（一）從機(jī)床到(dào)數控(kòng)機床，機器(qì)不再(zài)無腦幹活(huó)

機床是其他機(jī)器的“母機(jī)”。

煉鋼(gāng)廠出産(chǎn)的鋼鐵并不是(shì)我們在生活中見(jiàn)到的(de)各種(zhǒng)奇奇(qí)怪怪的形狀，而(ér)是闆材、管材、鑄錠等(děng)等形(xíng)狀(zhuàng)比(bǐ)較規(guī)則的(de)材料，這些(xiē)材料要加(jiā)工成(chéng)各種(zhǒng)形狀(zhuàng)的零(líng)件就需(xū)要使用(yòng)機床(chuáng)進行(háng)切削(xuē)；還有一些精度(dù)要求(qiú)較高(gāo)和(hé)表(biǎo)面粗(cū)糙(cāo)度要求(qiú)較細的零件，就(jiù)要在機床上用(yòng)精細繁(fán)複的工(gōng)藝切(qiē)出來或者磨出(chū)來。

和所有(yǒu)的機器(qì)一樣，最(zuì)初的機床包括(kuò)動力裝置、傳動(dòng)裝置(zhì)和(hé)執(zhí)行裝(zhuāng)置，靠電機(jī)轉動輸入動力，通過(guò)傳動裝置帶着被加工的工件(jiàn)或者刀具進(jìn)行(háng)相對(duì)運動(dòng)，至于(yú)在哪兒下(xià)刀、切多少(shǎo)、多快速度(dù)切等等問(wèn)題，則(zé)由人在加工過(guò)程中直接(jiē)進行(háng)控制。

由于傳統(tǒng)機床使用的電(diàn)機的轉速在工(gōng)作時基本上是(shì)不變(biàn)的，為了實(shí)現不同(tóng)的切削(xuē)速度，傳統的機床設計了(le)極為(wéi)複雜(zá)的傳(chuán)動系(xì)統。這種複雜度(dù)的機(jī)械在現今(jīn)的設計(jì)中(zhōng)已經(jīng)不(bú)多(duō)見了。

而随(suí)着伺服電(diàn)機(jī)（伺服電機就是可(kě)以在一定範圍(wéi)内精确(què)控制電機的位置和轉(zhuǎn)速的(de)電機）技(jì)術(shù)的發(fā)展及(jí)其在(zài)數控機(jī)床(chuáng)上的(de)應用，直(zhí)接控制(zhì)電機的轉速變(biàn)得方便快捷效率高(gāo)，而且基本(běn)上是(shì)無級變速，傳動(dòng)系統的結(jié)構大大(dà)簡化，甚至出(chū)現了很多(duō)環節(jiē)電機直接連接(jiē)到執行機(jī)構上(shàng)，而省略了(le)傳(chuán)動系統(tǒng)。

這種(zhǒng)“直接驅動”的(de)模(mó)式是現(xiàn)在機械(xiè)設計領域的一大趨(qū)勢。

結構的(de)簡化還不(bú)夠，要(yào)實現各(gè)種各樣(yàng)的形狀的(de)零件的加(jiā)工，還(hái)需要(yào)讓機(jī)床(chuáng)可以高效、準确的控制(zhì)多台(tái)電(diàn)機合作完成整個(gè)加工(gōng)過程。

這就要讓(ràng)機床成(chéng)為有“腦子(zǐ)”的數控機床(chuáng)了。而這個腦子就是(shì)數控系統(tǒng)，數控系(xì)統的水(shuǐ)平高(gāo)低決(jué)定了(le)數控機床能幹(gàn)多複雜、多精密的活兒，也決定了這台(tái)機床和(hé)他的(de)操作者的(de)身價。

