1.4　现代数控机床的发展

1.4.1　数控技术的产生与发展

数控机床是在机械制造技术和控制技术的基础上发展起来的。1946年，美国宾夕法尼亚大学研制出世界第一台电子计算机“ENIAC”，为产品制造由刚性自动化向柔性自动化方向的发展奠定了基础。从20世纪40年代以来，航空航天技术的发展对各种飞行器的加工提出了更高的要求，这类零件的形状复杂，材料多为难加工合金，为了提高强度，减轻重量，通常将整体材料铣成蜂窝式结构，这用传统的机床和工艺方法加工不能保证精度，也很难提高生产率。1948年，美国帕森斯公司在研制加工直升机叶片轮廓检查用样板的机床时，提出了数控机床的初始设想。后来受美国空军委托与麻省理工学院合作，在1952年研制成功了世界上第一台三坐标数控铣床，其控制装置由约2000多个电子管组成，大小占了一个普通实验室那么大。伺服机构采用一台控制用的小伺服马达改变液压马达斜盘角度以控制液动机速度，插补装置采用脉冲乘法器。这台数控机床的诞生，标志着数控技术的开创和机械制造的数值控制时代的开始。

数控系统的发展历程如表1-2所示，由当初的电子管式起步，经历了分立式晶体管式—小规模集成电路式—大规模集成电路式—小型计算机式—超大规模集成电路—微机式的数控系统等几个发展阶段。

1952年，第一代数控机床的数控装置采用了电子管、继电器等元件构成模拟电路；1959年，出现了晶体管，数控装置中广泛采用晶体管和印制线路板，构成晶体管数字电路，使体积缩小，进入第二代；1965年，出现了小规模集成电路，用它构成集成数字电路作数控装置，使体积更小，功率更低，系统可靠性进一步提高，发展到第三代。以上三代数控系统主要是由电路的硬件和连线组成，所以称为接线逻辑数控系统（Wired Logic NC）或硬数控系统，简称NC系统。它的特点是具有很多硬件电路和连接结点，电路复杂，可靠性不好，这是数控系统发展的第一阶段。

20世纪60年代末，小型计算机逐渐普及并被应用于数控系统，数控系统中的许多功能可由软件实现，简化了系统设计并增加了系统的灵活性和可靠性，计算机数控（CNC）技术从此问世，数控系统发展到第四代；1974年，以微处理器为基础的CNC系统问世，标志着数控系统进入了第五代，1977年，麦道飞机公司推出了多处理器的分布式CNC系统，到1981年，CNC达到了全功能的技术特征，其体系结构朝柔性模块化方向发展。1986年以后，32位CPU在CNC中得到了应用，CNC系统进入了面向高速、高精度、柔性制造系统（FMS）和自动化工厂（FA）的发展阶段。20世纪90年代以来，受通用微机技术飞速发展的影响，数控系统朝着以通用微机为基础、体系结构开放和智能化的方向发展。1994年基于PC的NC控制器在美国首先出现于市场，此后得到迅速发展。由于基于PC的开放式数控系统可充分利用通用微机丰富的硬软件资源和适用于通用微机的各种先进技术，已成为数控技术发展的潮流和趋势。后三代是数控系统发展的第二阶段，其数控系统主要是由计算机硬件和软件组成，称作CNC系统。其最大特点是利用存储在存储器里的软件控制系统工作，因此也称软数控系统。这种系统容易扩大功能，柔性好，可靠性高。

数控技术的发展极大地推动了数控机床的发展，数控系统经过60多年的不断发展，从控制单机到生产线以至整个车间和整个工厂。近年来，随着微电子和计算机技术的日益成熟，其成果正在不断渗透到机械制造的各个领域中，先后出现了计算机直接数控系统（DNC）、柔性制造系统（FMS）和计算机集成制造系统（CIMS）。这些高级的自动化生产系统均是以数控机床为基础，它们代表着数控机床今后的发展趋势。目前，CNC的故障率已达0.01次/（月·台），即无故障时间（MTBF）为100个月，数控性能大大提高。以FANUC公司为例，1991年开发成功的FS15系统与1971年开发的FS220系统相比，体积只有后者的十分之一，加工精度提高10倍，加工速度提高了20倍，可靠性提高了30倍以上。

