（一）從機床到(dào)數控機床，機器不再無腦幹活

機床是其他機器的(de)“母機”。

煉鋼(gāng)廠(chǎng)出(chū)産的鋼鐵并不是我們在生活中見到的各種奇奇怪(guài)怪的形狀，而是闆材、管材、鑄錠等(děng)等形狀(zhuàng)比(bǐ)較規則的材料，這些(xiē)材料要加工(gōng)成各種形狀(zhuàng)的零件就需要使用(yòng)機床進行切削；還有一些精度要求較高和表面粗(cū)糙度要求較細的(de)零件，就要在機床上用精細繁複的工藝切出來(lái)或者磨出來。

和所有(yǒu)的機器一樣，最(zuì)初的(de)機床包(bāo)括動力裝置、傳動裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電機轉動輸入動力，通過(guò)傳動裝置帶着被加工的工件或者刀具進行相對(duì)運動，至于在哪兒(ér)下刀、切多少、多快速度切等等問題，則由人在加工過程中直接進行(háng)控制。

由于傳統機床使(shǐ)用的電機的轉速(sù)在工(gōng)作時基本上是不(bú)變的，為了實(shí)現不同的切削速度，傳統的機(jī)床設計了極為複雜的(de)傳動系統。這種複雜度的機械在現今的設計中已經不多見了。

而随着伺服電機(jī)（伺服電機就是可以在一定範圍内精确(què)控制電機的位置和轉速的電機）技術的發(fā)展及其在數控機床上的應用，直接控制電機的(de)轉速變得方便快捷效率高，而且基本上是無級變速(sù)，傳動系統的結構大大簡化，甚至出現(xiàn)了很多環節電機直接連接(jiē)到執行機構上，而省略(luè)了傳動系統。

這種(zhǒng)“直接驅動”的模式是(shì)現在機械設計領域的一大趨勢。

結構的(de)簡化還不夠，要實現各種各(gè)樣(yàng)的形狀的(de)零件(jiàn)的加工，還需要讓機床可以高效、準(zhǔn)确的控制多(duō)台電機(jī)合作完成整個加工(gōng)過程(chéng)。

這就要讓機床成為有“腦子”的數(shù)控機床了(le)。而這個腦子就是數控系統，數控系統的水(shuǐ)平高低決定了數控機床能幹多複雜、多精密的活兒，也決定了這台機床和(hé)他的操作者的(de)身價。

（二(èr)）數控系統能幹嘛？處理(lǐ)信息并控制動力

數控系統（Numerical Controller System）是(shì)數控機(jī)床的大腦。

對于一般數(shù)控機床而言，往往包含人機(jī)控制界面、數控系(xì)統、伺(sì)服驅動(dòng)裝置、機床、檢(jiǎn)測裝置等等，操作人員(yuán)在一些計算機輔(fǔ)助(zhù)制造軟件的幫助下，将加工過程所需的各種操作（如主軸變速等步(bù)驟以及工(gōng)件的形狀尺寸）用零件程(chéng)序代碼表(biǎo)示，并通過人及(jí)控制界面輸入到數控機床，之(zhī)後由數控系統對這些信息進行處理和運算，并按零件程序的要求(qiú)控制伺服電(diàn)機(jī)，實現刀具與工件的相對運動，以完成(chéng)零件的加工。

數控系(xì)統完成諸(zhū)多信(xìn)息的存儲和處理的工作(zuò)，并将信息的處理結果以控制信(xìn)号的形式傳給後續的伺服電機，這些控制信号的工作效果依(yī)賴于(yú)兩大核心技術：一個(gè)是曲線曲面的插補(bǔ)運算，一個是機床多(duō)軸的運動控制。

（三）零(líng)件形狀太“自由”？靠插補運算搞定

如果運動軌迹(jì)可以用解析式表(biǎo)達，則整個(gè)運動就可以分(fèn)解為幾個坐标的獨立運動的合成運動，就可以直接控制電(diàn)機生成了。

但是制造過程中很(hěn)多零件的(de)形狀可以說是十分“自由”的，既(jì)不圓、也不方，甚至都不知道是什麼形狀，例如汽車、輪船、飛機、模具、藝術品等産品常遇到不能用解析(xī)式描述的(de)曲線曲面(miàn)，這類曲線曲面(miàn)稱為自由曲線（Free Form Curves）或自由曲面。

