对于数控机床来说，数控系统就像大脑一样负责处理信息并控制机床的动力。当要加工的零件形状不规则时，插补运算可以解决；而当零件的形状特殊，机床的刀具无法进行切削时，五坐标联动技术就派上了用场。
　　一提到工业，最基础的就是制造。
　　而所谓制造就是把各种各样的东西从原材料变成零件再装配成产品。

　　图：火星四溅的热加工：铸造

　　在传统的金属加工领域，零件的制造就是火星四溅的铸锻焊以及硬碰硬的车铣刨磨钳，我们生活中见到的任何一个稍微有些形状的金属，在我们见到之前，都已经在工厂经历了多次铁与火的淬炼。

　　图：硬碰硬的冷加工：车削

　　既然金属零件是机器制造的，那么机器又是如何制造的呢？原来，它是通过机床完成的。
　　（一）从机床到数控机床，机器不再无脑干活
　　机床是其他机器的“母机”。
　　炼钢厂出产的钢铁并不是我们在生活中见到的各种奇奇怪怪的形状，而是板材、管材、铸锭等等形状比较规则的材料，这些材料要加工成各种形状的零件就需要使用机床进行切削；还有一些精度要求较高和表面粗糙度要求较细的零件，就要在机床上用精细繁复的工艺切出来或者磨出来。

　　图：形状复杂、制造精度和表面粗糙度要求极高的零件：燃气机叶轮

　　和所有的机器一样，最初的机床包括动力装置、传动装置和执行装置，靠电机转动输入动力，通过传动装置带着被加工的工件或者刀具进行相对运动，至于在哪儿下刀、切多少、多快速度切等等问题，则由人在加工过程中直接进行控制。

　　图：传统装备的三大核心装置

　　由于传统机床使用的电机的转速在工作时基本上是不变的，为了实现不同的切削速度，传统的机床设计了极为复杂的传动系统。这种复杂度的机械在现今的设计中已经不多见了。

　　图：传统机床（x5032型立式铣床）的传动结构十分复杂

　　而随着伺服电机（伺服电机就是可以在一定范围内精确控制电机的位置和转速的电机）技术的发展及其在数控机床上的应用，直接控制电机的转速变得方便快捷效率高www.cechina.cn，而且基本上是无级变速，传动系统的结构大大简化，甚至出现了很多环节电机直接连接到执行机构上，而省略了传动系统。
　　这种“直接驱动”的模式是现在机械设计领域的一大趋势。

　　图：伺服电机直驱使得数控立式铣床的传动结构大大简化

　　结构的简化还不够，要实现各种各样的形状的零件的加工，还需要让机床可以高效、准确的控制多台电机合作完成整个加工过程。
　　这就要让机床成为有“脑子”的数控机床了。而这个脑子就是数控系统，数控系统的水平高低决定了数控机床能干多复杂、多精密的活儿，也决定了这台机床和他的操作者的身价。
　　（二）数控系统能干嘛？处理信息并控制动力
　　数控系统（Numerical Controller System）是数控机床的大脑。

　　图：一般数控机床的组成

　　对于一般数控机床而言，往往包含人机控制界面、数控系统、伺服驱动装置、机床、检测装置等等，操作人员在一些计算机辅助制造软件的帮助下，将加工过程所需的各种操作（如主轴变速等步骤以及工件的形状尺寸）用零件程序代码表示，并通过人及控制界面输入到数控机床，之后由数控系统对这些信息进行处理和运算，并按零件程序的要求控制伺服电机，实现刀具与工件的相对运动，以完成零件的加工。