（二）數控系(xì)統能幹嘛？處理(lǐ)信息并控制動(dòng)力

數控(kòng)系統（numerical controller system）是(shì)數控(kòng)機床(chuáng)的大(dà)腦。

對于一(yī)般數(shù)控機床而言，往(wǎng)往包(bāo)含人(rén)機控(kòng)制界面、數(shù)控系(xì)統、伺(sì)服驅動裝置、機床、檢測裝(zhuāng)置等(děng)等，操作人員在一些計算(suàn)機輔(fǔ)助制造軟(ruǎn)件的幫(bāng)助下，将(jiāng)加(jiā)工過程所需(xū)的各種操(cāo)作（如主軸(zhóu)變速等步(bù)驟以及工(gōng)件的(de)形狀尺寸）用零(líng)件(jiàn)程序代(dài)碼表示，并通過人及(jí)控制界面(miàn)輸入(rù)到數控(kòng)機床，之(zhī)後由數控系統(tǒng)對(duì)這些(xiē)信息進(jìn)行處理(lǐ)和運(yùn)算，并按零件程序的要求控(kòng)制伺服電機，實現刀(dāo)具(jù)與工件的相(xiàng)對運動，以完成(chéng)零件的加工。

數(shù)控系統完成諸多信(xìn)息的存儲(chǔ)和處理的工作(zuò)，并将信息(xī)的處(chù)理結果以控制信号的(de)形式傳給後續(xù)的伺服(fú)電機，這些控制(zhì)信号(hào)的工作(zuò)效果依賴于兩大(dà)核心(xīn)技(jì)術：一個是曲(qǔ)線曲(qǔ)面的插補運算，一個(gè)是機床多軸(zhóu)的運動控制。

（三）零(líng)件形狀太“自由”？靠插補運(yùn)算搞(gǎo)定(dìng)

如果運動軌(guǐ)迹可(kě)以用(yòng)解析(xī)式表達，則整個(gè)運動(dòng)就(jiù)可以分(fèn)解為(wéi)幾個(gè)坐标(biāo)的獨立運(yùn)動的(de)合成運動，就可以直接(jiē)控制電(diàn)機生成了。

但是(shì)制造(zào)過(guò)程中很(hěn)多零件(jiàn)的(de)形狀(zhuàng)可以說是十分(fèn)“自由”的，既(jì)不圓、也不方，甚至都(dōu)不知道是什麼形狀(zhuàng)，例(lì)如汽車(chē)、輪船(chuán)、飛機(jī)、模具(jù)、藝術品等産品(pǐn)常遇到(dào)不(bú)能用(yòng)解析(xī)式描述的(de)曲線曲面，這類(lèi)曲線曲面稱為(wéi)自由曲線(xiàn)（free form curves）或自由曲面。

要切出來這些(xiē)“自由”的(de)形狀，刀具和工(gōng)件之(zhī)間(jiān)的(de)相(xiàng)對運動也(yě)相(xiàng)應的(de)十分(fèn)複(fú)雜(zá)。具體到操(cāo)作中(zhōng)，就是(shì)要控制工件台、刀具都按照設(shè)計好的(de)位(wèi)置-時間曲線(xiàn)進行運(yùn)動，控制這二者在規(guī)定的時間(jiān)以指定的(de)姿态到達指(zhǐ)定的位(wèi)置。

機床可(kě)以在(zài)工件(jiàn)和刀具之(zhī)間很好地(dì)完成(chéng)直線(xiàn)段(duàn)、圓弧或(huò)其他(tā)的有解析式的(de)樣條曲線(xiàn)的相(xiàng)對運動，而這種複雜的“自(zì)由”運動又該(gāi)怎麼完成呢？答案(àn)是依靠插補運算。

所謂插補，就是按照一定方(fāng)法确(què)定數控(kòng)機(jī)床上刀具(jù)的運(yùn)動軌(guǐ)迹的(de)過程(chéng)。根據給定的速度和(hé)軌(guǐ)迹，在軌(guǐ)迹的已知點(diǎn)之間，增(zēng)加一(yī)些新(xīn)的中間(jiān)點，并控制工(gōng)件台和刀(dāo)具通過(guò)這些中(zhōng)間點(diǎn)，進而就能(néng)完成(chéng)整(zhěng)個(gè)運動。

而這(zhè)些中(zhōng)間點之間(jiān)，則通過線(xiàn)段(duàn)、圓弧或(huò)者樣(yàng)條曲(qǔ)線等來連(lián)接。相當(dāng)于(yú)用數(shù)段微小的(de)線段和圓(yuán)弧(hú)去逼近(jìn)要求的曲(qǔ)線和(hé)曲面(miàn)，這(zhè)就(jiù)是(shì)插補的(de)本質(zhì)。