1.4.2　直接数字控制系统

直接数字控制（DNC）系统是将一组数控机床与存储有零件加工程序和机床控制程序的公共存储器相连接，根据加工要求向机床分配数据和指令的系统。即用一台通用计算机直接控制和管理一群数控机床进行零件加工或装配的系统。在DNC系统中，基本保留原来各数控机床的CNC系统，并与DNC系统的中央计算机组成计算机网络，实现分级控制管理。中央计算机并不取代各数控装置的常规工作。

DNC系统具有计算机集中处理和分时控制的能力；具有现场自动编程和对零件程序进行编辑和修改的能力，使编程与控制相结合，而且零件程序存储容量大；此外DNC系统还具有生产管理、作业调度、工况显示监控和刀具寿命管理等能力。DNC系统可以分成间接控制型和直接控制型两大类。

间接控制型DNC系统是由已有的数控机床，配上集中管理和控制的中央计算机，并在中央计算机和数控机床的数控装置之间加上通信接口所组成，如图1-13（a）所示。中央计算机配备有大容量的外存储器，以存放每台数控机床所需的零件加工计划和加工程序，适时调至计算机的内存中。计算机中存有扫描程序，顺次查询各台数控机床的请求信号，根据需要，计算机以中断方式向发出请求的某台数控机床的通信接口传送所需的加工程序。由于传递一个零件加工程序的时间很短，而机床的加工时间很长，所以一台中央计算机为多台机床服务时，不会发生等待现象。

间接型DNC系统中，各数控机床的数控装置仍然承担着原来的控制功能，中央计算机与接口只起了原有数控机床的纸带阅读机的作用，这样的控制功能称之为读带机旁路控制。间接型DNC系统比较容易建立，并且当中央计算机出了故障时，仍可用原有的纸带阅读机工作，由于机床的数控装置并未简化，故硬件成本较高。

组成直接控制型DNC系统的数控机床不再配置普通的数控装置，原来由数控装置完成的插补运算功能全部或部分由中央计算机集中完成，各台数控机床只需配置一个简单的机床控制器（Machine Control Unit，MCU）用于数据传递，驱动控制和手动操作，其原理框图如图1-13（b）所示。

直接型DNC系统的插补运算控制方法有以下三种。

① 由中央计算机完成各台机床所需的插补运算，由接口分时经MCU向各机床传送进给指令，这种方式要求中央计算机有较高的运算速度，受控机床的台数一般为3～5台。

② 各台机床的插补可由接口电路的硬件执行，进给指令经MCU送至各台机床，这样可以降低对中央计算机的运算速度要求，接口的硬件成本较高，但是控制的机床台数较多。

③ 将插补分成粗、精插补，由中央计算机完成粗插补，由接口电路或MCU完成精插补，这种方案综合考虑了运算速度与硬件成本，是一种常用的方法。

直接控制型DNC系统的数控机床，其控制功能主要由计算机软件执行，所以灵活性大，适应性强，可靠性也比较高，但是投资比较大。现有的DNC系统中，也有将直接控制型与间接控制型混合使用的。

1.4.3　柔性制造单元及柔性制造系统

（1）柔性制造单元（FMC）

FMC是由加工中心（MC）与自动交换工件（AWC，APC）的装置所组成，同时数控系统还增加了自动检测与工况自动监控等功能。FMC的结构形式根据不同的加工对象、CNC机床的类型与数量，以及工件更换与存储的方式不同，可以有多种形式。但主要有托盘搬运式和机器人搬运式两大类型。

