一提(tí)到工(gōng)業，最基礎(chǔ)的就(jiù)是制造。

所(suǒ)謂制造就是把(bǎ)各種各樣的東(dōng)西從原材料變(biàn)成零件再裝配成産品(pǐn)。

在(zài)傳統(tǒng)的金屬加(jiā)工領(lǐng)域，零件的制造就是火星四(sì)濺(jiàn)的鑄鍛(duàn)焊以及(jí)硬碰(pèng)硬(yìng)的車銑刨磨鉗，我(wǒ)們生(shēng)活(huó)中見到的任(rèn)何一個稍微有(yǒu)些形(xíng)狀的(de)金屬(shǔ)，在我們見到之前，都(dōu)已經(jīng)在工(gōng)廠經曆了(le)多次(cì)鐵與火的(de)淬煉(liàn)。

既然金屬(shǔ)零件是機(jī)器(qì)制造的(de)，那麼機器又是如何(hé)制(zhì)造的呢(ne)？原來，它(tā)是通過(guò)數控機床(chuáng)完成(chéng)的。

（一）從機(jī)床到數控(kòng)機床，機器(qì)不再無腦(nǎo)幹活(huó)

機床(chuáng)是其他機(jī)器的“母(mǔ)機”。

煉鋼(gāng)廠出産(chǎn)的鋼鐵(tiě)并不是我(wǒ)們在(zài)生活(huó)中見到的(de)各種奇奇怪(guài)怪(guài)的形(xíng)狀，而(ér)是闆(pǎn)材、管材、鑄(zhù)錠等(děng)等形(xíng)狀比較規(guī)則的材料，這些(xiē)材料(liào)要加(jiā)工成各種(zhǒng)形(xíng)狀的零件就需要(yào)使用(yòng)機床進行(háng)切削；還有一些(xiē)精度(dù)要求(qiú)較高(gāo)和表(biǎo)面粗糙(cāo)度要求(qiú)較細(xì)的零(líng)件，就(jiù)要在(zài)機(jī)床上用(yòng)精細繁複(fú)的工(gōng)藝切(qiē)出(chū)來或(huò)者(zhě)磨出(chū)來。

和所有(yǒu)的機器一樣，最(zuì)初的(de)機床包括(kuò)動力(lì)裝置、傳動(dòng)裝置和執行裝(zhuāng)置，靠電(diàn)機(jī)轉動(dòng)輸入(rù)動(dòng)力，通過(guò)傳動(dòng)裝置帶着(zhe)被(bèi)加(jiā)工(gōng)的工件(jiàn)或者刀(dāo)具進(jìn)行(háng)相對運(yùn)動(dòng)，至于(yú)在哪兒下刀、切(qiē)多少(shǎo)、多快(kuài)速度(dù)切等(děng)等問題，則(zé)由人(rén)在加(jiā)工(gōng)過(guò)程中直接(jiē)進行(háng)控制。

由(yóu)于傳統(tǒng)機床使用的電(diàn)機的轉(zhuǎn)速在工(gōng)作時基本上是(shì)不變的，為了實(shí)現不(bú)同的切削(xuē)速度(dù)，傳統的機(jī)床設計了極為(wéi)複雜(zá)的傳(chuán)動系統。這種複(fú)雜度(dù)的機械(xiè)在現今(jīn)的設計中已經(jīng)不多(duō)見了(le)。

而随(suí)着伺(sì)服電機（伺(sì)服電機就是可(kě)以在(zài)一(yī)定(dìng)範圍(wéi)内精确控(kòng)制電(diàn)機的(de)位置(zhì)和轉(zhuǎn)速的(de)電機）技(jì)術的發(fā)展及(jí)其在(zài)數控機(jī)床上的應用，直接控制(zhì)電機的轉速變(biàn)得方(fāng)便快捷效(xiào)率高，而且(qiě)基本(běn)上是無級變速(sù)，傳動(dòng)系統的結(jié)構(gòu)大大簡化，甚(shèn)至出現了(le)很多(duō)環節電機直接(jiē)連接(jiē)到執行機構上(shàng)，而省略了(le)傳(chuán)動系(xì)統(tǒng)。

這種(zhǒng)“直接(jiē)驅動”的模(mó)式是現在(zài)機械設計領(lǐng)域的一大趨勢(shì)。

結構的簡化還(hái)不夠，要(yào)實現各種(zhǒng)各(gè)樣(yàng)的形狀(zhuàng)的(de)零件(jiàn)的加工，還(hái)需要讓機床(chuáng)可(kě)以高(gāo)效、準确的控制(zhì)多台電機(jī)合作(zuò)完成(chéng)整個(gè)加工(gōng)過程(chéng)。

這就要讓(ràng)機床成為有“腦(nǎo)子(zǐ)”的(de)數控機床(chuáng)了。而這個(gè)腦(nǎo)子(zǐ)就是數控(kòng)系統(tǒng)，數控(kòng)系統的水平高(gāo)低決定了(le)數控機床(chuáng)能幹(gàn)多複雜、多精密(mì)的活兒(ér)，也(yě)決定了這台(tái)機床和(hé)他的(de)操作者的(de)身價。

