一提到工業(ye)，最基礎的就(jiu)是制造。

所謂(wèi)制造就是把(bǎ)各種各樣的(de)東西從原材(cái)料變成零件(jiàn)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(peng)硬的車銑刨(pao)磨鉗，我們生(sheng)活中見到的(de)任何一個稍(shao)微有些形狀(zhuàng)的金屬，在我(wǒ)們見到之前(qián)，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(nà)麼機器又是(shì)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(qi)他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出(chū)産的鋼鐵并(bìng)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(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(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(xì)的零件，就要(yao)在機床上用(yong)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(zhí)行裝置，靠電(dian)機轉動輸入(ru)動力，通過傳(chuan)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(na)兒⁉️下刀、切多(duo)少、多快速度(dù)切等等問題(tí)，則由人在加(jiā)工過程中直(zhi)接進🈲行控制(zhi)。

由于傳統機(jī)床使用的電(diàn)機的轉速在(zài)工作時基本(běn)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(jí)為複雜的傳(chuan)動系統。這種(zhǒng)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(diàn)機的位置和(he)轉速的電機(jī)）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(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(xiàn)在機械設計(ji)領域的一👈大(da)趨勢。

結構的(de)簡化還不夠(gòu)，要實現各種(zhong)各樣的形狀(zhuang)的零件的加(jiā)💞工，還需要讓(rang)機床可以高(gāo)效、準确的控(kong)制多台電機(jī)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(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(duo)精密的活兒(er)，也決定了這(zhe)✍️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(jī)床的大腦。

對(dui)于一般數控(kong)機床而言，往(wǎng)往包含人機(ji)控制界面、數(shu)🚶‍♀️控系統、伺服(fu)驅動裝置、機(jī)床、檢測裝置(zhi)等等，操作❄️人(rén)員在一些計(jì)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(chi)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(ji)床，之後由🐪數(shù)控系統對👈這(zhe)些信息進行(háng)🌍處理和運算(suàn)，并按零件程(chéng)序的要求控(kong)制伺服電機(ji)，實現刀具與(yu)工件的相對(dui)運動，以完成(cheng)零件的加工(gōng)。

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(chù)理結果以控(kong)制信号的形(xing)式傳給後續(xu)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(sān)）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(zheng)個運動就可(kě)以分解❗為幾(ji)個坐标的獨(dú)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(líng)件的形狀可(kě)以說是十分(fèn)♌“自由”的，既不(bu)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(chan)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(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(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(zhì)-時間曲線🧡進(jin)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(ke)以在工件和(he)刀具之間很(hěn)好地完成直(zhi)線段、圓弧或(huò)⭐其他的有解(jie)析式的樣條(tiao)曲線的相對(dui)運動🈲，而這種(zhong)複雜的“自由(you)”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(fǎ)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(he)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(tōng)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(yuán)弧或者樣條(tiáo)曲線等來連(lian)🌈接。相當于用(yòng)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(cha)補的本質。

流(liú)行的插補算(suàn)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(ér)得到了高端(duan)🙇🏻數控機床的(de)青睐。