一提到工業，最(zuì)基礎的就是制(zhì)造。

所謂制造就(jiù)是把各種各樣(yàng)的東西從原材(cái)料變成零件再(zài)裝配成産品。

在(zài)傳統的金屬加(jiā)工領域，零件的(de)制造就是火星(xīng)四濺的鑄鍛焊(hàn)以及硬碰硬的(de)車銑刨磨鉗，我(wo)們生活中見到(dào)的任何一個稍(shāo)微有些形狀的(de)金屬，在我們♋見(jiàn)到之前，都已經(jing)在工廠經曆🔴了(le)多次鐵與火的(de)淬煉。

既然金屬(shǔ)零件是機器制(zhi)造的，那麼機器(qì)又是如何✉️制造(zao)⛱️的呢？原來，它是(shì)通過數控機床(chuang)完成的。

（一）從機(jī)床到數控機床(chuang)，機器不再無腦(nǎo)幹活

機床是其(qí)他機器的“母機(ji)”。

煉鋼廠出産的(de)鋼鐵并不是我(wo)們在生活中見(jiàn)到的各種奇奇(qi)怪怪的形狀，而(ér)是闆材、管材、鑄(zhu)錠等等形狀比(bǐ)較規則的材料(liào)，這些材料要加(jiā)工成各種形狀(zhuàng)的零件就需要(yao)使用機♈床進行(hang)切削；還有一些(xiē)精度要求較高(gāo)♌和表面粗糙度(du)要求較細的零(líng)件，就要在⛱️機床(chuang)上用精🌈細繁複(fu)的工藝切出來(lai)或者磨出來。

和(hé)所有的機器一(yī)樣，最初的機床(chuáng)包括動力裝置(zhi)、傳動裝置🌐和執(zhi)行裝置，靠電機(ji)轉動輸入動力(lì)，通過傳動裝🆚置(zhi)帶着被加工的(de)工件或者刀具(jù)進行相對運動(dong)，至于在哪兒下(xia)刀、切多少、多快(kuai)速度✔️切等等問(wèn)題，則由人在加(jia)工過程☂️中直接(jiē)進行控制。

由于(yú)傳統機床使用(yong)的電機的轉速(sù)在工作時基本(běn)💃🏻上是不變的，為(wéi)了實現不同的(de)切削速度，傳統(tǒng)的機床設計了(le)極為複雜的傳(chuán)動系統。這種複(fu)雜度的機械在(zài)現今的設計中(zhong)已經不多見了(le)。

而随着伺服電(diàn)機（伺服電機就(jiu)是可以在一定(dìng)範圍内精确控(kong)制電機的位置(zhi)和轉速的電機(jī)）技術的發展及(jí)其在數控機床(chuáng)上的應用，直接(jie)控制電機的轉(zhuǎn)速變得方便快(kuai)捷效率💃🏻高，而且(qie)基本上是無級(ji)變速，傳動系統(tǒng)的結構大🍓大簡(jiǎn)化，甚至出現了(le)很多環節電機(ji)直接連接到執(zhi)行機構上，而省(sheng)略了傳動系統(tong)。

這種“直接驅動(dòng)”的模式是現在(zài)機械設計領域(yu)的一大🐕趨勢。

結(jié)構的簡化還不(bu)夠，要實現各種(zhong)各樣的形狀的(de)零件📐的加工，還(hai)需要讓機床可(ke)以高效、準确的(de)控制多台電機(jī)合作完成整個(ge)加工過程。

這就(jiu)要讓機床成為(wéi)有“腦子”的數控(kòng)機床了。而這個(gè)✍️腦子就是數控(kong)系統，數控系統(tong)的水平高低決(jué)定了數控機床(chuang)能幹多複👅雜、多(duō)精密的活兒，也(ye)決定了這台機(jī)床和他的操作(zuò)者的身價。