（二）數(shù)控系(xì)統能(néng)幹嘛(ma)？處理(lǐ)信(xìn)息(xī)并控(kòng)制動力

數控系(xì)統（numerical controller system）是數控機床(chuáng)的大腦。

對于一(yī)般數控機床而(ér)言，往(wǎng)往包含人(rén)機控(kòng)制界(jiè)面、數控系(xì)統、伺(sì)服驅(qū)動裝置、機床、檢(jiǎn)測裝置等(děng)等，操(cāo)作人員在(zài)一些(xiē)計算機輔助制(zhì)造(zào)軟件(jiàn)的幫助(zhù)下，将加工過程(chéng)所需(xū)的各(gè)種操作（如(rú)主(zhǔ)軸變速(sù)等步驟以及工(gōng)件的形狀尺寸(cùn)）用零件程序代(dài)碼表示，并(bìng)通過(guò)人及控制界面輸入到數控機(jī)床(chuáng)，之後由數控(kòng)系統對這些信息進行處(chù)理和運算(suàn)，并(bìng)按零件程序(xù)的要(yào)求控(kòng)制(zhì)伺服電(diàn)機，實(shí)現刀具(jù)與(yǔ)工件(jiàn)的相(xiàng)對運(yùn)動，以(yǐ)完成(chéng)零(líng)件的加(jiā)工。

數(shù)控(kòng)系統完(wán)成(chéng)諸多信(xìn)息的存儲(chǔ)和(hé)處理的(de)工作，并将信息(xī)的處(chù)理結(jié)果以(yǐ)控制(zhì)信号的形式傳(chuán)給後(hòu)續的(de)伺服電機，這些(xiē)控制(zhì)信号(hào)的工(gōng)作效果依(yī)賴于(yú)兩大核心技術(shù)：一個是曲(qǔ)線曲面的插補運算(suàn)，一個是機床多(duō)軸的運(yùn)動控制。

（三）零(líng)件形狀太(tài)“自由”？靠插補運(yùn)算搞定

如(rú)果運(yùn)動軌迹可(kě)以用(yòng)解析式表達，則(zé)整個(gè)運動就可以分解為幾個(gè)坐标的(de)獨立運(yùn)動的合成運動(dòng)，就可以(yǐ)直接控(kòng)制電機生成了(le)。

但(dàn)是制造過程(chéng)中很多零(líng)件的(de)形狀可以(yǐ)說是(shì)十分“自(zì)由”的，既(jì)不圓(yuán)、也不(bú)方，甚(shèn)至都(dōu)不知(zhī)道是(shì)什麼(me)形狀，例如(rú)汽車、輪船(chuán)、飛機、模具、藝術品等(děng)産品常遇(yù)到不(bú)能用解析式描(miáo)述的曲線曲面，這類曲(qǔ)線(xiàn)曲面(miàn)稱為(wéi)自(zì)由曲線（free form curves）或自(zì)由(yóu)曲面。

要(yào)切出來(lái)這些“自(zì)由”的(de)形狀，刀具和工件(jiàn)之(zhī)間的相對運動也相應的十分複雜。具體到操作中(zhōng)，就是要控制工(gōng)件台(tái)、刀具(jù)都按(àn)照設(shè)計好的位置-時(shí)間曲線進(jìn)行運動，控制這二者在規定的時間以指定的姿态到(dào)達(dá)指定的位(wèi)置(zhì)。

機(jī)床可以在(zài)工件和刀(dāo)具之間(jiān)很好地(dì)完成(chéng)直線段、圓(yuán)弧或其(qí)他的有(yǒu)解析(xī)式的樣條(tiáo)曲線(xiàn)的相對運(yùn)動，而這種複雜的“自由(yóu)”運動又(yòu)該怎(zěn)麼(me)完成呢(ne)？答案是依(yī)靠插補運算。

所謂插(chā)補，就是按照一定方(fāng)法确定數(shù)控機床(chuáng)上刀具(jù)的運動軌(guǐ)迹的過程。根據給定(dìng)的速度和軌迹(jì)，在軌迹的(de)已知(zhī)點之(zhī)間(jiān)，增(zēng)加一(yī)些新的(de)中(zhōng)間點(diǎn)，并(bìng)控(kòng)制工件台(tái)和刀具通過這(zhè)些中(zhōng)間點(diǎn)，進而就能完成(chéng)整個(gè)運動(dòng)。

而(ér)這些中(zhōng)間點之(zhī)間(jiān)，則通過線段、圓弧或(huò)者樣條曲(qǔ)線等來連接(jiē)。相當于(yú)用數段微小的(de)線段(duàn)和圓弧去(qù)逼近要(yào)求(qiú)的曲線和曲面(miàn)，這就(jiù)是插補(bǔ)的(de)本質。

流行(háng)的插補算(suàn)法包括逐點比(bǐ)較法(fǎ)、數字增量(liàng)法等(děng)，而利(lì)用nurbs樣條曲(qǔ)線(xiàn)進行插(chā)補因為其效率高、精(jīng)度好而得(dé)到了(le)高端數控機床的青睐。