一提到(dao)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(pèi)成産品。

在傳統的(de)金屬加工領域，零(ling)件的制造就是火(huo)星四濺的鑄鍛焊(han)以及硬碰硬的車(che)銑刨磨鉗，我們生(shēng)活中見🆚到的任何(hé)一個稍微有些形(xing)狀的金屬，在我們(men)見到之前，都已經(jing)在工廠經曆㊙️了多(duō)次👉鐵與火的淬煉(liàn)。

既然金屬零件是(shì)機器制造的，那麼(me)機器又是如何🌈制(zhì)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(bu)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(liào)，這些材料要加工(gōng)成各種形狀的零(líng)件就需要使用機(ji)床進行👌切削；還🏃‍♂️有(yǒu)一些精度🈲要求較(jiào)高和表面粗糙度(dù)要求‼️較細的零件(jiàn)，就要在機床上用(yong)精細繁複的工藝(yì)切出來或者磨出(chu)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(zhuang)置，靠電機轉動輸(shū)入動力，通過傳動(dong)裝置帶着被加工(gong)🔞的工件或者刀具(jù)進行相對運動，至(zhi)于在哪兒下刀、切(qie)多少、多快速度切(qiē)等等問題❄️，則由人(ren)在加工過程📐中直(zhí)接進行控制。

由于(yu)傳統機床使用的(de)電機的轉速在工(gong)作時基本上☎️是不(bu)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(du)的機械在現今的(de)設🏃‍♀️計中已經不多(duō)💃🏻見了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機就(jiu)是可以在一定範(fan)圍内精确控♍制電(diàn)機的位置和轉速(su)的電機）技術的發(fa)展及其在數控機(ji)床🔞上的應用，直接(jiē)控制電機的轉速(su)變得方便快捷效(xiao)率高，而且基本上(shang)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(zhí)接連接到執行機(jī)構上，而省略了傳(chuán)動系統。

這種“直接(jie)驅動”的模式是現(xian)在機械設計領域(yù)的一💛大趨勢。

結構(gòu)的簡化還不夠，要(yào)實現各種各樣的(de)形狀的零件的加(jiā)📱工，還需要讓機床(chuáng)可以高效、準确的(de)控制多台電👉機合(hé)作完成整個加工(gong)過程。

這就要讓機(ji)床成為有“腦子”的(de)數控機床了。而這(zhè)個腦子就✏️是數控(kong)系統，數控系統的(de)水平高低決定了(le)數控🌈機床能幹多(duo)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(shu)控系統能幹嘛？處(chù)理信息并控制動(dòng)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(chuáng)而言，往往包含人(rén)機控制界面、數控(kong)🐪系統、伺服驅動裝(zhuāng)置、機床、檢測裝置(zhi)等等，操作人員在(zài)一些計算機輔助(zhu)制造軟件的幫助(zhu)下，将加工過程所(suo)需的各種操作（如(ru)主軸變速等步驟(zhòu)以及工件的形狀(zhuàng)尺寸）用零件程序(xù)代碼表示🌍，并通過(guo)人🏃‍♀️及控制界面輸(shū)入到數控機床，之(zhī)後由數控系統對(duì)📱這些信息進行處(chù)理和運算，并按零(ling)件程序的要求控(kòng)制伺服🌈電機，實🙇🏻現(xian)刀具👣與工件的相(xiàng)對運動，以完成零(líng)件的加工。

數控系(xì)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(zhi)信号的形式傳給(gei)後續的伺服電機(ji)，這些控制信号的(de)工作效果依賴于(yu)兩大核心✏️技術：一(yī)個是曲線曲面🔞的(de)插補🐅運算，一個是(shi)機床多軸的運動(dong)控♌制。

（三）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠插補運(yun)算搞定

如果運動(dòng)軌迹可以用解析(xi)式表達，則整個運(yùn)動就可🎯以💁分解🌂為(wei)幾個坐标的獨立(lì)運動的合成運動(dong)，就可以直接控制(zhi)㊙️電機生成了。

但是(shi)制造過程中很多(duo)零件的形狀可以(yi)說是十分“自由”的(de)，既不🔞圓、也不方，甚(shen)至都不知道是什(shí)麼形狀，例如汽車(che)、輪船、飛機、模具、藝(yì)術品等産品常遇(yù)到不能用解析式(shì)描述的曲線曲面(miàn)，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(zhuàng)，刀具和工件之間(jiān)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(dāo)具都按照💚設計好(hǎo)的位置-時間曲線(xiàn)☔進行運動，控制這(zhe)二者在規定的時(shi)間👌以指定的姿💚态(tài)到達指定的位置(zhi)。

機床可以在工件(jiàn)和刀具之間很好(hǎo)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(zhè)🔴種複雜的“自由”運(yun)動又該怎麼完成(cheng)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(jì)，在🚶軌迹💯的已知點(dian)之間，增加一些新(xin)的中間點，并控制(zhi)工件台⁉️和刀具通(tong)過這些中間🌈點，進(jìn)而就能完成整個(ge)運動。

而這些中間(jian)點之間，則通過線(xiàn)段、圓弧或者樣條(tiáo)曲線🏃‍♂️等😍來連接。相(xiang)當于用數段微小(xiǎo)的線段和圓弧去(qù)♻️逼近要求的曲線(xiàn)和曲面，這就是插(chā)補的本質。

流行的(de)插補算法包括逐(zhu)點比較法、數字增(zeng)量法等，而利用Nurbs樣(yàng)㊙️條🍉曲線進行插補(bu)因為其效率高、精(jing)度好而得到了高(gāo)端🌂數控機床☂️的青(qing)睐。