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我国机械加工装备的现状与发展对策 |
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作者：北京机床研究所 盛伯浩 |
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数控机床及由数控机床组成的柔性化制造系统是改造传统机械加工装备产业、构建数字化企业的重要基础，它的发展一直备受关注。数控机床以其卓越的柔性自动化性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的开发研究以及对信息技术的深化应用促进了数控机床性能和质量的进一步提升。
近6年来我国数控机床一直处于持续地以年均增长超过30%的速度快速发展，据初步统计2004年数控机床的产量约50000台，同比年增长35.8%，数控机床的消费量超过70000台，同比年约增长32%。数控机床需求的旺盛也促进了2004年内新建的三资和民营机床厂以及数控机床品种的明显增加。
但是，进口的数控机床数量也在逐年同步增加，而且进口数控机床金额的增长趋势更快。2004年数控机床的进口数量同比年增长近30%，而进口金额的增长近50%，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例已不足30%，降至近几年的最低。之所以出现这一现象，其主要原因在于国内市场急需的技术含量和附加值高的数控机床，绝大多数须依赖进口。
本文将从振兴我国数控机床市场占有率的角度着重剖析数控机床及由其组成的制造系统（生产线）的技术现况及发展趋势，并初步探讨使其能适应变批量，多品种、高质量、低成本以及具有快速响应的柔性和符合环保的未来生产模式的解决方案。
适应现代制造业的数控加工装备的特徵和需求
如上所述，机床制造业在近年取得数控机床快速增长业绩下也面临着新的机遇与挑战。因此，对制造业发展动向的分析将有助于推进数控机床技术实现跨越式发展的目标。
1998年美国为振兴其制造业制订了“集成制造技术计划及其路线图计划（IMTI及IMTR）”，提出了包括信息、制造和产品创新三个方面的六项策略。即：
信息系统高度集成化
企业管理系统的集成化；
技术、制造与管理系统无缝联接，即插即用。
制造系统敏捷化
柔性化、可重构与分布式生产；
智能化的工艺与装备。
产品设计的创新与优化
设计与制造全面集成与优化；
基于科学（知识）的制造。
从我国制造业的基础和发展进程来讲，还不能与美国一样立刻进入全面集成和完全的数字化制造阶段，尚需较多地关注一些基础制造装备及其相关技术的研究，提高其融合信息化和数字化制造与管理的能力，为适应未来制造的需要建立基础。
当前宜加强研究和发展下列数控机床及其组成的成套制造系统：
—适用于汽车、摩托车和工程机械等关键零件加工的高效精密加工中心和车削中心；
—适用于航空、航天和高速车厢框架以及大型模具的高速大型专门化数控机床；
—适用于发电、船舶、冶金和军工等重型机械加工所需的大型和重型数控复合加工机床；
—适用于军工、航空航天和微电子等精密镜面零件的数控超精密加工机床；
—机床主轴、导轨等高精度偶件的数控专用加工母机。
数控机床技术发展趋势
从表1列出的各个时期的机床技术与制造技术，可以看到机械加工装备对促进制造技术发展的紧密关系和重要支撑作用。
表1 机械加工装备和制造技术的进展特征
数控技术的总的发展趋势是：高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化，并注重工艺适用性和经济性。具体可归纳为下列八个方面：
持续地提高经济加工精度
从1950年至2000年的50年内加工精度提升100倍左右，即加工精度平均每8年提高1倍，当前的普通精度加工已达上世纪50年代的精密加工水平。
以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度为例对比国内外的水平，国内大致为0.008~0.010mm，而国际先进水平为0.002~0.003mm，按上述统计规律分析差距约为15年左右。
推进全面高速化实现高效制造
在刀具材料和结构发展的支持下，切削速度不断地提高，实际生产中车、铣45号钢由1950年的80~100m/min，至2000年普遍达500~600m/min，50年内切削速度提高了5倍。高速化加工另一个特点是大多从单一的高速切削发展至全面高速化，不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。
复合加工机床促进新一代高效机床的形成
复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点，可以分为如下两类：
—工艺复合型：为跨加工类别的复合机床，包括不同加工方法和工艺的复合，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床、冲压与激光切割复合、金属烧结与镜面切削复合等。
—工序复合型：应用刀具（铣头）自动交换装置、主轴立卧转换头、双摆铣头、多主轴头和多回转刀架等配置增加工件在一次安装下的加工工序数，如多面多轴联动加工的复合机床和主副双主轴车削中心等。
复合数控机床具有良好的工艺适用性，避免了在制品的储存和传输等环节，有力地支援了准时制造（JIT），因此对它的研发已被给予了极大的关注。
工艺适用性的专门化数控机床正不断涌现
通过对机床布局和结构的创新，使对不同类型的零件加工具有最佳的适用，避免一方面出现不能发挥最佳性能，另一方面又存在功能冗馀的现象。
