（一）從機床到數控機床，機器不再無（wú）腦幹活

機床（chuáng）是其他機器的“母機”。

煉鋼廠（chǎng）出產的鋼鐵並不是17C吃瓜网在生活中（zhōng）見到的各種奇奇怪怪的形（xíng）狀，而是板（bǎn）材、管材、鑄錠等等（děng）形狀（zhuàng）比較規則的（de）材料，這些（xiē）材料（liào）要（yào）加工成各（gè）種形狀的零件就需要使用機床進行切削；還有（yǒu）一些精度要求較高和表麵粗糙度要求較細的零（líng）件，就要在機（jī）床上用精（jīng）細繁複的（de）工藝切出來或（huò）者磨出來。

和所有的機器一樣，最初的機床包括（kuò）動力裝置、傳動裝置和執行裝置，靠（kào）電機轉（zhuǎn）動輸（shū）入動力，通過傳動裝置帶著被加（jiā）工的工件或者（zhě）刀（dāo）具進行相對運動，至於在哪兒下刀、切多少（shǎo）、多快速度切等等問題，則由（yóu）人在加工過程中直接進行（háng）控製。

由於傳統機床使用的電機的轉速在工作時基本上是不變的，為了（le）實現不（bú）同的（de）切削速度，傳統的機床設計了極為複雜的傳動係統。這種複（fù）雜度（dù）的機械在現今的設計中已經（jīng）不多見了。

而隨著伺服電機（伺服電機就是可以在一定範圍內精確控製電機的（de）位置和轉速的電機）技（jì）術的發展及其在數控機床上的應用，直接控製電機（jī）的（de）轉速變得方便快捷效率高，而且基本上是（shì）無級變速，傳動係統的結構大大簡化，甚至出（chū）現了很多環節電機直接連接（jiē）到執（zhí）行機構上，而省略了傳動（dòng）係（xì）統。

這（zhè）種“直接驅（qū）動”的模式是現在機械設計領域（yù）的一大趨（qū）勢（shì）。

結構的（de）簡化還不（bú）夠，要實現各種各樣的形狀的零件的加工，還需要讓機床可以高效、準確的（de）控製多台電機合作完成整個加工過程（chéng）。

這就（jiù）要讓機床成為有“腦子（zǐ）”的數控機床了。而這個（gè）腦子就是（shì）數控係統，數控係統的水平高（gāo）低決定了數控機床能幹多複（fù）雜、多精密（mì）的活兒，也決定了這台機床（chuáng）和他的操作者的身價。

（二（èr））數控係統能幹嘛？處理信息並控製動力

數（shù）控（kòng）係統（Numerical Controller System）是數控機床的大腦。

對於（yú）一般數控機床而言（yán），往往包含人機控製界麵、數（shù）控係統、伺（sì）服驅（qū）動裝（zhuāng）置、機床、檢測裝置等等（děng），操作人（rén）員在一些計算機輔助製造軟件的幫助下，將加工過程所需的各種（zhǒng）操作（如主軸變速等（děng）步驟以及工件的形狀尺寸）用零件（jiàn）程序代碼表（biǎo）示（shì），並通（tōng）過人及控製界麵輸入到數控機床，之後由數控係統對這些信息進行（háng）處理和運算，並按零件程（chéng）序（xù）的要求控製伺服電機，實現（xiàn）刀具與工件的相對運（yùn）動，以完成零件的加工。

數控係（xì）統完成諸多信息的存儲（chǔ）和處理的工作，並將信息的處理結果（guǒ）以控製信號的形式傳給後（hòu）續（xù）的伺服電機，這些控（kòng）製信號的工作效果依賴於兩大（dà）核心技術（shù）：一個是曲線曲麵的插補（bǔ）運算，一個（gè）是機床多軸的運動控製。

（三）零件形狀太“自由”？靠插補運算（suàn）搞定

如果運動軌跡可以用解（jiě）析式表達，則整個運動就可以分解為幾（jǐ）個坐標的獨立運動的合成運動，就可（kě）以直接控（kòng）製電機生成了。

但是製造（zào）過程中很多（duō）零件（jiàn）的形狀可以說是十分“自由”的（de），既不圓、也不方，甚至都不知道是什麽形狀，例如汽車、輪船、飛機、模（mó）具、藝術品等產品常遇到不能用解析式描述的曲線（xiàn）曲麵，這（zhè）類曲線曲麵稱為自由（yóu）曲線（Free Form Curves）或自由曲麵（miàn）。

