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

機床(chuáng)是(shì)其(qí)他機器的“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的鋼鐵并不(bú)是我們在(zài)生活(huó)中(zhōng)見(jiàn)到的(de)各種奇奇怪怪的形狀，而是闆(pǎn)材、管材(cái)、鑄錠等等形(xíng)狀比較規(guī)則的材料，這些(xiē)材料要加(jiā)工成各種形狀的零(líng)件就需(xū)要使用(yòng)機床進行切削(xuē)；還有一(yī)些(xiē)精度(dù)要求(qiú)較(jiào)高和表(biǎo)面粗糙度(dù)要求較細的零件，就(jiù)要在機床上用精細繁複的工(gōng)藝切出來或者(zhě)磨出來(lái)。

和所有(yǒu)的機器(qì)一樣，最(zuì)初的機(jī)床包括(kuò)動力裝(zhuāng)置(zhì)、傳動裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電機(jī)轉動輸入(rù)動(dòng)力，通過(guò)傳動裝置(zhì)帶着被(bèi)加工的(de)工件(jiàn)或者刀(dāo)具進行相對(duì)運動，至于(yú)在哪(nǎ)兒(ér)下(xià)刀、切多少、多快(kuài)速度(dù)切(qiē)等等(děng)問(wèn)題，則(zé)由人在加工過(guò)程中直接(jiē)進行(háng)控制(zhì)。

由于傳統(tǒng)機床使用的電(diàn)機的轉速在工(gōng)作時基本(běn)上是(shì)不變的，為(wéi)了實(shí)現不(bú)同的(de)切削速度(dù)，傳統的機(jī)床(chuáng)設計了極為複雜的傳(chuán)動系(xì)統。這種複雜度(dù)的機(jī)械在現今(jīn)的設(shè)計中已經(jīng)不多見了。

而随(suí)着伺服電(diàn)機(jī)（伺(sì)服電機就是可(kě)以在一定範圍内精(jīng)确控制電機的位置和轉速的電機）技術的發(fā)展(zhǎn)及(jí)其在(zài)數控機床上的(de)應用，直接(jiē)控制電機(jī)的轉速變(biàn)得方便快捷效率高，而且(qiě)基本(běn)上是無級變速，傳動(dòng)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)大大(dà)簡化，甚(shèn)至出現了很多(duō)環節電機直接連接(jiē)到(dào)執(zhí)行機(jī)構上，而省略了傳動系統。

這種(zhǒng)“直接(jiē)驅動(dòng)”的(de)模式是現(xiàn)在(zài)機械設計領域的一(yī)大趨(qū)勢。

結(jié)構的(de)簡化還不夠，要(yào)實現各(gè)種(zhǒng)各樣(yàng)的形狀的零件(jiàn)的加(jiā)工，還需要(yào)讓機(jī)床可以高(gāo)效、準确(què)的控制(zhì)多台(tái)電機合作(zuò)完成整個加工(gōng)過程。

這就要讓(ràng)機床成為有“腦(nǎo)子”的數控機床(chuáng)了。而這(zhè)個腦子就是數控(kòng)系統，數控系統(tǒng)的水(shuǐ)平高(gāo)低決定了數控(kòng)機床能幹(gàn)多複雜(zá)、多(duō)精密(mì)的活兒，也(yě)決定(dìng)了這台機(jī)床和(hé)他的操(cāo)作者的(de)身價。

（二）數控系(xì)統能幹(gàn)嘛？處理(lǐ)信息并控(kòng)制動(dòng)力

數控系統（numerical controller system）是數控(kòng)機床(chuáng)的大(dà)腦(nǎo)。

對于一(yī)般數(shù)控機床而(ér)言，往往包(bāo)含人(rén)機控(kòng)制界面(miàn)、數(shù)控系(xì)統、伺(sì)服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢測裝置等等，操(cāo)作人(rén)員在一(yī)些(xiē)計算(suàn)機輔助(zhù)制造軟(ruǎn)件的幫助下，将(jiāng)加工(gōng)過(guò)程(chéng)所需(xū)的各種操(cāo)作（如(rú)主軸(zhóu)變速等步(bù)驟以(yǐ)及(jí)工(gōng)件的(de)形狀尺寸）用零件程序代碼表示，并通(tōng)過人及(jí)控制界面(miàn)輸入(rù)到數控機(jī)床，之(zhī)後由數(shù)控系統(tǒng)對這(zhè)些信息進(jìn)行處(chù)理和(hé)運(yùn)算，并按零件程序(xù)的要求(qiú)控制伺(sì)服電機(jī)，實現刀(dāo)具(jù)與工件(jiàn)的相(xiàng)對運動，以完成(chéng)零件的加工。

