1.4 现代数控机床的发展1.4.1 数控技术的产生与发展
机械加工领域里的精密设备是在工艺方法和信息处理技术进步之后才出现的。1946年，美国宾夕法尼亚大学开发出全球首个电子计算装置“ENIAC”，这为物品生产从固定自动化向灵活自动化转变提供了前提条件。自20世纪40年代起，航天航空技术的进步对各类飞行器制造设定了更严苛的标准，此类构件造型精巧，材质常为不易切削的合金，为增强韧性，降低分量，通常将一体材料雕琢成蜂巢构造，这种做法借助常规机床与工艺手段，既难以确保精确度，也无法提升制造效能。1948年，美国帕森斯公司为了制造直升机叶片轮廓检测的样板设备，构思了数控机床的基本理念。此后，应美国空军的要求，与麻省理工学院联手，于1952年开发出全球首台三坐标数控铣床，该机床的控制单元包含大约两千个电子管，体积相当于一个标准实验室。该设备使用一个微型驱动电机来调整液压马达的倾斜盘位置，以此控制执行器的运行速率，而插补功能则通过脉冲放大器实现。这一数控机床的问世，宣告了数控技术的诞生，也开启了机械加工领域运用数字方法进行操控的新纪元。
数控系统的发展过程如表1-2所列，最初采用电子管技术构建，随后经历了独立晶体管技术—小型集成电路技术—大型集成电路技术—小型计算机技术—超大型集成电路技术—微型计算机技术等若干个演进阶段。
表1-2 数控系统的发展历程
1952年，第一代数控机床的控制系统运用电子管、继电器等器件搭建了模拟线路；1959年，晶体管问世，控制系统普遍采用晶体管和印刷电路板，形成了晶体管数字线路，导致设备体积减小，开启了第二代；1965年，小规模集成电路出现，将其用于构建集成数字线路作为控制系统，使得设备体积更小，功耗更低，系统稳定性得到增强，进入了第三代。这些数控系统主要构成是电路硬件和连接线，因此被称为接线逻辑数控系统，或者叫硬数控系统，也简称为NC系统。它们的特点是有大量硬件电路和连接点，电路构造复杂，可靠性欠佳，这标志着数控系统发展的初级阶段。
20世纪60年代末，小型计算机开始广泛使用于数控领域，许多数控功能得以通过软件完成，这使得系统设计更加简便，同时提升了系统的适应能力和稳定程度，计算机数控技术因此诞生，数控系统随之进入第四代阶段；1974年，基于微处理器的CNC系统面世，这标志着数控系统迈入第五代，1977年，麦道飞机公司研发出采用多处理器的分布式CNC系统，到1981年，CNC技术实现了全面的性能提升，其架构设计趋向于更加灵活的模块化形式。1986年之后，CNC领域开始采用32位处理器，促使该系统迈入追求高速运转、精密加工、柔性制造系统以及自动化工厂的新时期。进入九十年代，通用微机技术的迅猛进步，推动了数控系统朝向以通用微机为平台、架构开放且具备智能化的路径演进。1994年，PC式数控系统率先在美国市场上亮相，随后实现了快速进步。这类开放式数控系统能够充分利用通用计算机的丰富硬件资源和适用于通用计算机的各类先进技术，因此已成为数控技术发展的主要方向。数控系统发展的第二阶段是后三代，其核心由计算机硬件和软件构成，这种系统被称为CNC系统。它最突出的优势在于依靠存储于内存中的程序指令进行操作，因而也被称作软件型数控装置。此类系统便于增添新功能，适应性佳，而且运行稳定可靠。
计算机数控技术的进步显著促进了机床制造的提升，数控系统经过六十余年的持续演进，逐步实现了从单台设备控制到整条生产线，乃至整个车间和工厂的全面管理。近些年，伴随微电子与计算机技术的逐步完善，相关成就持续融入机械加工的各个层面，相继诞生了直接数控系统、柔性制造系统和集成制造系统等先进模式。这些精密的自动化生产线都以数控机床为根基，它们预示着数控机床未来的发展方向。现阶段，CNC的故障概率已经降低到0.01次每（月每台），意味着平均故障间隔时间达到100个月，数控功能获得显著增强。以FANUC公司为例，其1991年研发的FS15系统，在体量上远小于1971年问世的FS220系统，仅为后者的百分之一，在加工精度方面实现了十倍提升，加工效率提升了二十倍，系统稳定性增强了三十倍以上。
