年，美国宾夕法尼亚大学研制成功世界第一台电子计算机，给人类提供了可增强和部分代替脑力劳动的工具，为人类社会进化到信息时代奠定了基础。年，美国麻省理工学院将计算机技术应用到立式铣床上，研制成功世界第一台数控铣床，由此世界步入了数控时代。

柔性制造是基于数控加工技术为基础，融合了过程设计和控制理论、系统工程理论、物流控制理论等重大科学成果，是集计算机技术、信息技术、检测技术、质量控制技术与生产管理技术相结合的先进制造技术，体现了现代管理和先进制造技术的深度融合。目前，在美日德等主要发达国家的制造业中得到了广泛的应用，也使未来“无人工厂”成为可能。

整体上看，我市装备制造业制造模式落后于“长三角”、“珠三角”、京津和成渝等发达地区，目前仍处在规模化生产阶段，也就是刚性生产阶段，真正的柔性化生产尚未到来。伴随消费结构升级，个性化、定制化、时效性的市场需求新变化，将倒逼我们产业升级，而满足“多样化、小规模、周期可控”的柔性化生产、柔性制造，将成为企业未来生存和制胜的关键。本文拟通过数控加工、柔性制造原理、模式、趋势等分析，希望能为我市装备制造业的转型升级提供有价值的参考。

一、概念与内涵

（一）数控加工

1.基本概念。数控加工是指由控制系统发出指令，以数字和字母形式表示工件的形状、尺寸等技术和加工工艺要求，使刀具作符合要求的各种运动的先进加工方式。其与传统机床加工工艺规程总体上保持一致，最明显的变化是用数字信息来控制被加工件和刀具的位移，进而实现加工过程的自动化、精密化与高效化。

2.组成部分。数控机床（硬件）是数字控制机床简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，从而使机床按指定加工步骤、加工动作进行加工。机床受控动作大致包括机床起动、停止；主轴启停、旋转方向和转速变换；进给运动的方向、速度、方式；刀具选择、长度和半径补偿；刀具更换，冷却液开起、关闭等。当加工程序结束，机床自动停止。

数控系统（软件）：是数字控制系统简称，根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台加工设备动作控制，所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。数控系统指令由程序员根据工件材质、加工要求，机床特性、系统所规定指令格式（数控语言或符号）编制。数控系统根据程序指令向伺服装置和其它功能部件发出运行或终断信息来控制机床的各种运动。

3.数控加工特点。一是大幅减少工装数量。加工复杂零件不需复杂工装，如改变零件形状和尺寸，只需要修改加工程序，节省准备时间。二是加工质量均衡稳定。加工精度高，重复精度也高，非常适合飞行器等高端、超难工件的加工要求。三是自动化与效率高。可满足多品种、小批量等生产需求和工期要求，市场应变能力强。四是满足复杂工件要求。可加工常规方法难于加工的复杂型面（如曲面、不规则形状），甚至能加工一些无法观测的加工部位（如三维斜孔）。

（二）柔性制造

1.基本概念。柔性自动化制造技术简称柔性制造技术，年，由英国莫林斯公司首次提出。是指能适应加工对象变换的自动化制造系统，由统一的信息控制系统、物料储运系统和一组数字控制的加工设备组成。即：一组按次序排列的机器，由自动装卸及传送机器连接，并经计算机系统集成一体，原材料和待加工零件在零件传输系统上装卸，零件在一台机器上加工完毕后自动传到下一台机器，每台机器接受操作指令，自动装卸所需工具，无需人工参与。

2.技术类型。目前，常用的柔性制造技术主要有柔性制造系统、柔性制造单元和柔性自动生产线三类。

柔性制造系统（FMS）是以数控机床或加工中心为基础，配以物料传送装置组成的生产系统。该系统由电子计算机实现自动控制，能在不停机的情况下，满足多品种加工。柔性制造系统适合加工形状复杂，加工工序多，批量大的零件。其加工和物料传送柔性大，但人员柔性较低。

