UK 04数控、FMS 与产业的收缩及复兴

战后与数控的开端（1945—1959 年）

战后的繁荣

战后英国的机床工业，首先靠传统机床卖得很好。总产值从 1948 年的 7,210 万英镑增至 1957 年的 1 亿 8,340 万英镑，从业人数从 7 万 9,000 人增至 10 万 3,600 人^[1]。1956 年，厂家的积压订单按当时的生产速度计算达到 15 个月的量^[1]。同在 1956 年，进口超过了出口，工会控诉英国已成为机床进口国，但贸易部（Board of Trade）反驳说这是需求特别旺盛之年的例外^[1]。需求旺盛时进口膨胀——这一在第 3 章中见过的模式在这里仍在延续。

Ferranti：用磁带驱动的数控

在英国把数控研究推进得最深入的，是电机与防务公司 Ferranti。部门负责人 J. N. Toothill 和技术开发负责人 D. T. N. Williamson 在 1950 年代初赴美，考察了 MIT 的数控研究。回国后，Edinburgh 的 Crewe Toll 研究所开始了数控研究。Hamilton 的博士论文把开始时间定为 1952 年 7 月，而 Williamson 本人在 1958 年的文章中写道，研究始于 1951 年对少量零件制造方法的研究^[1][2]。起因是需要少量、多次地制造雷达波导管之类的精密零件，而熟练机工不够^[1][2]。

1955 年完成的样机，是用磁带驱动 Du Four 公司的 3 轴铣床。设计者在零件图上写入圆心、线段端点等关键尺寸，把它们打到纸带上输入计算机，计算机便细致地计算出刀具路径，以各轴脉冲序列的形式写到磁带上。磁带上的 1 个脉冲使刀具移动 1 万分之 1 英寸^[1]。Williamson 认为，数控最难的地方不在控制，而在数据的处理。于是采取这样的分工：计算由中央的计算机服务承担，工厂里的控制装置只保留伺服，做得便宜且不易过时。他还写道，二次曲线可以不经近似直接生成^[2]。据估计 1 台计算机能为约 50 台机床制作磁带，Ferranti 在 London、Manchester、Edinburgh 设有计算中心^[1]。

光栅与莫尔条纹：数出位置

支撑 Ferranti 数控的另一项技术是位置的测量方法。把刻有细密刻线的两块光栅稍微倾斜地重叠，就会出现条纹图样（莫尔条纹），光栅一错动，条纹就跟着移动。用光电元件数这些条纹，就能把移动量按一定的分度变成数字。Ferranti 在 1955 年为这一方法申请了专利。光栅源自英国国家物理实验室（NPL）的研究，每英寸 5,000 线，能把 1 英寸分成 1 万个分度来计数^[1]。不靠进给丝杠的精度，而用光栅直接测量位置，因此驱动方式可以自由选择，这也是一大优势^[5]。这是与今天的直线光栅尺一脉相承的思路。

1956 年的 Olympia 与另外 3 项尝试

1956 年 6—7 月，在 London 的 Olympia 举办的国际机床展上，Ferranti 数控的第一款产品公开亮相。看到它的航空公司 Fairey Aviation 提出了共同开发^[1]。1950 年代中期的英国还有另外 3 项尝试。EMI 采用在控制装置内部带插补电路的方式，与 Cincinnati 合作驱动 3 轴铣床。British Thomson-Houston（BTH）把用穿孔卡片指令孔位的点位数控装到 Kearns 的卧式镗床上，加工时间约为手工对位的一半。而英国最大的机床厂家 Alfred Herbert 研究的是把熟练工的操作录到磁带上再回放的旧方式，没有做成产品^[1]。推动数控向前的是电机公司，而不是老牌机床厂，这暗示了后来英国机床工业的走向。

Ferranti 回应对成本的批评，于 1959 年推出只做定位的廉价装置和 3 轴连续控制的 Mark IV。通过与 Fairey 的合作，改用液压伺服和晶体管电路，用普通电源就能工作^[1]。同在 1959 年，科学与工业研究部（DSIR）的调查报告说，英国在数控方面仍然领先，应该发挥这一优势^[1]。

坐标测量机的开端

数控使加工变快后，检验又跟不上了。Williamson 在 1958 年的文章中写道，检验有时要花加工 100 倍的时间，主张需要一种把探针移到指定点、记录位置误差的机器^[2]。1959 年 12 月，Ferranti 发布了按坐标测量零件的测量机（Inspection Machine）。它用与数控相同的光栅和电子计数电路，把操作者移动的探针位置以千分之 1 英寸的分辨率数字显示，测量范围 24×15 英寸。与用百分表和平板测量相比能大大节省时间，据称世界上没有同类机器^[4]。次年 1960 年，美国的 Bendix 开始在美国销售 Ferranti 的数控和测量机^[5]。这是今天三坐标测量机（CMM）的早期例子。

