一提到(dao)工業，最基礎的(de)就是制造。

所謂(wei)制造就是把各(ge)種各樣的東西(xi)從原材料變成(chéng)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(jiù)是火星四濺的(de)鑄鍛焊🐉以及硬(yìng)碰硬的車銑刨(pao)磨鉗，我們生活(huó)中見💁到的♊任何(hé)一個🎯稍微有些(xiē)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(tie)與火的淬煉。

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

（一）從機床到數(shu)控機床，機器不(bu)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(sheng)活中見到的各(gè)種奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆材(cai)、管材、鑄錠等等(deng)形狀比較規則(zé)的材料，這些材(cái)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(miàn)粗糙度要求較(jiào)細的零件，就要(yào)在機床上用精(jīng)🈲細繁複的工藝(yì)切出來或🌍者磨(mo)出來。

和所有的(de)機器一樣，最初(chu)的機床包括動(dong)力裝置、傳動裝(zhuāng)置和執💃行裝置(zhi)，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳(chuan)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(zài)哪兒🥵下刀、切多(duo)少、多快速度🈲切(qie)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(su)度，傳統的機🏃🏻‍♂️床(chuáng)設計了❤️極為❓複(fu)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(bú)多見了。

而随着(zhe)伺服電機（伺服(fu)電機就是可以(yǐ)在一定範圍内(nèi)🥵精确控制電機(ji)的位置和轉速(su)的電機）技術的(de)發展及其在數(shu)控機床上的應(ying)用，直接控制電(dian)機的轉速變得(de)💛方便快捷效率(lü)高，而且基本上(shàng)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(chuán)動系統。

這種“直(zhí)接驅動”的模式(shi)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(shí)現各種各樣的(de)形狀的零件的(de)加工，還需要讓(rang)機床可以高效(xiào)、準确的控制多(duō)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(jiu)是數控系統，數(shu)控系統的水平(ping)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(shēn)價。

（二）數控(kòng)系統能幹嘛？處(chu)理信息并控制(zhì)動力

數控系統(tǒng)（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(xià)，将加工過程所(suo)需的各種操🎯作(zuo)（如主軸變速🌂等(deng)步驟以及工件(jian)的形狀尺寸）用(yong)🏒零件程序代碼(mǎ)表示，并通過人(ren)及控制界面輸(shu)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(yùn)算，并按零件程(chéng)序的♋要求控制(zhi)伺服✍️電機，實現(xian)刀具與工件的(de)🈲相對運動，以完(wán)😄成🈲零件的加工(gong)。

數控系統完成(cheng)諸多信息的存(cun)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(shi)傳給後續的伺(si)服電🤟機，這🐪些控(kòng)制信号的工作(zuò)效果依賴于兩(liang)大核心技術：一(yi)個是曲線曲面(mian)的插補運算，一(yi)個是機床多軸(zhóu)的運動控制。

（三(sān)）零件形狀太“自(zì)由”？靠插補運算(suàn)搞定

如果運動(dòng)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(dong)的合成運動，就(jiu)可以直接💯控制(zhi)電機生成了。

但(dàn)是制造過程中(zhōng)很多零件的形(xíng)狀可以說是十(shi)分“自由”的，既不(bú)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(mo)具、藝術品等産(chan)品常遇到不能(néng)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(huo)自由曲面。

要切(qie)出來這些“自由(yóu)”的形狀，刀具和(hé)工件之間的相(xiàng)對運動👨‍❤️‍👨也✊相應(ying)的十分複雜。具(jù)體到操作中，就(jiù)是要控制❓工件(jian)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(shí)間以指定的姿(zi)态到達指定的(de)位置。

機床可以(yi)在工件和刀具(jù)之間很好地完(wan)成直線段、圓🤟弧(hu)或💯其他的有解(jie)析式的樣條曲(qǔ)線的相對運動(dòng)，而這種複雜的(de)“自由💔”運動又該(gāi)怎麼完成呢？答(dá)案是依靠插補(bu)運算。

所謂插補(bu)，就是按照一定(ding)方法确定數控(kong)機床上刀具✌️的(de)運動軌迹的過(guò)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(jiù)能完成整個運(yùn)動。

而這些中間(jiān)點之間，則通過(guo)線段、圓弧或者(zhě)樣條曲線等來(lái)連接。相當于用(yong)數段微小的線(xian)段和圓弧去🐉逼(bi)近🥰要求的曲線(xiàn)和⭐曲面✍️，這就是(shì)插補的本質。

流(liu)行的插補算法(fǎ)包括逐點比較(jiào)法、數字增量法(fa)等，而利用👈Nurbs樣條(tiao)曲線進行插補(bu)因為其效率高(gāo)、精度好🌐而得到(dào)了高端數控💁機(jī)床‼️的青睐。