（一）從機(ji)床到數(shu)控機床(chuang)，機器不(bu)再無腦(nao)幹活

機(ji)床是其(qi)他機器(qi)的“母機(ji)”。

煉鋼廠(chang)出産的(de)鋼鐵并(bing)不是我(wo)們在生(sheng)活中見(jian)到的各(ge)種奇👾奇(qi)怪怪的(de)形狀，而(er)是闆材(cai)、管材、鑄(zhu)錠等等(deng)形👼🏾狀比(bi)較規則(ze)的材料(liao)☠️，這些材(cai)料要加(jia)工成各(ge)種形狀(zhuang)的零件(jian)就需要(yao)使用機(ji)床進行(hang)切削；還(hai)有一些(xie)精度要(yao)求較高(gao)和表面(mian)粗糙度(du)要求較(jiao)細的零(ling)🏊🏾‍♀️件，就要(yao)在機床(chuang)上用精(jing)細繁複(fu)的工藝(yi)切出來(lai)或者磨(mo)出來。

和(he)所有的(de)機器一(yi)樣，最初(chu)的機床(chuang)包括動(dong)力裝置(zhi)、傳動裝(zhuang)置和執(zhi)行裝置(zhi)，靠電機(ji)轉動輸(shu)入動力(li)，通過傳(chuan)動裝置(zhi)帶着被(bei)加工👱🏼‍♂️的(de)工件或(huo)者刀具(ju)進行相(xiang)對運動(dong)，至于✋在(zai)哪兒下(xia)刀、切多(duo)少、多快(kuai)速度切(qie)等等問(wen)題，則由(you)人在😁加(jia)工過程(cheng)中直接(jie)進行控(kong)制。

由于(yu)傳統機(ji)床使用(yong)的電機(ji)的轉速(su)在工作(zuo)時基本(ben)上是不(bu)變的，為(wei)了實現(xian)不同的(de)切削速(su)度，傳統(tong)的機床(chuang)設計了(le)極為複(fu)雜的傳(chuan)🤑動系統(tong)。這種複(fu)雜度的(de)機械在(zai)現今的(de)設🤑計中(zhong)已經不(bu)多見了(le)。

而随着(zhe)伺服電(dian)機（伺服(fu)電機就(jiu)是可以(yi)在一定(ding)範圍内(nei)精💑🏾确控(kong)制電機(ji)的位置(zhi)和轉速(su)的電機(ji)）技術的(de)發😮‍💨展及(ji)其在數(shu)控機床(chuang)上的應(ying)用，直接(jie)控制電(dian)機的轉(zhuan)速變得(de)✡️方便快(kuai)捷效率(lü)高，而且(qie)基本上(shang)是無級(ji)變速，傳(chuan)動系統(tong)👼🏾的結構(gou)大大簡(jian)化，甚至(zhi)出現了(le)~很多環(huan)節💑🏾電機(ji)直接連(lian)💫接到執(zhi)行機構(gou)上，而省(sheng)略⛹🏻‍♂️了傳(chuan)動系統(tong)。

這種“直(zhi)接驅動(dong)”的模式(shi)是現在(zai)機械設(she)計領域(yu)的一大(da)趨✋勢。

結(jie)構的簡(jian)化還不(bu)夠，要實(shi)現各種(zhong)各樣的(de)形狀的(de)零件的(de)加🚶🏾‍♀️‍➡️工，還(hai)需要讓(rang)機床可(ke)以高效(xiao)、準确的(de)控制多(duo)台電機(ji)合作完(wan)成整個(ge)加工過(guo)程。

這就(jiu)要讓機(ji)床成為(wei)有“腦子(zi)”的數控(kong)機床了(le)。而這個(ge)💕腦😘子就(jiu)是數👨🏻‍🏭控(kong)系統，數(shu)控系統(tong)的水平(ping)高低決(jue)定了數(shu)控✡️機床(chuang)能幹多(duo)複雜、多(duo)精密的(de)活兒，也(ye)決定了(le)這😘台機(ji)床👾和他(ta)的😌操作(zuo)者的身(shen)價。

（二）數(shu)控系統(tong)能幹嘛(ma)？處理信(xin)息并控(kong)制動力(li)

