高效柔性制造技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展
北京機床研究所 盛伯浩 唐華
本文分析了以數(shù)控機床為核心的制造技術(shù)向高效化,、柔性化和高精化的發(fā)展概況,，并研究其在高速化、高效高精化,、復(fù)合化,、可重構(gòu)化和網(wǎng)絡(luò)化等五個主要方向的新進(jìn)展,。
進(jìn)入21世紀(jì)，中國機床制造業(yè)既面臨提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機,，也遭遇加入WTO后激烈的巿場競爭的壓力。從技術(shù)層面來講,，加速推進(jìn)以數(shù)控技術(shù)為核心的高效柔性制造技術(shù)將是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵,。
數(shù)控機床及由數(shù)控機床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備,，它的發(fā)展一直備受關(guān)注,。數(shù)控機床以卓越的柔性自動化性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度,、靈捷而多樣化的功能引人矚目,，開創(chuàng)了機械產(chǎn)品向機電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的核心技術(shù)之一,。另一方面,，通過持續(xù)的研究,，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機床的進(jìn)一步提升,。 因此，本文將著重于剖析數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)況及動向,，從中探討高效柔性制造技術(shù)對促進(jìn)機床制造業(yè)發(fā)展的作用,。
數(shù)控機床基本評定指標(biāo)
成本、質(zhì)量,、生產(chǎn)率和產(chǎn)量,、交貨期是衡量企業(yè)生產(chǎn)能力和巿場競爭能力的4個要素，釆用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達(dá)到一定閥值的大批量規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述4個方面的統(tǒng)一,。但在當(dāng)前激烈的巿場競爭環(huán)境下,，以生產(chǎn)為中心、企業(yè)為主導(dǎo)的賣方巿場,，已轉(zhuǎn)向以巿場需求為中心,、用戶為主導(dǎo)的買方巿場，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和個性化,，且產(chǎn)品經(jīng)濟壽命大大縮短,，這首先將形成以多品種變批量的生產(chǎn)方式為主流的生產(chǎn)環(huán)境；其次,，衡量企業(yè)競爭力的首位因素也由成本轉(zhuǎn)為交貨期,。
為此，發(fā)展柔性結(jié)構(gòu)體系的數(shù)控制造技術(shù)裝備及制造系統(tǒng),，是實現(xiàn)在快速多變的巿場環(huán)境中對用戶驅(qū)動的巿場需求作出靈活,、快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化,，是指當(dāng)產(chǎn)品的品種需求發(fā)生變化時,，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟性的前提下,，實現(xiàn)及時轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。同時,，持續(xù)地提高經(jīng)濟加工精度也是適應(yīng)巿場競爭的另一個主要目標(biāo),。 作為評定數(shù)控機床及系統(tǒng)效能的基本指標(biāo)，也將由傳統(tǒng)的工作精度和切削能力改為用高效柔性和高精化的程度來衡量,。
高效柔性化
雖然傳統(tǒng)的非數(shù)控機床也具有一定的柔性,，但它不能獲得高的效能和穩(wěn)定的精度，更不適應(yīng)復(fù)雜型面的加工,。因此,，基于數(shù)控技術(shù)的高效柔性化制造裝備及其制造系統(tǒng)需兼具下列特征：
* 高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應(yīng)性；
* 高效的生產(chǎn)能力,，包括：高生產(chǎn)率－借助于高速化和提高金屬切除率等途徑,；高穩(wěn)定性－對于光機電集成的數(shù)控機床，著重要求其降低故障率,，提高可靠性,，以提高制造裝備及系統(tǒng)的開動率(利用率)。
高效柔性化和高精化分別反映了制造業(yè)在競爭激烈的巿場環(huán)境下兩個最主要的要求,，即產(chǎn)品生產(chǎn)變換的靈捷性和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高,。
