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。
1.3 开放式CNC与网络制造
在现代网络制造环境中，数控机床、加工中心、柔性制造单元等已不再是孤立的加工设备，而是网络环境下与工程设计系统、管理信息系统直接连接的一个有加工能力的结点。要通过网络与管理信息系统、工程设计系统等相关外部环境连接通讯，必须实现加工设备相互之间的双向通讯。
基于PC的开放式数控系统，由于采用了标准PC的硬件及标准的操作系统，其本身就具有直接组网能力，它给网络制造系统提供了一个最好的平台，是真正意义的网络制造系统。在基于PC的开放式CNC中，由于用硬盘作为加工代码的存储载体，使CAD／CAM的加工程序可以通过标准的以太网一次传输到CNC硬盘上，加工前一次传输保证了系统传输的可靠性。又由于硬盘的容量大，读写速度快，即使上百兆0.01mm长度空间直线段的代码，CNC在脉冲当量为1μm时的加工速度也能达到每分钟上百米(这是采用RS232等串行接口的传统数控系统远不能达到的速度)，这样就解决了大程序量的高速、高精度的1JD-r问题。同时，不一定非要用曲面和样条插补，减轻了CAD／CAM系统的负担和对编程人员的要求。如果将分辨率提高到0．1弘时，CNC的加工速度也能达到每分钟十余米，大大平滑了机床的移动量，降低了加工表面粗糙度值，减小了加工表面的误差，使实现高速、高精度的加工成为可能。
由10台CNC车床、1台立式加工中心、l台卧式加工中心以及CAD／CAM／CAPP工程设计中心和MRP管理信息中心构成的网络化集成制造系统如图2。
图2基于Internet／Intranet的网络计算机集成制造系统
在开放式CNC软件中使用的实时数据技术可以直接从机床设备中采集有关生产、维护和质量等方面的数据，无需操作人员干预。这些重要数据可以输人到公司配置的M隆伽iP厄I强(制造执行系统／材料需求规划脸业资源管理)软件中，还可以通过公司的Intranet系统传送到Intemet中。一个功能完善基于Windows操作系统的数控系统的软件结构如图3。
图3开放式CNC软件体系结构图
2 网络化制造的关键技术
2.1 分布式异构网络环境信息集成技术
网络化制造中关键数控技术,Intemet／Intranet技术的发展与应用，使得企业内部的信息资源，可以通过Intranet实现重用重构和集成应用的互操作，而且为企业间信息资源的异地共享、互操作、跨平台访问提供了实现的可能性。企业与企业联盟的设计、制造与管理的信息资源，具有分布性、异构性、自治性和动态性等特点，企业内部或企业间的信息资源和应用软件，可能应用不同的语言编制和不同的格式存储，而且运行于不同的系统平台上。在分布式异构网络环境下，实现企业内与企业间的信息资源共享与应用互操作，是企业级信息系统集成的关键技术。
面向对象技术与分布式计算技术相结合形成的分布式对象技术，已成为解决分布式异构网络环境下，信息系统集成与应用互操作的首选技术。目前，分布式对象技术的主要代表是：国际对象管理组织(OMG)的CORBA规范、Microsoft公司的COM／[XX)M以及SUN公司的Java／RMI。其中o()RBA OMG以其语言的无关性、操作的透明性及平台的无关性得到了广泛的应用。企业信息系统异构网络环境下的集成，主要选择对象Web技术与CORBA ORB技术，实现企业内与企业间的柔性集成制造系统，支持产品的协同设计与制造。
2.2 不同设计软件设计信息的共享技术
网络化制造中关键数控技术,远程设计和制造技术已成为制造领域中的一个重要发展方向。实现远程设计和制造技术的关键之一是异地设计／制造企业或场所间的协同，以实现信息交流和共享。由于设计信息和制造信息的复杂性、多样性以及CAD软件的多样性，如何将不同CAD软件(如Solidworks、Auto CAD、pro／E、UG等)产生的设计信息在异地间实现上载、下载和共享，应是首先要解决的问题。
