一提到(dao)工業，最基礎的就(jiù)是制造。

所謂制造(zào)就是把各種各樣(yàng)的東西從原材料(liao)變成零🙇‍♀️件再裝配(pei)成産品。

在傳統的(de)金屬加工領域，零(líng)件的制造就是火(huǒ)星四⭐濺的鑄💜鍛🈲焊(hàn)以及硬碰硬的車(chē)銑刨磨鉗，我們生(shēng)活中見到的任何(hé)一個稍微有些形(xing)狀的金屬，在我們(men)見到之前，都已經(jing)在工⛹🏻‍♀️廠經曆了多(duō)次鐵與火的淬⭐煉(liàn)。

既然金屬零件是(shi)機器制造的，那麼(me)機器又是如何制(zhì)♍造的呢？原來，它是(shì)通過數控機床完(wán)成的。

（一）從機床到(dào)數控機床，機器不(bu)再無腦幹活

機床(chuang)是其他機器的“母(mǔ)機”。

煉鋼廠出産的(de)鋼鐵并不是我們(men)在生活中見到的(de)各種🈲奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆材、管(guǎn)材、鑄錠等等形狀(zhuang)比較規則的材料(liao)，這些材料要加工(gong)成各種形狀💘的零(líng)件就需要使用機(ji)床進行⚽切削；還🈲有(you)一些精度👣要求較(jiao)高⭐和表面粗糙度(dù)要求較細的零件(jiàn)，就要在機床上用(yong)精細繁複的工藝(yi)切出來或🈲者磨出(chū)來。

和所有的機器(qì)一樣，最初的機床(chuang)包括動力裝置、傳(chuán)動裝置和執行裝(zhuang)置，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳動(dòng)裝❤️置帶着被加工(gong)🚩的工件或者刀具(jù)進行相對運⭕動，至(zhi)于在哪兒下刀、切(qiē)多少、多快速度切(qie)等等問題，則由人(rén)在加工過程中直(zhí)接進行控制。

由于(yú)傳統機床使用的(de)電機的轉速在工(gōng)作時基本上是不(bu)變的，為了實現不(bú)同的切削速度，傳(chuan)統的機床設計了(le)極為複雜的傳動(dong)系統。這種複雜度(dù)的機械在現🏃🏻今的(de)設計中已經不多(duo)見了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機就(jiù)是可以在一定範(fàn)圍内精☀️确控制電(dian)機的位置和轉速(sù)的電機）技術的發(fa)展及其在數控🥰機(ji)床上的🎯應用，直接(jie)控制電機的轉速(su)變得方便快🚶‍♀️捷效(xiào)率高，而且基本上(shang)是無級變速🛀🏻，傳動(dòng)系統的結構大大(dà)簡化，甚至出現了(le)很多環節🔴電機直(zhí)接連接到執行機(ji)構上，而省略了傳(chuán)動系統。

這種“直接(jie)驅動”的模式是現(xiàn)在機械設計領域(yu)的一大趨勢。

結構(gòu)的簡化還不夠，要(yao)實現各種各樣的(de)形狀的零件的加(jia)工，還需要讓機床(chuáng)可以高效、準确的(de)控制多台電機合(hé)作完成整個加工(gong)過程。

這就要讓機(ji)床成為有“腦子”的(de)數控機床了。而這(zhe)個腦子就🤩是數控(kòng)系統，數控系統的(de)水平高低決定了(le)數控機床能幹多(duō)複雜、多精密的活(huo)兒，也決定了這🏃‍♂️台(tái)機床和他的操作(zuo)者的身價。

（二）數(shu)控系統能幹嘛？處(chù)理信息并控制動(dong)力

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

對(dui)于一般數控機床(chuáng)而言，往往包含人(rén)機控制界面、數控(kòng)系💚統、伺服驅動裝(zhuang)置、機床、檢測裝置(zhi)等等，操作人員在(zai)一些計算機輔助(zhu)制造軟件的幫助(zhu)下，将加🈲工過程所(suo)需的各種操🔞作（如(ru)主軸變速等步驟(zhòu)以及㊙️工件的形狀(zhuang)尺寸）用💯零件程序(xù)代碼表示💰，并通過(guo)人及控制界面輸(shu)入到數控㊙️機床，之(zhī)後由數控系統對(duì)這些信息進行處(chu)理和運算，并按零(ling)件程序的要求控(kong)制伺服電機，實現(xiàn)刀具與工件的相(xiang)對運動，以完成零(líng)件的加工。

數控系(xì)統完成諸多信息(xi)的存儲和處理的(de)工作，并将信息☂️的(de)處🈚理結果以控制(zhì)信号的形式傳給(gei)後續的伺❤️服電機(ji)，這些控制信号的(de)工作效果依賴于(yu)兩👌大核心技術：一(yī)個是曲線曲面👣的(de)插補運算，一個是(shi)📞機床多軸的運動(dong)控制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補運(yùn)算搞定

如果運動(dong)軌迹可以用解析(xī)式表達，則整個運(yùn)動就可以分✍️解為(wei)幾個坐标的獨立(lì)運動的合成運動(dòng)，就可以直接控制(zhi)電機生成了。

但是(shì)制造過程中很多(duo)零件的形狀可以(yi)說是十分“自㊙️由”的(de)，既不圓、也不方，甚(shèn)至都不知道是什(shí)麼形狀，例如汽車(chē)🤞、輪船、飛機💯、模具、藝(yì)術品等産品常遇(yu)到不能用解析式(shi)描述的曲線曲面(mian)，這類曲線曲面稱(chēng)為自由曲線（Free Form Curves）或自(zi)由曲面。

要切出來(lai)這些“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件之間(jian)的相對運✔️動也相(xiàng)應的十分複雜。具(ju)體到操作中，就是(shì)要控制工件台、刀(dao)具都按照設計好(hǎo)的位置-時間曲線(xiàn)進行運動，控制🍓這(zhè)二者在規定的時(shi)間🏃以指定的姿态(tài)到達指定的位置(zhì)。

機床可以在工件(jian)和刀具之間很好(hǎo)地完成直線段、圓(yuán)弧或其他的有解(jie)析式的樣條曲線(xiàn)的相對運動，而這(zhè)種複雜的⛷️“自由🔴”運(yun)動💯又該怎麼完成(cheng)呢？答案是依靠插(cha)補運算。

所謂插補(bu)，就是按照一定方(fāng)法确定數控機床(chuang)上刀⭐具的運動軌(guǐ)㊙️迹的過程。根據給(gěi)定的速度和軌迹(ji)，在👄軌迹🐉的已🧡知點(dian)之間，增加🌐一些新(xīn)的中間點，并控制(zhi)工件台和刀具🌐通(tōng)過這些中間💛點，進(jin)而就能完成整✂️個(gè)運動。

而這些中間(jiān)點之間，則通過線(xian)段、圓弧或者樣條(tiáo)曲🥵線等😄來連接。相(xiàng)當于用數段微小(xiǎo)的線段和圓弧去(qu)逼近要求🥵的曲線(xiàn)和曲面，這就是插(chā)補的本質。

流行的(de)插補算法包括逐(zhú)點比較法、數字增(zeng)量法等✊，而利用Nurbs樣(yang)條🔴曲線進行插補(bu)因為其效率高、精(jing)度好而得到了高(gāo)端🌈數控機床♍的青(qīng)睐。