一提到工業(ye)，最基礎的就(jiu)是制造。

所謂(wèi)制造就是把(bǎ)各種各樣的(de)東西從原材(cái)料變成零件(jian)✨再裝配成産(chan)品。

在傳統的(de)金屬加工領(ling)域，零件的制(zhì)造就是火星(xing)四🔞濺的鑄鍛(duàn)焊🌏以及硬碰(pèng)硬的車銑刨(páo)磨鉗，我們生(sheng)活中見到的(de)任何一個稍(shāo)微有些形狀(zhuang)的金屬，在我(wǒ)們見到之前(qian)，都已經在工(gōng)廠經曆🤞了多(duo)次鐵與火的(de)淬煉。

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

（一(yi)）從機床到數(shù)控機床，機器(qi)不再無腦幹(gàn)活

機床是其(qí)他機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠出(chū)産的鋼鐵并(bìng)不是我們在(zai)生活中見到(dao)的❄️各種奇奇(qi)怪怪的形狀(zhuàng)，而是闆材、管(guǎn)材、鑄錠等等(deng)形狀比較規(guī)則的材料，這(zhè)些🈚材料要加(jia)工成各種形(xing)狀的零件就(jiù)需要使用機(jī)床進行😄切削(xue)；還有一些精(jing)度要求較高(gao)⛱️和表面粗糙(cao)度要求較細(xi)的零件，就要(yao)在機床上用(yòng)精細繁複的(de)工藝切出來(lai)或者磨出來(lai)。

和所有的機(jī)器一樣，最初(chū)的機床包括(kuò)動力裝置、傳(chuan)👨‍❤️‍👨動裝置和執(zhí)行裝置，靠電(diàn)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(yun)動，至于在哪(na)兒下刀、切🔆多(duō)少、多快速度(du)🔴切等等問題(tí)✔️，則由人在加(jia)工過程中直(zhí)接進行控制(zhì)。

由于傳統機(ji)床使用的電(dian)機的轉速在(zài)工作時基本(běn)上是不變的(de)，為了實現不(bú)同的切削速(su)度，傳統的機(ji)床設計了極(ji)為🏃複雜的傳(chuan)動系統。這種(zhǒng)複雜度的機(ji)械在現今的(de)設計中已經(jīng)不多見了。

而(ér)随着伺服電(diàn)機（伺服電機(jī)就是可以在(zài)一定範圍🔞内(nei)精确控制❤️電(diàn)機的位置和(hé)轉速的電機(jī)）技術的發展(zhan)及其在數控(kong)🍓機床上的💚應(yīng)用，直接控制(zhì)電機的轉速(sù)變得⛱️方便快(kuài)捷效率高，而(ér)且基本上是(shi)無級變速，傳(chuán)動系統🚩的結(jié)構大大簡化(huà)，甚至出現了(le)很多環節電(dian)機直接連接(jie)到執行機📞構(gou)上，而省略了(le)傳動系統。

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

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

這就要讓機(jī)床成為有“腦(nǎo)子”的數控機(ji)床了。而這個(ge)腦子就是數(shu)控系統，數控(kong)系統的水平(píng)高低決定了(le)數控機床能(néng)幹多複雜、多(duō)精密的活兒(ér)，也決定了這(zhe)台機床和他(ta)的操作者的(de)身價。

（二）數控系統(tǒng)能幹嘛？處理(lǐ)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(kòng)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(jī)床、檢測裝置(zhì)等等，操作人(rén)員在一些計(ji)算機輔助制(zhi)造軟件的幫(bang)助下，将加工(gong)過程所需的(de)各種操作（如(rú)主軸變速等(deng)步驟以及工(gōng)件的形狀尺(chǐ)寸）用零件程(cheng)序🌈代碼表示(shi)，并通過人及(ji)控制界面輸(shu)入到數控機(jī)床，之後由數(shu)控系統對這(zhè)些信息進行(háng)處理和運算(suan)，并按零件程(chéng)序的要求控(kong)制伺服電機(ji)，實現刀具與(yu)工件的🙇‍♀️相對(duì)運動，以完🔞成(chéng)零件的加工(gōng)。

數控系統完(wán)成諸多信息(xī)的存儲和處(chù)理的工作，并(bing)将信息的處(chù)☀️理結果以控(kong)制信号的形(xing)式傳給後續(xu)的伺服電機(jī)，這💜些控制信(xìn)号的工作效(xiao)果依賴于兩(liǎng)💋大核心技術(shù)：一個是曲線(xian)曲面的插補(bǔ)運算，一個是(shi)機床多軸👅的(de)運動控制。

（三(sān)）零件形狀太(tai)“自由”？靠插補(bǔ)運算搞定

如(ru)果運動軌迹(ji)可以用解析(xi)式表達，則整(zheng)個運動就可(kě)🈲以分解為幾(ji)個坐标的獨(du)立運動的合(he)成運動，就可(kě)以直接控制(zhì)♌電機生成了(le)。

但是制造過(guo)程中很多零(líng)件的形狀可(kě)以說是十分(fèn)🔴“自由”的，既不(bu)圓、也不方，甚(shèn)至都不知道(dao)是什麼形狀(zhuang)，例如汽車、輪(lun)船、飛機、模具(ju)、藝術品等産(chǎn)品常遇到不(bu)能用解析式(shi)描述的曲線(xiàn)曲面，這類曲(qu)線曲面稱為(wei)自由曲線（Free Form Curves）或(huo)自由曲面。

要(yào)切出來這些(xiē)“自由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jian)之間的相對(dui)運動也相應(ying)的十分複雜(zá)。具體到操作(zuo)中，就是要控(kong)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(gui)定的時間📞以(yǐ)指定的姿态(tai)到達指🌂定的(de)位置。

機床可(ke)以在工件和(hé)刀具之間很(hen)好地完成直(zhí)線段🔆、圓弧或(huò)其⛹🏻‍♀️他的有解(jiě)析式的樣條(tiao)曲線的相對(duì)運動🤟，而這種(zhǒng)複雜的“自由(you)”運動又該怎(zěn)麼完成呢？答(dá)案是依靠插(chā)補運算。

所謂(wei)插補，就是按(àn)照一定方法(fa)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(xie)新的中間點(diǎn)，并控制工件(jian)台和刀具通(tōng)過這些中間(jiān)點，進而就能(néng)完成整㊙️個運(yùn)動。

而這些中(zhōng)間點之間，則(zé)通過線段、圓(yuan)弧或者樣條(tiáo)曲線等來連(lián)接🐉。相當于用(yong)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(suan)法包括逐點(diǎn)比較法、數字(zì)增量法等，而(ér)利用Nurbs樣條曲(qǔ)線進行插補(bǔ)因為其效率(lü)高、精度好而(er)得到了高端(duān)數控機床的(de)青睐。