一提到工業(yè)，最基礎的就(jiù)是制造。

所謂(wèi)制造就是把(ba)各種各樣的(de)東西從原材(cái)料變成零件(jiàn)再😘裝配成産(chan)品。

在傳統的(de)金屬加工領(lǐng)域，零件的制(zhì)造就是火星(xing)四濺的鑄鍛(duàn)☂️焊以及硬碰(peng)硬的車銑刨(páo)磨鉗，我們生(sheng)活中見到的(de)任何一個稍(shao)微有些形狀(zhuang)的金屬，在我(wo)們見到之前(qian)，都已經在工(gong)☀️廠經曆了多(duō)次鐵與火的(de)淬煉。

既然金(jin)屬零件是機(ji)器制造的，那(na)麼機器又是(shì)如何制造🐪的(de)呢？原來，它是(shi)通過數控機(ji)床完成的。

（一(yī)）從機床到數(shu)控機床，機器(qì)不再無腦幹(gàn)活

機床是其(qi)他機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠出(chu)産的鋼鐵并(bìng)不是我們在(zai)生活中見到(dao)的🎯各種奇奇(qí)怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管(guan)材、鑄錠等等(děng)形💃🏻狀比較規(gui)則的材料，這(zhè)些材料要加(jia)工成各種形(xing)狀的零件就(jiu)需要使用機(jī)床進行切削(xue)；還有一些精(jīng)度要求較高(gao)和表面粗糙(cāo)度要求較細(xì)的零件，就要(yào)在機床上用(yòng)精細繁複的(de)工藝切出來(lái)或者磨出來(lái)。

和所有的機(ji)器一樣，最初(chū)的機床包括(kuò)動力裝置、傳(chuán)動裝置和♋執(zhi)行裝置，靠電(dian)機轉動輸入(ru)動力，通過傳(chuan)動裝置帶💃着(zhe)被加工的工(gong)件或者刀具(jù)進行相對運(yùn)動，至于在哪(na)兒下刀、切多(duō)少、多快速度(du)切等等問題(ti)，則由人在加(jia)工過程中直(zhi)接進行控制(zhi)。

由于傳統機(ji)床使用的電(dian)機的轉速在(zai)工作時基本(ben)👉上🔱是☎️不變☁️的(de)，為了實現不(bú)同的切削速(su)度，傳統的機(jī)🌈床設計了極(ji)為複雜的傳(chuan)動系統。這種(zhong)複雜度的機(jī)械在現今的(de)設計中已經(jīng)不多見了。

而(er)随着伺服電(diàn)機（伺服電機(ji)就是可以在(zài)一定範圍内(nei)精确🔴控制電(diàn)機的位置和(he)轉速的電機(jī)）技術的發展(zhan)及其在數控(kòng)機床上的應(ying)用，直接控制(zhì)電機的轉速(sù)變得📧方便快(kuai)捷效率🐇高，而(ér)且基本上🔞是(shi)無級變速，傳(chuan)動系統的結(jié)構大🧡大簡化(hua)，甚至出現了(le)很多環節電(diàn)機直接連接(jie)到執行機構(gou)上，而省略🌈了(le)傳動系統。

這(zhe)種“直接驅動(dong)”的模式是現(xian)在機械設計(jì)領域的一大(da)趨勢。

結構的(de)簡化還不夠(gou)，要實現各種(zhong)各樣的形狀(zhuang)的零件的加(jia)工，還需要讓(ràng)機床可以高(gao)效、準确的控(kòng)制多台電機(ji)合作完成整(zheng)♉個加工過程(cheng)。

這就要讓機(jī)床成為有“腦(nao)子”的數控機(ji)床了。而這個(gè)♋腦子就是數(shù)✌️控系統，數控(kòng)系統的水平(píng)高低決定了(le)數控♌機床能(néng)幹多複雜、多(duo)精密的活兒(ér)，也決定了這(zhe)台機床👄和他(tā)的操作者的(de)身價。

