一提到工業(yè)，最基礎的就(jiu)是制造。

所謂(wei)制造就是把(ba)各種各樣的(de)東西從原材(cái)料變成零件(jian)再裝配成産(chan)品。

在傳統的(de)金屬加工領(ling)域，零件的制(zhi)造就是火星(xing)四濺的鑄♊鍛(duan)焊以及硬碰(peng)硬的車銑刨(páo)磨鉗，我們生(sheng)活中見到的(de)任何一個稍(shāo)微有些形狀(zhuàng)的金屬，在我(wǒ)們見到之前(qian)，都已經在工(gong)廠經曆了多(duo)次鐵與火的(de)淬煉。

既然金(jīn)屬零件是機(ji)器制造的，那(nà)麼機器又是(shì)如何制造🐅的(de)呢？原來，它是(shì)通過數控機(jī)床完成的。

（一(yī)）從機床到數(shu)控機床，機器(qì)不再無腦幹(gan)活

機床是其(qí)他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出(chū)産的鋼鐵并(bìng)不是我們在(zài)生活中見到(dao)的各種👅奇奇(qi)怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管(guan)材、鑄錠等等(deng)形狀比較規(guī)則的材料，這(zhe)些材料要加(jia)工成各種形(xing)狀♌的零件就(jiu)需要使用機(ji)床進行切削(xuē)；還有一些精(jīng)度要求較高(gāo)㊙️和表面粗糙(cao)度要求較細(xi)的零件，就要(yao)在🔞機床上用(yòng)精🤩細繁複的(de)工藝切出來(lai)或者磨出來(lái)。

和所有的機(jī)器一樣，最初(chu)的機床包括(kuò)動力裝置、傳(chuán)🧑🏽‍🤝‍🧑🏻動裝置和💔執(zhí)行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入(ru)動力，通過傳(chuán)動裝♈置帶着(zhe)被加工🙇🏻的工(gōng)件或者刀具(jù)進行相對運(yùn)動，至于在哪(na)兒下刀、切多(duō)少、多快速度(dù)切等等問題(ti)💰，則由人在加(jiā)工過程中直(zhi)接進行控制(zhi)。

由于傳統機(jī)床使用的電(diàn)機的轉速在(zai)工作時基本(ben)上是不變的(de)，為了實現不(bú)同的切削速(sù)度，傳統的機(ji)床設計了🔞極(jí)為複雜🧑🏾‍🤝‍🧑🏼的傳(chuán)動系統。這種(zhǒng)複雜度的機(jī)械在現🤞今的(de)設計中已經(jing)不多見了。

而(er)随着伺服電(diàn)機（伺服電機(ji)就是可以在(zai)一定範圍🌐内(nèi)😄精确控制電(diàn)機的位置和(hé)轉速的電機(ji)）技術的發展(zhǎn)及其在數控(kong)機床♈上的應(ying)用，直接控制(zhi)電機的轉速(sù)變得方便快(kuai)捷效率高，而(ér)且基本上是(shi)無級變速，傳(chuán)動系統的結(jie)構大✨大簡化(hua)，甚至出現了(le)很多環節🏃🏻電(dian)機直接連接(jiē)到執行機構(gòu)上，而省略了(le)傳動系統。

這(zhè)種“直接驅動(dong)”的模式是現(xiàn)在機械設計(ji)領域的一大(dà)趨勢。

結構的(de)簡化還不夠(gou)，要實現各種(zhong)各樣的形狀(zhuàng)的零件的加(jiā)👈工👌，還需要讓(rang)機床可以高(gāo)效、準确的控(kong)制多台電🐆機(ji)合作完成整(zheng)個加工過程(cheng)。

這就要讓機(ji)床成為有“腦(nǎo)子”的數控機(ji)床了。而這個(ge)腦子就是數(shu)控系統，數控(kòng)系統的水平(ping)高低決定了(le)😍數控機床能(néng)幹多複雜、多(duo)精密的活兒(er)，也決定了這(zhe)台機床😘和他(ta)的操作者的(de)身價。

