一提到(dao)工業，最基礎的(de)就是制造。

所謂(wèi)制造就是把各(ge)種各樣的東西(xi)從原材料變成(cheng)零件再裝🏒配成(cheng)産品。

在傳統的(de)金屬加工領域(yu)，零件的制造就(jiu)是火星四濺的(de)鑄鍛👄焊以及硬(ying)碰硬的車銑刨(pao)磨鉗，我們生活(huo)中見到的任何(hé)一個稍微有些(xie)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(tiě)與火的淬✔️煉。

既(ji)然金屬零件是(shi)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(jī)床是其他機器(qi)的“母機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼鐵并(bing)不是我們在生(shēng)活中見到的各(gè)種奇奇💁怪⁉️怪的(de)形狀，而是闆材(cái)、管材、鑄錠等等(děng)形🈚狀比較規👣則(ze)的材料，這些㊙️材(cái)料要加工成各(ge)種形狀的零件(jian)🈚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(miàn)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(mo)出來。

和所有的(de)機器一樣，最初(chū)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(chuán)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(duō)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(kòng)制。

由于傳統機(ji)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(xiàn)不同的切削速(sù)度，傳統的機床(chuang)設計了🔞極為🤟複(fú)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(yǐ)在一定範圍内(nèi)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(shu)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(shàng)是無級變速，傳(chuán)動系統的結構(gou)大🚩大簡化，甚☎️至(zhì)出現了很多環(huan)節電機直接連(lian)接到執行機構(gou)上，而省略♉了傳(chuan)動系統。

這種“直(zhí)接驅動”的模式(shì)是現在機械設(shè)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(rang)機床可以高效(xiao)、準确的控制多(duo)台電機合作完(wan)成整個加工過(guò)程。

這就要讓機(jī)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(duo)複雜、多精密的(de)活兒，也決定了(le)這台機床和他(tā)的操作者的身(shen)價。

（二）數控(kong)系統能幹嘛？處(chù)理信息并控制(zhì)動力

數控系統(tong)（Numerical Controller System）是數控機床的(de)大腦。

對于一般(bān)數控機床而言(yán)，往往包含人機(jī)控制界面、數💛控(kong)系統、伺服驅動(dong)裝置、機床、檢測(ce)裝置等等，操作(zuò)人員在一些計(jì)算機輔助制造(zao)軟件的幫助下(xia)，将加工過程所(suo)需的各種操作(zuò)（如主軸變速等(děng)步驟以及♌工件(jiàn)的形狀尺寸）用(yong)零件程序代碼(ma)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(gong)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(si)服電🌂機，這些控(kong)制信号的工作(zuo)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(zhóu)的運動控💘制。

（三(san)）零件形狀太“自(zì)由”？靠插補運算(suan)搞定

如果運動(dong)軌迹可以用解(jie)析式表達，則整(zhěng)個運動就可以(yǐ)分解為🈲幾個坐(zuo)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(dan)是制造過程中(zhōng)很多零件的形(xíng)狀可以說是十(shí)分“自由”的，既不(bu)圓、也不方，甚至(zhi)都不知道是什(shí)麼形狀，例如汽(qì)車💛、輪船、飛機、模(mo)具、藝術品等産(chǎn)品常遇到不能(neng)用解析式描👌述(shu)的曲✂️線曲面，這(zhè)類曲線曲面稱(chēng)為🌈自由曲線（Free Form Curves）或(huo)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(xiang)對👨‍❤️‍👨運💃🏻動也相應(yīng)的十分複雜。具(ju)體到操作中，就(jiu)是要🌈控制工件(jiàn)🏃🏻‍♂️台、刀具都按照(zhao)設計好的位置(zhi)-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(zī)态到達指定的(de)位置。

機床可以(yi)在工件和刀具(ju)之間很好地完(wán)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(kòng)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(zai)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(yun)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(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(xian)和曲面，這就是(shi)插補的本質。

流(liú)行的插補算法(fa)包括逐點比較(jiào)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(jī)床的青睐。