4.3.3 数控技术的演进和后进者的机会
为什么在2006年的时候，朱志浩一口判定沈机做不成自己的数控系统？为什么在考察完A公司的数控技术之后，朱志浩因为“看到一条路”而激动了一把？这些问题的答案隐藏在数控技术演进的背后。
4.3.3.1 数控系统的构成数控是数字控制（numerical control）的简称，它是一种借助数字化信息对机械运动及加工过程进行控制的方法。数控系统（numerical control system）是指为实现数字控制功能而设计的一套解决方案，一般数控系统由三大部分组成——控制系统、位置测量系统和伺服系统。控制系统是数控机床的“大脑”，是一个具有计算能力的控制元件或者计算机，负责向伺服系统发送运动控制指令。位置测量系统负责检测机械的运动位置和速度，并将信息反馈到控制系统和伺服系统，达到精确控制的目的。伺服系统将来自控制系统的控制指令和位置测量系统的反馈信息进行比较和调节后，通过控制电流驱动伺服电机，再由伺服电机驱动机床部件的运动，所以“伺服”是将电能转化为机械运动的过程。控制系统和伺服系统之间由现场总线连接，总线负责传递信息数据，是整个系统的“神经网络”。数控系统的结构示意图见图4-4、图4-5。
图4-4 数控系统结构示意图
图4-5 沈机“i5”数控机床的人机界面
从数控系统的发展轨迹来看，一个大的趋势是数控系统的体系结构从原有的专用封闭式向通用开放式转变。在专用的封闭式数控系统中，各个数控系统制造商都有各自的一套标准，数控系统指令体系和软硬件的标准互不兼容。在通用的开放式数控系统中，控制系统平台与制造商无关，是一个标准化的、开放的系统平台。后者与前者相比更方便操作者使用，系统的升级、维护和二次开发也更加容易。近年来，无论是新兴的数控系统制造商还是像西门子、发那科这样的老牌数控系统制造商，都在向通用的开放式数控系统结构上转变，而决定数控系统结构框架的两个基本要素就是支撑控制系统的计算机技术和总线技术（见图4-6、图4-7）。
图4-6 老式数控机床的人机界面
图4-7 发那科数控系统：置于机床背部的电柜（包括主机、接口等部件）
4.3.3.2 从嵌入式系统到个人计算机系统从1950年代至今，控制系统在硬件结构上经历了两个阶段的发展——数值逻辑控制阶段和计算机控制阶段。数控技术诞生于1952年，当时美国麻省理工学院（MIT）在美国空军的资助下研制出第一台数控机床。最初的数控系统由硬件电路构成，没有半导体集成电路（芯片），依靠数值逻辑实现数控所需的数值计算和逻辑控制，所以也被称为硬件数控（Hard NC）。从1950年代到1970年代，数控系统的控制器经历了三代硬件结构的变化——电子管→晶体管→集成电路，其原理都是利用具有计算能力的专用控制元件实现数值逻辑控制。
随着计算机技术和工业的发展，数控系统的发展从1970年代开始进入第二阶段——计算机控制阶段。这一阶段的特征是直接引入了计算机数控技术（computerized numerical control），系统中包括硬件结构和软件结构，主要依靠软件中的运动控制算法——包括刀具补偿、速度前瞻、插补、误差补偿、位置控制等——完成数控的功能。计算机数控技术与硬件数控技术相比，具有成本低、体积小、精度高、速度快、实现控制更容易（软件编程的方式）等优点。
不过，随着计算机技术的发展，数控系统采用计算机控制的发展又分为两个阶段：嵌入式系统阶段和个人计算机系统阶段。1970—1980年代，数控采用专用的嵌入式系统，该系统相对封闭。1990年代以后，个人计算机技术开始进入工业控制领域。目前，开放式数控系统结构的实现几乎都是基于通用的个人计算机系统平台（下文简称PC系统平台）。说明如下：
嵌入式系统是一种为特定应用而设计的专用计算机系统，它是在单片机（一种集成电路芯片）的基础上发展而来的。1970年代出现的单片机被应用于汽车、家电、通信等领域。最初的单片机芯片是8位的，只能执行简单的程序任务，还不能被称作“系统”。到1980年代初，嵌入式的应用软件开始用商业级的操作系统编写，此时“嵌入式系统”的概念才真正诞生，但嵌入式系统的核心仍然是由一个或者几个单片机组成。
