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(xī)從原材料變成(chéng)零件再裝配㊙️成(cheng)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(ying)碰硬的車銑刨(páo)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(zai)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(ji)然金屬零件是(shì)機器制造的，那(nà)麼機器又是如(rú)何制造的呢？原(yuan)來，它是通過數(shu)控機床完成的(de)。

（一）從機床到數(shù)控機床，機器不(bú)再無腦幹活

機(ji)床是其他機器(qì)的“母機”。

煉鋼廠(chǎng)出産的鋼鐵并(bing)不是我們在生(sheng)活中見到的各(ge)🛀種奇奇怪怪的(de)形狀，而是闆材(cai)、管材、鑄錠等等(děng)形🥰狀比較規則(ze)的材料，這些材(cai)料要加工成各(ge)種形狀的零件(jiàn)就需要使用機(ji)床進行切削；還(hai)有一些精度要(yao)求較高和表面(mian)粗糙度要求較(jiào)細的零🌈件，就要(yao)在機床上用精(jīng)細繁複的工藝(yì)切出來或者磨(mó)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(zhuang)置和執🙇‍♀️行裝置(zhi)，靠電機轉動輸(shu)入動力，通過傳(chuan)動裝置帶✂️着被(bèi)加工的工件或(huò)者刀具進行相(xiang)對運💞動，至于在(zai)哪兒下刀、切多(duo)少、多快速度切(qiē)等等問題🐆，則由(yóu)人在加工過程(chéng)🔞中直接進行控(kong)制。

由于傳統機(ji)床使用的電機(jī)的轉速在工作(zuo)時基本上是不(bú)變的，為了實現(xian)不同的切削速(sù)度，傳統的機床(chuáng)設計了極為複(fu)雜的傳動系統(tǒng)。這種複雜度的(de)機械在現👌今的(de)設計中已經不(bu)多見了。

而随着(zhe)伺服電機（伺服(fú)電機就是可以(yi)在一定範圍内(nei)🈲精确控制電機(ji)的位置和轉速(sù)的電機）技術的(de)發展及其在🙇🏻數(shù)控機床上的應(ying)用，直接控制電(dian)機的轉速變得(dé)方便快🔆捷效率(lü)高，而且基本上(shang)是無級變速🏃，傳(chuán)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(zhi)接驅動”的模式(shi)是現在機械設(she)計領域的一大(dà)趨👌勢。

結構的簡(jian)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(ràng)機床可以高效(xiào)、準确的控制多(duō)台電✍️機合作完(wán)成整個加工過(guo)程。

這就要讓機(ji)床成為有“腦子(zǐ)”的數控機床了(le)。而這個腦子就(jiù)是數控系統，數(shu)控系統的水平(píng)高低決定了㊙️數(shu)控🌏機床能幹多(duō)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(kong)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(ji)控制界面、數❌控(kòng)系統、伺服驅動(dòng)裝置、機床、檢測(cè)裝置等等，操作(zuò)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(jiàn)的形狀尺寸）用(yong)零件程序代碼(mǎ)表示，并通過人(rén)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(xi)進🔞行處理和運(yun)算，并按零件程(cheng)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(chéng)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(kong)制信号的形式(shì)傳給後續的伺(sì)服電🏒機，這些控(kong)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(miàn)的插補運算，一(yī)個是機床多軸(zhou)的運動控制。

（三(san)）零件形狀太“自(zi)由”？靠插補運算(suan)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(dòng)的合成運動，就(jiù)可以直接控制(zhì)電機生成♌了。

但(dan)是制造過程中(zhōng)很多零件的形(xing)狀可以說是十(shí)分“自由”的，既不(bú)圓、也不方，甚至(zhì)都不知道是什(shi)麼形狀，例如汽(qi)車、輪船、飛機、模(mó)具🍉、藝術品等産(chan)品常遇到不能(neng)用解析式描述(shù)的曲線曲面，這(zhe)類曲線曲面稱(chēng)為自由曲線（Free Form Curves）或(huò)自由曲面。

要切(qiē)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(jiu)是要🌏控制工件(jian)台、刀具都按照(zhao)設計好的位置(zhì)-時間曲線✨進行(háng)運動，控制這二(er)者在規定🛀🏻的時(shi)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(qu)線的相對運動(dong)，而這✨種複雜的(de)“自由”運動又該(gāi)怎麼完成呢？答(da)案是依靠插補(bǔ)運算。

所謂插補(bǔ)，就是按照一定(dìng)方法确定數控(kòng)機床上刀具的(de)運動軌🚶‍♀️迹的過(guo)程。根據給定的(de)速度和軌迹，在(zai)軌迹的已知點(diǎn)之間，增加一些(xiē)新的中間點，并(bing)控制工件台♍和(he)刀具通過這些(xiē)中間點，進而就(jiù)能完成整個運(yun)動。

而這些中間(jian)點之間，則通過(guo)線段、圓弧或者(zhě)樣條曲💘線等來(lai)連接。相當于用(yòng)數段微小的線(xiàn)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(jiao)法、數字增量法(fǎ)等，而利🏃用Nurbs樣條(tiáo)曲線進行插補(bu)因為其效率高(gao)、精度好而得到(dào)了高端數控機(ji)床的青睐。