1.3.2 数控技术与现代制造系统

1．现代制造系统的发展趋势

随着市场需求个性化与多样化，现代制造系统正向精密化、柔性化、网络化、虚拟化、智能化、清洁化、集成化、全球化的方向发展。当前先进制造技术的发展大致有以下特点：

1）信息技术、管理技术与工艺技术紧密结合

随着信息技术向制造技术的注入和融合，促进着制造技术不断发展。信息使制造系统的技术含量提高，促进了加工制造的精密化、快速化，自动化技术的柔性化、智能化，整个制造过程的网络化、全球化。相继出现的各种先进制造模式，如CIMS、并行工程、精益生产、敏捷制造、虚拟企业与虚拟制造等，均以信息技术的发展为支撑。

2）计算机辅助设计、辅助制造、辅助工程分析（CAD/CAM/CAE）

制造信息的数字化，将实现CAD/CAPP/CAM/CAE的一体化，使产品向无图纸制造方向发展。在发达国家的大型企业中，已广泛使用CAD/CAM，实现100%数字化设计。将数字化技术注入产品设计开发，提高了企业产品自主开发能力和产品档次，同时也提高了企业对市场的应变能力和快速响应能力。通过局域网实现企业内部并行工程，通过Internet建立跨地区的虚拟企业，实现资源共享，优化配置，也使制造业向互联网辅助制造方向发展。

3）加工制造技术向着超精密、超高速和发展新一代制造装备的方向发展

超精密加工技术是为了获得被加工件的形状、尺寸精度和表面粗糙度均优于亚微米级的一门高新技术。超精加工技术的加工精度由红外波段向可见光和不可见光的紫外波段发展，目前加工精度达到0.025µm，表面粗糙度达0.045µm，已进入纳米级加工时代。美国为了适应航空、航天等尖端技术的发展，已研制出多种数控超精密加工车床，最大的加工直径可达1.63m，定位精度为28nm（10-9m）。

目前铝合金超高速切削的切削速度已超过1600m/min，铸铁为1500m/min，超耐热镍合金为300m/min，钛合金200m/min。超高速切削的发展已转移到一些难加工材料的切削加工。现代数控机床主轴的最高转速可达到10 000～20 000r/min，采用高速内装式主轴电动机后，使主轴直接与电动机连接成一体，可将主轴转速提高到40 000～50 000r/min。

市场竞争和新产品、新技术、新材料的发展推动着新型加工设备的研究与开发，如并联桁架式结构数控机床（或俗称“六腿”机床），突破了传统机床的结构方案，采用可以伸缩的六条“腿”连接定平台和动平台，每条“腿”均由各自的伺服电动机和精密滚珠丝杠驱动，控制这六条“腿”的伸缩就可以控制装有主轴头的动平台的空间位置和姿势，从而满足刀具运动轨迹的要求。

4）工艺研究由经验判断走向定量分析

先进制造技术的一个重要发展趋势是通过计算机技术和模拟技术的应用，使工艺研究由经验判断走向定量分析，加工工艺由技艺发展为工程科学。

5）虚拟现实技术在制造业中获得越来越多的应用

虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术主要包括虚拟制造技术和虚拟企业两个部分。前者从根本上改变了设计、试制、修改设计、规模生产的传统制造模式，后者实现了产品的全球化制造。

在产品真正制造出之前，首先在虚拟制造环境中生成了软产品原型（Soft Prototype）代替传统的硬样品（Hard Prototype）进行试验，对其性能和可制造性进行预测和评价，从而缩短产品的设计与制造周期，降低产品的开发成本。虚拟企业通过信息高速公路，将产品涉及的不同企业临时组建成为一个没有围墙、超越空间约束、靠计算机网络联系、统一指挥的合作经济实体，从而快速响应市场的需求。

2．从单机数控加工到计算机集成制造系统

在所有品种的机床实现单机数控化的同时，现代制造系统进一步加快了向柔性制造系统、柔性制造单元及计算机集成制造系统全面发展的步伐。20世纪50年代末，出现了用于箱体类零件的数控加工中心并得到迅速发展。随着CNC技术、信息技术、网络控制技术的发展，为单机数控化向计算机控制的多机制造系统自动化方向发展创造了必要的条件。20世纪60年代末出现的直接数控（DNC）系统正是这一发展趋向的具体体现，即用一台计算机控制和管理多台数控机床和加工中心。

1）柔性制造技术

1967年英国莫林斯（Molins）公司提出的柔性自动化制造技术（简称柔性制造技术），强调管理技术和制造技术的有机集合。经过多年的发展，柔性制造技术已成为现代先进制造技术的统称，其以数控技术为核心，集自动化技术、信息技术和制作加工技术于一体，把以往工厂企业中相互孤立的工程设计、制造、经营管理等过程，在计算机及其软件和数据库的支持下，构成了一个覆盖整个企业的有机系统。

柔性制造技术的应用，既解决了近百年来中小批量和中大批量多品种加工自动化的问题，也很好地适应了产品不断迅速更新的需求。高效、灵活的特性使柔性制造技术成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，被世界各国所重视，并在发达国家的制造业中得到了广泛的应用。

