（一）從機(jī)床到數控機床(chuáng)，機器(qì)不再無腦(nǎo)幹活

機床是其(qí)他機器的“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的(de)鋼鐵并(bìng)不(bú)是我們在(zài)生活中見(jiàn)到的各種奇奇(qí)怪怪(guài)的形狀，而(ér)是闆材、管材、鑄(zhù)錠等等(děng)形(xíng)狀比(bǐ)較規(guī)則的材料(liào)，這(zhè)些(xiē)材料要加(jiā)工成各(gè)種(zhǒng)形狀(zhuàng)的零(líng)件就需要(yào)使用(yòng)機(jī)床(chuáng)進行切削(xuē)；還有一些(xiē)精度要求(qiú)較高(gāo)和表(biǎo)面(miàn)粗糙度(dù)要求較細(xì)的零件，就(jiù)要在機床(chuáng)上用(yòng)精細繁複(fú)的工藝(yì)切出來(lái)或者磨(mó)出(chū)來。

和所有的機器一(yī)樣，最(zuì)初的機床包括(kuò)動力裝置、傳(chuán)動(dòng)裝置和執行裝置(zhì)，靠電機(jī)轉動輸(shū)入動力(lì)，通過傳(chuán)動裝置帶着被加工的(de)工(gōng)件或(huò)者刀具(jù)進行相對運動(dòng)，至于在(zài)哪兒下(xià)刀、切多少、多快速度(dù)切等等問(wèn)題，則由人在加工過程(chéng)中直接(jiē)進行控制。

由于(yú)傳統機床使用(yòng)的電(diàn)機的轉速在工作(zuò)時基本(běn)上是不變的，為(wéi)了實(shí)現不(bú)同的切削速(sù)度(dù)，傳統(tǒng)的機(jī)床設計了極為複(fú)雜(zá)的傳(chuán)動系統。這種複(fú)雜度的機(jī)械在(zài)現今的設計中(zhōng)已經不(bú)多(duō)見了。

而随(suí)着伺服電(diàn)機（伺(sì)服電機就是可(kě)以(yǐ)在(zài)一定範圍内(nèi)精确控(kòng)制電(diàn)機(jī)的位置(zhì)和轉速的電機(jī)）技術(shù)的(de)發展及(jí)其在數控(kòng)機床(chuáng)上的應用，直接(jiē)控制電機的轉速(sù)變得方(fāng)便快(kuài)捷效率(lǜ)高，而且(qiě)基本上是(shì)無級(jí)變速，傳動(dòng)系統(tǒng)的結構(gòu)大大簡(jiǎn)化(huà)，甚至出現了(le)很多(duō)環節電機直接連接(jiē)到執行機(jī)構上，而省(shěng)略了傳(chuán)動系統。

這種(zhǒng)“直接驅動(dòng)”的模式(shì)是(shì)現在機械設(shè)計領域(yù)的一大趨勢。

結(jié)構的簡化還不(bú)夠，要實(shí)現各種(zhǒng)各樣的形狀(zhuàng)的(de)零件的加工，還(hái)需要(yào)讓(ràng)機床可以高效、準(zhǔn)确的控制(zhì)多台電機(jī)合作完成(chéng)整(zhěng)個加工過(guò)程(chéng)。

這就(jiù)要讓機床成為(wéi)有“腦(nǎo)子(zǐ)”的數控機(jī)床了(le)。而這個(gè)腦子就是數控(kòng)系統，數控(kòng)系統的水平高低決(jué)定了數控(kòng)機床(chuáng)能幹多複(fú)雜、多(duō)精密的活兒，也(yě)決定了這台機床和他(tā)的(de)操作(zuò)者的(de)身價。