要解决品种多样化与经济性的矛盾，这就要对机床的模块化设计提出了更高的要求，近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究以及对可重构机床（Reconfigurable Machine Tools，简称RMT）技术的探索，反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。
智能化和集成化成为数字化制造的重要支撑技术
信息技术的发展及其与传统机床的相融合，使机床朝着数字化、集成化和智能化的方向发展。数字化制造装备、数字化生产线、数字化工厂的应用空间将越来越大；而采用智能技术来实现多信息融合下的重构优化的智能决策、过程适应控制、误差补偿智能控制、复杂曲面加工运动轨迹优化控制、故障自诊断和智能维护以及信息集成等功能，将大大提升成形和加工精度、提高制造效率。
发展适应敏捷制造和网络化分布式的制造系统
回顾近10年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：
—增强制造系统的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速响应能力；
—发展兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于重构的新型制造系统以适应不确定性的市场环境。
这类新型制造系统称为快速重组制造系统（RRMS）或可重构制造系统（RMS）。其原理为通过对制造系统中的设备配置的调整或更换设备上的功能模块来迅速构成适应新产品生产的制造系统。这就要求设备和系统不仅软件具有开放性，而且硬件也要有开放性成为功能可重构的机床，即如前面提到的可重构机床（RMT）。
向大型化和微小化两极发展
能源装备的大型化及航空航天事业等的发展，需要重型立式卧式加工中心和铣车中心。
微米纳米技术是21世纪的战略高技术，正在形成一个产业。需发展能适应微小型尺寸结构和微纳米加工精度的新型制造工艺和装备。
配套装置和功能部件的品种质量日臻完善
不仅数控系统（含数控装置和伺服驱动装置）有专业化生产厂，举凡关键的通用性功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、直线滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些着名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。
完善的高集成度的专用电路系统的研发，仍是数控系统可靠性继续增长和结构小型化的一项重要措施。
我国数控机床现况与对策
从上世纪80年代起，我国机床制造业的发展虽有起伏，但对数控技术和数控机床一直给予较大的关注。经过“九五”国家科技攻关与“863”数控产业化项目，形成了数控车床和加工中心（包括数控铣床）的产业化生产基地，所生产的普及型数控机床的功能、性能和可靠性方面已具有较强的市场竞争力。但在中、高档数控机床方面，与国外一些先进产品和技术发展趋势对比，仍存在较大差距，大部分处于技术跟踪阶段。表2以40号刀柄的中型加工中心为例，列出国内外先进产品主要技术指标，由此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明显差距。
表2 中型加工中心主要技术指标对比
基于这一现实，为了加速振兴我国的机床制造业，当前宜加强如下六方面的研究和发展工作。
以高速化为先导，提高数控机床的综合性能
数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的一个重要措施。
分析中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，可以得出，作为表徵其切削运动高速化的主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地以每10年增长1倍的比率上升，而表徵压缩机床辅助时间的快移速度（指以滚珠丝杠和旋转伺服电机驱动）和自动换刀/工作台转位速度，基本上以每12~15年翻一番的速度增长，1993年后逐步推广应用的直线电动机直接驱动的新技术，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了1倍。
高速化的发展宜注意下列两方面的问题：
—从先进适用出发确定高速范围：
由于受刀具等因素的制约，不宜片面地追求过高的速度，目前生产中除铝合金和模具型面铣加工应用20000r/min以上的主轴转速外，对于钢铁件和钛合金铣削通常选用的主轴最高转速为10000~15000r/min，并要求有较大的主轴扭矩（≥200Nm）；快移速度对中型加工中心和数控铣床大多为40~80m/min，对大型机床则为24~50m/min。
—高速化要与机床的结构和控制性能相匹配：
因为主轴转速和进给速度的提高会引起一些负面影响，使机床结构和测量系统的热变形和位置控制的跟踪误差随之增大。为此，应用信息技术发展诸如热误差补偿、进给速度前瞻控制、位置环前馈控制和加减速平稳控制以及抑制颤振的多点自动跟踪滤波器等一系列先进控制技术，使在高速控制条件下仍能保证加工精度不断改善，才能不致事倍功半。除了上述提及的热误差和控制精度，还要注意改善机床结构的静动态刚度、动平衡和刀具的性能等。
推进µm工程，研制高效精密数控机床
目前国内生产的数控机床尚缺少高效、高可靠性且加工精度达微米级的产品，图1示出了汽车零件加工需求与国产加工中心、CNC铣床、车削中心和CNC车床等满足度现状（图中A、B、C区）的比较。
图1 国产数控机床（图中A、B、C）与汽车制造业对数控制造装备在效率和精度方面需求
（图中两红线间区域）的差距比较
