目前全球製造業正經歷：從自動化和數字化製造，向協同和智能製造的進化，工具機正是智能製造得以兌現的關鍵環節
數控工具機或數字控制工具機（"computer numerical controlled" machines）工具機是精密的金屬加工工具，可以製造現代技術所需的複雜零件
CNC
隨著計算機的發展，計算機數控系統得到了迅速的發展，它可以作為車床、銑床、雷射切割機、磨料射流切割機、沖床、壓力機和其他工業工具，數控的術語是指一大群這些機器利用計算機邏輯控制運動和執行金屬加工的機器
運行中的工具機
那我們較為常見的車床和銑床是如何發展的？這些不為人知的歷史又藏著怎樣的故事呢
儘管木材加工工具機從聖經時代（歷史學家觀點為從公元前1250年算起）就開始使用，但第一實用的金屬加工工具機是亨利·莫茲萊（Henry Maudslay）在1800年發明的
亨利·莫茲萊約於1797年和1800年著名的旋切車床的照片
這是一種簡單的工具機，它把被加工的材料或工件放在夾具或主軸中，並旋轉它，使刀具能夠將表面加工成所需的輪廓
操作人員通過曲柄和手輪操縱刀具，尺寸精度由操作員控制，操作員觀察手輪上的刻度盤並將刀具移動適當的量，生產的每個零件都要求操作員按照相同的順序和尺寸重複運動
倫敦科學博物館中展示的亨利·莫茲萊旋切車床
第一台銑床的操作方式幾乎相同，只是把刀具放在了旋轉軸上
工件被安裝到工具機或工作檯上，並在刀具下移動，再次通過手輪來加工工件輪廓，這台早期的銑床是埃利·惠特尼（Eli Whitney）在1818年發明的
埃利·惠特尼於1818年發明的銑床
工具機的所有運動在X軸（左右）、Y軸（前後）、Z軸（上下）上進行，工作檯也可以在水平或垂直平面內旋轉，從而產生第四軸的運動
X軸（左右）、Y軸（前後）、Z軸（上下）
另外一些機器有第五個軸，它允許主軸以一定角度轉動
這些早期機器的一個問題是，它們要求操作員操縱手輪來製造每一個零件
這樣的工作除了是一件單調的體力勞動外，操作者製造相同零件的能力也受到限制，因為在操作上的細微差別就會導致軸尺寸的變化，進而產生了不合適或不可用的部件，導致的救國就是操作的廢品率很高，浪費了原材料和勞動時間
而隨著生產數量的增加，每個操作員每天生產的可用零件數量開始變得不再經濟，此時人工成本偏高的問題就需要一種自動操作機器運動的方法來解決
19世紀50年代的銑床
早期嘗試「自動化」這些操作時，使用了一系列凸輪，通過連杆移動工具或工作檯，當凸輪旋轉時，一個連杆跟隨凸輪面的表面，通過一系列運動移動刀具或工件，凸輪面的形狀控制聯動運動量，凸輪轉動的速度控制刀具的進給速度
這些早期的機器很難正確設置，但一旦設置好，它們就為當時的生產提供了很好的保障，同時保證了精確性，有些保留至今的早期機器被稱為「瑞士」工具機，這是精密加工的同義詞
瑞士車床
現代數控工具機設計源於20世紀40年代末50年代初約翰·T·帕森斯（John T. Parsons）的工作，二戰後，帕森斯參與了直升機旋翼槳葉的製造，這就要求對複雜形狀的槳葉進行精密加工
約翰·T·帕森斯
帕森斯很快發現，通過使用早期的IBM計算機，他能夠製作出比使用手動計算和布局更精確的輪廓線
基於這一經驗，他贏得了一份空軍合同，開發出一種「自動輪廓切割機」用於生產大型飛機機翼剖面件
因為其利用計算機讀卡器和精確的伺服電機控制，所以他開發的機器龐大、複雜、昂貴，但貴的東西唯一的缺點就是貴，在生產上，它是自動工作的，並完全滿足飛機工業生產零件時所要求的高精度
工具機與計算機的結合
到了20世紀60年代，自動化機器的價格和複雜性已經開始下降，也開始在其他行業中找到用武之地
