一提到(dào)工業，最基礎的(de)就是制造。

所謂(wèi)制造就是把各(ge)種各樣的東西(xī)從原材料變成(cheng)零件再🔴裝㊙️配成(chéng)産品。

在傳統的(de)金屬加工領域(yù)，零件的制造就(jiu)是火星四濺♊的(de)鑄鍛焊以及硬(yìng)碰硬的車銑刨(páo)磨鉗，我們生活(huo)中見到的🔴任何(he)一個稍微有些(xie)形狀的金屬，在(zài)我們見到之📐前(qián)，都已經在工廠(chang)經曆了多次🧡鐵(tiě)與火的淬煉。

既(jì)然金屬零件是(shì)機器制造的，那(na)麼機器又是如(rú)何制🔴造的🌈呢？原(yuán)來，它是通過數(shu)控機床完成的(de)。

（一）從機床到數(shù)控機床，機器不(bú)再無腦幹活

機(jī)床是其他機器(qi)的“母機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼鐵并(bìng)不是我們在生(shēng)活中見到的各(gè)種奇奇怪♻️怪的(de)形狀，而是闆材(cái)、管材、鑄錠等等(děng)形🏃‍♀️狀比較規則(zé)的材料，這些材(cai)料要加工成各(gè)種形狀的零件(jian)就需要使用機(ji)床進行切削；還(hái)有一些精度要(yao)求較高和表面(mian)粗糙度要求較(jiào)細的零件，就要(yao)在機床上用精(jīng)細繁複的工藝(yi)切出來或❤️者磨(mo)出來。

和所有的(de)機器一樣，最初(chū)的機床包括動(dòng)力裝置、傳動🌂裝(zhuang)👉置和執行裝置(zhì)，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳(chuán)動裝置帶着被(bei)♊加工的工🚩件或(huò)者刀具進行相(xiàng)對運動，至于在(zai)哪兒下刀、切多(duō)少、多快速度切(qiē)等等問題，則由(you)人在加工過程(cheng)中直接進行控(kong)制。

由于傳統機(jī)床使用的電機(ji)的轉速在工作(zuò)時基本上是🌏不(bú)變的，為了實現(xian)不同的切削速(sù)度，傳統的機✉️床(chuáng)設計了🔞極為💋複(fú)雜的傳動系統(tong)。這種複雜度的(de)機械在現今的(de)設計中已經不(bu)多見了。

而随着(zhe)伺服電機（伺服(fú)電機就是可以(yi)在一定範圍内(nei)精📐确控制電機(jī)的位置和轉速(su)的電機）技術的(de)發展及其在數(shù)控機床上的應(yīng)用，直接控制電(diàn)機的轉速變得(dé)方便快❌捷效率(lǜ)高，而且基本上(shang)是無級變速，傳(chuan)動系統的結構(gòu)大大簡化，甚至(zhi)出現了很多環(huán)節🔞電機直接連(lián)接到執行機構(gòu)上，而省略了傳(chuan)動系統。

這種“直(zhí)接驅動”的模式(shì)是現在機械設(shè)計領域的一大(da)趨勢。

結構的簡(jiǎn)化還不夠，要實(shi)現各種各樣的(de)形狀的零件🛀🏻的(de)加工，還需要讓(ràng)機床可以高效(xiao)、準确的控制多(duo)台電機合📞作完(wan)☔成整個加工過(guo)程。

這就要讓機(jī)床成為有“腦子(zi)”的數控機床了(le)。而這個腦子就(jiù)是數控系統，數(shu)控系統的水平(píng)高低決定了㊙️數(shù)控😘機床能幹多(duo)複🐆雜、多✔️精密的(de)活兒，也決定了(le)這台機床和他(ta)的💜操作者的身(shen)價。