为此，需研发一些能兼顾高效化和高精化的数控制造装备以适应汽车制造业加工关键零件的需求，它们的性能用图4中D区域来表示。由于这些数控制造装备的加工精度主要在微米级(µm)范围内，因此可称为“µm级制造装备及技术研究”，简称“µm工程”(Micro Precision Machine Tool Engineering)。
发展复合加工数控机床、缩短制造过程链
加快复合数控机床的发展步伐，提高工序的集中度，使加工过程链集约化，可以提高多品种单件和中小批量加工的工效，也有利于加工精度的稳定性。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间占零件整个生产周期的40%~60%，即使在信息管理良好的情况下，仍将占20%左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。
为了避免复合机床因功能的扩展而过多地引起结构的复杂化和成本的增加，需探求：
—通过创新技术扩大功能部件的适用面来简化结构。例如车铣中心把铣头与车削回转刀盘合成一体，倒置式车床把运动的主轴箱兼作上下料机械手等。
—发展模块化和可重构化的复合机床。可以方便地针对一些零件族组的工艺和工序特点，组成有针对性的专门化的高效复合数控机床。
高效柔性化的新一代制造系统
目前常用的FMS/FML一方面其制造装备的功能储备通常较多，另一方面，当所加工的产品由于市场需求的变化要作较大的调整时，往往既费时又耗费资金。为此，在国际上于1995年开始研究的在可重构制造(Reconfigurable Manufacturing)技术支持下，构建具有适应大批量高效柔性化生产的快速重组制造系统(RRMS)是一个值得注意的发展动向。其核心为制造系统能物理组态，即根据加工物件的变化方便地进行布局和设备配置的调整，发展了能对多变的市场需求作出合理的配置规划和易于调整的布局方式、适应重构的控制软件、开放式控制系统和规范化接口以及能快速提升系统重组后制造质量的诊断系统等技术，使其兼具专用生产线的高效性能和适用的柔性以取得更佳的经济性，国内已在生产中取得了初步成功的应用。
发展网络化制造单元，推进企业制造能力的高效柔性化
在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临着一个以提升竞争能力为目标的构建全企业数字化的时代。作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统，也将积极地向数字化制造迈进，成为一个信息集成和快速实施的制造单元。
当前，国内外一些机床和数控系统制造企业在从分布式网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，强化其自治管理能力，能与企业ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成，进而通过与客户关系管理（CRM）和供应链管理（SCM）的联系作出智能决策，实施并行工程、视觉化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。
开展可靠性设计，加强全面质量管理，保证数控机床的可靠性增长
数控机床多发的故障率一直是影响我国数控机床品质的一个重要问题。尤其是用于批量生产的自动生产线上，对数控机床的可靠性更为重视，通常用平均无故障工作时间（以MTBF表示）的长短来衡量它的可靠性。例如日本远州株式会社2002年提出为汽车行业提供的加工中心要力求其MTBF≥5000h，这样可保证在生产线上的数控机床只需每年作例行检修，而不致因出现故障而引起停产。与国内加工中心先进水平的MTBF≥600h相比有大幅度的提高。
精心设计、严格制造和明确的可靠性目标以及通过维修分析故障模式和找出薄弱环节是推进数控技术的重要措施。例如我国机床行业经5年的努力已使加工中心和数控车床的MTBF增长了50%。
因此，为了保证数控机床有高的可靠性，设计时不仅要考虑其功能和力学特性，还要进行可靠性设计，根据可靠性要求合理分配各组成件的可靠性指标，在配套件采购和制造过程中重视质量要求，加强全面质量管理以求可靠性的不断增长。
结束语
第一，适应数字化制造的发展，作为主要制造装备的数控机床和系统，需具有3F.3I和3S的特性，即：
3F：柔性化(Flexibility)、联盟化(Federalization)、新颖化(Fashion)；
3I：集成化(Integration)、信息化(Information)、智能化(Intelligence)；
3S：系统化(System)、软件化(Software)、个性化(Speciality)。
第二，数控机床及其制造系统的三个重要发展方向：
以全面高速化为先导，推进µ级工程，发展高性能和高可靠性功能部件提高数控机床综合性能；
发展复合功能数控机床、缩短过程链，适应单件、中小批生产的高效柔性制造；
研究基于生产线布局和制造装备可重构的快速制造系统是大批量生产的最佳方案。
第三，数控机床的加工精度根据市场的需求进行持续提升，要注意精度与高效、高速及经济性的协调发展。超精密微细加工呈现出应用领域扩大趋势。
最后，基于明确的可靠性目标，采取精心的简约结构设计、重视选购高品质配套件、严格控制制造质量，发展人机友好操作界面以及加强维护和注重维修故障分析，将有利于数控机床可靠性的增长。 (end)
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| 文章内容仅供参考
(投稿)
(4/26/2005) |
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