（一）從機(jī)床到(dào)數控機床，機器不再無(wú)腦幹活

機床是其他機器的(de)“母機”。

煉鋼廠出産的鋼鐵并不是(shì)我們在生活中見(jiàn)到的各種奇奇怪怪的形狀，而是(shì)闆(pǎn)材、管(guǎn)材、鑄錠等(děng)等形狀比較規則的(de)材料，這些材料要加工成各種形狀的零件就需要使用機床進行切削；還有一些精度要(yào)求較高和表(biǎo)面粗糙度(dù)要求較細的(de)零件，就(jiù)要在機床上用(yòng)精細繁複的工藝切出來或者磨出來。

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

由于傳統機床使用的電機的轉速在(zài)工作時基本上是不變的，為(wéi)了實現不同的切削速度，傳統的機床設(shè)計了(le)極為複雜的(de)傳動系統。這種複雜度的機械在現(xiàn)今的設計中已經不多見了(le)。

而随(suí)着(zhe)伺服電機（伺服電(diàn)機就是可以在一定範圍(wéi)内精确控(kòng)制電機的位置和轉速的電機）技術(shù)的發展及其在數控機床上的應用，直接控制電機的轉速變得方便快(kuài)捷效(xiào)率高，而且基本(běn)上是無級變速，傳動系統的結構大大簡化，甚至出(chū)現了很多環節電機直接連(lián)接(jiē)到執行機構上，而省略了傳(chuán)動(dòng)系統。

這種“直接驅動”的模式是(shì)現在機械設計領域的一(yī)大趨勢。

結(jié)構的簡化還不(bú)夠，要實現(xiàn)各種各(gè)樣的形狀的零件的加工，還需要讓機床可以高效、準确的控制多台電機合作完成整個加工過程。

這就要讓機床成為有“腦子”的數控(kòng)機床了。而這個腦子(zǐ)就是數控系統，數控系統的水(shuǐ)平高低決(jué)定了數控機床能(néng)幹多複雜、多精密(mì)的活兒，也決定了這台機床和他(tā)的操作者的身價。

（二）數控系統能幹(gàn)嘛？處理信息并控(kòng)制動力

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

對于一般數控機(jī)床而言，往往包含人機控制界面、數控系統、伺服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢測裝置等等，操作人(rén)員在(zài)一些計算機輔(fǔ)助制造軟(ruǎn)件的幫助下，将(jiāng)加工過(guò)程所需的各種操作（如主軸變速等步驟以及工件的形(xíng)狀尺寸）用零件程序代(dài)碼(mǎ)表示，并通過人及控制界(jiè)面(miàn)輸入到數控機床，之(zhī)後由數控(kòng)系統(tǒng)對這些信息進(jìn)行處理和(hé)運算，并按零件程序的要求(qiú)控制伺服電機，實(shí)現刀具與工件的相對運動，以完成(chéng)零件的加工。

數控系統完成諸(zhū)多信息的存儲和處理的工作，并将信息的處理結果以控制(zhì)信(xìn)号的形式傳給後續的伺服電機，這些控制信号(hào)的工作效(xiào)果依賴于兩大核心技術：一個(gè)是曲線曲面的插補運算，一個(gè)是機床多軸的運動控制。

（三）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠插補運算搞(gǎo)定

如果運(yùn)動軌迹可以用解析(xī)式表達，則整個運動就可以分(fèn)解(jiě)為幾個坐标的獨立運(yùn)動的(de)合成運動，就可以直接控(kòng)制電機生成了。

但是制造過程中很(hěn)多零件的形狀可(kě)以說(shuō)是十分(fèn)“自由”的，既(jì)不圓、也不方(fāng)，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)式描述的曲線曲(qǔ)面(miàn)，這類曲線曲面(miàn)稱為(wéi)自由(yóu)曲線（Free Form Curves）或自由曲面。

要切出來(lái)這些“自由”的形狀，刀具和工(gōng)件之間的相對運動(dòng)也相應的(de)十分複雜。具體到操作中，就是要控制工件台(tái)、刀具都按照設計好的位置-時間曲(qǔ)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(yǐ)在(zài)工件和刀具之(zhī)間很好地完成直線段、圓弧或其他的有解析式的樣條曲線的相對運動，而這種複雜(zá)的“自由”運動又該怎麼完成(chéng)呢？答案(àn)是依靠插補運(yùn)算。

所謂插補，就是按照一定(dìng)方法确定數(shù)控機床上(shàng)刀具的運動軌迹的過程。根據給定的速度和軌迹，在軌迹的已知點之間，增加一些新(xīn)的中間點，并控制工件台和刀具通過這些中間點，進而就能完成(chéng)整(zhěng)個運動。

而這些中(zhōng)間點(diǎn)之間，則通(tōng)過(guò)線段、圓弧或者樣條曲線等來連接。相(xiàng)當于用數段微小的線段和圓弧(hú)去逼近要求的曲(qǔ)線和曲面，這(zhè)就是插補的本質。

流行的插補算法包(bāo)括逐點比較法、數字增量法等，而利用Nurbs樣條曲線進行(háng)插補因(yīn)為其效率高、精度好而得到了高端數控機床的青睐

（四）刀的姿(zī)态不對(duì)無法加工？五坐标聯動分分鐘(zhōng)搞定

加工複雜(zá)曲面不光要理論上可以加工(gōng)，還需要(yào)考慮刀(dāo)具和被加工的表面之間的相對位(wèi)置關系。

一方面如果刀具(jù)的姿态不合适會導緻加工的表面質(zhì)量低下；另一方面刀具還會和加(jiā)工好的零(líng)件結構互(hù)相幹涉，不調整刀具的(de)相對姿态根本沒有辦法加(jiā)工。這就需要賦予數控機床更多的運動自由度，使之更為靈(líng)巧(qiǎo)。

由于我們所處的三維(wéi)空間的相對運動隻(zhī)包含六個自由度（3個平動自由度以(yǐ)及3個轉動自由度(dù)），五坐标聯動就是使數控機床(chuáng)在具有空間上x、y、z三個方(fāng)向的平動自由度(dù)外，又增加了兩個方向的轉動的自由(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(bù)的六個自由度，使(shǐ)得刀具和工件之間可以呈現任意的相對位(wèi)置和相對姿(zī)态。

雖然标了4個平動自由度，但是其實(shí)質上也隻是實現了x、y、z三個方向的運動，有一個自由度(dù)是冗餘的(de)，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(duān)市場

中國(guó)是當今(jīn)世界機床制造大國，數控系(xì)統在性能、功能和成套化應用方面均取得了長足進步。

其中，低(dī)檔數控(kòng)系統幾乎完全取代了進口，中檔數控系統在系列化、商品化和産(chǎn)業化方(fāng)面成效顯著。高檔數控系統已(yǐ)突破實(shí)現了五軸聯動功能，并在六軸數控砂帶磨床、五(wǔ)軸葉片銑床和車銑複合機(jī)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(de)大批量、表面光(guāng)潔度高等特點，各自開發(fā)了多(duō)款專(zhuān)用系統和小型高速加工中心，大大降低了生産成本，該市場現已基本被國産(chǎn)系(xì)統和主機占領。

不過(guò)，還是應該看到，國際上的數控系統(tǒng)已經(jīng)有很多成熟的高端(duān)産品，與世界機床強國相比，中國的機床(chuáng)産品在全球機(jī)床市場的競争力差距依(yī)然很大。