【編者按】本文分析了以數(shù)控機(jī)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、高效高精化楷首、復(fù)合化、可重構(gòu)化和網(wǎng)絡(luò)化等五個(gè)主要方向的新進(jìn)展鞭畜。進(jìn)入21世紀(jì)俘汹，中國機(jī)床制造業(yè)既面臨提升機(jī)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(jī)。從技術(shù)層面來講牛斥，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(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵乖粘。

數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)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)裝備卡载，它的發(fā)展一直備受關(guān)注砌熬。數(shù)控機(jī)床以卓越的柔性自動(dòng)化性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度矫夷、靈捷而多樣化的功能引人矚目葛闷，開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)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)之一双藕。另一方面淑趾，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(jī)床的進(jìn)一步提升忧陪。 因此扣泊，本文將著重于剖析數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)況及動(dòng)向，從中探討高效柔性制造技術(shù)對促進(jìn)機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的作用嘶摊。

數(shù)控機(jī)床基本評定指標(biāo)

成本延蟹、質(zhì)量评矩、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(gè)要素阱飘，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(gè)方面的統(tǒng)一斥杜。但在當(dāng)前激烈的巿場競爭環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心沥匈、企業(yè)為主導(dǎo)的賣方巿場蔗喂，已轉(zhuǎn)向以巿場需求為中心、用戶為主導(dǎo)的買方巿場掸昨，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和個(gè)性化妨屑，且產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)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)境旅榨；其次亮购，衡量企業(yè)競爭力的首位因素也由成本轉(zhuǎn)為交貨期楚携。

為此秃值，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(shí)現(xiàn)在快速多變的巿場環(huán)境中對用戶驅(qū)動(dòng)的巿場需求作出靈活茅囱、快速響應(yīng)的關(guān)鍵哑逾。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(shí)浆英，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟(jì)性的前提下吹复，實(shí)現(xiàn)及時(shí)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。同時(shí)批型，持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度也是適應(yīng)巿場競爭的另一個(gè)主要目標(biāo)轧愧。 作為評定數(shù)控機(jī)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诱渤。

高效柔性化

雖然傳統(tǒng)的非數(shù)控機(jī)床也具有一定的柔性丐巫，但它不能獲得高的效能和穩(wěn)定的精度，更不適應(yīng)復(fù)雜型面的加工勺美。因此递胧，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)能力赡茸，包括：高生產(chǎn)率－借助于高速化和提高金屬切除率等途徑缎脾；高穩(wěn)定性－對于光機(jī)電集成的數(shù)控機(jī)床，著重要求其降低故障率占卧，提高可靠性遗菠，以提高制造裝備及系統(tǒng)的開動(dòng)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(gè)最主要的要求华蜒，即產(chǎn)品生產(chǎn)變換的靈捷性和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高辙纬。

高精化

產(chǎn)品零件的精度直接影響到其工作性能耸袜、壽命、能耗和噪聲等牲平，因此數(shù)控機(jī)床的高精化是巿場需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果妨宪。

分析汽車某些關(guān)鍵件的精度要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體帖奠、缸蓋之灼、曲軸、凸輪軸创邦、連桿比紫、化油器、制動(dòng)器丝您、減振器的閥體蕾捣、泵體、盤類以及模具等但珍，在近十幾年內(nèi)有明顯的提高齐寻。

統(tǒng)計(jì)自上世紀(jì)80年代至2002年國內(nèi)外先進(jìn)水平數(shù)控機(jī)床的工作精度提高的過程，平均每年提升10%绎术，即每隔8年誤差約減少一半刨吸。對此，歐美日等國的一些著名機(jī)床公司致力于科技創(chuàng)新和新產(chǎn)品的研發(fā)材诽，引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展底挫，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)脸侥，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)建邓，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睁枕，列出國內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品近年來在效率官边、精度和可靠性等方面均有明顯的進(jìn)展。

基于這一現(xiàn)實(shí)譬重，為了加速振興中國的機(jī)床制造業(yè)拒逮，當(dāng)前宜加強(qiáng)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(jī)床的綜合性能臀规；

* 加快數(shù)控機(jī)床向高效柔性化和高精化發(fā)展的步伐滩援，推進(jìn)痠級精度機(jī)床工程的規(guī)劃和實(shí)施；

* 加強(qiáng)發(fā)展多功能復(fù)合加工的數(shù)控機(jī)床來提高單件和中小批量的加工精度和高效柔性化塔嬉；

* 對于中大批量生產(chǎn)玩徊，發(fā)展快速重組制造系統(tǒng)(RRMS)和可重構(gòu)機(jī)床(RMT)將是一個(gè)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)建谨究。

以高速化為先導(dǎo)

