一(yī)提到工業(ye)，最基礎的(de)就是制造(zào)。

所謂制造(zào)就是把各(ge)種各樣的(de)東西從原(yuán)材料變成(cheng)💁零件👌再裝(zhuang)配成産品(pǐn)。

在傳統的(de)金屬加工(gong)領域，零件(jiàn)的制造就(jiu)是火星四(sì)濺⛹🏻‍♀️的鑄鍛(duan)焊‼️以及硬(ying)碰硬的車(chē)銑刨磨鉗(qian)，我們生活(huo)中見到的(de)任何一個(gè)稍微有些(xiē)形狀的金(jīn)屬，在我們(men)見到之前(qián)，都已🔞經在(zai)工廠經曆(lì)了多次鐵(tie)與火的淬(cui)煉。

既然金(jīn)屬零件是(shì)機器制造(zào)的，那麼機(jī)器又是如(rú)何制造的(de)🌐呢？原來，它(ta)是通過數(shù)控機床完(wán)成的。

（一）從(cong)機床到數(shu)控機床，機(jī)器不再無(wú)腦幹活

機(ji)床是其他(tā)機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼(gāng)鐵并不是(shì)我們在生(sheng)活中見到(dao)的各✔️種奇(qí)‼️奇怪怪的(de)形狀，而是(shi)闆材、管材(cái)、鑄錠等等(deng)形狀比🐇較(jiao)規則的💘材(cái)料，這些🎯材(cái)料要加工(gōng)成各種形(xing)狀的零件(jiàn)就需要使(shi)用機床進(jìn)行㊙️切削；還(hái)⁉️有一些精(jīng)度要求較(jiao)高和表面(miàn)粗糙度要(yao)求較細的(de)零⛷️件，就要(yào)在機床上(shàng)用精📧細繁(fán)複的工藝(yì)切出來或(huo)者磨出來(lai)。

和所有的(de)機器一樣(yàng)，最初的機(jī)床包括動(dong)力裝置、傳(chuán)動裝🔱置和(he)✂️執行裝置(zhì)，靠電機轉(zhuan)動輸入動(dong)力，通過傳(chuan)📐動裝置帶(dai)着被加工(gong)的工件或(huo)者刀具進(jin)行相對運(yun)動，至于在(zài)哪兒下刀(dāo)、切多少、多(duo)快速度切(qiē)等等問題(tí)，則由人在(zài)加工過程(cheng)中直接進(jìn)行控制。

由(yóu)于傳統機(jī)床使用的(de)電機的轉(zhuǎn)速在工作(zuo)時基本上(shàng)是不變的(de)🔞，為了實現(xiàn)不同的切(qiē)削速度，傳(chuán)統的機床(chuáng)設計了極(jí)為複雜的(de)傳動系統(tǒng)。這種複雜(zá)度的機☂️械(xie)在現📐今的(de)設💛計中已(yǐ)經不多見(jian)了。

而随着(zhe)伺服電機(jī)（伺服電機(ji)就是可以(yi)在一定範(fan)圍☂️内精确(què)控制電機(ji)的位置和(hé)轉速的電(diàn)機）技術的(de)發展及其(qi)在數控機(jī)床上的應(ying)用，直接控(kong)制電機的(de)轉🈲速變得(de)方便快捷(jie)效率☔高，而(ér)且💔基本上(shang)🏒是無級變(bian)速，傳動系(xi)統⚽的結構(gòu)大大簡化(huà)，甚至出現(xiàn)了✨很多環(huan)節電機直(zhí)接連👌接到(dào)執行機構(gou)上，而省略(luè)了傳動系(xi)統。

這種“直(zhí)接驅動”的(de)模式是現(xian)在機械設(shè)計領域的(de)一大趨勢(shi)。

結構的簡(jian)化還不夠(gou)，要實現各(gè)種各樣的(de)形狀的零(líng)件🔞的加工(gōng)，還需要讓(rang)機床可以(yǐ)高效、準确(que)的控制多(duo)台電機合(hé)作完🌐成整(zheng)個加工過(guò)程。

這就要(yào)讓機床成(cheng)為有“腦子(zi)”的數控機(jī)床了。而這(zhe)個腦子就(jiù)是㊙️數💰控系(xi)統，數控系(xi)統的水平(ping)高低決定(dìng)了數控機(ji)床📧能幹多(duo)複雜、多✏️精(jing)密的活兒(ér)，也決定了(le)這台機床(chuáng)和他的操(cāo)作者的身(shen)價。

