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電腦數位控制的基本知識
Mike Lynch, CNC Concepts, Inc.
如何利用Rhino數據進行CNC車床動作或切割，並了解其中可能牽涉到的問題，您需要了解數值控制的過程以及如何運作。希望此入門對您有所幫助。
CNC - 電腦數值控制 - 指利用電腦來控制與監測機器的運動。這台機器可以是銑床、 車床、 路由器、 焊工、 磨床、 鐳射或水射流切割機、 鈑金沖壓機床、 機器人或許多其他類型的機器。對於較大的工業機器，機身上一般已有電腦控制器。但對於更多業餘愛好者類型的機器，或是改造一下，這個數控電腦可以是一部一般的外部PC。CNC數控與一連串的馬達及磁碟機元件控制著機軸，執行設定好的動作。工業用機器通常備有一個複雜的回饋系統，不斷監視並調整切割的速度與位置。
桌上型數控機器 - 一般也有很多業餘愛好者用來建模的小型桌上型數控機器。通常重量輕，較不堅固也比較沒有那麼精準，速度較慢而且比工業版便宜。但可以在較軟的材料上操作，如塑膠、泡棉和蠟。 有些桌上型機器使用起來就像操作印表機，有些有自己封閉的指令系統，可能還會有專用的CAM軟體。有一些接受標準G碼。 有些工業標準桌上型數控機器，有這精密的操控面板，可以做精密的工作。
CAM - 電腦輔助製造 - 指的是基於3D模型數據(CAD)，利用各種軟體建立刀具路徑和NC代碼來操作CNC數控機器。這兩樣一同使用時通常被稱為CAD/CAM。
註：CAM不實際操作CNC數控機器，但建立代碼讓CNC可以跟隨動作。CAM也不是一個自動操作過程，不是匯入CAD模型就會有正確的NC代碼出現。 CAM程式設計，就像3D建模，需要執行程式、發展加工策略，也要了解在什麼情況下用哪些工具才能得到最好的效果，需要知識與經驗。 雖然針對沒有經驗的使用者，有簡單的程式，但精密的模型需要投資金錢與時間才能夠更有成效。
NC 代碼 – 一種數控機器可以理解和執行，相對簡單的電腦語言。這些語言最初在沒有CAM程式輔助之下直接從機器鍵盤發展出來的，可以告訴機器執行哪些動作，也控制其他功能如主軸或是給進速度、冷卻劑等。最常用的語言是G-code或ISO code，一種簡單的字母數位程式設計語言，最早用在70年代CNC數控機器上。
後處理器(Postprocessor) - G-code雖然認為是“標準”，但每個製造商都有自由修改輔助功能，所以為一台機器建立的G-code不一定適合另一台。 很多製造商也開發了自己的程式設計語言，如Heidenhain或Mazak/Mazatrol。所以要將CAM軟體內部計算好的路徑轉換為CNC數控機器能夠了解的NC code，中間有個做為橋樑的軟體，就是後處理器。 只要後處理器設定正確，就能輸出適當的代碼給選擇的機器。理論上CAM系統能夠為任何機器輸出代碼。 後處理器有可能隨CAM系統免費附上，或者必須另外付費。
CNC數控機器可以有幾個軸的運動操作，而這些運動可以是線性或者可以旋轉。 許多機器兩種都有。 切割機利入雷射或是水刀通常有兩個線性軸，X跟Y。 銑床通常至少有三軸， X、Y跟Z，而且也可以有額外的旋轉軸。 五軸銑床有三個線性軸與兩個旋轉軸，讓切割工具能夠以180度半球或是更多的角度來運作。雷射切割也有五軸的，機器手臂可能有五個以上的軸。