柔性制造单元（FMC）由一台或数台数控机床或加工中心构成的加工单元。该单元根据需要可以自动更换刀具和夹具，加工不同的工件。柔性制造单元适合加工形状复杂，加工工序简单，加工工时较长，批量小的零件。它有较大的设备柔性，但人员和加工柔性低。

柔性自动生产线（FML）就是把多台可以调整的机床(多为专用机床)联结起来，配以自动运送装置组成的生产线。该生产线可以加工批量较大的不同规格零件。柔性程度低的柔性自动生产线，在性能上接近大批量生产用的自动生产线；柔性程度高的柔性自动生产线，则接近于小批量、多品种生产用的柔性制造系统。

3.柔性制造特点。一是设备利用率高。一组设备编入柔性制造系统后，产量比其在分散单机作业时提高数倍，减少了设备数量和厂房面积；减少毛坯和在制品库存，在制品减少80%左右，缩短生产周期；在少人看管条件下，可实现24小时连续“无人化生产”。二是能力相对稳定。自动加工系统由一或多台机床组成，发生故障时，有降级运转的能力，物料传送系统也有自行绕过故障装备的能力。三是产品质量高。产品在加工过程中，装卸一次完成，加工精度高，加工形式稳定。四是作业运行灵活。有些柔性制造系统的检验、装卡和维护工作可在第一班完成，第二、第三班可在无人照看下正常生产。在理想的柔性制造系统中，其监控系统还能处理诸如刀具的磨损调换、物流的堵塞疏通等运行过程中不可预料的问题。五是产品应变能力大。由于刀具、夹具及物料运输装置具有可调性，工艺流程、制造系统布局合理，便于设备增减，可以满足市场变化需要。

二、国外发展现状与分析

（一）数控加工

1.数控机床。年，受美国空军委托，美国帕森斯公司（Parsons）研制飞机螺旋桨叶片轮廓样板加工设备。由于样板形状复杂，精度高，提出使用计算机控制机床的设想。年，麻省理工学院接受美国空军委托，根据Parsons概念结合辛辛那提铣床，与其合作研究数值控制系统。年，成功将一台大型立式仿形铣床改装成三坐标数控铣床，也被称为第一代数控机床。

发展初期，数控机床以连续轨迹控制为主。连续轨迹控制数控机床又称轮廓控制数控机床，要求刀具相对于零件按规定轨迹运动。不仅控制机床移动部件的起点与终点坐标，还要控制整个加工轮廓每一点的速度和位移，最终将工件加工成所要求的轮廓形状。常用的数控车床、数控铣床、数控磨床就是典型的轮廓控制数控机床。

年后，点位控制数控机床发展迅速。点位控制是指控制刀具或工作台从一点移至另一点的准确定位，然后进行定点加工，点与点之间的路径不需控制。由于点位控制的数控系统要比起轮廓控制的数控系统要简单得多，因此，点位控制的数控铣床、冲床、坐标镗床等数控机床得到了迅速的发展。

年，以美国卡耐·特雷克公司成功研发“加工中心”为标志，数控机床发展到了第二代。这是一种采用了晶体管元件和印刷电路板数控装置的具有自动换刀装置的数控机床，能实现工件一次装卡而进行多工序加工。其刀库中装有丝锥、钻头、铰刀、铣刀等刀具，根据指令可自动选择刀具，通过机械手更换刀具，缩短了零件装卸和更换刀具时间。加工中心不仅有立式、卧式等用于箱体零件加工的镗铣类加工，还有可用于回转整体零件加工的车削中心、磨削中心等。

2.数控系统。自计算机技术应用到机床上到现在，数控系统经历了两个阶段和六代的发展。

第一阶段，数控（NC）阶段（-年）。由于早期计算机运算速度低、结构较大，对当时科学计算和数据处理影响还不大，但不适应机床实时控制要求。人们不得不采用数字逻辑电路“搭”成一台机床专用计算机作为数控系统，被称为硬件连接数控，简称为数控（NC）。随着元器件的发展，这个阶段历经了三代，即：年，第一代—电子管；年，第二代—晶体管；年，第三代—小规模集成电路。

