一提到工業(ye)，最基礎的就(jiu)是制造。

所謂(wèi)制造就是把(ba)各種各樣的(de)東西從原材(cai)料變成零🔞件(jiàn)再裝配🏃‍♀️成産(chan)品。

在傳統的(de)金屬加工領(lǐng)域，零件的制(zhi)造就是火星(xīng)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(shāo)微有些形狀(zhuàng)的金屬，在我(wo)們見到之前(qian)，都已經在工(gōng)🍉廠經曆了多(duō)次鐵與火的(de)淬煉。

既然金(jin)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(shì)通過數控機(jī)床完成的。

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

機床是其(qi)他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出(chū)産的鋼鐵并(bìng)不是我們在(zai)生活中見到(dao)的各種奇奇(qí)怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管(guan)材、鑄錠等等(děng)形狀比較規(guī)則的材料⁉️，這(zhè)些材料要加(jiā)工成各種形(xíng)狀🌈的零件就(jiù)需要使用機(jī)床進行✔️切削(xuē)；還有一些精(jīng)度要求較高(gāo)和表面粗糙(cāo)度要求較細(xì)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(lai)。

和所有的機(ji)器一樣，最初(chu)的機床包括(kuo)動力裝置、傳(chuan)動裝置和執(zhi)✔️行裝置，靠電(diàn)機轉動輸入(ru)動力，通過傳(chuan)動裝置帶着(zhe)被加工的工(gong)件或者刀具(jù)進行相對運(yùn)動，至于⛷️在哪(nǎ)兒下刀、切多(duo)少、多快速度(dù)切等等問題(tí)，則由人在加(jia)工過程中直(zhi)接進❤️行控制(zhì)。

由于傳統機(jī)床使用的電(diàn)機的轉速在(zài)工作時基本(ben)上是🔅不變的(de)，為了實現不(bu)同的切削速(su)度，傳統的機(ji)床設計了🌈極(ji)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(jīng)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(nei)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(kòng)機床⛹🏻‍♀️上的應(yīng)用，直接控制(zhì)電機的轉速(su)變得方便快(kuai)⁉️捷效率高，而(ér)且基本上是(shì)無級變速，傳(chuan)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(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(xian)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(zhǒng)各樣的形狀(zhuang)的零🌈件的加(jia)工，還需要讓(rang)機床可以高(gao)效、準确的控(kong)制多台電機(jī)合作完🔱成整(zhěng)個加工過程(cheng)。

這就要讓機(jī)床成為有“腦(nao)子”的數控機(jī)床了。而這個(gè)腦子就是數(shù)控系統，數控(kòng)系統的水平(ping)高低決定了(le)數控機床能(neng)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(tǒng)能幹嘛？處理(li)信息并控制(zhì)動力

數控系(xi)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(wǎng)往包含人機(jī)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(ji)算機🐆輔助制(zhì)造軟件的幫(bāng)助下，将加工(gōng)過程所需的(de)各種操作（如(rú)主軸變速等(deng)步驟以及工(gōng)件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程(cheng)序代碼表示(shi)，并通過人📞及(ji)控制界面輸(shu)入到數控機(jī)床，之後由🛀數(shù)控系統對這(zhe)些信息進行(háng)處理和運算(suan)，并按零件程(chéng)序的要求控(kong)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(xi)的存儲和處(chu)理的工作，并(bing)将信息的處(chu)理結果以控(kong)制信号的形(xíng)式傳給後續(xu)的伺服電機(ji)，這⁉️些控制信(xin)号的工作效(xiào)果依賴于兩(liang)大核心技術(shù)：一個是曲線(xiàn)曲面的插補(bu)🍉運算，一個是(shì)⁉️機床多軸的(de)運動控制。

（三(sān)）零件形狀太(tai)“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如(rú)果運動軌迹(ji)可以用解析(xi)式表達，則整(zheng)個運動就可(ke)✔️以分解為幾(ji)個坐标的獨(dú)立運動的合(hé)成運動，就可(kě)以直接控制(zhì)🈲電機生成了(le)。

但是制造過(guò)程中很多零(líng)件的形狀可(kě)以說是十分(fen)㊙️“自由”的💘，既不(bu)圓、也不方，甚(shen)至都不知道(dào)是什麼形狀(zhuàng)，例如🈲汽車、輪(lun)船、飛機、模具(jù)、藝術品等産(chǎn)品常遇到不(bu)能用解析式(shi)描述的曲線(xian)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(jiàn)之間的相對(duì)運動也🔅相🎯應(yīng)的十分複雜(zá)。具體到操作(zuò)中，就是要控(kòng)制工件台、刀(dāo)🤞具都💛按照設(she)計好的位置(zhi)-時間曲線進(jìn)行運動，控制(zhi)🔴這二者在規(gui)定的時間以(yi)指定的姿🤟态(tài)到達指🔞定的(de)位置。

機床可(kě)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(jie)析式的樣條(tiáo)曲線的相對(duì)運動，而這種(zhong)複雜的“自由(yóu)☁️”運動又該怎(zen)麼完成呢？答(da)案是依靠插(chā)補運算。

所謂(wèi)插補，就是按(àn)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(gei)定的速度和(hé)軌迹，在軌迹(jì)的已知點之(zhī)間，增加一些(xie)新的中間點(dian)，并控制工件(jiàn)台和刀具通(tong)過這🌂些中間(jiān)點，進而就能(néng)完成整個運(yùn)動。

而這些中(zhong)間點之間，則(zé)通過線段、圓(yuan)弧或者樣條(tiao)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(qiú)的曲線和曲(qǔ)面，這就是插(chā)補的本質。

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