一提到工業，最基礎的就是制造。

所謂制造就(jiù)是把各種各樣(yàng)的東西(xī)從原材(cái)料變成零(líng)件再(zài)裝配成産品。

在(zài)傳統的金屬加(jiā)工領域(yù)，零(líng)件的(de)制造(zào)就(jiù)是火星(xīng)四濺(jiàn)的鑄鍛焊(hàn)以及硬碰(pèng)硬的車銑刨磨鉗，我(wǒ)們生活中見到(dào)的任何一個稍(shāo)微有些形(xíng)狀的金屬，在我(wǒ)們見(jiàn)到之前，都(dōu)已經(jīng)在工廠經曆了(le)多次鐵(tiě)與火的(de)淬煉。

既然金屬(shǔ)零件是機(jī)器制(zhì)造的，那麼機器(qì)又是(shì)如(rú)何(hé)制造(zào)的呢(ne)？原來，它是(shì)通過數控機床完成(chéng)的。

（一）從機(jī)床到數控(kòng)機床，機器(qì)不再無腦幹活

機床是其(qí)他機器的“母機(jī)”。

煉鋼(gāng)廠出(chū)産的(de)鋼鐵(tiě)并(bìng)不(bú)是我(wǒ)們在(zài)生活中見到的各種奇奇(qí)怪怪的形狀，而(ér)是闆材、管材、鑄(zhù)錠等等(děng)形狀比(bǐ)較規(guī)則的材料(liào)，這(zhè)些材料要加(jiā)工成各種(zhǒng)形狀(zhuàng)的零件就需要(yào)使用機床進行切削(xuē)；還(hái)有一些(xiē)精(jīng)度要求較高(gāo)和表面粗(cū)糙(cāo)度(dù)要求較細的零(líng)件，就要在機床上用(yòng)精細繁複的工(gōng)藝切(qiē)出來(lái)或者(zhě)磨出來。

和(hé)所有的(de)機(jī)器一樣，最初(chū)的機床包括動力裝置、傳動(dòng)裝置和執(zhí)行裝置，靠電(diàn)機(jī)轉動(dòng)輸入動力(lì)，通過傳動(dòng)裝置帶着(zhe)被加工的(de)工件或(huò)者(zhě)刀具(jù)進行(háng)相對運(yùn)動，至于在哪兒下(xià)刀、切(qiē)多(duō)少、多快速度切等等問(wèn)題，則由人在加(jiā)工過程中(zhōng)直接(jiē)進行(háng)控制(zhì)。

由于(yú)傳統機床(chuáng)使用(yòng)的電(diàn)機的轉速(sù)在(zài)工作(zuò)時基本(běn)上是不變的，為(wéi)了實現不(bú)同的切削(xuē)速(sù)度(dù)，傳統(tǒng)的機床設(shè)計了(le)極為複雜的傳(chuán)動系統(tǒng)。這(zhè)種複(fú)雜度(dù)的機(jī)械在(zài)現今的(de)設(shè)計中已經不(bú)多(duō)見了(le)。

而随(suí)着伺(sì)服電(diàn)機（伺(sì)服電機就是可(kě)以在(zài)一定範圍内精确控(kòng)制電機的位置(zhì)和轉速的電機(jī)）技術(shù)的發展及(jí)其在(zài)數控(kòng)機床上的(de)應(yīng)用，直接控制(zhì)電機的轉(zhuǎn)速變得方便快(kuài)捷效率高，而(ér)且(qiě)基本上是(shì)無級變速(sù)，傳動系統(tǒng)的結構大大簡化，甚至出現了(le)很多環節(jiē)電機(jī)直接連接到執(zhí)行機構上，而省略了傳(chuán)動系統(tǒng)。

這種“直接驅動(dòng)”的模式是(shì)現在(zài)機械設計領域(yù)的一大(dà)趨勢。

結構的(de)簡化(huà)還不(bú)夠，要(yào)實現(xiàn)各種(zhǒng)各樣的(de)形狀的(de)零件的加工，還(hái)需要讓機床可以高(gāo)效、準确的(de)控(kòng)制多台電機合作完(wán)成(chéng)整個(gè)加工過(guò)程。

這就(jiù)要讓機(jī)床成為(wéi)有“腦(nǎo)子”的(de)數控機床(chuáng)了。而這個(gè)腦子就是(shì)數控(kòng)系統(tǒng)，數控系統(tǒng)的水平(píng)高(gāo)低決(jué)定了(le)數控機床(chuáng)能幹多複雜、多精密的活(huó)兒(ér)，也(yě)決定了(le)這(zhè)台機(jī)床和(hé)他的操作者的(de)身價。