數控系(xi)統（Numerical Controller System）是數(shu)控機床(chuang)的大腦(nao)。

對于一(yi)般數控(kong)機床而(er)言，往往(wang)包含人(ren)機控制(zhi)界面、數(shu)控系🙆🏿統(tong)、伺服驅(qu)動裝置(zhi)、機床、檢(jian)測裝置(zhi)等等，操(cao)作人員(yuan)在一😜些(xie)計算機(ji)💁🏼‍♀️輔助✋制(zhi)造軟件(jian)的幫助(zhu)下，将加(jia)工過程(cheng)所需的(de)各種操(cao)💫作（如主(zhu)軸變速(su)等步驟(zhou)以及👨‍🦰工(gong)件的形(xing)狀尺寸(cun)）用零件(jian)程序代(dai)碼表示(shi)，并通過(guo)人及控(kong)制界面(mian)👩🏿‍❤️‍💋‍👨🏽輸入到(dao)數控機(ji)床，之後(hou)由數控(kong)系統對(dui)這些信(xin)息進😌行(hang)處理和(he)運算，并(bing)按零件(jian)程序的(de)要求控(kong)制伺服(fu)電機，實(shi)現刀具(ju)與工件(jian)的🙉相對(dui)運動，以(yi)完成零(ling)件的加(jia)工。

數控(kong)系統完(wan)成諸多(duo)信息的(de)存儲和(he)處理的(de)工作，并(bing)将信😝息(xi)😺的處理(li)結果以(yi)控制信(xin)号的形(xing)式傳給(gei)後續的(de)伺服電(dian)機，這些(xie)控制信(xin)号的工(gong)作效果(guo)依賴于(yu)兩😮‍💨大核(he)心技術(shu)：一個是(shi)曲線曲(qu)面🧑🏽‍🎄的插(cha)補運算(suan)，一個是(shi)機床多(duo)軸🏃🏿‍♀️‍➡️的運(yun)動控🏃🏿‍♀️‍➡️制(zhi)。

（三）零件(jian)形狀太(tai)“自由”？靠(kao)插補運(yun)算搞定(ding)

如果運(yun)動軌迹(ji)可以用(yong)解析式(shi)表達，則(ze)整個運(yun)動就可(ke)以分解(jie)為幾個(ge)坐标的(de)獨立運(yun)動的合(he)成運動(dong)，就可以(yi)直接控(kong)制電機(ji)生成了(le)。

但是制(zhi)造過程(cheng)中很多(duo)零件的(de)形狀可(ke)以說是(shi)十分“自(zi)由”的🧛🏽，既(ji)👹不圓、也(ye)不方，甚(shen)至都不(bu)知道是(shi)什麼形(xing)狀，例如(ru)汽車、輪(lun)船、飛機(ji)、模具、藝(yi)術品等(deng)産品常(chang)遇到不(bu)能用解(jie)析式描(miao)述的曲(qu)線曲面(mian)，這類曲(qu)線曲面(mian)稱為😍自(zi)由曲線(xian)（Free Form Curves）或自由(you)曲面。

要(yao)切出來(lai)這些“自(zi)由”的形(xing)狀，刀具(ju)和工件(jian)之間的(de)相對運(yun)動也相(xiang)應的十(shi)分複雜(za)。具體到(dao)操作中(zhong)，就是要(yao)🤶🏾控制工(gong)件台、刀(dao)具都💫按(an)照👱🏼‍♂️設計(ji)好的位(wei)置-時間(jian)曲線進(jin)行運動(dong)，控制🥑️這(zhe)二者在(zai)規定🛌🏻的(de)時間以(yi)指定的(de)姿态到(dao)達指定(ding)的位置(zhi)。

機床可(ke)以在工(gong)件和刀(dao)具之間(jian)很好地(di)完成直(zhi)線段😌、圓(yuan)👩‍🍼弧或其(qi)他的有(you)解析式(shi)的樣條(tiao)曲線的(de)相對運(yun)動，而這(zhe)⛹🏻‍♀️種複雜(za)的“自由(you)”運動又(you)該怎麼(me)完成呢(ne)？答案是(shi)依靠插(cha)補運算(suan)。

所謂插(cha)補，就是(shi)按照一(yi)定方法(fa)确定數(shu)控機床(chuang)上刀具(ju)🧛🏽的💌運動(dong)👩🏼‍❤️‍👨🏾軌迹的(de)過程。根(gen)據給定(ding)的速度(du)和軌迹(ji)，在😈軌迹(ji)👨‍🦰的已知(zhi)點之間(jian)，增加一(yi)些新的(de)中間點(dian)，并控制(zhi)工件台(tai)和刀具(ju)通過這(zhe)些中間(jian)點，進而(er)就能完(wan)成整個(ge)運動。

而(er)這些中(zhong)間點之(zhi)間，則通(tong)過線段(duan)、圓弧或(huo)者樣條(tiao)曲線等(deng)ˇ來連接(jie)。相當于(yu)用數段(duan)微小的(de)線段和(he)圓弧去(qu)逼近要(yao)求的曲(qu)線和曲(qu)面，這就(jiu)是插補(bu)的本質(zhi)。

