一(yī)提到工業(ye)，最基礎的(de)就是制造(zào)。

所謂制造(zao)就是把各(ge)種各樣的(de)東西從原(yuán)材料變成(chéng)零😄件再裝(zhuang)配成産品(pǐn)。

在傳統的(de)金屬加工(gong)領域，零件(jian)的制造就(jiù)是火星四(sì)濺的鑄🔞鍛(duàn)焊以及硬(ying)碰硬的車(chē)銑刨磨鉗(qián)，我們生活(huo)中見❄️到的(de)任何一個(ge)稍微💰有些(xie)形狀的金(jin)屬，在我們(men)見到之前(qián)，都已經在(zai)工廠經曆(lì)了多次鐵(tiě)與火的淬(cuì)煉。

既然金(jin)屬零件是(shi)機器制造(zào)的，那麼機(ji)器又是如(rú)何制⭐造的(de)🤞呢？原🔴來，它(ta)是通過數(shu)控機床完(wan)成的。

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

機(ji)床是其他(ta)機器的“母(mu)機”。

煉鋼廠(chang)出産的鋼(gāng)鐵并不是(shì)我們在生(shēng)活中見到(dao)的各種奇(qi)奇怪怪的(de)形狀，而是(shì)闆材、管材(cai)、鑄錠等等(deng)形狀比🔴較(jiao)規♍則的👨‍❤️‍👨材(cái)料，這些材(cai)料要加工(gong)成各種形(xing)狀的零件(jian)就需要使(shǐ)用機床進(jin)行切削；還(hái)有一些精(jing)度要求較(jiào)高和表面(miàn)粗糙度要(yào)求較細的(de)零件，就要(yào)在機床上(shang)用精細繁(fan)複的工🌈藝(yi)切出來或(huo)者磨出來(lái)。

和所有的(de)機器一樣(yang)，最初的機(jī)床包括動(dòng)力裝置、傳(chuán)🐪動裝置和(hé)💔執行裝置(zhi)，靠電機轉(zhuan)動輸入動(dong)力，通過傳(chuán)動裝置帶(dài)着被加工(gōng)的工件或(huò)者刀具進(jin)行相對運(yun)動，至于在(zài)哪兒下刀(dao)、切多少、多(duō)快速度✔️切(qie)等等問題(ti)🚶，則由人在(zài)加工過程(chéng)中直接進(jin)行控制。

由(you)于傳統機(ji)床使用的(de)電機的轉(zhuan)速在工作(zuo)時基本😘上(shang)是不變的(de)，為了實現(xiàn)不同的切(qiē)削速度，傳(chuan)統的機床(chuáng)設計了極(jí)為複雜的(de)傳🧡動系統(tong)。這種複雜(za)度的機🤟械(xiè)在現今的(de)設計中已(yi)⭐經不多見(jian)了。

而随着(zhe)伺服電機(jī)（伺服電機(jī)就是可以(yǐ)在一定範(fàn)圍内👌精💚确(què)♍控☔制電機(jī)的位置和(he)轉速的電(diàn)機）技術的(de)發展及其(qi)在數控機(jī)床上的應(yīng)用，直接控(kòng)制電機的(de)轉速變得(de)方便快捷(jié)效率高，而(ér)且基本上(shang)是無級變(bian)速，傳動系(xi)統的結構(gou)大大簡化(huà)，甚至出現(xian)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(xì)統。

這種“直(zhi)接驅動”的(de)模式是現(xiàn)在機械設(shè)計領域的(de)一大📐趨勢(shì)。

結構的簡(jian)化還不夠(gòu)，要實現各(gè)種各樣的(de)形狀的零(ling)件的加工(gōng)，還需要讓(ràng)機床可以(yǐ)高效、準确(que)的控制多(duo)台電機合(he)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(zhè)個🚶‍♀️腦子就(jiù)是數控系(xi)統，數控系(xi)統的水平(píng)高低決定(dìng)了💘數控機(ji)床能幹多(duo)複雜、多精(jīng)密的活兒(er)，也決定了(le)這台機床(chuáng)和他的🐪操(cāo)作者💞的身(shēn)價。

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

數控(kong)系統（Numerical Controller System）是數(shu)控機床的(de)大腦。

對于(yú)一般數控(kong)機床而言(yan)，往往包含(hán)人機控制(zhì)界面、數💘控(kòng)系統、伺服(fú)驅動裝置(zhì)、機床、檢測(cè)裝置等等(deng)，操作人員(yuan)🏒在一🤩些計(jì)算機輔助(zhu)制造軟件(jiàn)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(kong)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(hang)處理和運(yun)算，并按零(ling)件程序的(de)要求控制(zhi)伺服🆚電機(jī)，實現刀具(jù)與工件的(de)相對運動(dong)，以完成零(ling)件的加工(gōng)。

數控系統(tong)完成諸多(duo)信息的存(cun)儲和處理(lǐ)的工作，并(bing)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(guo)依賴于兩(liang)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(zhou)的運動控(kong)制。

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

如果運動(dòng)軌迹可以(yi)用解析式(shì)表達，則整(zheng)個運動就(jiù)🌏可以分解(jiě)為🔞幾個坐(zuò)标的獨立(lì)運動的合(hé)成運動，就(jiu)可以♻️直接(jiē)控制☎️電機(jī)💋生成了。

但(dan)是制造過(guo)程中很多(duō)零件的形(xíng)狀可以說(shuo)是十分“自(zi)由”的，既不(bú)圓、也不方(fāng)，甚至都不(bu)知道是什(shi)麼形狀，例(li)如♌汽車、輪(lun)船、飛機👌、模(mó)具、藝術品(pǐn)等産品常(cháng)遇到不能(neng)用解析式(shi)描述的曲(qu)線曲面，這(zhè)類曲線曲(qǔ)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(you)”的形狀，刀(dao)具和工件(jian)之間的相(xiàng)對運動也(yě)相應的十(shi)分複雜。具(ju)體到操作(zuo)中，就是要(yào)控制🐆工件(jian)台、刀具都(dōu)按照設計(jì)好的位置(zhì)-時間曲線(xiàn)進行運🧡動(dòng)，控制這二(er)者在規定(ding)的時間以(yǐ)指定的姿(zi)态到達指(zhǐ)定的位置(zhì)。

機床可以(yi)在工件和(he)刀具之間(jian)很好地完(wan)成直線段(duan)、圓弧或其(qi)🤞他的有解(jiě)析式的樣(yang)條曲線的(de)相對運動(dòng)👨‍❤️‍👨，而這種複(fu)雜的“自由(you)”運動又該(gāi)怎麼完成(cheng)呢？答案是(shi)依靠插補(bu)運算。

所謂(wèi)插補，就是(shì)按照一定(dìng)方法确定(dìng)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(ji)的已知點(diǎn)之間🈲，增加(jia)一些新的(de)中間點，并(bing)控制工件(jian)台和刀具(jù)通過這些(xie)中間點，進(jin)而就能完(wan)成整👉個運(yun)動。

而這些(xie)中間點之(zhī)間，則通過(guò)線段、圓弧(hu)或者樣條(tiáo)曲線等來(lái)🔅連👨‍❤️‍👨接。相當(dang)于用數段(duàn)微小的線(xiàn)段和圓弧(hu)去逼近🙇🏻要(yao)求的曲線(xian)和曲面，這(zhe)就是插補(bu)的本質。

流(liú)行的插補(bu)算法包括(kuò)逐點比較(jiào)法、數字增(zēng)量法等🈲，而(er)利用Nurbs樣條(tiáo)曲線進行(hang)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)。