（一）從(cóng)機床到(dào)數控機(ji)床，機器(qi)不再無(wú)腦幹活(huó)

機床是(shi)其他機(ji)器的“母(mu)機”。

煉鋼(gāng)廠出産(chǎn)的鋼鐵(tie)并不是(shì)我們在(zài)生活中(zhōng)見到的(de)各種奇(qi)奇🐕怪怪(guai)的形狀(zhuang)，而是闆(pǎn)材、管材(cai)、鑄錠等(deng)等形狀(zhuang)比較規(guī)🧡則的材(cái)料♈，這些(xie)🏃‍♀️材料要(yào)加工成(chéng)各種形(xíng)狀的零(líng)件就需(xū)要使用(yòng)機床進(jìn)行切削(xuē)；還有一(yi)些精度(du)要求較(jiao)高和表(biao)面粗糙(cao)度要求(qiú)較細的(de)零件，就(jiù)要在機(jī)床上用(yong)精細繁(fán)複的工(gōng)藝切出(chū)來或者(zhě)磨出來(lái)。

和所有(yǒu)的機器(qì)一樣，最(zui)初的機(ji)床包括(kuò)動力裝(zhuāng)置、傳動(dòng)裝置和(hé)♋執行裝(zhuang)置，靠電(dian)機轉動(dong)輸入動(dòng)力，通過(guo)傳動裝(zhuāng)置帶着(zhe)被加工(gong)❓的工件(jian)或者刀(dāo)具進行(hang)相對運(yùn)動，至于(yu)在哪兒(ér)下刀、切(qiē)多少、多(duo)快速度(du)切等等(děng)問題🚩，則(zé)由人在(zài)加工過(guò)程中直(zhí)接進行(háng)控制。

由(yóu)于傳統(tǒng)機床使(shi)用的電(diàn)機的轉(zhuǎn)速在工(gong)作時基(jī)本上是(shì)不變的(de)🈚，為了實(shi)現不同(tóng)的切削(xue)速度，傳(chuan)統的機(jī)㊙️床設計(jì)了🔴極為(wei)複雜的(de)傳動系(xì)統。這種(zhǒng)複雜度(du)的機械(xie)在現今(jin)的設計(jì)中已經(jīng)不多💔見(jiàn)了。

而随(sui)着伺服(fú)電機（伺(si)服電機(jī)就是可(kě)以在一(yī)定範圍(wei)内精确(que)🌈控🧑🏽‍🤝‍🧑🏻制電(dian)機的位(wèi)置和轉(zhuǎn)速的電(dian)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(zhi)電機的(de)轉速變(bian)得方便(biàn)快捷效(xiao)率高，而(ér)且基本(ben)上是無(wú)級變速(sù)，傳動系(xì)統的結(jié)構大大(da)簡化，甚(shèn)💚至出現(xiàn)了很多(duō)環節電(diàn)機直接(jie)連✨接到(dao)執行機(jī)構上，而(ér)省略了(le)傳動系(xì)統。

這種(zhǒng)“直接驅(qu)動”的模(mó)式是現(xiàn)在機械(xie)設計領(ling)域的一(yi)✏️大✂️趨勢(shì)。

結構的(de)簡化還(hái)不夠，要(yao)實現各(ge)種各樣(yang)的形狀(zhuàng)的零件(jiàn)的加工(gong)，還需要(yao)讓機床(chuáng)可以高(gāo)效、準确(que)的控制(zhì)多☀️台電(diàn)機合作(zuò)完成整(zheng)個加☔工(gong)過程。

這(zhe)就要讓(rang)機床成(cheng)為有“腦(nǎo)子”的數(shu)控機床(chuang)了。而這(zhe)個腦子(zǐ)就🛀是數(shù)控系統(tǒng)，數控系(xi)統的水(shui)平高低(di)決定了(le)🐇數控機(ji)床能幹(gàn)多複雜(za)、多精密(mi)的活兒(er)，也決定(dìng)了這台(tai)機床和(hé)他的操(cāo)作者的(de)身價。