數控系統(tǒng)完成諸(zhū)多信(xìn)息(xī)的存儲(chǔ)和處理的工作(zuò)，并将信息(xī)的處(chù)理結果以控制(zhì)信号的形式傳(chuán)給後(hòu)續(xù)的伺服(fú)電機，這些(xiē)控制(zhì)信号(hào)的工作效(xiào)果依賴于兩大(dà)核心技術：一個(gè)是曲(qǔ)線曲面的(de)插補(bǔ)運算，一個(gè)是機(jī)床多(duō)軸的(de)運動控制。

（三）零(líng)件形狀太“自由(yóu)”？靠插補運算搞(gǎo)定

如(rú)果運(yùn)動軌(guǐ)迹可(kě)以用解(jiě)析(xī)式表達，則(zé)整個運動就(jiù)可以分(fèn)解為幾(jǐ)個(gè)坐标的獨(dú)立運動的(de)合成(chéng)運動，就可(kě)以直接控制電(diàn)機生成了。

但是制造(zào)過程中很(hěn)多(duō)零件的(de)形狀(zhuàng)可以(yǐ)說是十分(fèn)“自由”的(de)，既不圓、也不(bú)方(fāng)，甚至都(dōu)不知(zhī)道是什麼形狀，例如(rú)汽車(chē)、輪船、飛機(jī)、模(mó)具(jù)、藝術品等産品常遇(yù)到不能用解析(xī)式描述的(de)曲線曲(qǔ)面(miàn)，這類(lèi)曲線(xiàn)曲面(miàn)稱(chēng)為(wéi)自由曲線(xiàn)（free form curves）或自(zì)由曲(qǔ)面。

要切出來這(zhè)些“自(zì)由”的形(xíng)狀(zhuàng)，刀具和工(gōng)件之間(jiān)的(de)相對(duì)運動也相應的(de)十分(fèn)複(fú)雜(zá)。具體(tǐ)到操(cāo)作中，就是要控制工件台(tái)、刀具(jù)都按照設計好的位置-時(shí)間曲(qǔ)線(xiàn)進行運(yùn)動，控制這(zhè)二者(zhě)在規(guī)定的時間(jiān)以指(zhǐ)定的姿态到達(dá)指定的位(wèi)置。

機床(chuáng)可(kě)以在工件(jiàn)和刀具之間很好地(dì)完成(chéng)直線(xiàn)段、圓弧或(huò)其他的有(yǒu)解析式的(de)樣條曲線(xiàn)的相(xiàng)對(duì)運動，而這種複雜(zá)的“自(zì)由”運動又(yòu)該怎麼完(wán)成(chéng)呢？答案(àn)是依靠插補運(yùn)算。

所謂插補，就(jiù)是按照(zhào)一定方(fāng)法确定數控機(jī)床上刀(dāo)具的運(yùn)動軌迹的(de)過程。根據給定的速度(dù)和軌(guǐ)迹，在軌(guǐ)迹的已知(zhī)點(diǎn)之(zhī)間，增加(jiā)一(yī)些新(xīn)的中間點(diǎn)，并控(kòng)制工件台和刀(dāo)具通過這些中(zhōng)間點(diǎn)，進而就能(néng)完成整個(gè)運動(dòng)。

而這些中間點(diǎn)之間，則(zé)通(tōng)過線段、圓(yuán)弧(hú)或(huò)者樣(yàng)條曲線(xiàn)等來連接。相(xiàng)當于(yú)用數段微小(xiǎo)的(de)線段和圓(yuán)弧去逼近(jìn)要(yào)求的曲(qǔ)線和(hé)曲面，這就是插(chā)補的本質(zhì)。