如图1-14所示的FMC-1型柔性制造单元采用了托盘搬运式的结构形式，托盘作为固定工件的器具，在加工过程中，它与工件一起流动，类似通常的随行夹具。该型柔性制造单元由卧式加工中心、环形工件交换工作台、工件托盘及托盘交换装置组成。环形工作台是一个独立的通用部件，与加工中心并不直接相连，装有工件的托盘在环形工作台的导轨上由环形链条驱动进行回转，每个托盘座上有地址编码。当一个工件加工完毕后，托盘交换装置将加工完的工件连同托盘一起拖回至环形工作台的空位，然后，按指令将下一个待加工的托盘与工件转到交换位置，由托盘交换装置将它送到机床的工作台上，定位夹紧以待加工。已加工好的工件连同托盘转至工件的装卸工位，由人工卸下，并装上待加工的工件。托盘搬运的方式多用于箱体类零件或大型零件。托盘上可装夹几个相同的零件，也可以是不同的数个零件。

对于车削或磨削中心等机床，可以使用机器人搬运式的结构进行工件的交换。图1-15是日立精工的一种FMC，它由一个机器人为一台加工中心和一台车削中心服务，每一台机床用一台交换工作台作为输送与缓冲存储。由于机器人的抓重能力及同一规格的抓取手爪对工件形状与尺寸的限制，这种搬运方式主要适用于小件或回转件的搬运。

柔性制造单元可以作为独立运行的生产设备进行自动加工，也可以作为柔性制造系统的加工模块。由于柔性制造单元自成体系，占地面积小，便于扩充，成本低而且功能完善，加工适应范围广，特别适用于中小企业。因此，近年来FMC的发展速度很快。

（2）柔性制造系统（FMS）

FMS是20世纪70年代末发展起来的先进的机械加工系统，它是由多台数控机床和加工中心组成，并具有自动上下料装置、仓库和输送系统，在计算机及软件的集中控制下，实现加工自动化。它具有高度的柔性，是一种计算机直接控制的自动化可变加工系统。一个典型的FMS由计算机辅助设计、生产系统、数控机床、智能机器人、全自动化输送系统和自动仓库组成。全部生产过程由一台中央计算机进行生产的调度，若干台控制计算机进行工位控制，组成一个各种制造单元相对独立而又便于灵活调节，适应性很强的制造系统，其系统构成如图1-16所示。

FMS通常具有多台制造设备，这些设备不限于切削加工设备，也可以是电加工、激光加工、热处理、冲压剪切设备以及装配、检验等设备，或者是上述多种加工设备的综合。组成FMS的设备大多在10台以下，一般以4～6台为最多。FMS系统由一个物料运输系统将所有设备连接起来，可以进行没有固定加工顺序和无节拍的随机自动制造。它由计算机进行高度自动的多级控制与管理，对一定范围内的多品种、中小批量的零部件进行制造。

柔性制造系统由加工、物流、信息流三个子系统组成，每一个子系统还可以有分系统。

加工系统多数是由CNC机床按DNC的控制方式构成。系统中的机床，有互补和互替两种配置原则：互补是指在系统中配置有完成不同工序的机床，彼此互相补充而不能代替，一个工件顺次通过这些机床进行加工；互替是指在系统中配置有相同的机床，一台机床有故障则另一台机床可以代替加工，以免整个系统停工等待。当然，一个系统的机床设备也可以按这两种方式混合配置，这要根据预期生产性质来确定。

物流系统包括工件和刀具两个物流系统。刀具系统设有中央刀库，由机器人在中央和各机床的刀库之间进行输送和交换刀具。而刀具的备制和预调一般都不包括在自动监控的范围之内。刀具的数目要少，必须采用标准化、系列化，并有较长的刀具寿命。系统应有监控刀具寿命和刀具故障的功能。对刀具寿命的监控，目前多采用定时换刀的方法，即记录每一把刀具的使用时间，达到预定的使用寿命后即强行更换。还有一种直接检测刀具磨损情况更换刀具的方法，由于这一技术不成熟，还没有在生产中得到应用。