（二(èr)）數控系(xì)統能幹(gan)嘛？處理(lǐ)信息并(bing)控制動(dong)力

數控(kòng)系統（Numerical Controller System）是(shi)數控機(jī)床的大(dà)腦。

對于(yú)一般數(shù)控機床(chuang)而言，往(wǎng)往包含(han)人機控(kòng)制界面(miàn)、數控系(xi)統💯、伺服(fú)驅動裝(zhuang)置、機床(chuáng)、檢測裝(zhuang)置等等(deng)，操作人(ren)員在一(yī)些計算(suàn)機輔助(zhu)制造軟(ruǎn)件的幫(bang)助下，将(jiang)加工過(guò)程所需(xū)的各種(zhǒng)操作（如(rú)主軸變(bian)速等步(bù)驟以及(ji)工件的(de)形狀尺(chǐ)寸）用零(ling)件程序(xù)代碼表(biao)示，并通(tōng)過人及(ji)控制界(jie)面輸入(rù)到數控(kòng)機床，之(zhi)後由🆚數(shu)控系統(tǒng)對⛷️這些(xiē)信息進(jìn)行處理(li)和運算(suàn)，并按零(ling)件程序(xù)的要求(qiú)控制伺(sì)服電機(jī)，實現刀(dao)具與工(gōng)件的✏️相(xiang)對運動(dòng)，以完成(cheng)零件的(de)加工。

數(shù)控系統(tǒng)完成諸(zhu)多信息(xī)的存儲(chǔ)和處理(lǐ)的工作(zuo)，并💚将♉信(xìn)息的處(chù)理結果(guǒ)以控制(zhi)信号的(de)形式傳(chuan)給後續(xù)♈的伺服(fu)電✨機，這(zhe)些控制(zhì)信号的(de)工作效(xiào)果依賴(lai)于兩大(da)核心技(jì)術：一個(gè)是曲線(xiàn)曲面的(de)插補運(yun)算，一個(gè)是機床(chuang)多軸💞的(de)運動控(kòng)制。

（三）零(líng)件形狀(zhuang)太“自由(yóu)”？靠插補(bǔ)運算搞(gao)定

如果(guo)運動軌(gui)迹可以(yǐ)用解析(xi)式表達(da)，則整個(gè)運動就(jiù)可🌏以分(fen)解⭐為幾(ji)個坐标(biāo)的獨立(lì)運動的(de)合成運(yun)動，就可(kě)以直接(jie)控制電(diàn)機生成(cheng)了。

但是(shì)制造過(guò)程中很(hěn)多零件(jiàn)的形狀(zhuàng)可以說(shuō)是十分(fèn)“自🏃‍♂️由”的(de)🔞，既不圓(yuan)、也不方(fang)，甚至都(dōu)不知道(dào)是什麼(me)形狀，例(li)如汽車(chē)🏃‍♀️、輪船、飛(fei)機、模具(ju)、藝術品(pǐn)等産品(pǐn)常遇到(dào)不能用(yòng)解🈲析式(shì)描述的(de)曲線曲(qu)面，這類(lei)曲線曲(qu)面稱為(wéi)自由曲(qǔ)線（Free Form Curves）或自(zi)由曲面(mian)。

要切出(chū)來這些(xie)“自由”的(de)形狀，刀(dao)具和工(gōng)件之間(jiān)的相對(duì)運❗動也(ye)相應的(de)十分複(fú)雜。具體(tǐ)到操作(zuò)中，就是(shi)要控制(zhi)工件台(tái)、刀♊具都(dou)按照🔞設(shè)計好的(de)位置-時(shi)間曲線(xiàn)進行運(yùn)動，控制(zhì)這二者(zhě)在規定(dìng)的時間(jian)以指定(ding)的姿⚽态(tài)到達指(zhi)🎯定的位(wèi)置。

機床(chuáng)可以在(zài)工件和(he)刀具之(zhi)間很好(hǎo)地完成(cheng)直線段(duan)、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(ér)這種複(fú)🈲雜的“自(zi)由✂️”運動(dong)又該怎(zěn)麼完成(cheng)呢？答案(àn)是依靠(kao)插🙇🏻補運(yun)算。

所謂(wei)插補，就(jiù)是按照(zhao)一定方(fang)法确定(ding)數控機(jī)床上刀(dao)具的運(yun)動軌迹(ji)的過程(chéng)。根據給(gěi)定的速(su)度和軌(guǐ)迹，在軌(gui)迹的已(yi)知點之(zhi)間，增加(jiā)🏃一些新(xin)的中間(jian)點，并控(kòng)制工件(jiàn)台🌏和刀(dāo)具通過(guo)這些中(zhong)間點，進(jin)而🈲就能(néng)完成整(zhěng)個運動(dong)。