柔性制造技术是技术密集型的技术群，一般认为凡是侧重于柔性，适应于多品种、中小批量（包括单件产品）的加工技术都属于柔性制造技术。目前，按规模大小可进行如下划分：

（1）柔性制造系统（FMS）

关于柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）的定义很多，权威性的定义有如下几个。美国国家标准局把FMS定义为：“由一个传输系统联系起来的一些设备，传输装置把工件放在其他联结装置上送到各加工设备，使工件加工准确、迅速和自动化。中央计算机控制机床和传输系统，柔性制造系统有时可同时加工几种不同的零件。”国际生产工程研究协会指出“柔性制造系统是一个自动化的生产制造系统，在最少人的干预下，能够生产任何范围的产品族，系统的柔性通常受到系统设计时所考虑的产品族的限制”。而我国国家军用标准定义为：“柔性制造系统是由数控加工设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的自动化制造系统，它包括多个柔性制造单元，能根据制造任务或生产环境的变化迅速进行调整，适用于多品种、中小批量生产。”简单地说，FMS是由若干数控设备、物料运储装置和计算机控制系统组成的，并能根据制造任务和生产品种变化而迅速进行调整的自动化制造系统。

目前，常见的组成通常包括4台或更多台全自动数控机床（加工中心与车削中心等），由集中的控制系统及物料搬运系统连接起来，在不停机的情况下实现多品种、中小批量的加工及管理。

（2）柔性制造单元（FMC）

FMC（Flexible Manufacturing Cell）的问世并在生产中使用约比FMS晚6～8年。FMC可视为一个规模最小的FMS，是FMS向廉价化及小型化方向发展的一种产物。它由1～2台加工中心、工业机器人、数控机床及物料运送存储设备构成，其特点是实现单机柔性化及自动化，具有适应加工多品种产品的灵活性。迄今，FMC已进入普及应用阶段。

（3）柔性制造线（FML）

FML（Flexible Manufacturing Line）是处于单一或少品种、大批量、非柔性自动线与中小批量、多品种 FMS 之间的生产线，其加工设备可以是通用的加工中心、CNC 机床，也可采用专用机床或NC专用机床，对物料搬运系统柔性的要求低于FMS，但生产率更高。FML以离散型生产中的柔性制造系统和连续生过程中的分散型控制系统（DCS）为代表，其特点是实现生产线柔性化及自动化，其技术已日臻成熟，迄今已进入实用化阶段。

（4）柔性制造工厂（FMF）

FMF（Flexible Manufacturing Factory）是将多条FMS连接起来，配以自动化立体仓库，并用计算机系统进行联系，采用从订货、设计、加工、装配、检验、运送至发货的完整FMF。它包括了CAD/CADM，并使计算机集成制造系统（CIMS）投入实际，实现生产系统柔性化及自动化，进而实现全厂范围的生产管理、产品加工及物料储运进程的全盘化。

FMF是自动化生产的最高水平，反映出世界上最先进的自动化应用技术。它将制造、产品开发及经营管理的自动化连成一个整体，以信息流控制物质流的智能制造系统（Intelligent Manufacturing System, IMS）为代表，其特点是实现工厂柔性化及自动化。

2）计算机集成制造系统

计算机集成制造系统（Computer Integrated Manufacturing System，CIMS）是自动化制造技术发展的更高阶段，CIMS概念是由美国的J. Harrington于l973年首次提出的。自动化制造技术不仅需要发展车间制造过程的自动化，而且要全面实现从生产决策、产品设计、市场预测直到销售的整个生产活动的自动化。CIMS正是在计算机网络和分布式数据库的支持下，将上述要求综合成一个完整的生产制造系统，从而获得更高的整体效益，缩短产品开发制造周期，提高产品质量，提高生产率，提高企业的应变能力，以赢得竞争。CIMS是工厂自动化的发展方向和未来制造业工厂的模式。

CIMS一般可以划分为如下四个功能子系统和两个支撑子系统，其组成框图如图1-8所示。

四个功能子系统包括：

（1）管理信息子系统，以MRPII为核心，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、人力资源的管理信息功能。

（2）产品设计过程自动化子系统，通过计算机来辅助产品设计、制造准备及产品测试，即CAD/CAPP/CAM阶段。

（3）制造自动化或柔性制造子系统，是CIMS 信息流和物料流的结合点，是CIMS最终产生经济效益的聚集地，由数控机床、加工中心、清洗机、测量机、运输小车、立体仓库、多级分布式控制计算机等设备及相应的支持软件组成。根据产品工程技术信息、车间层加工指令，完成对零件毛坯的作业调度及加工制造。

（4）质量保证子系统，包括质量决策、质量检测、产品数据的采集、质量评价、生产加工过程中的质量控制与跟踪功能。系统保证从产品设计、产品制造、产品检测到售后服务全过程的质量监控。

两个辅助子系统指计算机网络和数据库子系统。

（1）计算机网络子系统，即企业内部的局域网，支持 CIMS 各子系统的开放型网络通信系统。采用标准协议可以实现异机互联、异构局域网和多种网络的互联。系统满足不同子系统对网络服务提出的不同需求，支持资源共享、分布处理、分布数据库和适时控制。

（2）数据库子系统，支持CIMS各子系统的数据共享和信息集成，覆盖了企业全部数据信息，在逻辑上是统一的，在物理上是分布式的数据管理系统。公用数据库是CIMS的核心，对信息资源进行存储与管理，并对各个计算机系统进行通信，实现企业数据的共享和信息集成。

CIMS是建立在多项先进制造技术基础上的高技术制造系统，为赶上工业先进国家的机械制造水平。我国863计划将CIMS作为自动化领域中的一个主题项目进行研究，开展了关键技术的攻关工作，确定了若干试点工厂，取得了一批重要的研究成果。在CIMS的实施过程中，要实现工程设计、制造过程、信息管理、工厂生产等技术和功能的集成，这种集成不是现有生产系统的计算机化，而原有的生产系统集成很困难，独立的自动化系统异构同化非常复杂，所以要考虑在实施CIMS计划时的收益和支出。