依照使用年數及精密度，可限制CNC機器的控制以及驅動系統的能力。大部分CNC控制器只能理解直線動作以及圓弧，而且很多時候圓弧限制在主要XYZ軸。 旋轉軸可以被看成直線動作，只是以角度取代距離。 要建立與主軸成一定角度的圓弧或直線動作，兩個或更多軸必須“插補”，也就是更精密的以同步方式移動。線性或旋轉軸能夠同時差補。五軸的機器運作時，五個軸都必須完美同步 - 這並不是一項簡單的工作。
機器控制器可以接收處理進來的數據、傳送驅動系統的指令以及監測機器速度及位置的速度是很關鍵的。舊型或是較便宜的機器比較沒有這方面的能力，就像一台老舊電腦工作效能，與新的比起來較差也較慢。
一個典型的問題是如何設定檔案以及做CAM的設計，所以機器可以順利執行您的零件，並有效的處理數據。 由於CNC只控制並理解弧與線條，任何無法可敘述的形式就必須轉換。典型需要的是“雲行線”，比如NURBs 不是弧形也不是線的曲線，以及3D曲面。有些桌上型機器系統無法理解圓弧，所以所有資料必須被轉換為折線。
雲形線可以分解為一系列的直線段、一系列的圓弧，或是以上兩種的組合。您可以想像第一個選擇是一系列的弦在雲形線上，每一條弦的一端都接觸雲形線並且中間有一定的偏差。另一個方式是將雲形線轉換成折線。所用的組合斷片越少，接近值越粗略，也會呈現較多的小的面。用更細微的組合能夠增加平整度，但需用到的組合數量將會大量增加。 您可以想像，如用一系列長一點，數量少一點的圓弧將能夠在公差內更接近的完成雲形線。這是為何寧願以弧形轉換而不用簡單的摺線轉換，尤其在使用較老舊機器時。 新型的機器較不會問題。
曲面可以想像為相同的雲形線的最接近值，只是與空間之間(通常稱為“跨距”)的跨越方向乘以許多倍。通常曲面都由線段組成，但有時也需要弧形與線段的組合。
組成片段的數量以及尺寸由選擇執行方式的準確度所決定 ，並直接影響執行效果。 太多短小的片段將會癱瘓老舊機器，太少片段則會做出有太多面的零件。CAM系統通常就是處理這類工作中接近值的部分，一個有經驗的操作員知道使用者的需求，也了解機器的能力，通常不會有什麼問題。但某些CAM也許無法負擔雲形線或是某些類型曲面，所以您可能需要在進入CAM程序前先在CAD軟體裡面做處理 (Rhino)。CAD與CAM的轉換(經由相通的平台如IGES、DXF等)，有時還是會有問題產生，取決於不同程式匯入/匯出功能的品質。
您的計畫專案可以是：
2軸 如果所有切割都發生在相同平面上。在這種情況下，切割刀具沒有任何在Z軸運動的能力。 X與Y軸可以“插補”並同時打造傾斜角度的線與弧形。
2.5軸 如果所有切割都在平行平面上發生，但不一定在同樣高度或深度，那麼切割刀具可以在Z(垂直)平面上改變高度，但不能與X、Y同時運動。 一個例外有可能是切割刀具螺旋插補，也就是在XY軸座圓形動作時，同時也在Z軸座移動形成螺旋切割(比如螺紋銑削)。
上述方法還有一個分組的方式，讓任兩軸同時插補，但這方式無法用在第三軸。 這種方式讓為數有限的3D物件成為可能，經由在XZ或YZ平面切割，不過與全面3軸插捕的方式相比仍有許多限制。
3軸同時控制XYZ軸運作的，也就是一般自由形式曲面切割需要的。
4軸如果以上任一種組合再加上一軸旋轉運動，就有兩個可能 - 4軸同時插補 (True 4th Axis)，或者是第四軸能夠在三軸運作中擺放在三軸運作中擺放，但實際上在切割過程中並無運動。
5軸以上組合再加上兩個旋轉軸運動。除了“true 5 axis加工” (在加工過程中同時運作)，可能也有“3+2”或3軸加工+2個獨立軸的定位，以及在少見的情況下“4+1”或連續的4軸加工+單一第五軸定位。 很複雜吧!?
待續… –MSH28.10.07