要切出來這些（xiē）“自由”的形狀，刀具和工件之間的相對運動也相應的十（shí）分複雜。具體到操作中，就是要控製工件台、刀具都按照設計好的位置-時（shí）間曲線進行（háng）運動，控製這二者在規定的時間以指定的姿態到達指定的位置。

機床可以（yǐ）在（zài）工件和刀具之間很好地（dì）完成直線段、圓弧或其（qí）他的（de）有解析式的樣條曲（qǔ）線的相對運動，而這種複雜的“自由（yóu）”運動又該怎麽完成呢？答案是依靠插補運（yùn）算。

所謂插補（bǔ），就（jiù）是按照一定方法確定（dìng）數控機床上刀具的運動軌跡的過（guò）程。根據給定的速度和軌跡，在軌跡的已知點之間，增加一些新的中間點，並控（kòng）製工件台和刀具通（tōng）過（guò）這些中間點，進而就能（néng）完成整個（gè）運動。

而這些中間點（diǎn）之間，則通過線段、圓弧（hú）或者樣條曲線等來連（lián）接。相當於用（yòng）數段微小的線段（duàn）和圓弧去逼近要求的曲線和曲麵，這（zhè）就是插補的本質。

流（liú）行的插補（bǔ）算法包括逐點比較法、數字增量法等，而（ér）利用Nurbs樣條曲線進（jìn）行插補因為其（qí）效率高（gāo）、精度好（hǎo）而得到了高端數控（kòng）機床的青睞

（四）刀的姿態不對無法加工？五坐（zuò）標聯動（dòng）分分鍾搞定

加工複雜曲麵不光（guāng）要理論上可以加工，還需要考（kǎo）慮刀具和被加（jiā）工的表麵之間的相（xiàng）對位置關（guān）係。

一方（fāng）麵如果刀具的姿態不合適會導致加工的表麵（miàn）質量低下；另一方麵刀具還會和加（jiā）工好的零（líng）件結構互（hù）相幹涉，不調整刀具的相對姿態根本沒有辦法加工。這就（jiù）需（xū）要（yào）賦予數控機床更多的（de）運動（dòng）自由度（dù），使之更為靈巧。

由於17C吃瓜网所處的三維空間的相對運動隻包含六個自由度（3個平（píng）動自由度以及3個轉動自由度），五坐標（biāo）聯動就是使數控機床在具有空（kōng）間上x、y、z三個方向的平動自由度外，又增加了兩（liǎng）個方向的轉動的自由度，再加上刀具本身的用於切削的轉動自（zì）由度（dù），這樣刀具（jù）和工（gōng）件之間的相（xiàng）對運動就有了全部的六個自由度，使得（dé）刀具和工（gōng）件之間（jiān）可以呈現任（rèn）意的相對位置和相（xiàng）對姿態。

雖然標了4個平動自由度，但是其實質上也隻（zhī）是實現了x、y、z三（sān）個方向的運動，有一個（gè）自（zì）由度是冗餘的，其實（shí）質上是一個五坐標聯動機床。

（五）國產數控（kòng）係統：逐漸（jiàn）邁向（xiàng）高端市場

中國是（shì）當今世界機床製造大國，數控係統在性能、功能和成套化應用方麵均取得了長足進步。

其中，低（dī）檔數控係統幾乎完（wán）全（quán）取代了進口，中檔數控係統在係列化、商品化和產業化方麵成效顯著。高檔數控係統（tǒng）已突破實現了五軸聯（lián）動功能，並（bìng）在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑複合機床（chuáng）等設備（bèi）上得到（dào）了示範應用。

此外，中國企業針對零件（如手機殼）的大批量（liàng）、表麵光潔度高等特（tè）點，各自開發了多款專用係統和小型高速加工中心，大大降（jiàng）低了生產成（chéng）本，該市場現已（yǐ）基本被國產係統和主機占領。

不過，還是應該（gāi）看到，國際上的數控係統已經有很多成熟（shú）的高端產品，與世界機床強國相比，中國的機床產品在全球機床市場的競爭力差距依然很大。