当前，针对该问题的传统解决方法是通过Email或FTP传输信息，然后由设计信息需求者下载到相应的远程客户端，再启动本地的相应CAD软件进行浏览、修改或评价。显然，靠这种工作模式，用户必须不断地进行不同应用程序的启动和工作桌面的反复切换，远远不能满足要求。开发了一个基于WEB的多CAD系统的集成环境，在统一的WEB浏览器界面下，利用MIME配置、JAVA2Servlet及SQL数据库实现常用CAD软件的启动、集成应用和相关的设计和制造信息的上载与存储、下载及浏览、修改和评价等功能。此外，对在万维网上广泛分布的设计与制造资源的运用，也可以提供无缝的、直接的解决途径。
2.3 异构数控系统的集成技术
现有数控系统由于生产年代和生产厂家不一，存在多种档次和型号，其通信接口和协议也存在差异，给数控系统的集成造成了一定困难。特别在我国，同一机加工车间往往同时拥有经济型数控系统、早期进口的FANUC6M等中、低挡数控系统以及90年代进口的高挡数控系统。DNC系统只有具有对各种典型数控系统进行DNC接口的功能，才具有推广应用价值。
分析一般DNC集成系统的结构，DNC集成系统结构包括硬件联接体系结构和软件系统功能。硬件联接体系结构对于不同的DNC接口有所变化，综合国内外资料，其基本结构大都如图4所示。主计算机通过网络介质，以各种不同，的网络拓扑与NC机床相联。
NC机床与网络介质相联有三类典型联接方式。第一类联接方式主要用于九十年代的新型NC机床，该类NC机床都提供符合MAP标准的DNC网络接VI选件；第二类联接方式主要是以“DNC装置”或“数控机床集成器”等与单台数控机床相联，在加工工作站计算机与NC机床之间，进行NC程序的传送，完成机床状态采集与上报及部分生产管理；第三类联接方式是现阶段最为普遍的方式，其主要特点是一台工控型PC机与单台NC机床相连接，完成NC程序及数据的传送。DNC集成系统软件功能一般包括以下内容。
1)NC程序及数据的传递，以某种通信协议(如3964R等)实现通信功能；
2)机床状态采集与上报；
3)根据生产计划，自动分配NC程序及数据到相应机床；
4)刀具数据的分配与传递；
5)刀具、夹具准备计划，实现系统内刀具、夹具等的实时控制；
6)按照工艺计划及生产计划，实现由多种数控机床组成的DNC系统的物流实时控制，实现工件的输送、贮存，同步加工和装配等活动的集成化生产管理。
多数DNC集成系统仅包括前三项功能，同时包括后三项功能者，现在还不多见。
2.4 基于Web的制造执行系统
传统的MRPII／ERP与制造单元控制器是从不同的计算技术领域发展的，形成了企业生产管理和制造单元
控制之间的裂缝，使上层的MRPII／ERP系统缺乏精确的生产数据来支持，而制造单元又常常不能及时得到指令来调整工作状态，严重阻碍了制造企业的信息化进程。
制造执行系统作为一种集成经营计划系统和车间控制系统的新思想，日益受到人们的关注并在推广应用中得到逐步完善。采用制造执行系统对制造单元的生产管理进行协调，抛弃传统生产系统金字塔式的管理结构和过细、固定的分工方式，实现权利下放、分散管理、优势联合，提高资源的利用率，解决分布式局部优化和全局优化之问的关系，提高制造单元的自主管理能力和企业的应变能力，为网络联盟企业及时准确地提供生产过程状态信息，解决异地生产信息集成问题。
3 结论
未来企业要在协作、学习、敏捷、虚拟、精良等一定的运行模式下，对产品的全生命周期进行管理，实现企业信息化，即设计、制造装备、生产过程以及管理的数字化。通过对web制造系统中制造单元及关键技术进行系统的研究，发现了存在的一些问题：网络化制造的研究国内外都处于研究阶段，有些问题的解决存在争议；现有的一些示范系统与理想中的网络化制造功能、内容方面都有欠缺；国内对于网络制造的底层技术研究进展不足。随着网络及信息技术的发展，网络化制造的步伐会加大，解决当前存在难题的方法和途径会越来愈相对简单和容易。
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本文标题：网络化制造中的数控单元及关键数控技术
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