一提到(dao)工業，最基礎的就(jiu)是制造。

所謂制造(zao)就是把各種各樣(yang)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(ling)件的制造就是火(huo)星四濺的🏃🏻鑄鍛⛷️焊(hàn)✉️以及硬碰硬的車(che)銑刨磨鉗，我們生(shēng)活中見到的任何(he)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(lian)。

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

（一）從機床到(dao)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(zhuàng)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(jī)床進行切削；還有(yǒu)一些精度要求較(jiào)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(yì)切出來或者磨出(chū)來。

和所有的機器(qi)一樣，最初的機床(chuang)包括動力裝置、傳(chuan)動裝🧑🏾‍🤝‍🧑🏼置和執行裝(zhuang)置，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳動(dong)裝置帶着被加工(gōng)的工件或者刀具(jù)進行相對運動，至(zhi)于在哪兒♋下刀、切(qie)🈲多少、多快速度切(qiē)等等問題，則由人(ren)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(bu)同的切削速度，傳(chuán)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(duō)♍見了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機就(jiu)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(jiē)控制電機的轉速(sù)變得🐪方便快捷效(xiào)率高，而且基本上(shàng)🌂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(chuan)動系統。

這種“直接(jie)驅動”的模式是現(xiàn)在機械設計領域(yù)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(chuang)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(jī)床成為有“腦子”的(de)數控機床了。而這(zhè)個腦子就是數控(kong)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(huó)兒，也決定了這台(tái)機床和他的操作(zuo)者的身價。

（二）數(shù)控系統能幹嘛？處(chu)理信息并控制動(dòng)力

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

對(dui)于一般數控機床(chuang)而言，往往包含人(ren)機控制界面、數⭐控(kòng)系❌統、伺🥰服驅動裝(zhuāng)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(zhù)下，将加工過程所(suo)需的各種操作（如(ru)主軸變速等步驟(zhou)以及工件的形狀(zhuàng)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(zhi)後由數控系統對(duì)這些信息進行處(chu)理和運算，并按零(líng)件程序的要求👨‍❤️‍👨控(kòng)制伺服電機，實現(xian)刀具與工件的相(xiang)對運動，以完成零(ling)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(zhi)信号的形式傳給(gei)後續的伺✂️服電機(jī)，這🔅些控制信号的(de)工作效果依賴于(yú)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(dong)，就‼️可以直接控制(zhi)電機生成了。

但是(shi)制造過程中很多(duō)零件的形狀可以(yǐ)說是十分“自⭐由”的(de)，既不圓、也不方，甚(shen)至都不知道是什(shí)麼形狀，例如汽車(che)、輪船、飛機、模具💜、藝(yì)術品等産品常遇(yù)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(zì)由曲面。

要切出來(lai)這些“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件之間(jiān)的相對運動也相(xiang)應的十分複雜。具(jù)體到操作中，就是(shi)要控制工件台、刀(dāo)具都按照設計好(hao)的位置-時間曲線(xiàn)進行運動，控制這(zhè)二者在規定的時(shí)間以指定的姿💞态(tài)到達指定的位置(zhi)。

機床可以在工件(jiàn)和刀具之間很好(hǎo)地完成直線段、圓(yuán)弧或其他的有解(jiě)析式的樣條曲線(xian)的相對運動，而這(zhè)🐆種複雜的“自由”運(yùn)動又該怎麼完成(chéng)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(tong)過這些中間點，進(jìn)而就能完成整個(gè)運動。

而這些中間(jiān)點之間，則通過線(xiàn)段、圓弧或者樣條(tiáo)曲⭕線等來🈚連🌏接💚。相(xiàng)當于用數段微小(xiao)的線段和圓弧去(qù)逼近🈲要求的曲線(xiàn)和曲面，這就是插(cha)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(bǔ)因為其效率高、精(jing)度好🚶‍♀️而得到了高(gao)端🏃數控🐪機床的青(qing)睐。