1.4.2 直接数字控制系统
直接数字控制系统是一种连接多台数控机床与共享存储单元的技术，该存储单元存放着零件加工方案和设备操作指令，能够依据生产需求向各设备分配任务数据与操作命令，本质上是一台通用计算设备，能够直接对一批数控机床实施控制和管理，完成零件的制造或组合任务。DNC系统中，依然维持着各数控机床原有的CNC系统，同时与DNC系统的中心计算机构建成网络体系，达成层级化的管控模式。中心计算机并不负责替代各个数控单元的常规功能。
该系统能够进行计算机集中处理和分时控制，同时具备现场自动编程功能，可以编辑和修改零件程序，将编程与控制有效结合，并且零件程序存储空间充足；另外它还拥有生产管理、作业调度、工况显示监控以及刀具寿命管理等多项功能。该系统可分为间接控制型和直接控制型两种类型。
间接控制式DNC系统由现有数控设备，加装中央处理与管控的计算机，并在中央处理机与数控设备控制单元之间增设通讯端口构成，如图1-13a所示。中央处理机配备有海量外部存储单元，用于存储每台数控设备所需的零件加工方案和操作指令，根据需要适时调入处理机的内部存储区域。电脑里装有扫描模块，依次检索每台数控设备的指令信号，按需，电脑会通过中断途径向发出指令的特定数控设备接口发送必要的加工数据，传送一个零件加工数据所需时间极短，但设备加工时间却很漫长，因此一台主控电脑为众多设备提供支持时，不会出现停滞情况。
图1-13 直接数字控制DNC系统
间接式DNC系统里，每台数控机床的控制系统依然负责原先的操作任务，中央处理单元和连接设备仅充当了传统数控设备穿孔读入设备的功能，这种操作模式被称为穿孔机绕行控制方式。这种间接式DNC系统构建起来相对简单，即便中央处理单元发生故障，仍可依靠原有的穿孔读入设备继续运行，不过机床的控制系统没有简化，导致设备硬件造价较为昂贵。
直接控制型DNC系统中的数控机床不再安装常规的数控单元，原先由数控单元负责的插补运算任务，现在完全或部分由中央计算机统一处理，每台数控机床仅需要配备一个基础设备控制器，即机床控制器，简称MCU，这个控制器承担数据交换、驱动管理和手动操作等功能，其结构示意图参见图1-13（b）。
直接型DNC系统的插补运算控制方法有以下三种。
中央计算机负责处理每台设备的插补任务，接口通过MCU轮流向各设备发送移动指令，这种模式对中央计算机的运算能力要求较高，通常控制3到5台设备。
每台机床的插补功能可由接口电路的物理装置完成，进给指令由微控制器传输至各台机床，这种方式有助于减少中央处理器的计算负荷，接口的物理装置造价昂贵，不过能够操控更多数量的机床。
插补过程分为粗插补和精插补两个阶段, 粗插补任务由中央计算机承担, 精插补任务则交给接口电路或MCU处理, 这种分工兼顾了处理效率与设备费用, 是一种普遍采用的设计思路。
采用计算机软件实现控制功能的DNC数控机床，具备较高的变通能力，易于适应不同环境，运行稳定性强，不过初期投入成本较高，较为昂贵。当前DNC系统架构中，常见的是将直接控制方式与间接控制方式相结合的应用模式。
1.4.3 柔性制造单元及柔性制造系统
（1）柔性制造单元（FMC）
加工制造单元由中心机床和自动换刀设备构成，数控系统还配备了自动检测与运行状态监控功能。根据加工任务、数控机床规格和数量，以及工件装卸和存放方法的不同，该制造单元的结构布局存在多种设计。其中主要分为托盘传输型和机械臂传输型两种基本结构。
如图1-14所示，FMC-1型柔性制造单元运用了托盘传送的结构设计，托盘是承载固定工件的工具，在加工环节，它和工件共同移动，功能上等同于通用的随行夹具，这种柔性制造单元包含卧式加工中心、环形工件周转平台、工件承载盘以及盘片交换设备环形工作台是一个自成体系的通用装置，并不与加工设备直接对接，装载工件的托盘在环形工作台的轨道上由环形链条带动实现周转，每个托盘位置都设有地址编码零件制作结束后，传送台会将成品连同载具拉到环形平台的空缺处，随后，依照指令把下一个待加工的载具和零件转到对接位置，由传送台将它送到设备的工作面，进行定位和固定以便进行加工。加工完成的零件和载具会转到零件的装取位置，由工作人员取下，并安装上需要加工的零件。托盘运输常见于处理箱式部件或体积较大的物件。单个托盘能够承载若干个相同的单元，或者搭配不同种类的多个单元。
