（一）從機(jī)床到(dào)數控機床，機(jī)器不再無(wú)腦幹活(huó)

機床是其他機器的“母機”。

煉鋼廠出産的鋼鐵并不是我們在(zài)生活中見(jiàn)到的各種奇奇怪怪的形狀，而是闆(pǎn)材、管材、鑄錠等等形狀比較規則的材料，這些(xiē)材料要加工成各種(zhǒng)形狀的零件就需要使用機床進行切削(xuē)；還有一些精度要求較高和表(biǎo)面粗糙度要求較細的(de)零件，就要在機床上用精細繁複的工藝切出來(lái)或者(zhě)磨出(chū)來(lái)。

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

由于傳統(tǒng)機床使(shǐ)用的電機的轉速(sù)在工(gōng)作時基本上(shàng)是不變(biàn)的，為了實現不同的切削(xuē)速度，傳統的機(jī)床設計了極為複雜的傳動系統。這種複(fú)雜度的機械(xiè)在現(xiàn)今的設計中已經(jīng)不多見了。

而随着伺服電機(jī)（伺服電(diàn)機就是可以在一定(dìng)範圍内精确控制電機的位置和轉速的電機）技術(shù)的發(fā)展及(jí)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)捷效率高(gāo)，而且基(jī)本(běn)上是無級變速(sù)，傳動系統的結構大大簡化，甚(shèn)至出現了很多環節(jiē)電機直接連接到執(zhí)行機(jī)構上，而(ér)省略了傳動系統。

這種(zhǒng)“直接驅動”的模式是(shì)現在機械設計領域的(de)一大趨勢。

結構的簡化還不(bú)夠，要實現各種各樣(yàng)的形狀的零件的加工，還需要(yào)讓(ràng)機床可以高效、準确的控制多(duō)台電機合作完成整個加工過程。

這就要讓(ràng)機床成為有“腦(nǎo)子”的數控機床了。而這個腦子(zǐ)就是數控系統，數控系統的水平高低決定了數控機床能幹(gàn)多複雜、多精密的活兒，也決定了這台機床和(hé)他(tā)的操作者的(de)身價。

（二）數控系統能幹嘛？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(zhuāng)置等等，操作人員在一些計算機輔助制造軟(ruǎn)件的幫(bāng)助下，将加工過程所需的各種操作（如主軸變速等步驟以及工件的形(xíng)狀尺寸）用零(líng)件程序代碼表(biǎo)示，并通(tōng)過人及控制界面(miàn)輸入到數控機床，之後由數控系統對這些信息進行處理(lǐ)和運算，并按零件程序的要(yào)求控制伺服電機，實(shí)現刀具與工件(jiàn)的相對運動，以完成(chéng)零件的加工。

數控系統完成諸(zhū)多信(xìn)息的(de)存儲和處理的工作(zuò)，并将信息(xī)的處理結果以控(kòng)制信号的形式傳給後續的伺服電機，這些控制信号的工作效果依賴(lài)于(yú)兩大核心技(jì)術：一個(gè)是曲線曲面的插補運算，一個是機床(chuáng)多軸的運動控制。

（三）零件形狀太“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如果運動軌迹(jì)可以用解析(xī)式(shì)表達，則整個(gè)運動就可以分解(jiě)為幾個坐标的獨立(lì)運動的合成運(yùn)動，就可以直(zhí)接控制電機生成了。

但是制造過程中很多零件的形狀可以(yǐ)說是十分(fèn)“自由(yóu)”的，既不圓、也不方，甚至都不知道是(shì)什麼形狀，例如(rú)汽車、輪船、飛機(jī)、模(mó)具(jù)、藝術品等産品常遇到不能用解析式描述的曲線曲(qǔ)面，這類曲線曲面稱為(wéi)自由曲線（Free Form Curves）或自由曲面。

