上刀(dao)具本身的(de)用于切削(xue)的轉✍🏻動自(zi)由度💯，這樣(yang)刀具和㊙️工(gong)件之間的(de)相對運動(dong)就有了全(quan)部的😜六個(ge)自由度，使(shi)得刀具和(he)工件之間(jian)可以呈現(xian)任意的相(xiang)對位置和(he)相對姿态(tai)。

雖然标了(le)4個平動自(zi)由度，但是(shi)其實質上(shang)也隻是實(shi)現了x、y、z三👩🏼‍❤️‍👨🏾個(ge)方向的運(yun)動，有一個(ge)自由度是(shi)冗餘的，其(qi)實質上是(shi)一個💑🏾五坐(zuo)👨🏻‍🏭标聯動機(ji)床。

（五）國産(chan)數控系統(tong)：逐漸邁向(xiang)高端市場(chang)

中國是當(dang)今世界機(ji)床制造大(da)國，數控系(xi)統在性能(neng)、功能和成(cheng)套化應用(yong)方面均取(qu)得了長足(zu)進步。

其中(zhong)，低檔數控(kong)系統幾乎(hu)完全取代(dai)了進口，中(zhong)檔數控系(xi)統在系列(lie)化、商品化(hua)和産業化(hua)方面成效(xiao)顯著。高檔(dang)數控系統(tong)已突破實(shi)現了五軸(zhou)聯動功能(neng)，并在🤑六軸(zhou)數👿控砂帶(dai)磨床、五軸(zhou)葉片🧜🏼‍♂️銑床(chuang)和😍車銑複(fu)合機床等(deng)設備上得(de)到了示範(fan)應用。

此外(wai)，中國企業(ye)針對零件(jian)（如手機殼(ke)）的大批量(liang)、表面光潔(jie)度☠️高等特(te)點，各自開(kai)發了多款(kuan)專用系統(tong)和小型高(gao)速加工中(zhong)~心，大大降(jiang)低了生産(chan)成本，該市(shi)場現已基(ji)本被國産(chan)系統和主(zhu)機占領。

不(bu)過，還是應(ying)該看到，國(guo)際上的數(shu)控系統已(yi)經有很多(duo)😗成熟的高(gao)端産品，與(yu)世界機床(chuang)強國相比(bi)，中國的機(ji)床産品😺在(zai)全球機床(chuang)市場的競(jing)争力差距(ju)依然很大(da)。