图1-14 FMC-1型柔性制造单元
进行环形轮换任务,存在一个托盘支架,上面放置着托盘,这些托盘会在一个加工设备中流转,通过一个专门的托盘对接系统来完成它们的传递
在车床或磨床等设备上，可以采用机器人传送方式来更换零件。图1-15展示的是日立精工的一种柔性制造单元，这个单元配置一台机器人为两台加工设备提供支持，每台设备配备一个交换工作台，用于零件的运输和临时存放。这种搬运方法主要针对体积小或可旋转的物品,受限于机械臂的负载能力,同时要求配备与工件尺寸相匹配的夹持装置,因为通用规格的夹持工具难以适应复杂形状的物体。
图1-15 机器人搬运式FMC
1—车削中心；2—机器人；3—交换工作台；4—加工中心
这种制造单元能单独运作，自动完成加工任务，同时也能作为整体制造网络的一部分承担加工职责。它具备独立的运作能力，占用空间不大，容易进行扩展，费用经济且用途广泛，能够适应多种加工需求，因此很适合规模较小的企业采用。正因如此，这类制造单元近些年得到了迅速的发展。
（2）柔性制造系统（FMS）
FMS诞生于二十世纪七十年代末，属于精密的机械制造体系，该体系融合了众多数控机床和加工中心，同时配备了自动装取料设备、存储单元以及物料运输网络，在计算机和软件的统一调度下，能够达成加工的自动化运行。这种制造系统展现出极高的适应性，是一种由计算机直接引导、能够灵活调整的自动化生产模式。一个标准的FMS包括计算机辅助设计、生产系统、数控机床、智能机器人、全自动化运输系统和自动仓库这些部分。整个生产流程由一台中央计算机负责生产安排，同时有多台控制计算机负责工位管理，它们共同构成一个制造系统，其中各个制造单元既相互独立又容易调整，具有很强的适应能力，系统结构如图1-16所示。
图1-16 柔性制造系统
FMS配置的机器数量通常不多，多数情况下少于十台，其中四到六台最为常见，这些机器种类多样，不仅包括金属切削类机床，还可能涵盖电火花加工、激光切割、热处理、冲压剪切等设备，甚至可能包含组装和检测类工具，有时会综合运用多种不同类型的加工机器。物料搬运网络将所有装备相互关联，支持无固定流程的随机自动化生产，无需严格节奏。该系统借助计算机实现高度自动化，进行分级控制与综合管理，专门处理特定领域内的多种类、中小批量的零件加工任务。
柔性制造体系包含加工单元、物料传输环节和数据交换通道这三个基本部分，每个基本部分还可以进一步细分出更小的构成单元。
自动化生产线通常以数控设备依据远程指令运行为基础构建而成。生产线上的设备，存在两种布局准则：其一为配套，即安排能执行不同工序的设备，它们彼此补充却不能互换，工件需依次经过这些设备完成加工；其二为备份，即配置同型号的设备，当一台设备出现故障时，另一台设备能够接替其工作，防止整个生产线因停顿而中断。机床装置的布局方式可以同时采用这两种模式组合使用，具体安排需依据预期的制造任务来决定。
物流系统由工件与刀具两个部分组成。刀具系统配备中央刀库，机器人在中央刀库与各机床刀库间负责刀具的传递和调换。刀具的准备和预先调整通常不纳入自动监控环节。刀具数量需精简，必须遵循标准化和系列化原则，并保证较长的使用寿命。系统需具备监控刀具寿命和故障的功能。刀具的耐用度管理，现在普遍使用固定周期更换刀具的方案，就是统计每件刀具的工作时长，当累计时间达到规定限度时就强制更换。另有一种通过直接测量刀具损耗程度来决定是否更换的方案，不过这项技术尚不完善，目前尚未在制造环节实施。