數(shù)控機(jī)床的高速化是提高其高效柔性和高精化的重要措施写寄。它既可以提高機(jī)床的切削能力和縮短輔助時(shí)間诲操，又能改善切屑成形過程，減少刀齒每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和降低切削力纽材，有助提高加工精度帮伙。 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(yùn)動(dòng)高速化的主軸最高轉(zhuǎn)速和最大進(jìn)給速度敛纺，大致持續(xù)地以每10年增長一倍的比率上升鹰党，而表征壓縮機(jī)床輔助時(shí)間的快移速度(指以滾珠絲槓和旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng))和自動(dòng)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虹体，1993年后逐步推廣用直線電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)的新技術(shù)钓藏，使加工中心的快移速度比用滾珠絲槓副驅(qū)動(dòng)時(shí)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)面影響怨耸，使機(jī)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精臭。為此，應(yīng)用信息技術(shù)發(fā)展諸如熱誤差補(bǔ)償乘颖、自動(dòng)跟蹤濾波和抑制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共振摇祖、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)包归，使在高速控制條件下仍能保證加工精度不斷改善锨推。

因此，高速化的發(fā)展不能單純地追求轉(zhuǎn)速的提高公壤，必須考慮改善各項(xiàng)制約因素，才不致事倍功半椎椰。除了上述提及的熱誤差和控制精度厦幅，還要注意機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜動(dòng)態(tài)剛度、動(dòng)平衡和刀具的性能等慨飘。

研制高效精密數(shù)控機(jī)床

目前國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床尚缺少高效微米精度級的產(chǎn)品确憨，示出了汽車零件加工需求與國產(chǎn)加工中心、CNC銑床瓤的、車削中心和CNC車床等滿足度現(xiàn)狀的比較休弃。

現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)大多不能同時(shí)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。

為此圈膏，需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備塔猾，以適應(yīng)汽車、航空稽坤、模具和軍工等制造業(yè)加工關(guān)鍵零件的需求永炭，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)土嚼，因此可稱為級制造裝備及技術(shù)研究"魏桅，又稱Micro Precision Machine Tool Engineering博遵。

在這方面的代表產(chǎn)品有德國瓦德里希.濟(jì)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(jī)床研究所的1000三軸/五軸立式加工中心钳葬。它們的定位精度(ISO標(biāo)準(zhǔn))達(dá)4-6um敦驼，機(jī)床的綜合剛度和金屬切除能力均比同類型傳統(tǒng)機(jī)床高出一倍。日本遠(yuǎn)州公司的X107混合驅(qū)動(dòng)式臥式加工中心僅對長行程X軸用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)翩腹，有良好的性價(jià)比豁惨，標(biāo)志可靠性的MTBF達(dá)5000h。都兼具高效和高精的特征箍负。

發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床

多功能復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床簡稱復(fù)合機(jī)床烂辟，或稱為多功能加工或完全加工機(jī)床。

復(fù)合機(jī)床的含義是在1臺機(jī)床上實(shí)現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工麦回。從20世紀(jì)70年代以來哨叙，出現(xiàn)了以旋轉(zhuǎn)刀具作主切削運(yùn)動(dòng)的、主要用于鏜銑加工的加工中心缤谎，和以工件旋轉(zhuǎn)作主運(yùn)動(dòng)的抒倚、主要用于車銑加工的車削中心，這兩類多功能的數(shù)控機(jī)床在推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的工序集中工藝方法上發(fā)揮了重要的作用坷澡。但對于較復(fù)雜的零件托呕，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)效率频敛，且由于工件在多臺機(jī)床間的轉(zhuǎn)移增加了安裝誤差项郊，也不利于加工精度的穩(wěn)定性。

為此斟赚，加快復(fù)合數(shù)控機(jī)床的發(fā)展步伐着降，提高工序的集中度，使加工過程鏈集約化拗军，可以提高多品種單件和中小批量加工的功效任洞。復(fù)合數(shù)控機(jī)床可以減少在不同數(shù)控機(jī)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(shí)間。通常這些時(shí)間占零件整個(gè)生產(chǎn)周期的40%-60%发侵，即使在信息管理較良好的情況下交掏，仍將占20%左右。因此闲招，復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有明顯的技術(shù)效果精幌。

復(fù)合數(shù)控機(jī)床根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可分為如下兩類：

* 跨加工類別的復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床：該類機(jī)床主要體現(xiàn)為刀具回轉(zhuǎn)加工予问、工件回轉(zhuǎn)加工或特種加工等多類功能的復(fù)合润沸，因而在機(jī)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涕笛、銑車中心和銑削-激光加工機(jī)床等燥箍；

* 多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合數(shù)控機(jī)床都宅。 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(gè)值得注意的發(fā)展方向朦晋。

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)"愧橄。

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(dòng)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(shí)代周狱。作為主要制造裝備的數(shù)控機(jī)床及其組成的制造系統(tǒng)瘪期，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(shí)施的制造單元稿辙，其主要特征可歸結(jié)為3F(柔性化昆码、聯(lián)盟化和新穎化)、3I(集成化邻储、信息化和智能化)和3S(系統(tǒng)化赋咽、軟件化和個(gè)性化)。

當(dāng)前吨娜，國內(nèi)外一些機(jī)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)的制造單元脓匿，它將能與企業(yè)ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成宦赠，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)系作出智能決策陪毡，實(shí)施并行工程、可視化監(jiān)控等以提高機(jī)床利用率勾扭，實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)毡琉。

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