推進以數控技術為核心的高效柔性制造技術

本文分析了以數控機床為核心的制造技術向高效化、柔性化和高精化的發展概況，并研究其在高速化、高效高精化、復合化、可重構化和網絡化等五個主要方向的新進展。

　　進入21世紀，中國機床制造業既面臨提升機械制造業水平的需求而引發的制造裝備發展的良機，也遭遇加入WTO后激烈的巿場競爭的壓力。從技術層面來講，加速推進以數控技術為核心的高效柔性制造技術將是解決機床制造業持續發展的關鍵。

　　數控機床及由數控機床組成的制造系統是改造傳統產業、構建數字化企業的重要基礎裝備，它的發展一直備受關注。數控機床以卓越的柔性自動化性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引人矚目，開創了機械產品向機電一體化發展的先河，因此數控技術成為先進制造技術中的核心技術之一。另一方面，通過持續的研究，信息技術的深化應用促進了數控機床的進一步提升。 因此，本文將著重于剖析數控技術的現況及動向，從中探討高效柔性制造技術對促進機床制造業發展的作用。

　　數控機床基本評定指標

　　成本、質量、生產率和產量、交貨期是衡量企業生產能力和巿場競爭能力的4個要素，釆用傳統的非數控生產方式只有達到一定閥值的大批量規模生產才能取得上述4個方面的統一。但在當前激烈的巿場競爭環境下，以生產為中心、企業為主導的賣方巿場，已轉向以巿場需求為中心、用戶為主導的買方巿場，產品需求呈現多樣化和個性化，且產品經濟壽命大大縮短，這首先將形成以多品種變批量的生產方式為主流的生產環境；其次，衡量企業競爭力的首位因素也由成本轉為交貨期。

　　為此，發展柔性結構體系的數控制造技術裝備及制造系統，是實現在快速多變的巿場環境中對用戶驅動的巿場需求作出靈活、快速響應的關鍵。所謂制造裝備及制造系統的柔性化，是指當產品的品種需求發生變化時，它們仍能在滿足經濟性的前提下，實現及時轉換生產的適應能力。同時，持續地提高經濟加工精度也是適應巿場競爭的另一個主要目標。 作為評定數控機床及系統效能的基本指標，也將由傳統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

　　雖然傳統的非數控機床也具有一定的柔性，但它不能獲得高的效能和穩定的精度，更不適應復雜型面的加工。因此，基于數控技術的高效柔性化制造裝備及其制造系統需兼具下列特征：

　　* 高度的靈活性和多品種生產的快速適應性；

　　* 高效的生產能力，包括：高生產率－借助于高速化和提高金屬切除率等途徑；高穩定性－對于光機電集成的數控機床，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的開動率(利用率)。

　　高效柔性化和高精化分別反映了制造業在競爭激烈的巿場環境下兩個最主要的要求，即產品生產變換的靈捷性和產品質量的持續提高。

　　高精化

　　產品零件的精度直接影響到其工作性能、壽命、能耗和噪聲等，因此數控機床的高精化是巿場需求和技術發展的必然結果。

　　分析汽車某些關鍵件的精度要求，如發動機的缸體、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，在近十幾年內有明顯的提高。

　　統計自上世紀80年代至2002年國內外先進水平數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新和新產品的研發，引導著數控機床技術的發展，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和航空工業高速數控銑床的發展，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，以及日本馬扎克公司研發的車銑中心對高效復合加工的推進等。表3以40號刀柄的中型加工中心為例，列出國內外先進產品近年來在效率、精度和可靠性等方面均有明顯的進展。

　　基于這一現實，為了加速振興中國的機床制造業，當前宜加強五方面的研究和發展工作：

　　* 以高速化為先導，提高數控機床的綜合性能；

　　* 加快數控機床向高效柔性化和高精化發展的步伐，推進痠級精度機床工程的規劃和實施；

　　* 加強發展多功能復合加工的數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，發展快速重組制造系統(RRMS)和可重構機床(RMT)將是一個合理的解決方案；

