网络化制造中的数控单元及关键数控技术

0 引言

　　基于web制造的前提无疑应该是最终完成制造任务的现场设备(包括作为柔性制造系统基本单位的各种“制造单元”)，即网络化制造装备是基于Web制造硬件基础。单元系统是以一台或多台数控加工设备和物料储运系统为主体，在计算机统一控制管理下，可进行多品种、中小批量零件自动化加工生产的机械加工系统的总称。它是计算机集成制造系统(CIMS)的重要组成部分，是自动化工厂车间作业计划的分解决策层和具体执行机构。网络化制造中的数控单元及关键数控技术，国内外制造行业在单元系统的理论和技术研究方面投入了大量的人力物力，因此单元技术无论是软件还是硬件均有迅速的发展。

1 制造单元技术及其发展

　　1.1 柔性制造技术与CIMS

　　柔性制造技术的研究向着深度和广义发展。一提到柔性制造技术，人们首先想到柔性制造系统(n假)。

　　最早的FMS是1967年由英国Molins公司研制的“System 24”，至今已有30余年历史。FMS已在发达国家广泛应用，由于其复杂性和不断地发展，至今仍有大量学者对此进行研究。目前的研究主要围绕FMS的系统结构、控制、管理和优化运行在进行。

　　随着各种计算机辅助工具如CAD、CAE、CAPP、CAM等的发展，各种柔性高效的生产设备如DNC、CNC、FMS、FAS等也越来越多地被采用。为了全面提高企业的经营生产效益，要求全面实现从生产计划决策、产品设计、加工直到市场销售服务的整个生产过程的自动化。

　　1973年美国Harrington博士提出的计算机集成制造的思想在80年代受到美、欧、日等国的重视，积极开展CIMS研究，美国1986年投资1400万美元建立了以国家标准技术研究所为主持单位，有麻省理工学院和普杜大学等10个单位参加的美国自动化制造研究基地，并提出了有影响的CIMS五级控制结构，如图1所示。

图1 CIMS五级递阶结构 

　　柔性制造系统、数控加工都是属于CIMS中的制造自动化技术。国际上已经提出了很多种CIM系统体系结构，它们各有长短，但是实用性都不够理想。清华大学陈禹六教授领导的课题组根据我国实施CIMS的经验并吸取了国外各种CIM系统体系结构的优点，于1994年提出了六视图阶梯形CIM系统体系结构(Stair—Like CIM System Architecture，简称sLA)。在CIM系统体系结构中要加入经济视图的观点，是作者在国际上首次提出的。近年来，SLA已逐渐为国内外的CIM专家所接受。

　　柔性制造单元(FMC，Flexible Manufacturing CeU)是在制造单元的基础上发展起来、具有柔性制造系统部分特点的一种单元。通常由1至3台具有零件缓冲区、刀具换刀及托板自动更换装置的数控机床或加工中心与工件储存、运输装置组成，具有适应加工多品种产品的灵活性和柔性，可以作为FMS中的基本单元，也可将其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。FMC的自动化程度虽略低于FMS，但其投资比FMS少得多而经济效益接近，更适用于财力有限的中小型企业。目前国内外众多厂家都将FMC列为发展的重点。

　　1.2 数控单元的作用及发展

　　数控设备是组成柔性自动化生产系统的最基本单位。数控设备联网不仅为单件、中小批量常规零件或复杂零件提供了高效的自动化加工手段，而且为整个制造系统的协调、优化和控制提供基本的手段。一方面，数控设备联网大大节省程序反复编制及键入而浪费的加工准备时间，可以把服务器中存储的加工程序在各机床间实现程序共享，方便了各机床问零件的转移加工；另一方面，创造了一个与上层网络进行CIMS管理的衔接环境。使得技术管理部门可以用CAD／CAM软件及切削数据库来优化数控加工工艺和精确加工程序。

　　美国Ingersoll铣床公司曾分析了在传统的制造工厂中从原材料进厂到产品出厂的制造过程。结果表明，对一个机械零件来说，只有5％的时间是在机床上；95％的时间中，零件在不同的地方和不同的机床之间运输或等待。减少这95％的时间，是提高制造生产率的重要方向。优化制造过程的计划和调度是减少95％的时间的主要手段。有鉴于此，国内外对制造过程的计划和调度的研究非常活跃，已发表了大量研究论文和研究成果。

　　传统的封闭系统，如Fanuc、Siemens等都只带有普通的通信接口，如RS232C、RS422和RS485等仅具有ISO物理层的功能。目前研制开发出的基于PC的数控系统，虽然可以在硬件上配置网卡，但并未开发出相应的应用程序，全面可靠地支持CIMS底层的联网运行，更不用说支持与IntemetZIntranet的联网。

　　DNC技术近年来得到了很大发展。相对FMS来说，DNC具有投资小、见效快、柔性好和可靠性高等特点，因而近年来的研究非常活跃。例如：美国(Manufacturing Engineering)高级编辑Robert B．Aron80n最近专门发表综合评论文章“数控单元(系统)的最新进展”，对数控单元系统的发展状况进行了综述，其中指出：“单元(系统)目前已经开始影响和支配着美国制造业”。近年来又提出了一种基于多自主体(Multi—Agent)的单元化制造系统，其研究正在兴起。如目前世界上CIMS计划中，提出了智能完备制造系统邛临(Holonic manufacturingsystem)。HMS是由智能完备单元复合而成，其底层设备具有开放、自律、合作、适应柔性、可靠、易集成和鲁棒性。