（二）數控(kong)系統能幹嘛？處(chu)理信息并控制(zhì)動力

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機床的(de)大腦。

對于一般(ban)數控機床而言(yan)，往往包含人機(jī)控制界面、數控(kòng)系統、伺👄服驅動(dong)裝置、機床、檢測(cè)裝置等等，操作(zuo)人員✔️在一些計(ji)算機輔助制造(zao)軟件的幫助下(xia)，将加工過程所(suǒ)需的各種操作(zuo)（如主軸變速等(deng)步驟以及工件(jiàn)的形狀尺寸）用(yong)零件程序代碼(ma)表示，并通過人(rén)及控制界面輸(shū)入到數控機床(chuang)，之後由數控系(xì)統對🔆這些信息(xī)進行處理和運(yun)算，并按零件程(cheng)序的要求控制(zhì)伺服電機，實現(xiàn)刀具與工件的(de)相對運動，以完(wán)成零件的加工(gōng)。

數控系統完成(chéng)諸多信息的存(cún)儲和處理的工(gōng)作，并将信息的(de)處理結果以控(kòng)制信号的形式(shì)傳給後續的伺(si)服電機，這些控(kong)制信号的工作(zuò)效果依賴于兩(liǎng)大核心技術：一(yi)個是曲線曲面(mian)的插補運算，一(yī)個是機床多軸(zhóu)的運動控制。

（三(sān)）零件形狀太“自(zi)由”？靠插補運算(suan)搞定

如果運動(dong)軌迹可以用解(jie)析式表達，則整(zheng)個運動就可以(yǐ)分解✔️為幾個坐(zuò)标的獨立運動(dòng)的合成運動，就(jiu)可以🏒直接控制(zhi)電機生成了。

但(dan)是制造過程中(zhōng)很多零件的形(xing)狀可以說是十(shí)分“自由”的，既不(bu)📧圓、也不方，甚至(zhi)都不知道是什(shi)麼形狀，例如汽(qi)車、輪船、飛機、模(mó)具、藝術品等産(chan)品常遇到不能(neng)用解析式描述(shu)的曲線曲面，這(zhè)類曲線曲面稱(cheng)為自由曲線（Free Form Curves）或(huò)自由曲面。

要切(qiē)出來這些“自由(you)”的形狀，刀具和(hé)工件之間的相(xiàng)對運動☀️也相應(yīng)的十分複雜。具(jù)體到操作中，就(jiu)是要控制工件(jiàn)台、刀具都♌按照(zhao)⚽設計好的位置(zhi)-時間曲線進行(hang)運動，控制這二(èr)者在規定的時(shi)間以指定的姿(zi)态到達指定的(de)位置。

機床可以(yǐ)在工件和刀具(jù)之間很好地完(wán)成直線段❌、圓🚩弧(hu)或🚩其他的有解(jiě)析式的樣條曲(qǔ)線的相對運動(dong)🏃🏻‍♂️，而這種複雜的(de)“自由”運動又該(gai)怎麼完成呢？答(da)案是依靠插補(bu)運算。

所謂插補(bǔ)，就是按照一定(ding)方法确定數控(kòng)機床上刀具的(de)運動軌✔️迹的過(guo)程。根據給定的(de)速度和軌迹，在(zài)軌迹的已知點(diǎn)之間，增加一些(xie)新的中間點，并(bing)控制工件台和(hé)刀具通過這些(xie)中間🌈點，進而就(jiu)能完成整個運(yun)動。

而這些中間(jian)點之間，則通過(guo)線段、圓弧或者(zhe)樣條曲線📱等來(lái)連接。相當于用(yong)數段微小的線(xiàn)段和圓弧去逼(bī)近要求☁️的曲線(xian)和曲面，這就是(shì)插補的本質。

流(liú)行的插補算法(fa)包括逐點比較(jiào)法、數字增量法(fǎ)等，而利用Nurbs樣條(tiao)曲線進行插補(bu)因為其效率高(gao)、精度好而得🌂到(dào)了高端數控機(jī)床的青睐。