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

機床(chuáng)是其他機(jī)器的(de)“母機”。

煉鋼(gāng)廠出産的鋼鐵(tiě)并不是我們在(zài)生活中見到的(de)各種(zhǒng)奇奇怪怪(guài)的形狀，而(ér)是闆材、管(guǎn)材、鑄錠等(děng)等形狀比(bǐ)較規則的材(cái)料(liào)，這些(xiē)材料(liào)要(yào)加工成(chéng)各種(zhǒng)形狀的零(líng)件就需(xū)要(yào)使用(yòng)機床(chuáng)進行切削(xuē)；還有一些(xiē)精度(dù)要求(qiú)較高(gāo)和表(biǎo)面粗糙度要求較細(xì)的零(líng)件，就(jiù)要在機(jī)床上用(yòng)精(jīng)細繁複的工(gōng)藝切出來或(huò)者(zhě)磨出來(lái)。

和(hé)所有的機器(qì)一(yī)樣，最初的機床(chuáng)包括(kuò)動力裝置(zhì)、傳動裝置和執(zhí)行裝置，靠電機(jī)轉動(dòng)輸入(rù)動(dòng)力，通過(guò)傳動裝置(zhì)帶着(zhe)被(bèi)加工(gōng)的(de)工件(jiàn)或者(zhě)刀具進行(háng)相對(duì)運動(dòng)，至于(yú)在哪兒下(xià)刀、切(qiē)多少(shǎo)、多(duō)快速度切等等問(wèn)題，則(zé)由人(rén)在加工過(guò)程中直接進行(háng)控制。

由(yóu)于傳統機床使用的電機的轉速(sù)在工(gōng)作時(shí)基本(běn)上(shàng)是(shì)不變的，為(wéi)了實(shí)現不同(tóng)的(de)切削速度(dù)，傳統的機(jī)床設計了(le)極為(wéi)複雜的傳動系統。這種複雜度的機械在現今(jīn)的設計中(zhōng)已經(jīng)不(bú)多見了。

而随(suí)着伺服電機（伺(sì)服電機就是可(kě)以在一定範圍(wéi)内精(jīng)确控制電(diàn)機的位置和轉(zhuǎn)速的電機）技(jì)術(shù)的發(fā)展及(jí)其在數控(kòng)機床上的(de)應用(yòng)，直接控制(zhì)電機的轉速變(biàn)得方便快(kuài)捷(jié)效率高，而且基本(běn)上是無級變速，傳動(dòng)系(xì)統的結(jié)構大大簡化，甚(shèn)至出現(xiàn)了很多(duō)環節電(diàn)機(jī)直接(jiē)連接(jiē)到執行機(jī)構上，而省(shěng)略了傳動系(xì)統(tǒng)。

這種(zhǒng)“直接(jiē)驅動”的(de)模式是現在機械(xiè)設計領(lǐng)域的一大趨(qū)勢。

結構的簡化還(hái)不夠，要(yào)實現各種各樣(yàng)的形狀的(de)零件的加(jiā)工，還需要讓機床可(kě)以高效、準(zhǔn)确(què)的控制(zhì)多台電機合作(zuò)完成(chéng)整個加工(gōng)過程(chéng)。

這就要讓(ràng)機床(chuáng)成為有“腦(nǎo)子”的(de)數控(kòng)機床了。而這(zhè)個腦(nǎo)子就是(shì)數(shù)控系統(tǒng)，數控系統的水(shuǐ)平高(gāo)低決(jué)定了數(shù)控機床能幹(gàn)多複(fú)雜、多(duō)精密(mì)的活(huó)兒，也(yě)決定了這台機(jī)床和他的(de)操作者的(de)身價。