第二阶段，计算机数控（CNC）阶段（年后）。年，随着小型计算机出现并成批生产。于是将它移植过来作为数控系统核心部件，由此进入CNC阶段，也就是数控系统第四代。年，英特尔首次将计算机两个最核心部件—运算器和控制器，采用大规模集成电路技术集成在一块芯片上，称之微处理器（也称CPU），年，微处理器被应用于数控系统。早期的微处理器速度和功能虽还不够高，但可以通过多处理器结构来解决。由于微处理器是通用计算机的核心部件，仍称为计算机数控，即第五代数控系统。年，PC机（国内称微机）性能已发展到很高阶段，可以满足作为数控系统核心部件的要求，数控系统从此进入了PC阶段，也就是数控系统的第六代。

（二）柔性制造

柔性制造系统（FMS）。在出现了第三代的集成电路数控装置后2年，年，英国莫林斯公司首次提出的FMS基本概念。随着时间的推移，FMS在技术上和数量上都有较大发展，在实用阶段，以由3-5台设备组成的FMS为最多，但也有规模更庞大的系统投入使用。

柔性制造单元（FMC）。年，日本发那科公司展出了由加工中心和工业机器人组成的柔性制造单元（简称FMC），为发展FMS提供了重要的设备形式。柔性制造单元（FMC）一般由12台数控机床与物料传送装置组成，有独立的工件储存站和单元控制系统，能在机床上自动装卸工件，甚至自动检测工件，可实现有限工序的连续生产，适于多品种小批量生产应用。

柔性自动生产线（FML）。年，美国的怀特·森斯特兰公司建成OmnilineI系统，由八台加工中心和两台多轴钻床组成，工件被装在托盘上的夹具中，按固定顺序以一定节拍在各机床间传送和进行加工。这种柔性自动化设备适于少品种、大批量生产中使用，在形式上与传统的自动生产线相似，所以也叫柔性自动生产线。年，日本发那科（FANUC）建成自动化电机加工车间，由60个柔性制造单元（包括50个工业机器人）和一个立体仓库组成，另有两台自动引导台车传送毛坯和工件，此外还有一个无人化电机装配车间，能连续24小时运转。

（三）发展经验

美德日三国是世界上数控加工科研、设计、制造和使用领域技术最先进、经验最丰富的国家。随着计算机、互联网、机器人等现代技术不断完善，并与先进制造技术融合，其柔性制造已开始与智能制造靠拢。因其条件不同，发展也各具特点。

美国—注重原始创新。美国政府重视机床工业，美国国防部等部门因其军事方面的需求而不断提出机床发展方向、科研任务,并且提供充足的经费，世界网罗人才，注重基础研究，讲究效率与创新。如年世界第一台数控机床，年“加工中心”，60-70年代初柔性制造系统（FMS）、柔性自动生产线（FML），年首创开放式数控系统等。由于美国首先结合汽车等生产需求，充分发展了大批量生产自动化所需的自动线，且电子、计算机技术世界上领先，因此其数控机床主机设计、制造及数控系统基础扎实，故其宇航等高性能数控机床技术在世界一直领先。

德国—基础与应用并重。德国政府一贯重视机床工业的战略地位，多方面大力扶植。年研制出第一台数控机床后，特别注重科学试验，基础科研与应用技术科研并重。企业与大学、科研部门紧密合作，对数控机床的共性和特性问题进行深入的研究。由于德国数控机床质量及性能良好、先进实用，出口遍及世界，尤其是大型、重型、精密数控机床。德国也是世界柔性制造强国，其数字化、智能化加工装备与柔性控制系统世界领先，德国工匠精神使德国制造成为德国品质的象征。如西门子公司数控系统世界闻名，是“德国工业4.0”原创企业，库卡（KUKA）机器人也世界领先。

日本—“先仿后创”。日本政府非常重视机床工业，通过规划、法规(“机振法”、“机电法”、“机信法”等)引导发展。战略上，采取“先仿后创”，先生产量大、面广的中档数控机床，大量出口，快速占领世界市场。战术上，紧跟德美，实现超越，在机床元器件配套、重视人才上学习德国，在质量管理及数控机床技术上学习美国。自年研制出第一台数控机床后，年产量超过美国，至今产量、出口量一直居世界前列。日本也是世界柔性制造强国，机器人强国，拥有发那科、安川等行业领军企业，其柔性制造无论硬件（数控机床、机器人）还是软件（柔性系统）均世界领先。