数控的普及与 System 24、触发式测头（1960—1973 年）

销量不及预期的数控

在 1950 年代的“自动化”热潮中，人们预计数控会很快普及。然而 1964 年行业杂志一调查，到 1962 年底在英国交付的数控机床只有 232 台，连同在订的也只有 547 台，约为 10 年前预测的十分之一。而且七成以上是孔定位用的，切削曲线的连续控制只有 100 多台^[1]。生产工程研究协会（PERA）1963 年调查了 17 处用户，数控使加工时间和费用减少了 4—6 成。即便如此，购买者仍以航空发动机之类高技术的工厂和正在大规模现代化的工厂为主^[1]。

英国早期的数控之所以发展受阻，一是电机公司的销售方法拙劣，而更重要的原因在于传统机床厂家的保守态度，这是 Hamilton 的看法^[1]。即便如此，1964 年 Olympia 的展会上仍排出了 20 多台数控机床，Wadkin、Alfred Herbert、BSA Tools、Staveley-Richards、Archdale、Kearns 等英国机床厂家自己也开始销售数控机床^[1]。1966 年，技术部大臣在下议院答复说，需要数控不是为了减人，而是为了弥补熟练工的不足，并表示将支持 5 月的数控机床展^[7]。英国使用的数控机床达到 800 台，正是在 1966 年^[1]。1969 年对机床的投资为 1 亿 4,500 万英镑，与上年持平，但数控机床的购买急剧增长^[15]。

Herbert-BSA 与 Herbert-Ingersoll

这一时期，机床行业试图通过合并做大。1966 年，Alfred Herbert 与 Churchill Machine Tool 合并，成为 Herbert-BSA 集团的一员^[6]。此外，1966 年还成立了与美国 Ingersoll Milling Machine 合作的 Herbert-Ingersoll^[8][10]，它在 Northamptonshire 的 Daventry 拥有了新工厂。美国的行业杂志介绍说，这家工厂的目标是把人均产量提高到 3 倍^[11][12]。但 Herbert-Ingersoll 于 1972 年 6 月落入破产接管人之手^[16][17]。

Molins 的 System 24：FMS 的先驱

1967 年 9 月，在 Manchester 举行的第 8 届机床设计与研究会议（MTDR）上，卷烟机厂家 Molins 发表了 System 24。主持者是从 Ferranti 转来的 Williamson^[13]。Molins 生产全世界七成的卷烟机，需要多品种、少量地制造几英寸大小的小零件。Williamson 等人先对零件进行调查，发现八九成可以用铝等轻合金制造，约七成能装进 12×12×6 英寸的范围。轻合金比钢切削得快得多^[13]。

在 System 24 中，零件固定在托盘上，托盘按计算机的指令搭上输送装置在数控机床之间循环。前一天计算机输出材料清单和加工程序清单，备料人员备齐材料，第二天装夹人员把零件装到托盘上，之后就由机器依次加工。最初的设备设在 London 的 Deptford，由 3 轴铣床 2 台、3 轴钻床 2 台、6 轴机床等组成，多数是用 2 根主轴同时加工 2 件的机器^[13]。1974 年美国的报告书也把 System 24 列为由计算机驱动的多品种小批量生产的先进例子^[14]。这是用输送装置和计算机把多台数控机床连起来的 FMS 思路的早期例子。

触发式测头

1972 年，Rolls-Royce 的技术人员 David McMurtry 为了测量 Concorde 的 Olympus 发动机零件，构想出了触发式测头^[19]。探针（触针）准确地落在固定的静止位置，一碰到物体稍有倾斜，电触点就会发出通知。读取此刻机床的坐标，就知道接触点的位置——这就是它的原理。英国专利的优先权日是 1972 年 9 月 21 日，美国专利 4,153,998 于 1979 年授权，权利人是 Rolls-Royce^[20]。1973 年，McMurtry 与 John Deer 创办了 Renishaw Electrical Ltd，推出三坐标测量机用测头 TP1^[19]。

车间里发生了什么变化？有了触发式测头，三坐标测量机只要让探针碰一下就能取得点的坐标。1977 年 Renishaw 推出装在机床上的测头，使工件的对位（装夹找正）和加工后的检测不必把工件从机床上卸下就能自动完成^[19]。这就是今天加工中心上习以为常的“机上测量”的开端。测头的用法在五轴加工页面中也有涉及。