加工物料配套装置涵盖物料搬运、定位夹持以及存储保管等设备。自动化生产线中物料与夹具的储藏库房多采用高层货架系统，由仓储电脑负责调控运作。其调控职责包含：登录库内物料的品种、存放区域、件数、重量及入存日期等数据；响应总控系统的取用、存放指令，引导升降设备与运输车辆运行；监测异常状况并发出故障警示。传送路径多采用直线往返模式，各类装置中应用最广的有轨道的搬运车，以及机动性强的无轨道搬运车，后者也被称作自动寻址车。这些车具备托盘对接平台，物料置于托盘之上，平台将其推至设备的工作面，实施加工流程；加工完毕的物料与托盘一同被拉回至车的对接平台，转送至装货区域，由工作人员完成卸载与装载新的待加工物料。小车的行走路线常用电线或光电引导。
该系统涵盖任务安排,处理环节以及物料调配的自动化运作,实时监测运行状况并完成数据信息处置,同时具备故障即时识别与应对功能。所有FMS内的排废装置、打磨工具、清洁设备均需被纳入整体管控与自动操作体系。
1.4.4 计算机集成制造系统
计算机集成制造系统属于一种前沿的生产方式，它立足于柔性制造、计算机、信息、自动化及现代管理科学，把企业全部生产运作所需的各种分散的自动化单元，借助创新的生产管理机制、工艺方法与网络技术，有机地融合在一起，旨在形成能够适应多品种、中小批量生产，同时具备高效益、高灵活性及高精度的智能生产体系。
CIMS的核心要义在于统筹安排生产活动，采取整体性的视角来协调企业的运营和制造环节。具体来说，CIMS包含六大子系统，分别是管理信息子系统、工程设计自动化子系统、制造自动化子系统、品质控制子系统以及网络数据库子系统，这些子系统的相互联系如图1-17所示。一个公司的盈利能力，很大程度上要看各个子系统的配合好坏。要达成以速度、品质、成本、服务、环境为标准的企业全面改进，就必须整合信息、功能、技术，还要把人、技术、管理融合在一起。以下分别介绍CIMS的6个分系统。
图1-17 CIMS的组成
这个系统涵盖预测、经营决策、生产计划制定、技术准备、市场开拓、物资采购、财务核算、成本控制、设备维护、工具管理、人员调配等多项管理功能，依靠信息整合，能够缩短产品制造时间，降低资金占用，增强企业适应市场变化的能力。
工程设计自动化子系统，借助电脑技术，能够支持设计环节、生产筹备以及产品功能验证等环节的工作，也就是CAD/CAPP/CAM系统。其核心目标在于，让产品研制过程更加高效、更高质量，并且实现自动化操作。
自动化制造子系统 普遍采用柔性制造系统，该系统依据产品技术参数，以及工段层面的加工要求，执行对物料初始形态的加工安排，并开展制造活动。
质量保障子系统 负责质量方面的决策制定、质量检验与信息收集、质量评定、实施调控与过程监控等工作。该系统确保对从产品构思、生产加工、品质检验直至售后维护的每一个环节都提供支持。
计算机网络子系统，为CIMS全部子系统提供支持，属于开放式的网络通信架构。该系统依据国际及工业标准中的网络协议实现互联。它以分布式形态，应对各应用子系统对网络支持服务的差异化要求，能够实现资源共享，分布式处理，分布式数据库管理以及实时控制功能。
数据库分系统 担当着支撑CIMS各个子系统的数据存储功能，旨在促成公司内部数据资源的高效利用和信息的互联互通。
构建与推行CIMS的关键在于运用整合、统筹及融通等办法，把各个子系统合成一个运作顺畅的整体。其整合范畴的内涵涵盖：聚焦于硬件设施与软件架构的技术整合；注重于调动人力、设备、流程等要素的应用融合；强调对数据收集、流转、处理、存储等环节的信息整合。具体而言，它涵盖了公司所有业务流程的联合，涉及各个制造系统与流程的联合，涵盖多种制造技术的联合，还包括公司部门组织之间的联合以及各类员工的联合。集成的发展大致可以分为信息联合、流程联合和企业联合三个时期。现阶段，CIMS的融合已从早前的公司内部的信息融合与功能融合，进阶到如今以协同设计为标志的流程融合，并且正持续向以快速响应为特征的组织间融合演进。
CIMS的覆盖范围十分广泛，不过数控机床作为其核心组成部分不可或缺，高级自动化技术的进步将更加凸显数控机床的重要性，同时也在不断拓展其应用范围。