流行的(de)插補算(suan)法包括(kuo)逐點比(bi)較法、數(shu)字增量(liang)法等，而(er)👽利用Nurbs樣(yang)條曲線(xian)進行插(cha)補因為(wei)其效率(lü)高、精度(du)好而得(de)到了高(gao)端數控(kong)機床的(de)青睐

（四）刀(dao)的姿态(tai)不對無(wu)法加工(gong)？五坐标(biao)聯動分(fen)分鐘搞(gao)定

加工(gong)複雜曲(qu)面不光(guang)要理論(lun)上可以(yi)加工，還(hai)需要考(kao)慮刀具(ju)和☠️被加(jia)工的表(biao)面之間(jian)的相對(dui)位置關(guan)系。

一方(fang)面如果(guo)刀具的(de)姿态不(bu)合适會(hui)導緻加(jia)工的表(biao)面質量(liang)低👿下；另(ling)一方面(mian)刀具還(hai)會和加(jia)工好的(de)零件🧑🏾‍🎄結(jie)構互相(xiang)💘幹涉👧🏾，不(bu)調整刀(dao)具的相(xiang)對姿态(tai)根本沒(mei)有辦法(fa)加工。這(zhe)就⛹🏻‍♂️需要(yao)賦予數(shu)控機床(chuang)更多的(de)運動自(zi)由度，使(shi)之👩‍🍼更為(wei)靈巧。

由(you)于我們(men)所處的(de)三維空(kong)間的相(xiang)對運動(dong)隻包含(han)六個自(zi)由度😸（3個(ge)平動自(zi)由度以(yi)及3個轉(zhuan)動自由(you)度），五坐(zuo)标聯動(dong)就是使(shi)數控機(ji)床在具(ju)有空間(jian)上x、y、z三個(ge)方向的(de)平動自(zi)由度外(wai)，又增🧛🏾‍♀️加(jia)了兩個(ge)方向的(de)轉動的(de)自由度(du)，再加上(shang)刀具本(ben)身的用(yong)于切削(xue)的轉動(dong)自由度(du)，這樣刀(dao)具和工(gong)件之間(jian)的相對(dui)運動就(jiu)有了全(quan)部的💞六(liu)個自由(you)度🛌🏻，使🤶🏾得(de)刀具和(he)工件之(zhi)間可以(yi)呈現任(ren)意👩🏿‍❤️‍💋‍👨🏽的相(xiang)對位置(zhi)和相對(dui)姿态。

雖(sui)然标了(le)4個平動(dong)自由度(du)，但是其(qi)實質上(shang)也隻是(shi)實現了(le)x、y、z三個🏊🏾‍♀️方(fang)向的運(yun)動，有一(yi)個自由(you)度是冗(rong)餘的，其(qi)實質上(shang)是一個(ge)五坐标(biao)聯動機(ji)床。

（五）國(guo)産數控(kong)系統：逐(zhu)漸邁向(xiang)高端市(shi)場

中國(guo)是當今(jin)世界機(ji)床制造(zao)大國，數(shu)控系統(tong)在性能(neng)、功能和(he)成套化(hua)應用方(fang)面均取(qu)得了長(zhang)足進步(bu)。

其中，低(di)檔數控(kong)系統幾(ji)乎完全(quan)取代了(le)進口，中(zhong)檔數控(kong)系統在(zai)系列化(hua)、商品化(hua)和産業(ye)化方面(mian)成效顯(xian)著。高檔(dang)數控系(xi)統💑🏾已突(tu)破實現(xian)了五軸(zhou)聯動功(gong)能，并在(zai)六軸數(shu)控砂帶(dai)磨床、五(wu)軸葉片(pian)銑床和(he)車銑複(fu)合機床(chuang)等設備(bei)上得到(dao)了示範(fan)應用。

此(ci)外，中國(guo)企業針(zhen)對零件(jian)（如手機(ji)殼）的大(da)批量、表(biao)面光潔(jie)🎅🏿度高等(deng)特點，各(ge)自開發(fa)了多款(kuan)專用系(xi)統和小(xiao)型高速(su)加工中(zhong)心，大👯🏾‍♂️大(da)降😝低了(le)生産成(cheng)本，該市(shi)場現已(yi)基本被(bei)國産系(xi)統和主(zhu)機占🙂‍↕️領(ling)。

不過，還(hai)是應該(gai)看到，國(guo)際上的(de)數控系(xi)統已經(jing)有很多(duo)成熟的(de)高端産(chan)品，與世(shi)界機床(chuang)強國相(xiang)比，中國(guo)的機床(chuang)産品在(zai)全球機(ji)床市場(chang)的競争(zheng)力差距(ju)依然很(hen)大。