數(shù)控機床的現(xiàn)狀與發(fā)展

進入21世紀,我國機床制造業(yè)既面臨著提升機械制造業(yè)水平的需求而引發(fā)的制造裝備發(fā)展的良機,也遭遇到加入WTO后激烈的市場競爭的壓力。從技術(shù)層面上來講,加速推進數(shù)控技術(shù)將是解決機床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個關(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)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(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)成為先進制造技術(shù)中的一項核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進了數(shù)控機床的進一步提升。

1．現(xiàn)代數(shù)控機床的兩個基本評定指標

   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)能力和市場競爭能力的4個要素，采用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達到一定閾值的大批量的規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述4個方面的統(tǒng)一。但在當前激烈的市場競爭環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心，企業(yè)為主導的賣方市場已轉(zhuǎn)向以市場需求為中心、用戶為主導的買方市場，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)控制造裝備及制造系統(tǒng)是實現(xiàn)在快速多變的市場環(huán)境中對用戶驅(qū)動的市場需求作出靈活、快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化是指當產(chǎn)品的品種的需求發(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)市場競爭的另一個主要目標。

   因而作為評定數(shù)控機床及系統(tǒng)效能的基本指標也將由傳統(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。

   高效柔性化和高精化分別反映了制造業(yè)在競爭激烈的市場環(huán)境下的兩個最主要的要求，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。

（1）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)的高效柔性化的制造裝備及制造系統(tǒng)需兼具下列特性：①高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應(yīng)性。②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）。

（2）高精化   產(chǎn)品的加工精度直接影響到其工作性能、壽命、能耗和噪聲等，因此，數(shù)控機床的高精化是市場需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

   分析汽車的某些關(guān)鍵件的精度需求，如發(fā)動機的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿、化油器、制動器、減震器的閥體、泵體、盤類以及模具等在近十幾年內(nèi)有明顯的提高。

2.我國數(shù)控機床現(xiàn)況

   從上世紀80年代起，機床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏，但對數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機床一直給予較大的關(guān)注。經(jīng)過“九五”數(shù)控車床和加工中心（包括數(shù)控銑床）的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的形成，所生產(chǎn)的中檔普及型數(shù)控機床的功能、性能和可靠性方面已具有較強的市場競爭力。但在中、高檔數(shù)控機床方面，與國外一些先進產(chǎn)品相比，仍存在較大差距，這是由于歐美日等先進工業(yè)國家于80年代先后完成了數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)進程，其中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)，引導著數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展，如美國英格索爾公司和德國惠勒喜樂公司對用于汽車工業(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，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)合加工的推進等等。相比之下，我國大部分數(shù)近代機床產(chǎn)品在技術(shù)處于跟蹤階段。表3 以40號刀柄的中型加工中心為例，列出國內(nèi)外先進產(chǎn)品主要技術(shù)指標，由此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明顯差距。

發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機床、縮短制造過程鏈

   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加工的車削中心，這兩類多功能的數(shù)控機床在推進數(shù)控機床的工序集中的工藝方法上發(fā)揮了重要的作用。但對于這較復(fù)雜的零件它的功能范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工效。復(fù)合數(shù)控機床可以減少在不同數(shù)控機床間進行工序的轉(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，可以分為如下兩類：

（1）跨加工類別的工藝復(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。（2）多面多軸聯(lián)動加工的工序復(fù)合數(shù)控機床。

6．高效柔性化的新一代制造系統(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)展動向。目前常用的FMS/FML其制造裝備的功能儲備通常較多，在大批量生產(chǎn)條件下，往往僅能應(yīng)用其中20%左右的功能，因此用擴大功儲備以備不時之需的做法，既是對資源的浪費，也是增大投資的不經(jīng)濟之舉。另一方面，當加工的產(chǎn)品由于市場需求的變化要作較大的調(diào)整時，往往既費時又耗費資金。為此，美國Y.Koren教授于1995年提出了發(fā)展可重構(gòu)制造系統(tǒng)(RMS)的構(gòu)想。我國從1997年起在國家自然科學基金和“十五”863計劃資助下，對可重構(gòu)制造技術(shù)以及構(gòu)建快速重組制造系統(tǒng)（RRMS）的理論與方法進行研究，其核心為制造系統(tǒng)能物理組態(tài)，即根據(jù)加工對象的變化方便地進行調(diào)整。為了能在制造系統(tǒng)的設(shè)計與規(guī)劃、集成與整合以及運動與決策等3方面實現(xiàn)組態(tài)，需要解決圖5所示外圈的6個關(guān)鍵技術(shù)，使其兼具專用生產(chǎn)線的高效性能和適用的柔性所取得的經(jīng)濟性。為此發(fā)展了能對多變的市場需求作出合理的配置規(guī)劃和易于調(diào)整的布局方式、適應(yīng)重構(gòu)的控制軟件、開放式控制系統(tǒng)和規(guī)范化接口以及能快速提升系統(tǒng)重組后制造質(zhì)量的診斷系統(tǒng)等技術(shù)，并取得了初步成功的應(yīng)用。

7.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化制造單元，推進企業(yè)制造能力的高效柔性化

   在信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動下，制造業(yè)正面臨著一個以提升競爭能力為目標的構(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，它將成為一個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、3I和3S，即：3F（柔性化、聯(lián)盟化和新穎化）、3I（集成化、信息化和智能化）、3S（系統(tǒng)化、軟件化和個性化）。

   當前，國內(nèi)外一些機床和數(shù)控系統(tǒng)制造企業(yè)在從分布式網(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)高效柔性生產(chǎn)。

8.開展可靠性設(shè)計，加強全面質(zhì)量管理，保證數(shù)控機床的可靠性增長

   數(shù)控機床多發(fā)的故障率一直是影響我國數(shù)控機床品質(zhì)的一個重要問題。尤其是用于批量生產(chǎn)的自動生產(chǎn)線上，對數(shù)控機床的可靠性更為重視，通常用平均無故障時間（以MTBF表示）的長短來衡量它的可靠性。例如日本遠州株式會社2002年提出為汽車行業(yè)提供的加工中心其MTBF35000h，這樣可保證在生產(chǎn)線上的數(shù)控機床只需每年作例行檢修，而不致因出現(xiàn)故障而引起停產(chǎn)。相比國內(nèi)加工中心先進水平的MTBF3600h有大幅度的提高。

   數(shù)控機床與傳統(tǒng)機床相比，由于增加了數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制單元、以及自動化功能部件和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓、氣動元件和機電裝置。由于元器件和裝置數(shù)量的增多易于導致出現(xiàn)失效概率的增大。

   因此，為了保證數(shù)控機床有高的可靠性，設(shè)計時不僅要考慮其功能和力學特性，還要進行可靠性設(shè)計，根據(jù)可靠性要求合理分配各組成件的可靠性指標，在配套件采購和制造過程中重視質(zhì)量要求，加強全面質(zhì)量管理以求可靠性的不斷增長。

   精心設(shè)計、嚴格制造和明確的可靠性目標以及通過維修分析故障模式和找出薄弱環(huán)節(jié)是推進數(shù)控技術(shù)的重要措施。例如我國機床行業(yè)經(jīng)5年的努力已使加工中心和數(shù)控車床的MTBF增長了50%；又有如日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)在1985年時無鼓掌時間僅為8.7個月，公司領(lǐng)導提出了增長至50個月的目標，至1991年基本實現(xiàn)，到1994年已達125個月，在可靠性方面位居世界前列。這些事實充分說明了維修和產(chǎn)品質(zhì)量之間的互動關(guān)系。