這些機器使用直流電驅動馬達來操縱手輪和操作工具，馬達接受磁帶讀取器的電指令，讀取器讀取寬度約為2.5厘米的紙帶，紙帶上打有選定的一系列孔，孔的位置和順序允許讀取器產生必要的電脈衝
接著工具機會以精確的時間和速度轉動電機，這實際上就像操作員一樣操作機器
這些脈衝是由一台當時沒有「記憶」能力的簡單計算機控制的，這些通常被稱為「數控」（NC，即Numerical Controlled）或數控工具機（Numerical Controlled machines）
程式設計師在一台類似打字機的機器上生產磁帶，很像早期計算機中用作「程序」的舊「穿孔卡片」。程序的大小由生產特定部分所需讀取的磁帶英尺數決定
其實現在回看計算機最初是如何與生產機器相連的故事，這裡仍然充滿了爭議，它說明了工業、院校和軍隊在20世紀是如何交織在一起的，而將許多創新歸因於單個個人或機構是多麼不切實際
1947年，約翰·帕森斯在密西根州特拉弗斯市經營一家航空製造公司，面對日益複雜的零件形狀和所涉及的數學、工程問題，帕森斯截切需要尋找降低公司工程成本的方法
於是他把目光望向了IBM，他請求IBM公司允許他使用一台大型計算機對新的直升機葉片進行一系列計算
最終，帕森斯與IBM傳奇總裁托馬斯·J·沃森（Thomas J.Watson）達成協議，IBM將與帕森斯公司（Parsons Corporation）合作，創建一台由穿孔卡片控制的機器
隨後，帕森斯向麻省理工學院伺服機械實驗室的工程師尋求該項目的幫助，麻省理工學院的研究人員一直在試驗各種類型的控制過程，並擁有二戰時期空軍項目的經驗
在麻省理工學院的伺服力學實驗室建造的一台實驗銑床
也因此，麻省理工學院的實驗室將此視為將他們自己的研究擴展到控制和反饋機制的機會，計算機數控工具機的成功開發隨後由大學研究人員承擔，以滿足軍事贊助商的需求
而現代數控工具機通過讀取存儲在程序計算機存儲器中的數千位信息來工作。為了將這些信息放入內存，程式設計師需要創建一系列機器可以理解的指令
程序可能由「代碼」命令組成，例如「M03」命令指示控制器將主軸移動到新位置，或「G99」命令控制器從機器內部的某個過程讀取輔助輸入，代碼命令是對數控工具機進行編程的最常用方式
車床的一些指令
然而，計算機的進步使工具機製造商能夠提供「對話式編程」，其中的指令更像是簡單的文字
在對話式編程中，「M03」命令被簡單地輸入為「MOVE」，而「G99」命令被簡單地輸入為「READ」，這種類型的編程允許程式設計師更快地訓練和更少地記憶代碼含義（然而，需要注意的是，大多數會話機器仍然讀取代碼程序，因為行業非常依賴這種編程形式）
控制器還為程式設計師提供幫助，以加快機器的使用速度
例如，在某些機器中，程式設計師可以簡單地鍵入特徵的位置、直徑和深度，計算機將選擇在工件中生成特徵的最佳加工方法
最新的設備可以採用計算機生成的工程模型；計算正確的刀具速度、進給量和路徑；在不創建圖形或程序的情況下生成零件
工作中的車床
工具機作為關係重大的重要基礎行業，自改革開放以來，我國工具機行業經歷著快速的發展，也呈現昂揚向上的姿態
但是差距仍然存在，我們應該正視這種差距，眼下困難是希望的開始，梁啟超曾說過「凡成事，將成功之時，其困難最甚。行百里者半九十，有志當世之務者，不可不戒，不可不勉「。
參考資料：（圖片來自網絡）
en.wikipedia.org
www.cncmanufacturing.com.au
ravimachines.com
www.britannica.com
www.lindahall.org
www.ssplprints.com