一提到(dào)工業，最基礎的就(jiù)是制造。

所謂制造(zao)就是把各種各樣(yang)的東西從原材料(liào)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(huǒ)星四濺的㊙️鑄👉鍛🔞焊(hàn)以及硬碰硬的車(che)銑刨磨鉗，我們生(sheng)活中見到的任何(hé)一個稍微有些形(xíng)狀的金屬，在我們(men)見到之🐅前，都已經(jīng)在工廠經曆了多(duo)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(dào)數控機床，機器不(bú)再無腦幹活

機床(chuáng)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(gōng)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(jiao)高和表面粗糙度(du)要求較細的零件(jiàn)，就要在🔅機床上用(yòng)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(chuáng)包括動力裝置、傳(chuan)🧡動裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電機轉動輸(shu)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(zhì)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(bú)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(duo)見了。

而随着伺服(fu)電機（伺服電機就(jiu)是可以在一定範(fan)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(jī)床上的應用，直接(jie)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(zhi)接連接到執行機(ji)構上，而省略了傳(chuan)動系統。

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

結構(gou)的簡化還不夠，要(yào)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(he)作完成整個加工(gōng)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(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(zuò)者的身價。

（二）數(shù)控系統能幹嘛？處(chu)理信息并控制動(dong)力

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

對(duì)于一般數控機床(chuang)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(zhì)等等，操作人員在(zài)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(rú)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(guò)人及控制界面輸(shu)入到數控機床，之(zhī)後由數控系統對(dui)這些信息進行處(chù)理和運算，并按零(líng)件程序的要求控(kong)制伺服電機，實現(xiàn)刀具與工件的相(xiàng)對運動，以完成零(líng)件的加工。

數控系(xi)統完成諸多信息(xī)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(jī)，這些控制信号的(de)工作效果依賴于(yu)兩大核心技術：一(yi)個是曲線曲面的(de)插補運算，一個是(shì)🐅機床多軸🔴的運動(dòng)控制。

（三）零件形狀(zhuang)太“自由”？靠插補運(yun)算搞定

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

但是(shì)制造過程中很多(duō)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(shi)麼形狀，例如汽車(che)、輪船、飛機、模具、藝(yì)術品等産品常遇(yu)到不能用解析式(shì)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(lái)這些“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件之間(jian)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(dao)👈具都🧑🏾‍🤝‍🧑🏼按照設計好(hǎo)的位置-時間曲線(xian)進行運動，控制這(zhe)二者在規定的時(shi)間以指定的姿态(tai)到達指💜定的位置(zhi)。

機床可以在工件(jian)和刀具之間很好(hao)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(zhe)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(bǔ)，就是按照一定方(fāng)法确定數控機床(chuang)上刀具🏃🏻的🧡運動軌(gui)迹的過程。根據給(gěi)定的速度和軌迹(ji)，在軌迹的已知點(diǎn)之間，增加一些新(xīn)的中間點，并控制(zhì)工件台和刀具🐕通(tōng)過這🔱些中間點，進(jin)而就能完成整個(ge)運動。

而這些中間(jian)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(qù)逼近⛷️要求的曲線(xian)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(zēng)量法等，而利🧡用🈲Nurbs樣(yàng)☎️條曲線進行插補(bu)因為其效率高、精(jīng)度好而得到了高(gao)端數控機床的青(qīng)睐。