高精化
產(chǎn)品零件的精度直接影響到其工作性能、壽命,、能耗和噪聲等,，因此數(shù)控機床的高精化是巿場需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。
分析汽車某些關(guān)鍵件的精度要求,，如發(fā)動機的缸體,、缸蓋、曲軸,、凸輪軸,、連桿、化油器,、制動器,、減振器的閥體、泵體,、盤類以及模具等,，在近十幾年內(nèi)有明顯的提高。
統(tǒng)計自上世紀(jì)80年代至2002年國內(nèi)外先進(jìn)水平數(shù)控機床的工作精度提高的過程,，平均每年提升10%,，即每隔8年誤差約減少一半。對此,，歐美日等國的一些著名機床公司致力于科技創(chuàng)新和新產(chǎn)品的研發(fā),，引導(dǎo)著數(shù)控機床技術(shù)的發(fā)展,，如美國的英格索爾公司和德國惠勒喜樂公司對于汽車工業(yè)和航空工業(yè)高速數(shù)控銑床的發(fā)展，日本牧野公司對高效精密加工中心所作的貢獻(xiàn),，德國瓦德里希公司在重型龍門五面加工銑床方面的開發(fā),，以及日本馬扎克公司研發(fā)的車銑中心對高效復(fù)合加工的推進(jìn)等。表3以40號刀柄的中型加工中心為例,，列出國內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品近年來在效率,、精度和可靠性等方面均有明顯的進(jìn)展。
基于這一現(xiàn)實,，為了加速振興中國的機床制造業(yè),，當(dāng)前宜加強五方面的研究和發(fā)展工作：
* 以高速化為先導(dǎo)，提高數(shù)控機床的綜合性能,；
* 加快數(shù)控機床向高效柔性化和高精化發(fā)展的步伐,，推進(jìn)痠級精度機床工程的規(guī)劃和實施；
* 加強發(fā)展多功能復(fù)合加工的數(shù)控機床來提高單件和中小批量的加工精度和高效柔性化,；
* 對于中大批量生產(chǎn),，發(fā)展快速重組制造系統(tǒng)(RRMS)和可重構(gòu)機床(RMT)將是一個合理的解決方案；
* 發(fā)展網(wǎng)絡(luò)制造單元以適應(yīng)數(shù)字化企業(yè)的構(gòu)建,。
以下各節(jié)將對上述五個發(fā)展方向作扼要的敘述,。
以高速化為先導(dǎo)
數(shù)控機床的高速化是提高其高效柔性和高精化的重要措施。它既可以提高機床的切削能力和縮短輔助時間,，又能改善切屑成形過程，減少刀齒每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和降低切削力,，有助提高加工精度,。 分析中型加工中心的高速化與高精化的發(fā)展歷程，可以得出作為表征其切削運動高速化的主軸最高轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度,，大致持續(xù)地以每10年增長一倍的比率上升,，而表征壓縮機床輔助時間的快移速度(指以滾珠絲槓和旋轉(zhuǎn)伺服電機驅(qū)動)和自動換刀/工作臺轉(zhuǎn)位速度，基本上以每12~15年翻一番的速度增長,，1993年后逐步推廣用直線電動機直接驅(qū)動的新技術(shù),，使加工中心的快移速度比用滾珠絲槓副驅(qū)動時又提高了一倍。 但主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度的提高也會引起一些負(fù)面影響,，使機床結(jié)構(gòu)和測量系統(tǒng)的熱變形和位置控制的跟蹤誤差隨之增大,。為此，應(yīng)用信息技術(shù)發(fā)展諸如熱誤差補償,、自動跟蹤濾波和抑制驅(qū)動系統(tǒng)共振,、進(jìn)給速度前瞻控制、位置環(huán)前餽控制和加速平穩(wěn)控制等一系列先進(jìn)控制技術(shù),，使在高速控制條件下仍能保證加工精度不斷改善,。
因此,，高速化的發(fā)展不能單純地追求轉(zhuǎn)速的提高，必須考慮改善各項制約因素,，才不致事倍功半,。除了上述提及的熱誤差和控制精度，還要注意機床結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度,、動平衡和刀具的性能等,。
研制高效精密數(shù)控機床
目前國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機床尚缺少高效微米精度級的產(chǎn)品，示出了汽車零件加工需求與國產(chǎn)加工中心,、CNC銑床,、車削中心和CNC車床等滿足度現(xiàn)狀的比較。
現(xiàn)有的數(shù)控機床產(chǎn)大多不能同時滿足作為典型支柱產(chǎn)業(yè)的汽車制造業(yè)對數(shù)控制造裝備的高效和高精的綜合要求,。
為此,，需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備，以適應(yīng)汽車,、航空,、模具和軍工等制造業(yè)加工關(guān)鍵零件的需求，它們的性能用圖1中的D區(qū)域來表示,。由于這些數(shù)控制造裝備的加工精度主要在微米級範(fàn)圍內(nèi),，因此可稱為級制造裝備及技術(shù)研究"，又稱Micro Precision Machine Tool Engineering,。