　　图：数控机床的加工过程

　　数控系统完成诸多信息的存储和处理的工作，并将信息的处理结果以控制信号的形式传给后续的伺服电机，这些控制信号的工作效果依赖于两大核心技术：一个是曲线曲面的插补运算控制工程网版权所有，一个是机床多轴的运动控制。
　　（三）零件形状太“自由”？靠插补运算搞定
　　如果运动轨迹可以用解析式表达，则整个运动就可以分解为几个坐标的独立运动的合成运动，就可以直接控制电机生成了。
　　但是制造过程中很多零件的形状可以说是十分“自由”的，既不圆、也不方，甚至都不知道是什么形状，例如汽车、轮船、飞机、模具、艺术品等产品常遇到不能用解析式描述的曲线曲面，这类曲线曲面称为自由曲线（Free Form Curves）或自由曲面。

　　图：包含自由曲面的零件

　　要切出来这些“自由”的形状，刀具和工件之间的相对运动也相应的十分复杂。具体到操作中，就是要控制工件台、刀具都按照设计好的位置-时间曲线进行运动，控制这二者在规定的时间以指定的姿态到达指定的位置。
　　机床可以在工件和刀具之间很好地完成直线段、圆弧或其他的有解析式的样条曲线的相对运动，而这种复杂的“自由”运动又该怎么完成呢？答案是依靠插补运算。
　　所谓插补，就是按照一定方法确定数控机床上刀具的运动轨迹的过程。根据给定的速度和轨迹，在轨迹的已知点之间，增加一些新的中间点，并控制工件台和刀具通过这些中间点，进而就能完成整个运动。
　　而这些中间点之间，则通过线段、圆弧或者样条曲线等来连接。相当于用数段微小的线段和圆弧去逼近要求的曲线和曲面，这就是插补的本质。
　　流行的插补算法包括逐点比较法、数字增量法等，而利用Nurbs样条曲线进行插补因为其效率高、精度好而得到了高端数控机床的青睐。
　　（四）刀的姿态不对无法加工？五坐标联动分分钟搞定
　　加工复杂曲面不光要理论上可以加工，还需要考虑刀具和被加工的表面之间的相对位置关系。
　　一方面如果刀具的姿态不合适会导致加工的表面质量低下；另一方面刀具还会和加工好的零件结构互相干涉控制工程网版权所有，不调整刀具的相对姿态根本没有办法加工。这就需要赋予数控机床更多的运动自由度，使之更为灵巧。

　　图：空间中的六个自由度

　　由于我们所处的三维空间的相对运动只包含六个自由度（3个平动自由度以及3个转动自由度），五坐标联动就是使数控机床在具有空间上x、y、z三个方向的平动自由度外，又增加了两个方向的转动的自由度，再加上刀具本身的用于切削的转动自由度，这样刀具和工件之间的相对运动就有了全部的六个自由度，使得刀具和工件之间可以呈现任意的相对位置和相对姿态。

　　图：一种五坐标联动机床

　　如上图所示，虽然图中标了4个平动自由度，但是其实质上也只是实现了x、y、z三个方向的运动，有一个自由度是冗余的，其实质上是一个五坐标联动机床。

　　图：五坐标联动机床加工复杂曲面

　　（五）国产数控系统：逐渐迈向高端市场
　　中国是当今世界机床制造大国，数控系统在性能、功能和成套化应用方面均取得了长足进步。
　　其中，低档数控系统几乎完全取代了进口，中档数控系统在系列化、商品化和产业化方面成效显着。高档数控系统已突破实现了五轴联动功能，并在六轴数控砂带磨床、五轴叶片铣床和车铣复合机床等设备上得到了示范应用。
　　此外，中国企业针对零件（如手机壳）的大批量、表面光洁度高等特点，各自开发了多款专用系统和小型高速加工中心，大大降低了生产成本，该市场现已基本被国产系统和主机占领。
　　不过控制工程网版权所有，还是应该看到，国际上的数控系统已经有很多成熟的高端产品，与世界机床强国相比，中国的机床产品在全球机床市场的竞争力差距依然很大。
　　结语
　　虽然时下机床产业不够景气，但作为机器的母机CONTROL ENGINEERING China版权所有，在中国大力发展智能制造产业的大背景下，智能机床产业也必将有光明的未来。