进口浪潮与 Alfred Herbert 的破产（1974—1989 年）

国家救助 Alfred Herbert

1970 年代，英国机床工业的衰落成了政治问题。1974 年 10 月 29 日，政府为持续亏损的 Alfred Herbert 的透支提供担保，起初以 500 万英镑为限。1975 年 7 月 9 日决定提供最多 2,500 万英镑的支援，8 月又发表了依据《工业法》对整个机床工业的支援措施^[21]。12 月 2 日，下议院批准向政府的控股公司 Herbert Ltd 拨款 2,617 万 9,765 英镑。方案是以每股 6 便士收购 Alfred Herbert 的股份，其余资金用作资本金和贷款，持股移交国家企业局（NEB）。政府负责人承认，公司的问题很深，人员过多，机型铺得太广^[21]。

“国内需求的 46% 靠进口”

1979 年 1 月下议院的辩论很好地反映了当时的状况。工党议员批评老牌公司怠于投资和新设计，依赖转卖外国产品和陈旧的标准机型，并说数控机床的进口约为出口的 3 倍，Ford 甚至跑到台湾和巴西去寻找制造模具和夹具的能力^[22]。政府方面回应说，1977 年英国机床工业的销售额不到 4 亿英镑，其中近一半即 1 亿 8,500 万英镑为出口，进口为 1 亿 4,440 万英镑，多轴自动车床和发动机缸体专用机在世界上毫不逊色。但也承认，就英国产业整体而言，机床需求的 46% 依赖进口^[22]。出口很多，国内工厂却在买外国机器。第 3 章中见过的战间期的这种模式，在数控时代又重演了。

1980 年，Alfred Herbert 的清算

国家的支援也没有奏效，1980 年 Alfred Herbert 进入自愿清算^[6]。这家公司 1888 年在 Coventry 起步，两次世界大战中都处于国家机床管制的中心。Coventry 市的市史把这家一度是世界最大机床厂家的 Alfred Herbert 的破产，以及人去楼空的工厂里机器被拍卖的景象，写成 1980 年代初 Coventry 萧条的象征^[23]。清算之后，以 Alfred Herbert 为名的业务仍继续制造 CNC 机床，但 1983 年 4 月，破产接管人把该业务和资产挂牌出售^[31][32]。回想 1950 年代 Herbert 的研究部门研究的不是电机公司的数控，而是录制熟练工操作的旧方式，也可以说技术路线选择上的差距在这里显现了出来。

日本工厂的到来

仿佛与英国老牌厂家的相继消失相交替，日本的机床厂家在英国建起了工厂。1980 年 7 月，日本的山崎铁工所（今天的山崎马扎克）成立英国法人 Yamazaki Machinery U.K. Ltd^[26][27]，1987 年 6 月，在 Worcester 的欧洲工厂开始全面运营由计算机集成的生产（CIM）工厂。目前规模为 2 万 9,000 平方米、900 多人^[27][33]。1988 年 3 月，这家英国工厂首次向日本出口了 CNC 机床^[27]。日本的机床进入英国，在英国制造的日本机器又回到日本——这是英国机床史上方向的一次重大转变。

另一方面，英国的技术公司在“测量”和“软件”上发展起来。Renishaw 于 1981 年进军美国和爱尔兰，1987 年推出测量机床精度的激光干涉仪，1989 年推出编码器读数头^[19]。在 CAM 方面，1960—70 年代始于 Cambridge 大学的曲面 CAD/CAM 研究由 Delta Group 接手，1980 年开始销售软件。这就是后来的 Delcam^[25]。

靠测量与研究基地生存的今天（1990 年起）

测量与 CAM 的公司

1990 年，Delcam 的员工买下公司，把总部设在 Birmingham。1997 年上市，2009 年已成为客户超过 3 万家的 CAM 公司^[25]。Renishaw 于 1991 年推出球杆仪 QC10，让机床走圆以在短时间内检查定位的特性；2005 年推出三坐标测量机用的 5 轴测量系统 REVO，把接触测量的速度提高到约 10 倍；2011 年又进入金属增材制造领域^[19]。作为机床制造国的地位虽然下降了，但在测量、调整机床以及为机床编程的工具方面，英国公司如今仍身处世界各地的工厂之中。CAM 今天的用法见CAD/CAM页面。