（二(èr)）數控系(xì)統能幹嘛？處(chù)理(lǐ)信息并控(kòng)制動(dòng)力

數(shù)控系統（numerical controller system）是(shì)數控(kòng)機床的大腦。

對(duì)于(yú)一般數(shù)控機床而(ér)言，往往包含人(rén)機控(kòng)制界(jiè)面、數(shù)控系統、伺(sì)服驅動裝(zhuāng)置、機(jī)床、檢測裝(zhuāng)置等等，操(cāo)作人員在一些(xiē)計算(suàn)機輔助制(zhì)造軟(ruǎn)件的(de)幫助下，将加工過程所需(xū)的各種(zhǒng)操作(zuò)（如(rú)主軸變(biàn)速等步(bù)驟以及(jí)工(gōng)件的(de)形狀尺(chǐ)寸）用零(líng)件程序代碼表(biǎo)示，并通過人及控制界面輸入(rù)到數(shù)控(kòng)機床，之(zhī)後由數控(kòng)系統(tǒng)對這(zhè)些信息進(jìn)行處(chù)理和(hé)運算(suàn)，并按零件(jiàn)程序(xù)的要(yào)求(qiú)控(kòng)制伺(sì)服電(diàn)機，實(shí)現刀具與工件的相(xiàng)對運(yùn)動，以完成(chéng)零件(jiàn)的加(jiā)工。

數(shù)控系(xì)統完(wán)成諸(zhū)多信息的(de)存儲和處(chù)理的(de)工作(zuò)，并将信息的處(chù)理結果以(yǐ)控制(zhì)信号(hào)的形(xíng)式傳(chuán)給後續的(de)伺服電機，這些控制(zhì)信号(hào)的(de)工(gōng)作效(xiào)果依賴(lài)于(yú)兩大核心(xīn)技(jì)術(shù)：一個(gè)是曲(qǔ)線曲面的(de)插補運算，一個(gè)是機床多軸(zhóu)的(de)運動控(kòng)制(zhì)。

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

如果運(yùn)動軌(guǐ)迹可以用解析(xī)式表達，則整個運動就可(kě)以分(fèn)解為(wéi)幾個坐标的獨立運(yùn)動的(de)合成運動，就可(kě)以直接控制電機生(shēng)成(chéng)了(le)。

但是(shì)制造(zào)過程中很(hěn)多零(líng)件的形狀(zhuàng)可以(yǐ)說是十分“自由”的，既不圓、也不(bú)方(fāng)，甚至都不知(zhī)道(dào)是什麼(me)形(xíng)狀，例(lì)如汽車(chē)、輪船、飛機(jī)、模(mó)具、藝術品等(děng)産品(pǐn)常遇到(dào)不(bú)能用(yòng)解析式描述的(de)曲線曲面，這類(lèi)曲線(xiàn)曲面稱為(wéi)自由曲線（free form curves）或自(zì)由曲面。

要切出來這些“自由”的(de)形狀(zhuàng)，刀具和工(gōng)件之間的(de)相對(duì)運動也相應的十分(fèn)複雜。具體(tǐ)到操(cāo)作中，就是(shì)要(yào)控制(zhì)工件台(tái)、刀具都按照設(shè)計好(hǎo)的位(wèi)置-時間曲(qǔ)線(xiàn)進行運(yùn)動，控制這(zhè)二者(zhě)在規(guī)定的時間(jiān)以指定的姿态(tài)到達指定(dìng)的位(wèi)置。

機床(chuáng)可(kě)以在工件和刀具之間很好地完成(chéng)直線段、圓弧或(huò)其他的有(yǒu)解析式的樣條曲線(xiàn)的相(xiàng)對運(yùn)動，而這種複雜的“自(zì)由”運動又(yòu)該(gāi)怎麼完成(chéng)呢？答案(àn)是依(yī)靠插(chā)補運算。

所謂插補，就是按(àn)照一(yī)定方(fāng)法确定(dìng)數控機(jī)床上刀(dāo)具的運(yùn)動軌迹(jì)的過程(chéng)。根據給定(dìng)的速度和(hé)軌迹，在軌(guǐ)迹的已(yǐ)知點之(zhī)間，增加一些新(xīn)的中間點，并控制工(gōng)件台和刀(dāo)具通過這(zhè)些中(zhōng)間點(diǎn)，進而就能(néng)完成(chéng)整個運動。

而這些(xiē)中間點之間，則通過線段、圓(yuán)弧(hú)或(huò)者樣(yàng)條曲線等來連接。相(xiàng)當于用數(shù)段微(wēi)小的線段和圓弧去逼近(jìn)要求的(de)曲線和曲面(miàn)，這就(jiù)是插(chā)補的本質(zhì)。