（二）數控系統(tǒng)能幹嘛？處理(li)信息并控制(zhì)動力

數控系(xì)統（Numerical Controller System）是數控機(ji)床的大腦。

對(duì)于一般數控(kong)機床而言，往(wǎng)往包含人機(ji)控制界面、數(shù)控系統、伺服(fu)驅動裝置、機(ji)床、檢測裝置(zhi)等等，操作❄️人(ren)員在一些計(ji)🙇🏻算機輔助制(zhi)造軟件的幫(bāng)助下，将加🛀工(gōng)過程所需的(de)各種操作（如(ru)主軸變速等(deng)步驟以及工(gōng)件的形狀尺(chi)寸）用零件程(cheng)序☔代碼表示(shì)，并通過人及(jí)控制界面輸(shū)入到數控📱機(ji)床，之後由數(shu)控系統對這(zhè)些信息進行(hang)📐處理和運算(suàn)，并按零件程(cheng)序的要求✌️控(kòng)制伺服電機(jī)，實現刀具與(yu)工件的相對(dui)運動，以完成(cheng)零件的加工(gong)。

數控系統完(wan)成諸多信息(xi)的存儲和處(chù)理的工作，并(bing)🌈将信息的處(chù)理結果以控(kòng)制信号的形(xing)式傳給後續(xu)的伺服電機(jī)，這些控制信(xin)号的工作效(xiào)果依賴于兩(liang)大核心技術(shu)：一個是曲線(xian)曲面的插補(bǔ)運算，一個是(shì)機床多軸的(de)運動控制。

（三(san)）零件形狀太(tài)“自由”？靠插補(bu)運算搞定

如(rú)果運動軌迹(jì)可以用解析(xi)式表達，則整(zhěng)個運動就可(kě)以分🔴解為幾(jǐ)個坐标的獨(du)立運動的合(hé)成運動，就可(ke)以直接控制(zhi)電機🚶‍♀️生成了(le)。

但是制造過(guo)程中很多零(líng)件的形狀可(ke)以說是十分(fen)😘“自由”的🥰，既不(bu)圓、也不方，甚(shèn)至都不知道(dao)是什麼形狀(zhuàng)😘，例如汽車、輪(lún)船、飛機、模具(ju)、藝術品等産(chǎn)品常遇到不(bu)能用解析式(shì)描述的曲🌈線(xian)曲面，這類曲(qu)線曲面稱為(wéi)自由曲線（Free Form Curves）或(huò)自由曲面。

要(yao)切出來這些(xie)“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jian)之間的相對(duì)運🈚動也⛷️相🈲應(yīng)的十分複雜(za)。具體到操作(zuo)中，就是要控(kòng)制工件台、刀(dāo)具都按照設(shè)計好的位置(zhi)-時間曲線🙇🏻進(jin)行運動，控制(zhi)這二者🐅在規(guī)定的時間以(yǐ)指定的姿态(tài)到達指定的(de)位置。

機床可(ke)以在工件和(he)刀具之間很(hen)好地完成直(zhí)線段、圓弧🔴或(huo)其💃他的有解(jiě)析式的樣條(tiáo)曲線的相對(duì)運動🌂，而這種(zhong)複雜的“自由(yóu)”運動又該怎(zen)麼完成呢？答(dá)案是依靠插(chā)補運算。

所謂(wei)插補，就是按(an)照一定方法(fǎ)确定數控機(jī)床上刀具的(de)運☀️動軌迹的(de)過程。根據給(gěi)定的速度和(hé)軌迹，在軌迹(ji)的已知點之(zhi)間，增加✨一些(xiē)新的中間點(dian)，并控制工件(jian)台和刀具通(tōng)過這些中間(jiān)點，進而就能(neng)完成整個運(yùn)動。

而這些中(zhōng)間點之間，則(ze)通過線段、圓(yuán)弧或者樣條(tiao)曲👨‍❤️‍👨線🏃等💃來連(lián)接。相當于用(yòng)數段微小的(de)線段和圓弧(hú)去逼近要求(qiú)的曲線和曲(qu)面，這就是插(cha)補的本質。

流(liú)行的插補算(suàn)法包括逐點(diǎn)比較法、數字(zi)增量法等❤️，而(ér)利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補(bǔ)因為其效率(lǜ)高、精度好🆚而(er)得到了高端(duan)數控機床的(de)青睐。