流行(háng)的插(chā)補(bǔ)算法包括逐點比(bǐ)較法、數字(zì)增量法等(děng)，而利(lì)用nurbs樣(yàng)條曲線進(jìn)行插補因(yīn)為其(qí)效率高、精度好(hǎo)而得(dé)到了(le)高(gāo)端數控機床的青(qīng)睐

（四）刀的(de)姿(zī)态不對無法(fǎ)加(jiā)工？五坐(zuò)标聯動分分鐘(zhōng)搞定

加工複(fú)雜曲面不光(guāng)要理(lǐ)論上可以加工(gōng)，還需(xū)要(yào)考慮刀(dāo)具和被加(jiā)工的(de)表面之間(jiān)的(de)相(xiàng)對位置關(guān)系。

一方面(miàn)如果刀具的姿态不合适(shì)會導緻(zhì)加工的(de)表面質(zhì)量低下(xià)；另一方(fāng)面刀具還會和(hé)加工好(hǎo)的零件(jiàn)結構互相幹(gàn)涉，不調整(zhěng)刀具的(de)相對姿(zī)态根本沒有辦法加(jiā)工。這就需(xū)要賦予(yǔ)數(shù)控機(jī)床(chuáng)更(gèng)多的運動(dòng)自由(yóu)度，使之更(gèng)為靈巧。

由于我們所處的三維空間(jiān)的相對運(yùn)動隻包含六個自由(yóu)度（3個平動(dòng)自由度(dù)以(yǐ)及3個(gè)轉動(dòng)自由度），五(wǔ)坐标聯動就是使數控機床在(zài)具有空間上x、y、z三(sān)個方向的平動(dòng)自由度外，又增加了兩(liǎng)個方向(xiàng)的轉動的自由(yóu)度，再加上刀具(jù)本身(shēn)的用(yòng)于切削的轉(zhuǎn)動自由度，這樣刀(dāo)具和工(gōng)件之(zhī)間的相(xiàng)對運動就有(yǒu)了(le)全部(bù)的六個自(zì)由度，使(shǐ)得(dé)刀具(jù)和工件之間可(kě)以呈(chéng)現任意的(de)相對位置(zhì)和相(xiàng)對姿态(tài)。

雖(suī)然标了4個平動自由(yóu)度，但是(shì)其實質上(shàng)也(yě)隻是實現(xiàn)了x、y、z三(sān)個方向的(de)運動，有一(yī)個自(zì)由度是冗(rǒng)餘的(de)，其實(shí)質上是一個五坐标聯動機床(chuáng)。

（五）國産數(shù)控系(xì)統：逐漸邁向高端市場

中國是當今世界(jiè)機床制造大國(guó)，數控(kòng)系統在性(xìng)能、功能和(hé)成套化應用方(fāng)面均(jun1)取得了長足進(jìn)步。

其中(zhōng)，低檔數(shù)控系統幾乎完(wán)全取代了(le)進口(kǒu)，中檔(dàng)數(shù)控系統(tǒng)在系列化、商品(pǐn)化和産業(yè)化方(fāng)面成效(xiào)顯(xiǎn)著。高檔數控系統已(yǐ)突破實(shí)現(xiàn)了五(wǔ)軸聯動功能，并(bìng)在六軸數控砂帶磨床、五軸葉(yè)片銑床和(hé)車銑(xǐ)複合(hé)機床等設備上得到(dào)了示範應(yīng)用。

此(cǐ)外，中(zhōng)國企業針(zhēn)對零(líng)件（如手機殼）的大批量(liàng)、表面光(guāng)潔度(dù)高等特點，各自開發了多款專用系統和(hé)小型高速(sù)加工(gōng)中心，大大降低(dī)了生産(chǎn)成(chéng)本，該市場(chǎng)現(xiàn)已基本(běn)被國産系(xì)統和(hé)主機(jī)占領。

不過，還是應該看到(dào)，國際(jì)上的數控系統已經(jīng)有很(hěn)多成(chéng)熟的高端(duān)産品，與世(shì)界機床強國相比，中(zhōng)國的機床産品(pǐn)在全球(qiú)機床市(shì)場的(de)競争力差距依(yī)然很(hěn)大。