（二）數控系統(tong)能幹嘛？處理(lǐ)信息并控制(zhì)動力

數控系(xì)統（Numerical Controller System）是數控機(jī)床的大腦。

對(dui)于一般數控(kòng)機床而言，往(wǎng)往包含人機(ji)控制界面、數(shù)控系統、伺服(fú)驅動裝置、機(ji)床、檢測裝置(zhi)等等，操作🌈人(rén)員在一些計(jì)算機🙇🏻輔助制(zhì)造軟件的幫(bāng)助下，将加工(gong)過程所需的(de)各種操作（如(ru)主軸變速💜等(děng)步驟以及✔️工(gōng)件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程(cheng)序代碼表示(shì)，并通過人及(jí)控制界面輸(shu)入到數控機(jī)床，之後由數(shu)控系統對⭐這(zhe)些信息進㊙️行(hang)處理和運算(suan)，并按零件程(chéng)序的要求控(kòng)制伺服電機(ji)，實現刀具與(yǔ)工件的相對(dui)運動，以完成(chéng)零件的加工(gōng)。

數控系統完(wan)成諸多信息(xī)的存儲和處(chu)理的工作，并(bing)🔴将信息的處(chu)理結果以控(kòng)制信号的形(xing)式傳給後續(xù)的伺服電機(ji)，這些控🈲制信(xin)号的工作效(xiao)果依賴于兩(liǎng)大核心技術(shù)：一個是曲🛀線(xian)曲面的插補(bǔ)運算，一個是(shi)機床多軸的(de)運動控制。

（三(san)）零件形狀太(tài)“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如(ru)果運動軌迹(ji)可以用解析(xi)式表達，則整(zhěng)個運動就可(kě)以分㊙️解為💋幾(ji)個坐标的獨(dú)立運動的合(hé)成運動，就可(ke)以直接控制(zhi)電機生成💁了(le)。

但是制造過(guò)程中很多零(líng)件的形狀可(ke)以說是十分(fen)“自由💜”的🔆，既不(bú)圓、也不方，甚(shen)至都不知道(dào)是什麼形狀(zhuang)，例如汽車、輪(lun)船、飛機、模具(jù)☁️、藝術品等産(chan)品常遇到不(bu)能用解🔱析式(shi)描述的曲線(xiàn)曲面，這類曲(qǔ)線曲面稱為(wéi)自由曲線（Free Form Curves）或(huò)自由曲面。

要(yào)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jian)之間的相對(duì)運🥰動也相應(ying)的十分複雜(za)。具體到操作(zuò)中，就是要控(kòng)制工件🙇‍♀️台、刀(dāo)具都按照設(shè)計好的位置(zhi)-時間曲線進(jin)行運動，控制(zhì)這二者在規(guī)定的時間🚶以(yi)指定的姿态(tài)到達指定的(de)位置。

機床可(ke)以在工件和(hé)刀具之間很(hen)好地完成直(zhi)線段、圓💯弧㊙️或(huo)‼️其他的有解(jiě)析式的樣條(tiao)曲線的相對(duì)運動，而這種(zhǒng)複雜的“自由(yóu)”運動❤️又該怎(zěn)麼完成呢？答(dá)案是依靠插(cha)補運算。

所謂(wèi)插補，就是按(an)照一定方法(fǎ)确定數控機(jī)床上刀具的(de)運動軌✂️迹的(de)過程。根據給(gěi)定的速度和(he)軌迹，在軌迹(ji)的已知點💃之(zhi)間，增加一些(xiē)新的中間點(diǎn)，并控制工件(jian)台和刀具通(tong)過這些中間(jian)點，進而就能(neng)完成整🌈個運(yun)動。

而這些中(zhong)間點之間，則(zé)通過線段、圓(yuán)弧或者樣條(tiáo)曲🔞線🔱等來連(lian)接。相當于用(yong)數段微小的(de)線段和圓弧(hu)去逼近✂️要求(qiú)的曲線和曲(qǔ)面，這就是插(chā)補的本質。

流(liu)行的插補算(suàn)法包括逐點(dian)比較法、數字(zi)增量法等，而(er)利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補(bǔ)因為其效率(lü)高、精度好而(er)得到了高端(duān)數控機床的(de)青睐。