工件系统包括有工件、夹具的输送、装卸以及仓储等装置。在FMS中工件和夹具的存储仓库多用立体仓库，由仓库计算机进行控制和管理。其控制功能有：记录在库货物的名称、货位、数量、重量以及入库时间等内容；接受中央计算机的出、入库指令，控制堆垛机和输送车皮运动；监督异常情况和故障报警等。各设备之间的输送路线以直线往复方式居多，输送设备中使用最多的是有轨小车和使用灵活的无轨小车。无轨小车又称自动引导小车。小车上有托盘交换台，工件放在托盘上，托盘由交换台推上机床的工作台，对工件进行加工；加工好的工件连同托盘拉回到小车上的交换台上，送装卸工位，由人工卸下并装上新的待加工件。小车的行走路线常用电线或光电引导。

信息流系统包括作业计划，加工系统和物流系统的调度与自动控制，在线状态监控及其数据和信息处理，以及故障在线检测和处理等。此外，在FMS中排屑、去毛刺、清洗等工作设备都要纳入系统的管理与自动控制范围之内。

1.4.4　计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（CIMS）是一种先进的生产模式，它是在柔性制造技术、计算机技术、信息技术、自动化技术和现代管理科学的基础上将企业的全部生产、经营活动所需的各种分布的自动化子系统，通过新的生产管理模式、工艺理论和计算机网络有机地集成起来，以获得适应于多品种、中小批量生产的高效益、高柔性和高质量的智能制造系统。

CIMS的最基本内涵是用集成的观点组织生产经营，即用全局的、系统的观点处理企业的经营和生产。因此，CIMS可由经营管理信息分系统与工程设计自动化分系统、制造自动化分系统、质量保证分系统以及计算机网络和数据库分系统6个分系统组成，它们之间的关系如图1-17所示。企业能否获得最大的效益，很大程度上取决于这些分系统各种功能的协调程度。为了实现以T（Time to Market）、Q（Quality）、C（Cost）、S（Service）、E（Environment）为目标的企业整体优化，需要信息的集成、功能的集成、技术的集成以及人、技术、管理的集成。以下分别介绍CIMS的6个分系统。

① 经营管理信息分系统　这个系统包括预测、经营决策、各级生产计划、生产技术准备、销售、供应、财务、成本、设备、工具、人力资源等管理信息功能，通过信息集成，达到缩短产品生产周期、减少占用的流动资金，提高企业的应变能力。

② 工程设计自动化分系统　它是用计算机来辅助产品设计、制造准备和产品性能测试等阶段工作，即为CAD/CAPP/CAM系统。其目的使产品的开发更高效、优质、自动化进行。

③ 制造自动化分系统　常用的是FMS系统，这个系统根据产品的工程技术信息，车间层的加工指令，完成对工件毛坯加工的作业调度、制造等工作。

④ 质量保证分系统　保证质量决策、质量检测与数据采集、质量评估、控制与跟踪等功能。系统保证从产品设计、制造、检验到售后服务的整个过程。

⑤ 计算机网络分系统　它是支持CIMS各个分系统的开放型网络通信系统。采用国际标准和工业标准规定的网络协议进行互联。以分布方式，满足各应用分系统对网络支持服务的不同需求，支持资源共享，分布处理、分布数据库和实时控制。

⑥ 数据库分系统　它是支持CIMS各分系统的数据库，以实现企业数据的共享和信息集成。

开发与实施CIMS的核心是将各分系统通过集成、综合及一体化等手段，融合成一个高效、统一的有机整体。集成范围概念可以包括：侧重于系统硬件及软件技术平台构成的系统集成；侧重于如何发挥人、机器、过程等因素作用的应用集成；侧重于信息的采集、传递、加工、存取等方面的信息集成。具体地说，它包括企业各种经营活动的集成、企业各个生产系统与环节的集成、各种生产技术的集成、企业部门组织间的集成和各类人员的集成。集成的发展大体可划分为信息集成、过程集成和企业集成3个阶段。目前，CIMS的集成已经从原先的企业内部的信息集成和功能集成，发展到当前的以并行工程为代表的过程集成，并正在向以敏捷制造为代表的企业间集成发展。

虽然CIMS设计的领域很广，但是数控机床仍是CIMS不可缺少的基本工作单元，高级自动化技术的发展将进一步证明数控机床的价值，并且正在更为广阔地开拓数控机床的应用领域。