流行的插(chā)補算(suàn)法包括逐(zhú)點(diǎn)比(bǐ)較法(fǎ)、數字增量(liàng)法等(děng)，而利(lì)用nurbs樣(yàng)條(tiáo)曲(qǔ)線進行插(chā)補因(yīn)為其(qí)效(xiào)率高、精(jīng)度好而得到了高端數控(kòng)機床(chuáng)的青(qīng)睐(lài)

（四）刀的姿态不對無法加工？五坐(zuò)标聯(lián)動分分鐘(zhōng)搞定

加工複雜(zá)曲面不光(guāng)要理(lǐ)論上可(kě)以(yǐ)加工，還需(xū)要考慮刀(dāo)具和(hé)被加工的(de)表面之間的相對位置(zhì)關系。

一(yī)方面(miàn)如(rú)果(guǒ)刀具(jù)的姿态(tài)不(bú)合适(shì)會(huì)導緻加工的(de)表面質量低(dī)下(xià)；另一方面刀具(jù)還會和(hé)加(jiā)工好的零件(jiàn)結構互相(xiàng)幹涉，不調整(zhěng)刀具的(de)相對姿(zī)态根本沒(méi)有辦(bàn)法加工。這就需(xū)要賦予(yǔ)數控機(jī)床(chuáng)更(gèng)多(duō)的運動(dòng)自由度(dù)，使之更為靈巧。

由于我們所(suǒ)處的三維(wéi)空間的相(xiàng)對運(yùn)動隻包含(hán)六個(gè)自由(yóu)度（3個平動自由(yóu)度以及3個(gè)轉動自由度），五(wǔ)坐标(biāo)聯(lián)動就是(shì)使(shǐ)數(shù)控機床在(zài)具有空間上x、y、z三個方(fāng)向的(de)平動(dòng)自由度外，又增(zēng)加了(le)兩個(gè)方向的轉動的自由度，再(zài)加上刀具(jù)本身的用(yòng)于切削的(de)轉動(dòng)自由(yóu)度，這樣刀具和工(gōng)件(jiàn)之(zhī)間的相(xiàng)對運動就有了全部的六個自(zì)由度，使得刀具(jù)和工(gōng)件之間可(kě)以(yǐ)呈現(xiàn)任意的相對位(wèi)置和相(xiàng)對姿态。

雖(suī)然标(biāo)了4個(gè)平(píng)動自由度，但(dàn)是(shì)其實質(zhì)上也隻是實現(xiàn)了x、y、z三個方向的(de)運動(dòng)，有一個自(zì)由度是冗餘的，其實(shí)質(zhì)上(shàng)是一(yī)個五坐标(biāo)聯動機床。

（五）國産數(shù)控系統：逐(zhú)漸邁(mài)向高(gāo)端(duān)市(shì)場

中國是(shì)當今世界(jiè)機床制造(zào)大國(guó)，數控系(xì)統在(zài)性能、功(gōng)能和成套(tào)化應用方面均(jun1)取得(dé)了長足進步(bù)。

其(qí)中，低(dī)檔數控系統幾乎完全取代(dài)了(le)進口，中檔(dàng)數控系統(tǒng)在系(xì)列(liè)化(huà)、商品化和(hé)産業化方(fāng)面成效顯著。高(gāo)檔數(shù)控系統已(yǐ)突破實(shí)現了五(wǔ)軸聯(lián)動功能，并(bìng)在六軸數控砂(shā)帶磨床、五軸葉(yè)片銑(xǐ)床和車銑(xǐ)複合(hé)機床等設備上得到了示範(fàn)應用(yòng)。

此(cǐ)外，中(zhōng)國企(qǐ)業針對零(líng)件（如手(shǒu)機殼）的(de)大批量(liàng)、表面光潔度(dù)高等特點(diǎn)，各自開發(fā)了多(duō)款專用系統和(hé)小型高速(sù)加工(gōng)中心，大(dà)大降低(dī)了生(shēng)産成本，該(gāi)市場現已基本(běn)被國産系統和(hé)主機(jī)占領(lǐng)。

不過(guò)，還是應(yīng)該看到，國際(jì)上的(de)數控(kòng)系統已經有很(hěn)多成熟的(de)高端(duān)産品，與世界機(jī)床強(qiáng)國相比，中(zhōng)國的(de)機床(chuáng)産品(pǐn)在全(quán)球機床市(shì)場的競争力差距依然很(hěn)大。