一提到(dào)工業，最基礎的就是制造。

所謂制造就是把各種各樣的東(dōng)西從原材料變成零件(jiàn)再裝配成産品。

在傳統(tǒng)的(de)金屬加工領域，零件(jiàn)的制造就是火星四濺的鑄鍛焊(hàn)以及硬碰硬(yìng)的車銑(xǐ)刨磨鉗，我們生活中見到的任(rèn)何(hé)一個(gè)稍微有些形狀的(de)金屬，在我們見到之前，都已經(jīng)在工廠經曆了多次(cì)鐵與火的淬煉。

既然金屬(shǔ)零件是機(jī)器制造的，那麼機器又是如何制造的呢？原來，它是通過數控(kòng)機床完成(chéng)的。

（一）從(cóng)機床到數控機床，機器(qì)不(bú)再無腦幹活

機床是(shì)其他(tā)機器的“母機”。

煉鋼廠出産的鋼鐵(tiě)并不是我們在生活中見到的(de)各種奇奇怪怪的形狀，而是闆材、管材、鑄錠等等形(xíng)狀比較規則的材(cái)料，這些材料要加工成各種(zhǒng)形狀的零件就需要使用機床進行切削；還有一些精度要求較(jiào)高和表面粗糙度(dù)要求較細的零件，就要在機床上用精細繁複的工(gōng)藝切出(chū)來或者磨出來。

和所有的機器一樣，最(zuì)初的機床包括動力裝置、傳動裝置和執行裝置，靠電機轉(zhuǎn)動輸入動力，通過傳動裝置帶着(zhe)被加工的工件或者刀具(jù)進行相對運動(dòng)，至(zhì)于在哪兒下刀、切(qiē)多少(shǎo)、多快速度切等等問題，則(zé)由人在加工過程中直接進行控制。

由于(yú)傳統機床使用的(de)電(diàn)機的轉速在工作時基本上是不變的，為了實現不同的切削(xuē)速度，傳統的機床設(shè)計了極為複雜的傳動系統。這種複雜度(dù)的機械在現今(jīn)的設(shè)計中已經不多(duō)見了。

而随(suí)着伺服電機（伺服電機就是可以在一定範圍内精确控制電機的位置和轉(zhuǎn)速的電機）技術(shù)的發(fā)展及其在數(shù)控機床上的應用，直接控制(zhì)電機的轉速變得方便快捷效率高，而且基本上是無級變速(sù)，傳動系統的結構大大簡化，甚至出現了很多環節電機直接連接到執行機構上(shàng)，而省略了傳動系統。

這種“直接驅動”的模(mó)式是現在機(jī)械設計(jì)領域的一大趨勢。

結構的簡化還不夠，要(yào)實現各種各樣的形狀的(de)零件的加工，還需要讓機床可以高效、準确的(de)控制(zhì)多台電機合作完成整個加工(gōng)過程。

這就要讓(ràng)機(jī)床成為有“腦子”的(de)數控(kòng)機床了。而這個腦子(zǐ)就是數(shù)控系統，數控系統的水平高低決定了數控機床能幹多複雜、多精密的活兒，也決定了這台機床和(hé)他的操作(zuò)者的身價。

（二）數控系(xì)統能幹嘛？處理信息(xī)并控(kòng)制動(dòng)力

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

對于一般數控機床而言，往往包含人(rén)機控制界面、數控系統、伺服(fú)驅動裝(zhuāng)置、機(jī)床、檢測裝置等等，操作人員在(zài)一些計算機輔助制造(zào)軟件的(de)幫助(zhù)下，将加工過程所(suǒ)需的各種操作（如(rú)主軸變速(sù)等步驟(zhòu)以及工件的形狀尺寸）用零件程序代碼表示，并通過(guò)人及控制界(jiè)面輸入到數控機床，之後由數控系統對這些信息進行處理和運算，并按零件程序的要求控制伺服電機，實(shí)現刀具與工件的相對(duì)運動，以完成零件的加工。

數控系(xì)統完成諸多(duō)信息的存儲和處理的工作，并将信息的(de)處理結果以控制(zhì)信号的形式傳給後續的伺服電機，這些控制信号的工作效果依賴于兩大核心技術(shù)：一(yī)個是曲線曲面的(de)插補運算，一個是機(jī)床多軸的運動控制(zhì)。

（三）零(líng)件形狀太“自由(yóu)”？靠插補運(yùn)算搞定

如果運動軌迹可以用(yòng)解析式表達，則整(zhěng)個(gè)運(yùn)動就可以分解為(wéi)幾個坐标的獨立運動的合成運動，就可以(yǐ)直接控制電機(jī)生成了。

但是制造過程中很多零件的形狀可以說是十分“自由”的，既不圓、也不方，甚(shèn)至都不知道是(shì)什麼(me)形狀，例如(rú)汽車、輪船、飛機、模具、藝術品等(děng)産品常遇到不能用解析式描述的曲(qǔ)線曲面，這類曲線曲面稱為自由曲線（Free Form Curves）或自由曲面。

要切出來這些“自由”的形狀，刀具和工件之間的相對運動也相(xiàng)應的十分複雜。具體到操作中，就是要控制工件台、刀具都按照設計好(hǎo)的位置-時間曲線(xiàn)進行運動，控制這二者在規定的(de)時(shí)間以指定(dìng)的姿态到達指定的位置。

機(jī)床可以在工件和刀(dāo)具之間很好地完成直線段、圓(yuán)弧或其他的有解(jiě)析式的樣條曲線的相對運(yùn)動，而這(zhè)種複雜的“自由”運動又該怎(zěn)麼完成呢？答案是依靠插(chā)補運算。

所謂插補，就是按照一定方法(fǎ)确定數控機床上刀具(jù)的運動軌迹的(de)過程。根據給定的(de)速度和軌迹，在軌迹的已知點(diǎn)之間，增加一(yī)些新的中間點，并控制工件台和刀具通(tōng)過這(zhè)些中間點，進而就能完成整個運動(dòng)。

而這些中間點之間，則通過線段、圓弧或者(zhě)樣條曲線等來連接。相當于用數段微(wēi)小的線段和圓弧(hú)去(qù)逼近要求的曲線和(hé)曲面，這就是插補的本質。

流行的插補算(suàn)法包括逐點比較法(fǎ)、數字增量法等，而利用Nurbs樣(yàng)條曲線進行插(chā)補(bǔ)因為其效率高、精(jīng)度好而得到了高端數控機床的青睐。