　　* 發展網絡制造單元以適應數字化企業的構建。

　　以下各節將對上述五個發展方向作扼要的敘述。

　　以高速化為先導

　　數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，減少刀齒每轉進給量和降低切削力，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速和最大進給速度，大致持續地以每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伺服電機驅動)和自動換刀/工作臺轉位速度，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動的新技術，使加工中心的快移速度比用滾珠絲槓副驅動時又提高了一倍。 但主軸轉速和進給速度的提高也會引起一些負面影響，使機床結構和測量系統的熱變形和位置控制的跟蹤誤差隨之增大。為此，應用信息技術發展諸如熱誤差補償、自動跟蹤濾波和抑制驅動系統共振、進給速度前瞻控制、位置環前餽控制和加速平穩控制等一系列先進控制技術，使在高速控制條件下仍能保證加工精度不斷改善。

　　因此，高速化的發展不能單純地追求轉速的提高，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，還要注意機床結構的靜動態剛度、動平衡和刀具的性能等。

　　研制高效精密數控機床

　　目前國內生產的數控機床尚缺少高效微米精度級的產品，示出了汽車零件加工需求與國產加工中心、CNC銑床、車削中心和CNC車床等滿足度現狀的比較。

　　現有的數控機床產大多不能同時滿足作為典型支柱產業的汽車制造業對數控制造裝備的高效和高精的綜合要求。

　　為此，需研發一些能兼顧高效化和高精化的數控制造裝備，以適應汽車、航空、模具和軍工等制造業加工關鍵零件的需求，它們的性能用圖1中的D區域來表示。由于這些數控制造裝備的加工精度主要在微米級範圍內，因此可稱為級制造裝備及技術研究"，又稱Micro Precision Machine Tool Engineering。

　　在這方面的代表產品有德國瓦德里希.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標準)達4-6um，機床的綜合剛度和金屬切除能力均比同類型傳統機床高出一倍。日本遠州公司的X107混合驅動式臥式加工中心僅對長行程X軸用直線電機驅動，有良好的性價比，標志可靠性的MTBF達5000h。都兼具高效和高精的特征。

　　發展復合加工數控機床

　　多功能復合加工數控機床簡稱復合機床，或稱為多功能加工或完全加工機床。

　　復合機床的含義是在1臺機床上實現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，出現了以旋轉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，這兩類多功能的數控機床在推進數控機床的工序集中工藝方法上發揮了重要的作用。但對于較復雜的零件，它們的功能範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條件下的生產效率，且由于工件在多臺機床間的轉移增加了安裝誤差，也不利于加工精度的穩定性。

　　為此，加快復合數控機床的發展步伐，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。復合數控機床可以減少在不同數控機床間進行工序的轉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，復合數控機床具有明顯的技術效果。

　　復合數控機床根據其結構特點，可分為如下兩類：

　　* 跨加工類別的復合數控加工機床：該類機床主要體現為刀具回轉加工、工件回轉加工或特種加工等多類功能的復合，因而在機床結構上要體現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；

　　* 多面多軸聯動加工的復合數控機床。 發展快速重組制造系統

　　在可重構制造(Reconfigurable Manufacturing）技術支持下，構建具有適應大批量高效生產的柔性化制造系統是一個值得注意的發展方向。

　　發展網絡化制造單元

　　在信息化技術蓬勃發展的推動下，制造業正面臨以提升競爭能力為目標的構建全企業數字化時代。作為主要制造裝備的數控機床及其組成的制造系統，也將積極地向數字化制造邁進，將成為信息集成和快速實施的制造單元，其主要特征可歸結為3F(柔性化、聯盟化和新穎化)、3I(集成化、信息化和智能化)和3S(系統化、軟件化和個性化)。

　　當前，國內外一些機床和數控系統制造企業正在從網絡化聯盟制造的角度出發研究相適應的制造單元，它將能與企業ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成，進而通過與客戶關系管理（CRM）和供應鏈管理（SCM）的聯系作出智能決策，實施并行工程、可視化監控等以提高機床利用率，實現高效的柔性生產。