三、我国发展现状与趋势

（一）数控加工

1.数控机床。我国数控技术起步于20世纪50年代，自年研制出第一台国产数控机床至今，大致分为三个阶段。

第一阶段（-年），封闭发展阶段。这一阶段，由于我们对数控机床特点、发展条件等没有足够的了解，也受当时中国所处的时代背景和技术水平、人员素质、产业基础与产业配套等因素制约，发展具有一定的盲目性，产品的可靠性、稳定性较低，几起几落，无法用于大规模生产实践。

第二阶段（-年），技术引进阶段。通过“六五”技术引进，“七五”消化吸收，我国数控技术、数控产业取得了较大的进步。先后从日美德等11个国家和地区引进技术及合资合作，从日德美等国家引进数控系统，解决了系统的可靠性与稳定性问题。-年，国产数控机床产量年均增长39.3%，消费量年均增长34.9%，但进口势头依然强劲。

第三阶段（年后），产业化与市场竞争阶段。“九五”末期，国产数控机床在国内市场占有率达到了50％，年，我国连续9年成为全球高端数控机床第一消费大国。受国际地缘政治影响，西方长期对社会主义国家实行高技术出口限制，一些关系国家经济和国防安全的高端数控机床和数控系统仍掌控在美国、德国、日本等主要发达国家手中。

近些年，在中国工程院、工信部指导支持下，华中数控、宝鸡机床、华中科技大学提出了新一代智能机床理念，开展了智能数控系统（iNC）和智能机床（iNC-MT）的有益探索。年，在“第八届中国数控机床展览会”上，沈阳机床全球首发“i5系列智能机床”，在“第十届中国数控机床展览会”上，华中数控智能机床概念机和智能数控系统也正式亮相，标志着国产高端数控、智能机床与数控系统取得了重大突破。

2.数控系统。我国数控系统与数控机床发展基本保持同步，分三个阶段：

第一阶段（-年），封闭发展阶段。由于受西方技术封锁和当时我国科研基础与制造业水平低等条件限制，我国数控机床、数控系统发展较慢，主要是研制了晶体管数控系统和集成电路数控系统。

第二阶段（-年），技术引进阶段。“六五”、“七五”时期及“八五”前期，由于改革开放和国家重视，国际环境与国内研发环境不断改善，我国数控技术的研究、开发及国产化取得了长足的进步。这一时期，主要是通过一些国有重点企业、科研院所引进数控设备与系统带动，通过消化吸收与再创新，初步构建起国产化数控系统体系。但高端数控系统的绝大部分市场被日本发那科、三菱和德国西门子等国外品牌占领。

第三阶段（年后），产业化与市场竞争阶段。“八五”后期和“九五”期间，通过前期的技术引进，实施产业化的研究，基本掌握了现代数控技术，也建立起数控技术的研发、生产基地，培养了专业化数控人才队伍，并进入到市场竞争阶段。“九五”末期，配国产数控系统（普及型机床）达到10％。

“十二五”以来，国产数控系统进军高端领域，部分产品达到世界先进水平，并进入高端化发展阶段。数控机床及数控系统现已形成珠三角、环渤海、中西部三大产业积聚区，涌现出武汉华中数控、广州数控、宝鸡秦川机床、大连光洋科技、沈阳机床等一批行业龙头企业。

（二）柔性制造

我国柔性制造起步于20世纪80年代。-年，在国家支持下，一些单位率先引进国内第一批柔性制造系统（FMS）。如湖南江麓机械厂（湘潭）进口德国Werner公司两台卧式加工中心和一台有轨搬运车组成的系统；北京机床研究所和日本发那科公司合作建立的伺服电机零件系统，由5台国产数控机床、法兰克控制系统和日本富士电机AGV搬运小车组成。