嵌入式系统最突出的特点就是专用性强、相对封闭。其专用性强主要表现在芯片设计和程序修改两个方面。首先，嵌入式系统的软硬件设计和剪裁都是为了满足特定的应用需求。嵌入式系统的软件和硬件结合非常紧密，它的操作系统和应用程序（软件）都被固化在存储器芯片内（硬件）。其次，芯片的程序修改非常困难。软件“固化”意味着用户如果没有一套特定的开发工具和环境，将无法再对芯片内的程序进行任何修改。如果要针对嵌入式系统的硬件进行软件系统的更改，即使在同一品牌、同一系列的产品中也需要做出较大的改动，这种改动与通用软件的“升级”是两个完全不同的概念。嵌入式系统的上述特点意味着系统开发商必须同时具备设计软件和硬件的能力，而且软件固化要求程序代码必须达到高质量和高可靠性。嵌入式系统的另一大特征是系统资源有限，软件程序非常小，内存最多有几百兆。有限的运算处理能力要求系统内的软件程序必须做到十分精简，才能保证系统的运行速度和可靠性。
嵌入式系统的上述特点深深地影响到数控系统的开发。首先，在嵌入式系统的技术轨道上，数控系统的制造商需要建立完整的供应链。由于嵌入式系统的应用软件、系统软件和硬件高度融合，数控系统制造商和芯片制造商之间要形成紧密的合作关系，前者负责软件的开发，并向后者提出硬件制造的具体要求，后者则要有高效的响应能力。为了保持自己的竞争优势，数控系统制造商的供应链都是封闭的，例如，西门子和发那科的芯片都是由专门的厂商提供，在市场上无法买到数控系统开发所需的芯片。其次，固化于芯片上的数控算法公式必须做到极其精简，才能保证机床的正常运行。但是，要推导出精简的算法公式绝非易事。数控算法简单来说就是需要在一个毫秒内计算出机床各个轴下一步的运动轨迹（精度要求达到μ级别），以及轴之间的互动关系，除此之外还要有信息的反馈。如果单纯依照理论计算方法实现，其算法公式会极其复杂、运算量极大，想要在此基础上通过逼近等方法获得运算简化的算法公式不是一朝一夕能够完成的事情，需要有长时间的知识和经验积累才能推导出精致的算法。
这些便是朱志浩在2006年对自主开发国产数控系统没有信心的一部分主要原因。在嵌入式系统的技术轨道上，先进入者对后进入者形成了很高的技术和互补资产的壁垒，在这种情况下，后进者如果想要开发数控系统是非常困难的：一方面，缺乏技术和经验的积累，还要自建供应链；另一方面，即使做出来了，也很容易被领先者扼杀在摇篮里，因为产品的性能至少在短期内总会落后于领先者。因此，除非在早期就进入数控领域，或具有强大的意志和决心并配合以保护机制，否则后进者很难克服领先者的壁垒。这就是为什么中国在1980—1990年代依靠技术引进并在市场洞开的条件下怎么也做不出数控系统的原因。
PC平台的系统与嵌入式系统相比，最本质的区别在于软件和硬件的结合程度——嵌入式系统中软硬件结合非常紧密，而PC系统的软硬件则可分离，意味着个人计算机系统中的硬件和软件开发可以完全分开，所需的主板（芯片）是通用的，可以在市场上买到。这样一来，数控系统制造商可以直接在个人计算机系统的基础上进行软件开发，不用专门花精力设计硬件，也不用为此建立专门的供应链。不仅如此，硬件的升级换代可以跟随着民用计算机一起发展。PC系统平台的另一大优点是拥有高速、精确、海量的计算能力，其内存能够达到几个G。也就是说，通用计算机系统的运算、存储能力相比于嵌入式系统是指数级别的提高。
A公司的数控系统采用的就是PC系统平台，它让朱志浩兴奋的原因是它为后进者带来一个绕开嵌入式系统领先者优势的机会：可以外购PC主板（CPU），不需要专门设计硬件并拥有专门的芯片供应商，于是可以把更多的精力集中于算法的研究和软件的开发。同时，PC平台有利于运动控制算法的开发，即不用将算法的公式推导到非常精简，相对复杂一点的公式同样能够凭借PC的强大运算能力在单位时间内得到同样的运算结果，于是就可以大大降低在算法公式推导上所需的时间和经验积累。虽然这样的算法没有领先者的那么精致严密，但是可以实现同样的功能和目标。