而這些(xie)中間點(diǎn)之間，則(zé)通過線(xiàn)段、圓弧(hú)或者樣(yang)條曲線(xian)🔴等來連(lian)接。相當(dang)于用數(shu)段微小(xiǎo)的線段(duan)和圓弧(hú)去逼近(jin)要求的(de)曲線和(he)曲面🧡，這(zhè)就是插(cha)補的本(ben)質。

流行(hang)的插補(bǔ)算法包(bao)括逐點(diǎn)比較法(fǎ)、數字增(zeng)量法等(deng)，而利用(yong)Nurbs樣條曲(qu)線進行(hang)插補因(yin)為其效(xiao)率高、精(jīng)度好㊙️而(ér)得到了(le)高端數(shù)控機床(chuáng)🤟的青睐(lài)

（四(sì)）刀的姿(zī)态不對(duì)無法加(jiā)工？五坐(zuo)标聯動(dòng)分分鐘(zhōng)搞定

加(jia)工複雜(za)曲面不(bú)光要理(li)論上可(ke)以加工(gong)，還需要(yao)考慮刀(dāo)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(zhi)加工的(de)表面質(zhi)量低下(xia)；另一方(fang)面刀具(ju)還會和(he)加工好(hǎo)的零件(jiàn)結構互(hu)相幹涉(shè)，不調🈲整(zhěng)刀具的(de)相對姿(zī)态根本(běn)沒有辦(bàn)法加工(gōng)。這就需(xū)要賦予(yu)數控機(ji)床更多(duō)的運動(dòng)自㊙️由度(du)，使之更(geng)為靈巧(qiǎo)。

由于我(wǒ)們所處(chù)的三維(wéi)空間的(de)相對運(yun)動隻包(bāo)含六個(ge)自‼️由度(dù)（3個平動(dong)自由度(dù)以及3個(ge)轉動自(zi)由度），五(wǔ)坐♻️标聯(lián)動就是(shì)使數控(kong)機床在(zai)具有空(kōng)間上x、y、z三(san)個方向(xiàng)的平動(dong)自由度(dù)外，又增(zeng)加了兩(liǎng)💔個方向(xiang)的轉動(dong)的自由(you)度，再加(jiā)上刀具(jù)本身的(de)用于切(qiē)削的轉(zhuǎn)動自由(you)度，這樣(yàng)刀具和(hé)工件之(zhi)間的相(xiàng)對運動(dòng)就有了(le)全部的(de)✉️六個自(zì)由度，使(shi)得刀具(ju)和工件(jiàn)🥵之間可(ke)以呈現(xiàn)任意的(de)相對位(wei)置和相(xiang)對姿态(tai)。

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

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

中(zhong)國是當(dāng)今世界(jie)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(jìn)步。

其中(zhong)，低檔數(shu)控系統(tǒng)幾乎完(wan)全取代(dai)了進口(kou)，中檔數(shù)控系統(tǒng)💋在系列(liè)化、商品(pin)化和産(chǎn)業化方(fāng)面成效(xiào)顯著。高(gāo)檔數控(kòng)系統已(yǐ)突破實(shí)現了五(wu)軸聯動(dòng)功能，并(bìng)在六軸(zhou)數控砂(shā)帶磨床(chuáng)、五軸葉(ye)片銑床(chuáng)和😍車銑(xi)複合機(ji)床等設(shè)備上得(de)到了示(shì)範應用(yong)。

此外，中(zhōng)國企業(yè)針對零(ling)件（如手(shou)機殼）的(de)大批量(liang)、表面光(guang)潔度高(gāo)等特點(dian)，各自開(kāi)發了多(duō)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(chan)成本，該(gāi)市場現(xian)💞已基本(běn)被國産(chǎn)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(kòng)系統已(yi)經有很(hěn)多☁️成熟(shu)的高端(duan)産品，與(yǔ)世界機(jī)床強國(guo)相比，中(zhong)國的機(jī)床産品(pin)在全✨球(qiu)機床市(shì)✌️場的競(jing)争力差(chà)距依然(ran)很大。