年后，国家启动“国家高技术研究发展计划”（“计划”），其中，对自动化领域的基础研究，促进了国内柔性制造系统技术的发展。如北京机床研究为天津减速机总厂研发的加工减速机座的“JCS柔性制造系统-2减速机座系统”，就是采用自主研发的技术与设备，配置北京起重机械研究所AGV搬运小车，成为国内首个原创柔性制造系统。

20世纪80年代后期至90年代，国内又相继引进和自行研发了一些系统。在国内柔性制造系统中，大部分是直接进口，一部分是在进口单机基础上，国内配套联成系统或扩展系统，只有北京机床研究所“JCS柔性制造系统-2减速机座系统”等少数单位全部采用国产技术。长期以来，我国制造业实行出口导向、投资驱动、规模扩张的发展模式，使中国成为世界工厂，受发展模式的影响，这期间柔性制造发展还不够快。

年，受金融危机影响，发达国家纷纷实施“再工业化”战略，我国制造业面临发达国家“高端回流”、发展中国家“中低端分流”和“招工难、招工贵”等多重压力。依靠资源要素投入、规模扩张的粗放发展模式难以为继，调结构、转方式、提质增效迫在眉睫，为柔性制造赢来了难得的发展机遇。

年以后，“长三角”、“珠三角”等外向型经济和制造业发达地区，为应对国内外市场变化，满足市场“多样化、小规模、周期可控”需求，陆续通过“机器换人”、“智能制造”实现制造方式变革和产业结构战略性调整，以此为契机，沪宁杭、苏锡常、广深佛莞、成渝等地柔性制造、智能制造快速崛起。

年，国务院正式发布《中国制造》，作为我国实施制造强国战略第一个十年行动纲领，首次将工业控制系统、“工业机器人”、“柔性数控机床”等作为重点突破领域，为发展柔性制造提供了政策导向与支撑。“十三五”及以后时期，是中国制造业转型升级的关键期。伴随新一代信息技术的快速发展，机器人、人工智能、大数据、物联网不断与制造业深度融合，我国柔性制造赢来了发展的新机遇，“柔性+智能”有可能成为影响未来制造业发展的新模式。如三一重工的长沙“18号工厂”号称亚洲最大的智能化车间之一，拥有8条装配线，可实现69种产品混装柔性生产，并将此拓展到其他事业部，实现其他事业部的柔性制造。已实现人、机、物与工艺等各要素的柔性融合。

（三）发展趋势

1.数控系统。一是高速高精化。速度和精度是数控系统二个重要技术指标，直接关系到产品质量和加工效率。对于数控系统，高速化，首先要求计算机数控系统在读入加工指令数据后，可以高速处理伺服电动机位移量，并要求伺服电动机高速作出反映。此外，要实现生产系统高速化，还必须谋求主轴转速、进给率、刀具交换和托盘交换等各种关键部件实现高速化。高精度化，一般是通过减少数控系统控制误差和采用补偿技术实现。二是体系开放化。传统的数控系统是一种专用封闭式系统，各个厂家的产品之间以及与通用计算机之间不兼容，维修，升级困难，越来越难以满足市场对数控系统的要求，针对这种情况，人们提出了开放式数控系统的概念。华中数控系统，华中“世纪星”是一种基于工业PC机的开放式，网络化数控系统，是我国高档数控系统的代表。三是多功能化。一机多能的数控系统，可以最大限度提高设备利用率，数控加工中心就是这种可以展现多工序加工的数控机床。其采取多系统混合控制方式，用不同的切削方式同时加工零件的不同部位等。现代数控系统的轴数多达15轴，同时实现6轴联动。四是系统智能化。数控系统高技术的重要目标就是智能化，智能化主要体现在：加工过程自适应控制系统，智能4M（建模、加工、测量、机器操作）控制系统，加工参数的智能优化和选择，智能故障诊断功能，智能化交流伺服驱动装置，模式识别技术。五是系统高可靠性。数控系统比较贵重，用户期望投资效益好，要求设备可靠。特别是在长时间无人操作环境运行的数控系统，可靠性成为人们最为

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