（二）數(shù)控系統能幹嘛(ma)？處理(lǐ)信息并控(kòng)制動力

數(shù)控系統（numerical controller system）是(shì)數(shù)控機床(chuáng)的大(dà)腦。

對于一般數控(kòng)機床而(ér)言，往往包含(hán)人機控制界(jiè)面、數(shù)控系統、伺服驅(qū)動裝置、機床、檢(jiǎn)測裝(zhuāng)置等等，操作人(rén)員在一些(xiē)計算(suàn)機輔助制造軟(ruǎn)件(jiàn)的(de)幫助(zhù)下，将加工(gōng)過程所需的各種操(cāo)作（如主軸(zhóu)變(biàn)速(sù)等步驟以(yǐ)及工(gōng)件的形狀(zhuàng)尺寸）用零(líng)件(jiàn)程序代碼表示，并(bìng)通過(guò)人及(jí)控制界面(miàn)輸入到數(shù)控機(jī)床，之後由數控(kòng)系統對這些信(xìn)息進行處理和(hé)運算，并按零件程序的(de)要(yào)求控(kòng)制伺服電機，實現刀具與(yǔ)工件(jiàn)的相對運(yùn)動，以(yǐ)完成零(líng)件(jiàn)的加(jiā)工。

數(shù)控(kòng)系(xì)統完成諸多信息的(de)存儲和處理的工作，并将信息(xī)的處理結(jié)果以(yǐ)控制(zhì)信号的形(xíng)式傳給後續的伺服(fú)電機，這些(xiē)控制信号(hào)的工(gōng)作效果依賴于(yú)兩大核心(xīn)技術(shù)：一個是(shì)曲線曲面的插補(bǔ)運算，一個(gè)是機(jī)床多(duō)軸的(de)運動控制。

（三）零件(jiàn)形(xíng)狀太(tài)“自由”？靠插補運算搞(gǎo)定

如果運(yùn)動(dòng)軌(guǐ)迹可(kě)以用(yòng)解析式表達，則(zé)整個運動就可(kě)以分解(jiě)為幾個(gè)坐标(biāo)的(de)獨立運動(dòng)的(de)合成(chéng)運動(dòng)，就可以直接控制電(diàn)機生成了(le)。

但是(shì)制造過程(chéng)中很多零件的(de)形狀(zhuàng)可(kě)以說是(shì)十分“自由”的，既不圓、也不(bú)方，甚(shèn)至都(dōu)不(bú)知道是(shì)什麼(me)形狀(zhuàng)，例如汽車、輪船、飛機(jī)、模具、藝(yì)術(shù)品等(děng)産品常遇(yù)到不(bú)能用(yòng)解析(xī)式描(miáo)述的(de)曲(qǔ)線曲面(miàn)，這類曲線曲面(miàn)稱為(wéi)自由曲(qǔ)線(xiàn)（free form curves）或自由曲(qǔ)面。

要(yào)切出(chū)來(lái)這些“自由”的(de)形(xíng)狀，刀具(jù)和工件之間的(de)相對運動(dòng)也相(xiàng)應的十分(fèn)複雜(zá)。具體到操作中，就是要控制工(gōng)件台、刀具(jù)都按(àn)照設(shè)計好的(de)位(wèi)置-時間(jiān)曲(qǔ)線進行運動(dòng)，控制這(zhè)二者在規(guī)定的(de)時間以指定的(de)姿态到(dào)達指定(dìng)的位置。

機(jī)床可(kě)以在(zài)工件和刀(dāo)具之(zhī)間很好地(dì)完(wán)成直線(xiàn)段、圓(yuán)弧或其他的有(yǒu)解析(xī)式的(de)樣條曲線的相對運(yùn)動，而(ér)這種複雜(zá)的“自由”運動又(yòu)該怎麼完成呢(ne)？答案是依靠插(chā)補運算。

所謂插(chā)補，就(jiù)是按(àn)照一(yī)定方法(fǎ)确(què)定數(shù)控機(jī)床上刀具(jù)的運動(dòng)軌(guǐ)迹的(de)過程。根據給定(dìng)的速度和(hé)軌迹(jì)，在軌(guǐ)迹的已知(zhī)點之間，增加一些新的中間點(diǎn)，并控制工(gōng)件台和刀具通(tōng)過這些中間點，進而(ér)就能完成整個(gè)運動(dòng)。

而這些中(zhōng)間點(diǎn)之間，則通(tōng)過線段、圓(yuán)弧或(huò)者樣條曲線等(děng)來連(lián)接。相當于(yú)用數段微小的(de)線段和圓弧去逼近(jìn)要求(qiú)的曲(qǔ)線和(hé)曲面，這就(jiù)是插(chā)補的本質(zhì)。