在這方面的代表產(chǎn)品有德國瓦德里希.濟根公司的牌M-1250臥式高精度加工中心,、日本牧野公司的V56立式加工中心和中國北京機床研究所的1000三軸/五軸立式加工中心。它們的定位精度(ISO標(biāo)準(zhǔn))達(dá)4-6um,，機床的綜合剛度和金屬切除能力均比同類型傳統(tǒng)機床高出一倍,。日本遠(yuǎn)州公司的X107混合驅(qū)動式臥式加工中心僅對長行程X軸用直線電機驅(qū)動，有良好的性價比,，標(biāo)志可靠性的MTBF達(dá)5000h,。都兼具高效和高精的特征。
發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機床
多功能復(fù)合加工數(shù)控機床簡稱復(fù)合機床,，或稱為多功能加工或完全加工機床,。
復(fù)合機床的含義是在1臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工。從20世紀(jì)70年代以來,，出現(xiàn)了以旋轉(zhuǎn)刀具作主切削運動的,、主要用于鏜銑加工的加工中心，和以工件旋轉(zhuǎn)作主運動的,、主要用于車銑加工的車削中心,，這兩類多功能的數(shù)控機床在推進(jìn)數(shù)控機床的工序集中工藝方法上發(fā)揮了重要的作用。但對于較復(fù)雜的零件，它們的功能範(fàn)圍尚不足以完成從毛坯至成品的全部工序加工,，因而還不能充分提高在單件和中小批量生產(chǎn)條件下的生產(chǎn)效率,，且由于工件在多臺機床間的轉(zhuǎn)移增加了安裝誤差，也不利于加工精度的穩(wěn)定性,。
為此,，加快復(fù)合數(shù)控機床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度,，使加工過程鏈集約化,，可以提高多品種單件和中小批量加工的功效。復(fù)合數(shù)控機床可以減少在不同數(shù)控機床間進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時間,。通常這些時間占零件整個生產(chǎn)周期的40%-60%,，即使在信息管理較良好的情況下，仍將占20%左右,。因此,，復(fù)合數(shù)控機床具有明顯的技術(shù)效果。
復(fù)合數(shù)控機床根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點,，可分為如下兩類：
* 跨加工類別的復(fù)合數(shù)控加工機床：該類機床主要體現(xiàn)為刀具回轉(zhuǎn)加工,、工件回轉(zhuǎn)加工或特種加工等多類功能的復(fù)合，因而在機床結(jié)構(gòu)上要體現(xiàn)對不同加工方式的需求,。目前常見的有車銑中心,、銑車中心和銑削-激光加工機床等；
* 多面多軸聯(lián)動加工的復(fù)合數(shù)控機床,。 發(fā)展快速重組制造系統(tǒng)
在可重構(gòu)制造(Reconfigurable Manufacturing）技術(shù)支持下,，構(gòu)建具有適應(yīng)大批量高效生產(chǎn)的柔性化制造系統(tǒng)是一個值得注意的發(fā)展方向。
有關(guān)詳情請參見本欄的另一篇文章"快速重組制造系統(tǒng)原理及應(yīng)用技術(shù)",。
發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化制造單元
在信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動下,，制造業(yè)正面臨以提升競爭能力為目標(biāo)的構(gòu)建全企業(yè)數(shù)字化時代。作為主要制造裝備的數(shù)控機床及其組成的制造系統(tǒng),，也將積極地向數(shù)字化制造邁進(jìn)，將成為信息集成和快速實施的制造單元,，其主要特征可歸結(jié)為3F(柔性化,、聯(lián)盟化和新穎化)、3I(集成化,、信息化和智能化)和3S(系統(tǒng)化,、軟件化和個性化)。
當(dāng)前,，國內(nèi)外一些機床和數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)正在從網(wǎng)絡(luò)化聯(lián)盟制造的角度出發(fā)研究相適應(yīng)的制造單元,，它將能與企業(yè)ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成,，進(jìn)而通過與客戶關(guān)系管理（CRM）和供應(yīng)鏈管理（SCM）的聯(lián)系作出智能決策,，實施并行工程,、可視化監(jiān)控等以提高機床利用率，實現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn),。
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