（二）數控(kòng)系統能幹(gàn)嘛？處理信(xìn)息并控制(zhi)動力

數控(kòng)系統（Numerical Controller System）是數(shù)控機床的(de)大腦。

對于(yu)一般數控(kong)機床而言(yán)，往往包含(han)人機控制(zhi)界面、數控(kong)系統、伺服(fú)驅動裝置(zhì)、機床、檢測(cè)裝置等等(děng)，操作人員(yuan)在一些計(jì)算機輔助(zhu)制造軟件(jian)的幫助下(xia)，将加工過(guo)程🐇所需的(de)各種操作(zuò)（如主💞軸變(biàn)速🔴等步驟(zhou)以及工件(jiàn)的形狀尺(chǐ)寸）用🤩零件(jian)程序代碼(ma)表示🔴，并通(tong)過人🚶及控(kòng)制界面輸(shū)入到數控(kong)機床，之後(hou)由數控系(xì)統對這些(xiē)信息進行(háng)處理和運(yùn)算，并🌈按零(líng)件程序的(de)要求控制(zhi)伺服電機(ji)，實現刀具(ju)與工件的(de)相對運動(dòng)，以完成零(ling)件的加工(gōng)。

數控系統(tǒng)完成諸多(duo)信息的存(cun)儲和處理(li)的工作，并(bìng)🔞将信息的(de)處🏃‍♂️理結果(guǒ)以控制信(xin)号的形式(shi)傳給後續(xù)的伺服電(dian)機，這些控(kong)🈚制信号的(de)工作效果(guǒ)依賴于兩(liǎng)大核心技(jì)術：一個是(shì)曲線曲面(mian)的插補運(yun)算，一個是(shì)🈲機床多軸(zhóu)的運動控(kòng)制。

（三）零件(jiàn)形狀太“自(zi)由”？靠插補(bu)運算搞定(dìng)

如果運動(dòng)軌迹可以(yi)用解析式(shì)表達，則整(zhěng)個運動就(jiu)可以分解(jie)為幾個坐(zuo)标的獨立(li)運動的合(hé)成運動，就(jiù)🐅可以直接(jie)控制♊電機(jī)生成了。

但(dan)是制造過(guo)程中很多(duo)零件的形(xing)狀可以說(shuo)是十分“自(zì)🌍由”的，既不(bú)圓、也不方(fang)，甚至都不(bu)知道是什(shí)麼形狀，例(li)如汽車、輪(lún)船、飛機📧、模(mo)具👌、藝術品(pin)等産品常(chang)遇到不能(néng)用解析式(shi)描👣述的曲(qǔ)㊙️線曲面💋，這(zhè)類曲線曲(qu)面稱為自(zi)由曲線📧（Free Form Curves）或(huò)自由曲面(miàn)。

要切出來(lai)這些“自由(yóu)”的形狀，刀(dāo)具和工件(jian)之間的相(xiang)對運動也(yě)相應的十(shí)分複雜。具(jù)體到操作(zuo)中，就是要(yao)控制工件(jian)台、刀具都(dōu)🤟按照設計(ji)好的位置(zhi)-時間曲線(xiàn)🎯進行運🙇🏻動(dong)，控制這二(èr)者在規定(dìng)的時間以(yi)指定的姿(zi)⭐态到達指(zhi)定的位置(zhì)。

機床可以(yǐ)在工件和(hé)刀具之間(jiān)很好地完(wan)成直線段(duàn)、圓弧或其(qi)他的有解(jiě)析式的樣(yang)條曲線的(de)相對運動(dong)，而這種複(fu)💁雜的“自由(yóu)”運動又該(gai)怎麼完成(chéng)呢？答案是(shi)依靠插補(bǔ)運算。

所謂(wei)插補，就是(shì)按照一定(ding)方法确定(ding)數控機床(chuáng)上刀🤩具的(de)運⛱️動軌迹(ji)的過程。根(gēn)據給定的(de)速度和軌(guǐ)迹，在♈軌迹(jì)的已知點(diǎn)之間，增加(jiā)🎯一些新的(de)中間點，并(bìng)控制工件(jiàn)台📐和刀具(ju)🔞通過這🍓些(xiē)中間點，進(jin)而💯就能完(wan)成整個運(yun)動。

而這些(xiē)中間點之(zhī)間，則通過(guo)線段、圓弧(hu)或者樣條(tiao)曲線等來(lai)連接。相當(dang)于用數段(duàn)微小的線(xian)段和圓弧(hú)去逼近‼️要(yao)求的曲線(xian)和曲面，這(zhè)就是插補(bǔ)的本質。

流(liú)行的插補(bu)算法包括(kuo)逐點比較(jiào)法、數字增(zeng)量法等，而(ér)利用Nurbs樣條(tiáo)曲線進行(háng)插補因為(wei)其效率高(gao)、精度好而(ér)得到了高(gāo)端數控🐅機(jī)床的青睐(lai)。