流行的(de)插補算(suàn)法包(bāo)括(kuò)逐點比(bǐ)較法、數(shù)字增量法(fǎ)等(děng)，而利用nurbs樣(yàng)條曲線進行插(chā)補因(yīn)為(wéi)其效率(lǜ)高、精度好而得到了高(gāo)端數控(kòng)機床的(de)青(qīng)睐

（四(sì)）刀(dāo)的(de)姿态(tài)不對無法加工(gōng)？五坐(zuò)标聯動分分(fèn)鐘搞定

加工(gōng)複雜曲面不光(guāng)要理論上可以(yǐ)加工，還需(xū)要考慮刀(dāo)具(jù)和被加(jiā)工的(de)表(biǎo)面之間(jiān)的相(xiàng)對位置關(guān)系。

一方面(miàn)如果(guǒ)刀具的(de)姿态不(bú)合适會導緻加(jiā)工的表面(miàn)質量(liàng)低下；另(lìng)一(yī)方(fāng)面刀具還會(huì)和加(jiā)工好(hǎo)的零件結(jié)構互相幹(gàn)涉，不(bú)調整刀具的相(xiàng)對姿态根(gēn)本沒有辦法加工。這(zhè)就需要賦(fù)予數(shù)控機床更多的(de)運動(dòng)自由度，使(shǐ)之更為靈巧。

由(yóu)于我(wǒ)們所處的三維空間(jiān)的相對運(yùn)動隻(zhī)包含(hán)六個自由度（3個(gè)平動自由(yóu)度以(yǐ)及3個轉動(dòng)自由度），五(wǔ)坐(zuò)标聯動就是(shì)使數(shù)控機床(chuáng)在具有空間(jiān)上x、y、z三個(gè)方(fāng)向的平動自由(yóu)度外，又增加(jiā)了(le)兩個(gè)方向(xiàng)的轉動的自由度，再(zài)加上(shàng)刀具(jù)本身的用(yòng)于切(qiē)削(xuē)的轉動(dòng)自由度(dù)，這樣刀(dāo)具和(hé)工件之間(jiān)的(de)相對運動就(jiù)有了全部(bù)的(de)六個自(zì)由度，使得(dé)刀具和(hé)工件之(zhī)間可(kě)以呈現任(rèn)意(yì)的相(xiàng)對位置和相對(duì)姿态。

雖(suī)然标了4個(gè)平動(dòng)自由度，但是其實質(zhì)上也(yě)隻是(shì)實現了x、y、z三個方(fāng)向的運動(dòng)，有(yǒu)一(yī)個自由(yóu)度是冗(rǒng)餘的，其實質上(shàng)是一(yī)個五坐标(biāo)聯動機床。

（五）國(guó)産數控系統：逐(zhú)漸邁向高(gāo)端市(shì)場

中國(guó)是當今世界(jiè)機床制造(zào)大國(guó)，數控系統(tǒng)在性(xìng)能、功(gōng)能和(hé)成套化應用方(fāng)面均取(qǔ)得(dé)了長足進步(bù)。

其中，低(dī)檔數控系統幾(jǐ)乎完(wán)全(quán)取代了(le)進口，中檔(dàng)數控系統(tǒng)在(zài)系(xì)列化(huà)、商品化和産業(yè)化方面成(chéng)效顯(xiǎn)著。高檔數(shù)控(kòng)系統已突(tū)破實現(xiàn)了五軸聯(lián)動功(gōng)能，并(bìng)在六軸數控砂帶磨(mó)床、五(wǔ)軸葉片銑床和(hé)車銑複合(hé)機床(chuáng)等設備上得到(dào)了示範應用。

此(cǐ)外，中(zhōng)國企業針(zhēn)對零件（如(rú)手機(jī)殼）的(de)大批量、表(biǎo)面光潔度高等(děng)特點(diǎn)，各(gè)自開發了多款專用系統和小型高速(sù)加工中心(xīn)，大大降低(dī)了(le)生産成本，該(gāi)市場(chǎng)現已(yǐ)基(jī)本被國産系(xì)統和主(zhǔ)機占領。

不過，還是應該看到，國(guó)際上的數控系(xì)統已經(jīng)有很多成熟的(de)高端産品，與世(shì)界機(jī)床(chuáng)強(qiáng)國相(xiàng)比，中國的(de)機床(chuáng)産品在全(quán)球機(jī)床市場的(de)競争(zhēng)力差距依然很(hěn)大。