留存下来的老字号

老牌机床厂家中，也有改变形态存续下来的。Rochdale 的 Holroyd 创立于 1860 年，1897 年取得螺纹铣削机的专利。1993 年凭转子用切削、磨削机床获得女王奖，现在以 Precision Technologies Group 的名义经营，产品的 98% 出口^[34]。拥有车床品牌 Colchester（1954 年收购）和 Harrison（1971 年收购）、曾是英国第一大车床厂家的 600 Group，于 2022 年 4 月出售机床业务，成为工业激光公司^[3]。

研究基地：AMRC 与 MTC

21 世纪的英国，试图通过大学与企业共同使用的研究基地来培育制造技术。Sheffield 大学于 2001 年与 Boeing 合作建立的先进制造研究中心（AMRC）^[35]，成为 2004 年启动的 Advanced Manufacturing Park 的核心^[37]。2010 年，Loughborough、Birmingham、Nottingham 三所大学在 Coventry 建立了 Manufacturing Technology Centre（MTC）^[38]。AMRC 如今是国家高附加值制造研究机构网络（High Value Manufacturing Catapult）的一员，与 Boeing、Rolls-Royce、BAE Systems、Airbus 等 120 多家企业合作^[40]。曾经有 Alfred Herbert 的 Coventry，如今有了制造业的研究基地，可谓时代的轮回。

用数字看今天的英国

据行业团体 Manufacturing Technologies Association（MTA）2023 年的资料，2021 年英国机床的产值（销售额）为 4 亿 8,800 万英镑，出口 5 亿 3,800 万英镑，进口 5 亿 1,800 万英镑。英国被列为世界第 16 位的机床生产国、第 18 位的市场。另一方面，测量仪器的产值约 10 亿英镑，约为机床的 2 倍，是出口比例非常高的领域^[39]。从制造机床的国家，转变为靠测量赚钱的国家。从数字上也能清楚看出英国战后的走向。

⛩与日本的关联

战后英国与日本在机床上的关系，随时代发生了很大的方向变化。1950 年代，日本也刚开始数控研究（日本数控的起步见国产机床档案第 2 章《铣床、加工中心的谱系》）。然而到了 1980 年代，日本机床厂家在英国建厂，变成了转让技术的一方。1983 年，安田工业向英国的机床厂家转让加工中心 YPC30 的制造技术，1986 年 YPC45H 也随之转让^[30]。1987 年山崎马扎克的 Worcester 工厂全面投产，次年便从英国向日本发运 CNC 机床^[27][41]。

反过来，英国的“测量技术”进入了日本的工厂。Renishaw 于 1982 年在日本设立办事处，建立了直接支持日本机床厂家和测量仪器厂家的体制^[29]。日本工厂使用的机上测量触发式测头和球杆仪，正如本章所见，都是在英国实现产品化的工具。从统计看，2020 年英国机床的进口来源中，日本仅次于德国，位居第 2^[39]。日本机床的生产和出口超越英国的过程，可以通过《用数字看国产机床的历史》确认。

常见问题

英国 Ferranti 的数控与美国 MIT 的数控有何不同？

两者都用计算机计算刀具路径，但 Ferranti 的思路是把计算交给中央的计算机服务，工厂的控制装置只保留跟随磁带脉冲动作的伺服，以降低成本。位置用光栅的莫尔条纹直接计数。研究于 1951—52 年在 Edinburgh 开始，1956 年在 Olympia 的展会上公开了产品。

最早制造三坐标测量机（CMM）的是哪里？

广为人知的早期例子，是 1959 年 12 月发布的 Ferranti 坐标测量机（Inspection Machine）。它用与数控相同的光栅把探针位置以千分之 1 英寸的分辨率数字显示，当时的行业杂志写道世界上没有同类机器。由于“最早”的定义（样机、产品、量产）不同，答案也会不同，本页只列出发布的年份和内容。

Molins 的 System 24 为什么被称为 FMS 的先驱？

因为 1967 年发表的 System 24，是用托盘输送装置和计算机把多台数控机床连接起来，依次加工多品种小零件的构想。它把把零件装上托盘的装夹与加工分开，由计算机在前一天输出材料和加工计划等，已经具备了后来 FMS 的各项要素。

Alfred Herbert 为什么会倒闭？

议会记录中列举的原因是人员过多、机型铺得太广，导致持续亏损。1975 年国家通过控股公司进行救助，使其归入国家企业局（NEB）旗下，但未能重振，1980 年进入自愿清算。就整个行业而言，议会也批评了投资和新设计的不足，以及对转卖外国产品的依赖。