一提到工業(ye)，最基礎的就(jiù)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(lǐng)域，零件的制(zhì)造就是火星(xing)四濺的㊙️鑄鍛(duàn)焊🤟以及硬碰(peng)硬的車銑刨(pao)磨鉗，我們生(sheng)活中見到的(de)任何一個稍(shao)微有些形狀(zhuang)的金屬，在我(wo)們見到之前(qian)，都已經在工(gong)🔞廠經曆了多(duō)次鐵與火的(de)淬煉。

既然金(jīn)屬零件是機(jī)器制造的，那(na)麼機器又是(shì)如何制㊙️造的(de)呢？原🚶來，它是(shi)通過數控機(jī)床完成的。

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

機床是其(qí)他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出(chu)産的鋼鐵并(bing)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(guǎn)材、鑄錠等等(děng)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(jiù)需要使用機(jī)床進行切削(xue)；還有一些精(jing)度要求較高(gāo)和表面粗糙(cao)度要求較細(xì)的零❤️件，就要(yào)在機床上用(yòng)精👌細繁複的(de)工藝切出來(lai)或者磨出來(lai)。

和所有的機(ji)器一樣，最初(chū)的機床包括(kuò)動力裝置、傳(chuán)動🧡裝置和執(zhi)行裝置，靠電(dian)機轉動輸入(rù)動力，通過傳(chuán)動裝置帶着(zhe)被加工的工(gong)件或者刀具(ju)進行相對運(yùn)動，至于在哪(nǎ)兒🔴下刀、切多(duo)少、多🐅快速度(du)切等等問題(tí)，則由人在加(jia)工過程中直(zhí)接進㊙️行控制(zhì)。

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(zhong)複雜度的機(ji)🔞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(jī)就是可以在(zài)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(zhan)及☂️其在數控(kong)機床上的應(yīng)用，直接控制(zhì)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(huà)，甚🚶‍♀️至出現了(le)很多環節✨電(dian)機直接連接(jie)到執行機構(gòu)上，而省略了(le)傳動系統。

這(zhe)種“直接驅動(dòng)”的模式是現(xian)在機械設計(ji)領域的一大(da)🔞趨勢。

結構的(de)簡化還不夠(gòu)，要實現各種(zhong)各樣的形狀(zhuang)的零件🈲的加(jiā)工，還需要讓(ràng)機床可以高(gāo)效、準确的控(kòng)制多台電機(jī)合作完成整(zhěng)個加工過程(chéng)。

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(kong)系統的水平(píng)高低決定了(le)數控機床能(néng)幹多複雜、多(duo)精密的活兒(ér)，也決定了這(zhè)📐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(li)信息并控制(zhi)動力

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

對(duì)于一般數控(kòng)機床而言，往(wang)往包含人機(ji)控制界面、數(shù)控系統、伺服(fu)驅動裝置、機(jī)床、檢測裝置(zhì)等等，操作人(ren)員在一些計(jì)算機⭐輔助制(zhi)造軟件的幫(bang)助下，将加☂️工(gong)過程所需的(de)各種操作（如(rú)主🔞軸變速等(deng)步驟以及工(gong)件的形狀尺(chi)寸）用零件程(cheng)序代碼表示(shì)，并通過人⚽及(ji)控制界面輸(shū)入到數控機(jī)床，之後由數(shù)控系統對這(zhe)些信息進⭐行(hang)處理和運算(suàn)，并按零件程(cheng)序的要求控(kong)制伺服電機(ji)，實💁現刀具與(yǔ)工件的相對(duì)運動，以完成(cheng)零件的加工(gong)。

數控系統完(wán)成諸多信息(xī)的存儲和處(chu)理的工作，并(bìng)✂️将信息的🏃🏻處(chù)理結果以控(kòng)制信号的形(xing)式傳給後續(xu)的伺服電機(jī)，這些控制信(xìn)号的工作效(xiao)果依賴于兩(liang)大核心技術(shu)：一個是曲線(xiàn)曲面的插補(bǔ)運算，一個是(shi)🤞機床多軸的(de)運動控制。

（三(sān)）零件形狀太(tài)“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如(ru)果運動軌迹(jì)可以用解析(xī)式表達，則整(zhěng)個運動就可(ke)以分解💜為幾(ji)個坐标的獨(du)立運動的合(he)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(shèn)至都不知道(dao)是什麼形狀(zhuang)，例如汽車🌐、輪(lun)船⛹🏻‍♀️、飛機、模具(jù)🈲、藝術品等産(chǎn)品常遇到不(bú)能用解析式(shì)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(yao)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jiàn)之間的相對(duì)運動也🍓相應(yīng)的十分複雜(zá)。具體到操作(zuo)中，就是要控(kong)制♍工件🌈台、刀(dao)具都按照設(shè)計好的位置(zhi)-時間曲線進(jìn)行運動，控制(zhì)🔴這二者在規(guī)定的時間以(yǐ)指定的姿态(tai)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(huò)其他❓的有解(jiě)析式的樣條(tiao)曲線的相對(dui)運動，而這種(zhong)複雜的“自由(yóu)”運動又該怎(zěn)麼完成呢？答(dá)案是依靠插(chā)補運算。

所謂(wei)插補，就是按(an)照一定方法(fa)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(hé)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(jiān)點，進而就能(neng)完成整⚽個運(yun)動。

而這些中(zhōng)間點之間，則(ze)通過線段、圓(yuan)弧或者樣條(tiáo)曲線🆚等來連(lián)接。相當于用(yong)數段微小的(de)線段和圓弧(hu)去😍逼近🌐要求(qiu)的曲線和🌈曲(qǔ)面，這就是插(cha)補的本質。

流(liu)行的插補算(suan)法包括逐點(diǎn)比較法、數字(zì)增量法等，而(er)利用Nurbs樣條☎️曲(qu)線進行插補(bu)因為其效率(lǜ)高、精度好而(er)得到了高端(duan)數控機床的(de)青睐。