一提到工業，最基礎的就是制造。

所謂制(zhì)造就是把各種各樣的東西從原材料變成零件再(zài)裝配成産品。

在傳統的金屬加工領域，零件的制造就是火星四濺的鑄鍛焊(hàn)以及硬碰硬的車(chē)銑刨磨鉗，我們生活中見到的任何一個稍微有些形(xíng)狀的金屬，在我們見到之前，都已經在工廠經曆了多次(cì)鐵與火的淬煉(liàn)。

既然金屬零件是機器制造的，那麼機器又是如何制造的呢？原來，它是通過數控機床完成的。

（一）從(cóng)機床到數控機床，機器(qì)不再無腦幹活

機床是其他機器的“母機”。

煉鋼廠出産的鋼鐵并不是我們在(zài)生活(huó)中見到的各種奇奇怪怪的形狀，而是闆(pǎn)材、管(guǎn)材、鑄錠等等形(xíng)狀比較規則的材(cái)料，這些材料要加工成(chéng)各種形狀的零(líng)件就需要使用機床進行(háng)切(qiē)削；還有一些精度要求較高和表面粗糙度(dù)要(yào)求較細的零件，就要在機床上用(yòng)精細繁複的工藝切(qiē)出來或者磨出來。

和所有的機器一樣，最初的機床包括動力(lì)裝置、傳動(dòng)裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電機轉動(dòng)輸入動力，通過傳動(dòng)裝置帶着被加工的(de)工件或者刀具進行相(xiàng)對運(yùn)動，至于在哪兒下刀、切多少(shǎo)、多(duō)快(kuài)速度切等等問題，則由(yóu)人在加工過程中直接進行(háng)控制。

由于傳統機床使用的(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速度，傳統的機床設(shè)計了(le)極為複雜的傳動(dòng)系統。這(zhè)種複雜度(dù)的機械在現今(jīn)的設計中已經不多見了。

而随着伺服電機（伺服電機就是可以在一定範(fàn)圍(wéi)内精确控制電(diàn)機的位置和轉(zhuǎn)速(sù)的電機）技術(shù)的發展及其在數控機床上的應用(yòng)，直接控制電機的轉速變得方便(biàn)快捷效率高，而(ér)且基本上是無級變速，傳動系(xì)統的結構大大簡化，甚至出現了(le)很多環節電機直接連接到執行機(jī)構上，而省略了(le)傳動系統。

這種“直(zhí)接驅動”的模(mó)式是現在機械設計領(lǐng)域(yù)的一大趨勢。

結(jié)構的簡化還不夠，要實現各(gè)種各樣的形狀的零件的加工，還需要讓機床可以高效、準确的(de)控制多台電機合(hé)作完成整個加工過程。

這就要讓機床(chuáng)成為有“腦子”的(de)數控(kòng)機床了。而這個腦子就是數控系統(tǒng)，數控系統的水平高低決定了(le)數控機床能幹多複雜、多精密(mì)的活兒，也決定(dìng)了這台機床和他的操作者的(de)身價。

（二）數控系統能幹嘛？處理信息并控(kòng)制動力

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

對于一般數控機床而言，往往(wǎng)包含人(rén)機控(kòng)制界面、數控系統、伺服驅(qū)動裝置、機床、檢測裝置等(děng)等，操作人員在一些計算機輔助制造(zào)軟件的幫助下，将(jiāng)加工過程(chéng)所需的各種操作(zuò)（如主軸變速等步驟以及工件的形狀(zhuàng)尺寸）用零件程(chéng)序(xù)代碼表示，并通過(guò)人及控制界面輸入到數控機床，之後由數控(kòng)系統對這些信(xìn)息進行處(chù)理和運(yùn)算，并按零件(jiàn)程序的要求控制伺服電機，實現刀具與工件的相對運動，以完成零件的加工。

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

（三）零件形狀太“自由(yóu)”？靠插補運算搞定

如果運(yùn)動軌迹可(kě)以用解析式表達，則整個運動就可以分解為(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(jì)不圓、也不方，甚(shèn)至都不知道是什麼形狀，例如(rú)汽車(chē)、輪船、飛機、模具、藝術品等(děng)産品常遇(yù)到不(bú)能用解析式描述的曲(qǔ)線曲面，這類曲線曲面(miàn)稱為自由曲線（Free Form Curves）或自(zì)由曲面。

要切出來這些“自(zì)由”的形狀，刀具和工件之(zhī)間的相對(duì)運動也相應的十分複雜。具體到(dào)操作中，就是要控制工件台、刀具都按(àn)照設計好(hǎo)的位置-時間曲線進(jìn)行運動，控制這(zhè)二者在規定的時間以指定的姿态(tài)到達指定(dìng)的位置。

機(jī)床可以在工件(jiàn)和刀(dāo)具之間(jiān)很(hěn)好地完成直(zhí)線段、圓弧或其他的有解析式的樣條曲線(xiàn)的(de)相對運動，而這種複雜的“自由”運動又該怎麼完成呢？答案是依靠插(chā)補運算。

所謂插(chā)補(bǔ)，就是按照(zhào)一定方(fāng)法确(què)定數控機床上刀具的運動(dòng)軌(guǐ)迹的(de)過程。根據給定的(de)速(sù)度和軌迹，在軌迹的已知點之間，增加一些新(xīn)的中間點，并控制工件台和刀具通過這些中間點(diǎn)，進而就能完成整個運動。

而這些中間點(diǎn)之間，則通過線段、圓弧或(huò)者樣條曲線等(děng)來連接。相當于(yú)用數段微小的線段和圓弧去(qù)逼近要求的曲線和(hé)曲面(miàn)，這就是插補的本質。

流行的(de)插補算法包括(kuò)逐點比較法、數字增(zēng)量法等，而利用Nurbs樣(yàng)條(tiáo)曲線(xiàn)進行插(chā)補因為其效率高、精(jīng)度好而得到了高端(duān)數控機床的青(qīng)睐。