一提到工業(yè)，最基礎的就(jiù)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(jian)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(jīn)屬零件是機(jī)器制造的，那(nà)麼機器又是(shi)如何制造的(de)🧡呢？原來，它是(shì)通過數控機(jī)床完成的。

（一(yi)）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(chu)産的鋼鐵并(bing)不是我們在(zài)生活中見到(dao)的各種奇🎯奇(qí)怪怪的形狀(zhuang)，而是闆材、管(guǎn)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(xing)狀的零件就(jiu)需要使用機(ji)床進行切削(xue)；還有一些精(jīng)度✊要求較高(gao)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(lái)或者磨出來(lái)。

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(rù)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(yun)動，至于在哪(nǎ)兒下刀、切多(duo)少、多快速度(du)切等等問題(ti)，則由人在⭐加(jiā)工過程中直(zhí)接進行控制(zhì)。

由于傳統機(jī)床使用的電(dian)機的轉速在(zài)工作時基本(ben)✌️上♈是不變的(de)，為了實現不(bú)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(jing)不多見了。

而(ér)随着伺服電(diàn)機（伺服電機(ji)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(jī)）技術的發展(zhan)及其在🔞數控(kòng)機床上的應(ying)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(shì)無級變速，傳(chuán)動系統的結(jié)構大大簡化(hua)，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(zhè)種“直接驅動(dong)”的模式是現(xian)在機械設計(jì)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(zhuang)的零件的加(jia)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(nao)子”的數控機(ji)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(duō)✨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(lǐ)信息并控制(zhi)動力

數控系(xi)統（Numerical Controller System）是數控機(ji)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(fu)驅動裝置、機(jī)床、檢測裝置(zhì)等等，操作人(rén)員在一💔些計(ji)算機輔助制(zhi)造軟件的幫(bāng)助下，将加工(gong)過程所需的(de)✌️各種操作（如(rú)主軸變速等(děng)步驟以及工(gong)件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程(cheng)序代碼表示(shì)，并通過人❓及(ji)控制界面🍉輸(shu)入到數控機(ji)床，之後由數(shù)控系統對這(zhè)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(chù)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(xìn)号的工作效(xiao)果依賴于兩(liang)大核心技術(shù)：一☁️個是曲線(xian)曲面的插補(bu)⭕運算，一個是(shì)機床多軸的(de)運動控制。

（三(san)）零件形狀太(tai)“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(jǐ)個坐标的獨(du)立運動的合(he)成運動，就可(ke)以直接控制(zhì)電機生成了(le)。

但是制造過(guo)程中很多零(ling)件的形狀可(ke)以說是十分(fèn)“自由”的，既不(bú)圓、也不方，甚(shen)至都不知道(dao)是什麼形狀(zhuàng)，例如😍汽車、輪(lún)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(qu)線曲面稱為(wei)☔自由曲線（Free Form Curves）或(huo)自由曲面。

要(yao)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jian)之間的相對(dui)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(dao)具都按照設(shè)計好的位置(zhì)-時間曲線進(jin)行運動，控制(zhì)這二者在規(guī)定的時間以(yǐ)指定的姿态(tài)到達指定的(de)位置。

機床可(kě)以在工件和(he)刀具之間很(hěn)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(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(cha)補運算。

所謂(wei)插補，就是按(àn)照一定方法(fa)确定數控機(ji)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(jì)🔴的已知點⛹🏻‍♀️之(zhī)間，增加一些(xiē)新的中間點(dian)，并控制工件(jiàn)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(zhōng)間點之間，則(zé)通過線段、圓(yuán)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(liu)行的插補算(suàn)法包括逐點(diǎn)比較法、數字(zì)增量法等，而(er)♍利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補(bǔ)因為其效率(lǜ)高、精度好而(ér)得到了✉️高端(duan)數控機床的(de)青睐。