一提到(dào)工業，最基礎的就(jiù)是制造。

所謂制造(zao)就是把各種各樣(yàng)的東西從原材料(liao)變成零件❄️再裝配(pei)成産品。

在傳統的(de)金屬加工領域，零(ling)件的制造就是火(huǒ)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(he)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(duo)次鐵與火的淬💯煉(lian)。

既然金屬零件是(shi)機器制造的，那麼(me)機器又是如何制(zhì)造的呢？原來，它是(shi)通過數控機床完(wan)成的。

（一）從機床到(dao)數控機床，機器不(bu)再無腦幹活

機床(chuáng)是其他機器的“母(mu)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(gong)成各種形狀的零(ling)件就需要使用機(ji)🔴床進行☁️切削；還有(you)一些精度💁要求較(jiào)高和表面粗糙度(du)要求💰較細的零件(jiàn)，就要在機床上用(yong)精細繁複的工✍️藝(yi)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(chuán)動裝置和執行裝(zhuāng)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(ju)進行相對運🛀動，至(zhi)于💞在哪兒下刀、切(qiē)🈲多少、多快速度🏃‍♀️切(qiē)等等問題♻️，則由人(rén)在加工過程中直(zhi)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(bú)變的，為了實現不(bú)同的切削速度，傳(chuán)統的機床設計了(le)極為複雜的傳動(dòng)系統。這種複雜度(du)的機械在現今的(de)設㊙️計中已經不多(duo)見了。

而随着伺服(fú)電機（伺服電機就(jiù)是可以在一定範(fan)圍内精确控制電(dian)機的位置和轉速(su)的電機）技術的發(fa)展及其在數控機(jī)床上的應用，直接(jiē)控制電機的轉㊙️速(sù)變得☂️方便快捷效(xiào)率高，而且基本上(shang)✨是無級變速，傳動(dong)系統的結構大大(dà)簡化，甚至出現了(le)很多環節電機直(zhi)接連接到執行機(ji)構上，而省略了傳(chuan)動系統。

這種“直接(jiē)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(yao)實現各種各樣的(de)形狀的零件的🐉加(jia)🤞工，還需要讓機床(chuang)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(jī)床成為有“腦子”的(de)數控機床了。而這(zhè)個腦子就是數控(kòng)系統，數控系統的(de)水平高低決定了(le)🔞數控機床⛱️能幹多(duō)複雜、多精密的活(huó)兒，也決定了這台(tai)機床☁️和他的操作(zuò)者的身價。

（二）數(shu)控系統能幹嘛？處(chu)理信息并控制動(dong)力

數控系統（Numerical Controller System）是數(shù)控機床的大腦。

對(dui)于一般數控機床(chuang)而言，往往包含人(ren)機控制界面、數控(kòng)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(zhù)下，将加❌工過程所(suǒ)需的⛱️各種操作（如(rú)主軸變速等步驟(zhòu)以及工件的形狀(zhuang)尺寸）用零件程序(xu)代碼表示，并通過(guò)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(xiàn)刀具與工件的相(xiang)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(zhì)信号的形式傳給(gei)後續👈的伺服電機(jī)，這⭕些控制信号的(de)工作效果依賴于(yú)兩大核心技術：一(yī)個是曲線曲面的(de)插補運算，一個是(shì)機床多軸的運動(dòng)控制。

（三）零件形狀(zhuàng)太“自由”？靠插補運(yùn)算搞定

如果運動(dòng)軌迹可以用解析(xī)式表達，則整個運(yun)動就⛷️可以🤩分解為(wéi)幾個坐标的獨立(li)運動的合成運動(dong)，就可以直接控制(zhì)電機生成了。

但是(shì)制造過程中很多(duo)零件的形狀可以(yǐ)說是十分“自由”的(de)，既不圓、也不方，甚(shen)至都不知道是什(shi)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(cheng)為自由曲線（Free Form Curves）或自(zì)由曲👉面。

要切出來(lai)這些“自由”的形狀(zhuang)，刀具和工件之間(jian)的相對運動📞也相(xiang)應的十分複雜。具(jù)體到操作中，就是(shì)要🤟控制工件😄台、刀(dāo)具都按照設計好(hao)的位置-時間曲線(xiàn)進行運動，控制這(zhè)二者在規定🌂的時(shí)間以指定的姿态(tài)到達指🤩定的位置(zhì)。

機床可以在工件(jian)和刀具之間很好(hao)地完成直線段、圓(yuán)♻️弧或🐉其他的有解(jie)析式的樣條曲線(xiàn)的相對運動🐆，而這(zhè)種複雜的🌈“自由”運(yùn)動又該怎麼完成(cheng)呢？答案是依靠插(cha)補運算。

所謂插補(bu)，就是按照一定方(fang)法确定數控機床(chuáng)上刀具的運動軌(gui)迹的過程。根據給(gei)定的速度和軌迹(ji)，在軌迹的已知點(diǎn)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(jin)而就能完成整⛷️個(ge)運動。

而這些中間(jiān)點之間，則通過線(xian)段、圓弧或者樣條(tiáo)曲線等來連接。相(xiang)當于用數段微小(xiao)的線段和圓弧去(qù)逼近⭐要求的曲線(xian)和曲面，這就是插(chā)補的本質。

流行的(de)插補算法包括逐(zhú)點比較法、數字增(zeng)量法等✨，而利用Nurbs樣(yàng)🍉條曲線進行插補(bǔ)因為其效率高、精(jing)度好而得到了高(gao)端數控🔞機床的青(qīng)睐。