要切出來這些“自由”的形狀，刀具和工件之間的相對運動也相應的十分複雜。具體到操作中，就(jiù)是要控制工件台、刀具都按照設計(jì)好的位置-時間曲(qǔ)線進行運動，控制(zhì)這二者在規定的時間以指定的姿态(tài)到達指定的位(wèi)置。

機床(chuáng)可以在工件和刀具之間很好地完成直線段、圓弧或其他的有(yǒu)解析式的樣條曲線的相對(duì)運動，而這種複雜的“自由(yóu)”運動又該怎麼完成(chéng)呢？答案是依靠插補運(yùn)算。

所謂插補，就是按照一定(dìng)方法确定數控機床上刀具的運動(dòng)軌迹(jì)的過程(chéng)。根據(jù)給定的速度和(hé)軌迹，在軌迹的已知點之間，增加一些新的中間點，并控(kòng)制工件台和刀具(jù)通過這(zhè)些中間點，進而就能完成整個運動。

而這些中間點(diǎn)之間，則通過線段、圓弧或(huò)者樣條曲線等來連接。相(xiàng)當于用數段微(wēi)小(xiǎo)的線段(duàn)和圓弧去逼近要求的曲線和曲面，這就是(shì)插補的本質。

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

（四）刀的姿(zī)态不對無法加工(gōng)？五坐标聯動分(fèn)分鐘搞定

加(jiā)工複雜曲面不光要理(lǐ)論上可以加工，還需要考慮刀(dāo)具和被加工的表面之間的相對(duì)位置關系。

一方面如果刀具(jù)的姿态不合适會導緻(zhì)加(jiā)工的表面(miàn)質量低下；另一方(fāng)面刀具還會和加(jiā)工好的零件結構互(hù)相幹涉，不(bú)調整刀具的相對姿态根本沒有辦法加(jiā)工。這就需(xū)要賦予數控機床更多的(de)運動(dòng)自由度，使之更為靈(líng)巧。

由于我們所處的三維空間的相對運動隻(zhī)包含六個自由度（3個平動自由度以及3個轉動自由度），五(wǔ)坐标聯動就是使數控機床在具有空間上x、y、z三個方(fāng)向的平動(dòng)自由度外，又增加了兩個(gè)方向的轉動的自由度，再加上刀具本身的用于切削的轉動自由度，這樣刀具和工件之(zhī)間(jiān)的相(xiàng)對運動就有了全部(bù)的六個自由度，使得刀具和工件之間可(kě)以呈現任意的相對位置和相對姿态。

雖然标了4個平動自由度，但是其實質上也隻是實現(xiàn)了x、y、z三個方向的運動，有一個(gè)自由度是冗餘的，其實質上是一個五坐标(biāo)聯動機床。

（五）國産數控系統：逐漸邁向高端市場

中國(guó)是當今世界機床(chuáng)制造大國(guó)，數控系統在性能、功能和成套(tào)化應用方面均取得了(le)長足進步。

其中，低(dī)檔數控系統幾乎完全取代了進口，中檔數(shù)控系統(tǒng)在系列化(huà)、商品化和産(chǎn)業化方面成效顯著。高(gāo)檔數控系統已(yǐ)突破實現了五軸聯動功能，并在六軸數控砂帶磨床、五軸葉片銑床和車銑複合機床等設(shè)備上得到了示範應用。

此外(wài)，中(zhōng)國企(qǐ)業針對零件（如(rú)手機殼）的(de)大批量、表面光潔度高等特點(diǎn)，各自開發了多款專用系統和小型高速加工中心(xīn)，大大降低了生産成本，該市場(chǎng)現已(yǐ)基本被國(guó)産系統和主機占領。

不過(guò)，還是應該看到，國際上的數控系統已經有很(hěn)多成熟的高端産品，與(yǔ)世界機床強國相比，中國的機床(chuáng)産品在全球(qiú)機床市場的競争力差距依(yī)然很大。