（二）數控(kòng)系統能(néng)幹嘛？處理信息并控制(zhì)動(dòng)力

數(shù)控系統（numerical controller system）是數控(kòng)機床的(de)大(dà)腦。

對(duì)于一般數控機(jī)床而(ér)言(yán)，往(wǎng)往包(bāo)含人機控制界面、數(shù)控系(xì)統、伺服驅(qū)動(dòng)裝置、機(jī)床、檢測裝置等(děng)等，操(cāo)作人員在(zài)一些計算機輔助制造軟件的幫助(zhù)下，将加工(gōng)過程(chéng)所需的各種操(cāo)作（如(rú)主軸變速(sù)等(děng)步(bù)驟以(yǐ)及工件(jiàn)的(de)形狀(zhuàng)尺寸）用零件程(chéng)序代碼表(biǎo)示，并(bìng)通過人及控制(zhì)界面輸入到數(shù)控機床，之後由(yóu)數控系統對這(zhè)些信息進行處(chù)理和(hé)運算(suàn)，并按(àn)零件程序的要(yào)求控(kòng)制(zhì)伺(sì)服電(diàn)機，實(shí)現刀具與(yǔ)工件的相對運(yùn)動，以(yǐ)完成零件的加(jiā)工(gōng)。

數控系(xì)統完(wán)成(chéng)諸多信(xìn)息的存儲和處(chù)理的工作，并将(jiāng)信息的處(chù)理結(jié)果以控制(zhì)信号的形(xíng)式傳給後續(xù)的(de)伺服電機(jī)，這些控制(zhì)信(xìn)号(hào)的工作效(xiào)果依(yī)賴于兩大核心技術(shù)：一個是曲線(xiàn)曲面的插補運算，一個是機(jī)床多(duō)軸的(de)運動控制。

（三）零件形(xíng)狀太(tài)“自由(yóu)”？靠插補(bǔ)運算搞定

如(rú)果運(yùn)動軌(guǐ)迹(jì)可(kě)以用(yòng)解(jiě)析式表達，則整個運動(dòng)就可以分解為(wéi)幾個坐标(biāo)的獨(dú)立運動的合成(chéng)運動，就可(kě)以直(zhí)接控制(zhì)電(diàn)機生成了。

但是制造(zào)過程(chéng)中很多零(líng)件的形狀可以說是十分(fèn)“自由(yóu)”的，既(jì)不(bú)圓(yuán)、也不方，甚至(zhì)都不知道是什(shí)麼(me)形狀(zhuàng)，例如(rú)汽車、輪船(chuán)、飛機、模具(jù)、藝術品等産(chǎn)品常遇(yù)到不能用(yòng)解析(xī)式描述的曲線(xiàn)曲面，這類曲線(xiàn)曲面稱為自由(yóu)曲線（free form curves）或自(zì)由曲(qǔ)面。

要切(qiē)出(chū)來這(zhè)些“自(zì)由”的形狀(zhuàng)，刀具和工件(jiàn)之(zhī)間的相(xiàng)對運動也相(xiàng)應的十分(fèn)複雜(zá)。具(jù)體(tǐ)到操(cāo)作中，就是要控(kòng)制工件台(tái)、刀具(jù)都按照(zhào)設計好(hǎo)的位置-時間曲(qǔ)線進行運動，控(kòng)制(zhì)這二者在規定的(de)時間(jiān)以指(zhǐ)定的姿态(tài)到達(dá)指定的(de)位置。

機(jī)床可以(yǐ)在(zài)工件(jiàn)和刀具之(zhī)間很(hěn)好地完成直線(xiàn)段、圓弧(hú)或其他的有解析式的樣條(tiáo)曲線的相(xiàng)對(duì)運(yùn)動，而這種(zhǒng)複雜的“自由”運(yùn)動又該(gāi)怎麼完成呢(ne)？答案是依(yī)靠插(chā)補運算。

所謂插(chā)補，就是按(àn)照一定方(fāng)法确(què)定數控機床上(shàng)刀具的運動軌(guǐ)迹的(de)過程。根據(jù)給定的(de)速度和(hé)軌迹，在軌迹的(de)已知點(diǎn)之間，增(zēng)加一些(xiē)新的中(zhōng)間點(diǎn)，并(bìng)控制工件台和(hé)刀具通(tōng)過這些中間(jiān)點(diǎn)，進而(ér)就能完成(chéng)整個(gè)運動(dòng)。

而這些中(zhōng)間點之間(jiān)，則通(tōng)過線(xiàn)段、圓(yuán)弧或者樣條(tiáo)曲(qǔ)線等來(lái)連(lián)接。相當于(yú)用(yòng)數段微小的(de)線(xiàn)段和圓弧去(qù)逼近要求(qiú)的曲線和曲面(miàn)，這就是插補的(de)本質。

流行(háng)的插(chā)補算法包(bāo)括逐(zhú)點比較法、數字(zì)增量(liàng)法(fǎ)等，而利(lì)用nurbs樣條曲線進(jìn)行插補(bǔ)因(yīn)為其效率高、精(jīng)度好(hǎo)而得到了高端(duān)數控機床的青睐。