一提到(dào)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(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(pao)磨鉗，我們生活(huó)中見到的任何(hé)一個🔴稍微🧡有些(xie)形狀的金屬，在(zai)我們見到之前(qian)，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(shì)機器制造的，那(na)麼機器又是如(rú)何制造的呢？原(yuán)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(bu)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(gè)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(yào)求較高和表面(miàn)粗糙度要求較(jiào)細的零件，就要(yào)在機床上用精(jing)細繁複的工藝(yi)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(zhì)，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳(chuan)動裝置帶着被(bei)✨加工的工件或(huo)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(ji)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(su)度，傳統的機床(chuáng)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(bú)多見了。

而随着(zhe)伺服電機（伺服(fu)電機就是可以(yi)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(diàn)機的轉速變得(de)方便快捷效率(lü)🚩高，而且基本上(shàng)是無級變速，傳(chuan)動系統的結構(gou)大大簡化，甚至(zhi)出現了很多環(huán)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(shi)是現在機械設(she)計領域的一大(dà)趨勢。

結構的簡(jiǎn)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(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(ping)高低決定了數(shù)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(tā)的操作者的身(shen)價。

（二）數控(kòng)系統能幹嘛？處(chù)理信息并控制(zhi)動力

數控系統(tǒng)（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(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(jì)算機輔助制造(zào)軟件的幫助下(xia)，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(chuáng)，之後由數控系(xi)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(zhì)伺服電機，實現(xiàn)刀具與工件的(de)😍相對運動，以完(wan)👌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(gōng)作，并将信息的(de)處理結果以控(kong)制信号的形式(shi)傳給後續的伺(si)服電機，這些控(kong)制信号的工作(zuò)效果依賴于兩(liǎng)大核心技術：一(yi)個是曲線曲面(mian)的插補運算，一(yī)個是機床多軸(zhou)的運動控制。

（三(sān)）零件形狀太“自(zì)由”？靠插補運算(suàn)搞定

如果運動(dòng)軌迹可以用解(jiě)析式表達，則整(zheng)個運動就可以(yi)⚽分解為㊙️幾個坐(zuo)标的獨立運動(dong)的合成運動，就(jiù)可以直接控制(zhi)電機生成了。

但(dàn)是制造過程中(zhōng)很多零件的形(xíng)狀可以說是十(shi)分“自由”的，既不(bu)圓、也不方，甚至(zhì)都不知道是什(shi)麼形狀，例如汽(qì)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(cheng)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(he)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(zhào)設計好的位置(zhì)-時間曲線進行(hang)運動，控制這二(er)者在規定的時(shí)間🙇‍♀️以指定的姿(zi)态到達指定的(de)位置。

機床可以(yǐ)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(qǔ)線的相對運動(dong)🍉，而這種複✔️雜的(de)“自由”運動又該(gai)怎麼完成呢？答(da)案是依靠插❄️補(bu)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(guò)程。根據給定的(de)速度和軌迹，在(zai)軌迹的已知點(dian)之間🔞，增加一些(xie)新的中間點，并(bìng)控制工件台和(he)刀具🏃‍♂️通過這些(xie)中間點，進而就(jiù)能完成整個運(yùn)動。

而這些中間(jiān)點之間，則通過(guò)線段、圓弧或者(zhe)樣條曲線等來(lái)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(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(bǔ)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。