一提到工業(ye)，最基礎的就(jiu)是制造。

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

在傳統的(de)金屬加工領(ling)域，零件的制(zhì)造就是火星(xīng)四濺的鑄鍛(duan)焊以及硬碰(pèng)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(duo)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(shì)如何制造的(de)♍呢？原來，它是(shi)通過數控機(ji)床完成的。

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

機床是其(qí)他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出(chu)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(zhuang)，而是闆材、管(guǎn)材、鑄錠等等(deng)形狀比較規(guī)則的材料，這(zhè)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(cāo)度要求較細(xi)的零件，就要(yào)在機床上用(yong)精細繁複的(de)工藝切出來(lái)或者磨出來(lai)。

和所有的機(ji)器一樣，最初(chū)的機床包括(kuo)動力裝置、傳(chuán)動裝置🐅和執(zhí)🈲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(gōng)✊件或者刀具(jù)進行相對運(yùn)動，至于在哪(nǎ)兒下刀、切多(duō)少、多👣快速度(dù)切等等問題(ti)，則由人在加(jia)工過程㊙️中直(zhi)接進行控制(zhi)。

由于傳統機(ji)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(sù)度，傳統的機(ji)床設計了極(jí)為複雜🌍的傳(chuan)動系統。這種(zhǒng)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(dian)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(he)轉速的電機(ji)）技術的發展(zhǎn)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(diàn)機直接連接(jiē)到執行機構(gou)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(gòu)，要實現各種(zhǒng)各樣的形狀(zhuàng)的零件🍉的加(jia)工，還需要讓(rang)機床可以高(gāo)效、準确的控(kòng)制多台電🥵機(ji)合作完成整(zhěng)🤟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(shu)控系統，數控(kong)系統的水平(ping)高低決定了(le)數控機床能(néng)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(tong)能幹嘛？處理(li)信息并控制(zhi)動力

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

對(dui)于一般數控(kong)機床而言，往(wǎng)往包含人機(jī)控制界面、數(shu)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(bang)助下，将加工(gōng)過程所需的(de)各種操作（如(ru)主軸變速等(deng)步驟以及工(gōng)件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程(chéng)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(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(jī)，實現刀具與(yu)工件的☁️相對(dui)運動，以完成(cheng)零件的加工(gong)。

數控系統完(wan)成諸多信息(xi)的存儲和處(chù)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(jī)，這些控制信(xin)号的工作效(xiào)果依賴于兩(liang)大核心技術(shu)：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(tài)“自由”？靠插補(bu)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(jǐ)個坐标的獨(dú)立運動的合(hé)成運動，就可(kě)以直接控制(zhi)電機❄️生成了(le)。

但是制造過(guo)程中很多零(líng)件的形狀可(ke)以說是十分(fèn)“自🔆由”的，既不(bú)圓、也不方，甚(shèn)至都不知道(dao)是什麼形狀(zhuàng)⛹🏻‍♀️，例如汽車、輪(lun)船、飛機、模具(jù)🔆、藝術品等産(chan)品常遇到不(bú)能用解析式(shi)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(huò)自由曲面。

要(yao)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件(jian)之間的相對(duì)運動😄也相應(ying)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(she)計好的位置(zhì)-時間曲線進(jìn)行運⛷️動，控制(zhi)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(hé)刀具之間很(hen)好地完成直(zhí)線段㊙️、圓弧或(huo)其🌈他的有解(jiě)析式的樣條(tiáo)曲線的相對(duì)運動，而這種(zhǒng)複雜的☁️“自由(you)”運動☀️又該怎(zen)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(fǎ)确定數控機(ji)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(zhi)間，增加一些(xie)新的中間點(diǎn)，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(yun)動。

而這些中(zhong)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(yòng)數段微小的(de)線段和圓弧(hú)去逼近要求(qiú)的曲線和曲(qu)面，這就是插(cha)補的本質。

流(liú)行的插補算(suan)法包括逐點(diǎn)比較法、數字(zi)增量法等，而(ér)利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補(bu)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。