流行(háng)的插補算法包(bāo)括逐(zhú)點(diǎn)比較法、數字(zì)增量法等(děng)，而利用(yòng)nurbs樣(yàng)條曲(qǔ)線進行插(chā)補因(yīn)為其(qí)效(xiào)率高、精度好而得到了(le)高端數控機床(chuáng)的青睐

（四(sì)）刀的(de)姿态不對(duì)無法加工？五坐(zuò)标聯動(dòng)分分鐘(zhōng)搞定(dìng)

加工複雜曲面不光要理(lǐ)論上可以(yǐ)加工(gōng)，還需要考慮刀(dāo)具和被(bèi)加(jiā)工的(de)表面之間的相對位置關(guān)系。

一(yī)方面如(rú)果刀具(jù)的姿(zī)态(tài)不(bú)合适會導緻加工的(de)表面質(zhì)量(liàng)低下；另一方面(miàn)刀具還會和加工好(hǎo)的零(líng)件(jiàn)結(jié)構互相(xiàng)幹涉，不(bú)調整刀具(jù)的相對姿(zī)态根本沒有辦(bàn)法加(jiā)工(gōng)。這就需(xū)要賦(fù)予數(shù)控機(jī)床更多的運動(dòng)自由度，使之(zhī)更(gèng)為靈(líng)巧。

由于我(wǒ)們所處(chù)的三維(wéi)空間(jiān)的相對運(yùn)動隻包含(hán)六個(gè)自由(yóu)度（3個平動(dòng)自由度(dù)以(yǐ)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(yǒu)空(kōng)間上x、y、z三(sān)個方向的平動(dòng)自由度外，又增加了兩個方向(xiàng)的轉動的自由(yóu)度，再(zài)加上刀具(jù)本身的用(yòng)于切削的轉動自由(yóu)度，這樣(yàng)刀具和(hé)工件之(zhī)間的相(xiàng)對運動就有了(le)全部(bù)的六(liù)個自(zì)由度，使(shǐ)得刀具和工(gōng)件(jiàn)之(zhī)間可(kě)以呈(chéng)現任意的(de)相對位置和相(xiàng)對姿态。

雖(suī)然标了4個(gè)平(píng)動自由(yóu)度，但(dàn)是其(qí)實質上也(yě)隻是實現(xiàn)了x、y、z三(sān)個方(fāng)向的(de)運動(dòng)，有一個自(zì)由度是冗餘的(de)，其實(shí)質(zhì)上是一(yī)個五坐标(biāo)聯動(dòng)機床(chuáng)。

（五）國産(chǎn)數(shù)控系統：逐(zhú)漸邁(mài)向高端(duān)市場

中(zhōng)國是當今世界(jiè)機床制造(zào)大國(guó)，數控系統(tǒng)在性(xìng)能、功能(néng)和成套(tào)化應用(yòng)方面均取得(dé)了長足進(jìn)步。

其中，低(dī)檔數(shù)控系統幾乎完(wán)全取代了(le)進口(kǒu)，中檔數控系統(tǒng)在系(xì)列化(huà)、商品化和(hé)産業化方(fāng)面成效顯著。高(gāo)檔數控系統已(yǐ)突破實(shí)現了五(wǔ)軸聯(lián)動功能，并在六軸數控砂(shā)帶磨床、五軸葉(yè)片銑床和車銑複合機(jī)床等設(shè)備上得到了示範應用(yòng)。

此外，中(zhōng)國企業針對零(líng)件（如手機(jī)殼）的大批量(liàng)、表(biǎo)面光(guāng)潔度(dù)高等(děng)特點(diǎn)，各(gè)自開發(fā)了多款專用系統(tǒng)和小型高速加工中心，大大(dà)降低(dī)了生(shēng)産成本，該市場現(xiàn)已基本(běn)被國産系統和主機占(zhàn)領。

不過(guò)，還是應(yīng)該(gāi)看到(dào)，國際上的數控(kòng)系統已經(jīng)有很(hěn)多成(chéng)熟(shú)的高(gāo)端(duān)産品，與世界機床強國相(xiàng)比，中(zhōng)國的(de)機(jī)床(chuáng)産品(pǐn)在全球機床市(shì)場的競争(zhēng)力差(chà)距依(yī)然很大。