（二）數控系統能(neng)幹嘛？處理信息(xi)并控制動力

數(shu)控系統（Numerical Controller System）是數控(kong)機床的大腦。

對(duì)于一般數控機(ji)床而言，往往包(bao)含人機控制界(jiè)面、數📱控👨‍❤️‍👨系統、伺(sì)服驅動裝置、機(ji)床、檢測裝置等(děng)等，操作人員在(zai)一些計算機輔(fu)助制造軟件的(de)幫助下，将加工(gong)過程✂️所需的各(gè)種操🙇‍♀️作（如主軸(zhou)變速等步驟以(yi)及工件的形狀(zhuang)尺寸）用零件程(cheng)序代碼表示，并(bing)通過人及控制(zhi)界面輸入到數(shu)控機床，之後由(you)數控系統對這(zhe)些信息進行處(chu)理和運算，并按(an)零件程序的㊙️要(yao)求控制伺服電(dian)機，實現刀具與(yǔ)工件的相對運(yun)動，以完成零件(jiàn)的加工。

數控系(xi)統完成諸多信(xìn)息的存儲和處(chù)理的工作，并将(jiāng)信🍉息的處✨理結(jie)果以控制信号(hào)的形式傳給後(hòu)續的伺服電機(jī)，這些控制信号(hào)的工作效果依(yi)賴于兩大核心(xin)🤩技術：一個是曲(qǔ)線曲面💁的插補(bǔ)運算，一個是⭐機(jī)床多軸的運動(dòng)控制。

（三）零件形(xing)狀太“自由”？靠插(chā)補運算搞定

如(rú)果運動軌迹可(ke)以用解析式表(biao)達，則整個運動(dong)就可以💃🏻分👈解為(wéi)幾個坐标的獨(du)立運動的合成(chéng)運動，就可以🙇‍♀️直(zhi)接💜控制電機生(sheng)成♋了。

但是制造(zao)過程中很多零(ling)件的形狀可以(yǐ)說是十分“自由(yóu)”的，既不圓、也不(bu)方，甚至都不知(zhī)道是什麼形狀(zhuang)，例如汽車⚽、輪船(chuan)、飛機、模具、藝術(shu)品等産品常遇(yù)到不能用解析(xī)式描述的曲線(xian)曲面，這類曲🔴線(xian)曲面稱為自由(yóu)曲線（Free Form Curves）或自由曲(qu)♌面。

要切出來這(zhè)些“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件之(zhi)間的相對運動(dòng)也相應的十分(fèn)複雜。具體到操(cao)作中，就是要控(kong)制工件台、刀具(jù)都按照♈設計好(hǎo)的位置-時間曲(qu)線進行運動，控(kong)制這二者在規(gui)定的時間以指(zhi)定的姿态到達(dá)指定的位置。

機(jī)床可以在工件(jian)和刀具之間很(hěn)好地完成直線(xiàn)段、圓弧或🤟其♋他(ta)的有解析式的(de)樣條曲線的相(xiàng)對運動，而這種(zhong)複雜的“自由🚶”運(yùn)動又該怎麼完(wan)成呢？答案是依(yi)靠插補運算。

所(suǒ)謂插補，就是按(an)照一定方法确(què)定數控機床上(shang)刀具🌐的運動軌(gui)🌍迹的過程。根據(ju)給定的速度和(hé)軌迹，在軌迹的(de)已知點之間🤞，增(zeng)加🆚一些新的中(zhong)間點，并控制工(gong)件台和刀具💘通(tong)過這📱些中間點(dian)，進而🚶就能完成(cheng)整個運動。

而這(zhè)些中間點之間(jiān)，則通過線段、圓(yuan)弧或者樣條曲(qǔ)🌏線等來連接。相(xiang)當于用數段微(wei)小的線段和圓(yuán)弧去逼近要求(qiu)的曲線和曲面(miàn)🌈，這就是插補的(de)本質。

流行的插(chā)補算法包括逐(zhú)點比較法、數字(zì)增量法等，而利(lì)用Nurbs樣條曲線進(jìn)行插補因為其(qi)效率高、精度好(hǎo)而得到了高端(duan)數控機床💋的青(qing)睐。