要切出來這些“自由”的形狀，刀具和工(gōng)件之(zhī)間的相對運動也相應的十分複雜(zá)。具體到操作中，就是要控制工件台、刀具都(dōu)按照設計好(hǎo)的(de)位置-時間曲線進行運(yùn)動，控制這二者在規定的時間以指定的姿态到達指定的位(wèi)置。

機床可以在(zài)工件和刀具之間很好地完成直線段、圓弧或其他的(de)有解析(xī)式的樣條曲線的相對運動，而這種複雜的“自由”運動又該怎麼完成呢？答案是依靠插補運算。

所謂插(chā)補(bǔ)，就是按照一定方法确定數控機(jī)床上刀具的運動軌迹的過程。根據給定的速度和軌迹，在軌迹的已知(zhī)點之間，增加一些新的中間點，并控制工件台和刀具通過這(zhè)些中間點(diǎn)，進而就能完成整個運動。

而這些中間點(diǎn)之間，則通過(guò)線段、圓弧或(huò)者樣條曲線等來連接。相(xiàng)當于用數段微(wēi)小的線段和圓弧(hú)去逼近要求的(de)曲線和曲面，這就是插補的本質。

流行的插補算法包括逐點比較法、數字增量法等，而利用Nurbs樣(yàng)條曲線進行插(chā)補因為其效率高、精(jīng)度好而得到了高端數控機床的青睐

（四）刀的姿态不對無法加工(gōng)？五坐标聯動分分鐘搞定

加工複雜(zá)曲面不光要(yào)理論上可以加工，還需要考慮刀具和被加工的表面之間(jiān)的相對(duì)位置關系。

一方面如果刀具的姿态不合适會導緻(zhì)加(jiā)工的表面(miàn)質量低下；另一方面刀具(jù)還會和加(jiā)工好的零件結構互相幹涉，不調整(zhěng)刀具的相對姿态根本沒有辦法加工。這就需要賦予數(shù)控(kòng)機床更多的運動自由度，使之(zhī)更為靈(líng)巧(qiǎo)。

由于我們所處的三維(wéi)空間的相對運動隻(zhī)包含(hán)六個自由度（3個平動自由度以及3個轉動自由度），五(wǔ)坐标聯動就是(shì)使數控機床在(zài)具有空間上x、y、z三個方向的平動自由度外，又增加了兩個方向的轉(zhuǎn)動的自由(yóu)度，再加上刀具(jù)本身的用于切削的轉動自由(yóu)度，這樣刀(dāo)具和工件之間的相對運動就有了全部的六個自由度，使得刀具(jù)和工件之間可(kě)以呈現任意的相對(duì)位置和相對姿(zī)态(tài)。

雖然标了4個(gè)平動自由度(dù)，但是其實質上也隻是實現了x、y、z三個方向的運(yùn)動，有一個自(zì)由度是冗餘的，其實質上是一個五坐标(biāo)聯動機床。

（五）國産數(shù)控系統：逐漸邁向高端市場

中國是當今世界(jiè)機床制造大國，數控系(xì)統在性能、功能和(hé)成套化應用方面(miàn)均取得了長足進步。

其中，低(dī)檔數控系(xì)統幾乎完全取(qǔ)代了進口，中檔數控系統(tǒng)在系列化、商品(pǐn)化和産業化方面成效顯著。高檔數(shù)控系統已(yǐ)突破實現了五軸聯(lián)動功能，并(bìng)在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑複合機床等設備上得到了示範應用。

此外，中國企業針對零件（如手(shǒu)機殼）的大批量、表面光(guāng)潔度高等特點，各自開發了多款專用系統和小型(xíng)高速加工中心，大大降低了生産(chǎn)成本，該市場現已基本被國産系統和主機占領。

不過，還是應該看到，國(guó)際上的數控系統已經(jīng)有很多成熟(shú)的高(gāo)端産品，與世界機床(chuáng)強國相比，中國的機床(chuáng)産品在全球機床市場的競争力差距依(yī)然很大。