一提到工業(ye)，最基礎的就(jiu)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(jiàn)再裝配成産(chan)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(duàn)☁️焊以及硬碰(peng)硬的車銑刨(pao)磨鉗，我們生(shēng)活中見到的(de)任何一個稍(shāo)微有些形狀(zhuang)的金屬，在我(wǒ)們見到之前(qián)，都已經在工(gong)廠經曆了多(duo)次鐵與火的(de)淬煉。

既然金(jin)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(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(mu)機”。

煉鋼廠出(chu)産的鋼鐵并(bìng)不是我們在(zai)生活中見到(dào)的🚶‍♀️各種奇奇(qí)怪怪的形狀(zhuang)，而是闆材、管(guan)材、鑄錠等等(deng)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(jiu)需要使用機(jī)💰床進行切削(xuē)；還有一些精(jing)度🌈要求較高(gao)☔和表面粗糙(cāo)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(lai)或者磨出來(lai)。

和所有的機(jī)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(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(na)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(zhi)。

由于傳統機(ji)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(bu)同的切削速(sù)度，傳統的機(jī)💁床設🈲計了極(ji)為🔞複雜的傳(chuan)動系統。這種(zhong)複雜度的機(jī)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(jī)就是可以在(zài)一定範圍内(nèi)🏒精确控制電(dian)機的位置和(hé)轉速的電機(jī)）技術的發展(zhǎn)及其在數控(kòng)機床上的🙇‍♀️應(ying)用，直接控制(zhi)電機的轉速(su)變得方便快(kuai)捷效率高，而(er)且基本上是(shì)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(dòng)”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(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(kòng)制多台電機(ji)合作完成整(zheng)個加🙇🏻工過程(chéng)。

這就要讓機(ji)床成為有“腦(nao)子”的數控機(jī)床了。而這個(ge)🔱腦子就是數(shù)控系統，數控(kong)系統的水平(píng)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(tā)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(dui)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(fú)驅動裝置、機(ji)床、檢測裝置(zhi)等等，操作人(rén)員在一些計(ji)💋算機輔助制(zhì)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(gōng)件的形狀尺(chi)寸）用零件程(chéng)序代碼表示(shì)，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(zhè)些信息進🙇🏻行(hang)處理和運算(suan)，并按零件程(cheng)序的要求控(kòng)制伺服電機(ji)，實現刀具與(yu)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(xī)的存儲和處(chù)理的工作，并(bing)将信息的⭐處(chù)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(xìn)📞号的工作效(xiào)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(shi)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(jì)可以用解析(xī)式表達，則整(zheng)個運動就可(kě)以分解為幾(ji)個坐标的獨(dú)立運動的合(hé)成運動，就可(ke)以直接控制(zhì)電機生成了(le)。

但是制造過(guò)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(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(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(yào)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件(jiàn)之間的相對(duì)運動也🐅相應(ying)的十分複雜(za)。具體到操作(zuo)中，就是要控(kòng)制工件❄️台、刀(dao)具都按照設(shè)計好的位置(zhi)-時間曲線進(jin)行運動，控制(zhi)這二者在規(guī)定的時間以(yi)指定的姿态(tai)到達指定的(de)位置。

機床可(kě)以在工件和(hé)刀具之間很(hěn)好地完成直(zhí)線段🧑🏽‍🤝‍🧑🏻、圓弧或(huo)👌其他的有解(jie)析式的樣條(tiao)曲線的相對(duì)運動💔，而這種(zhǒng)複雜的“自由(yóu)”運動🏃🏻‍♂️又該怎(zěn)麼完成呢？答(da)案是依靠插(cha)補運算。

所謂(wèi)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(gei)定的速度和(he)軌迹，在🔞軌迹(jì)的已知點之(zhī)間，增加一些(xie)新的中間點(diǎn)，并控制工件(jian)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(yuan)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(liu)行的插補算(suàn)法包括逐點(dian)比較法、數字(zi)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(ér)得到了高端(duān)🌈數控機床的(de)青睐。