數控機床的現狀與發展

進入21世紀,我國機床制造業既面臨著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,也遭遇到加入WTO后激烈的市場競爭的壓力。從技術層面上來講,加速推進數控技術將是解決機床制造業持續發展的一個關鍵。

   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，它的發展一直備受人們關注。數控機床以其卓越的柔性自動化的性能、優異而穩定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它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一項核心技術。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。

1．現代數控機床的兩個基本評定指標

   成本、質量、生產率和產量、交貨期是衡量企業生產能力和市場競爭能力的4個要素，采用傳統的非數控生產方式只有達到一定閾值的大批量的規模生產才能取得上述4個方面的統一。但在當前激烈的市場競爭環境下，以生產為中心，企業為主導的賣方市場已轉向以市場需求為中心、用戶為主導的買方市場，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裝備及制造系統是實現在快速多變的市場環境中對用戶驅動的市場需求作出靈活、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的需求發生變化時，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市場競爭的另一個主要目標。

   因而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。

   高效柔性化和高精化分別反映了制造業在競爭激烈的市場環境下的兩個最主要的要求，即產品生產變換的靈捷性和產品質量的持續提高。

（1）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的制造裝備及制造系統需兼具下列特性：①高度的靈活性和多品種生產的快速適應性。②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）。

（2）高精化   產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，數控機床的高精化是市場需求和技術發展的必然結果。

   分析汽車的某些關鍵件的精度需求，如發動機的缸體、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有明顯的提高。

2.我國數控機床現況

   從上世紀80年代起，機床制造業的發展雖有起伏，但對數控技術和數控機床一直給予較大的關注。經過“九五”數控車床和加工中心（包括數控銑床）的產業化生產基地的形成，所生產的中檔普及型數控機床的功能、性能和可靠性方面已具有較強的市場競爭力。但在中、高檔數控機床方面，與國外一些先進產品相比，仍存在較大差距，這是由于歐美日等先進工業國家于80年代先后完成了數控機床產業進程，其中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發展，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等。相比之下，我國大部分數近代機床產品在技術處于跟蹤階段。表3 以40號刀柄的中型加工中心為例，列出國內外先進產品主要技術指標，由此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明顯差距。

發展復合加工數控機床、縮短制造過程鏈

   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的工藝方法上發揮了重要的作用。但對于這較復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工效。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，可以分為如下兩類：

（1）跨加工類別的工藝復合數控加工機床   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。（2）多面多軸聯動加工的工序復合數控機床。

6．高效柔性化的新一代制造系統

   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，在大批量生產條件下，往往僅能應用其中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濟之舉。另一方面，當加工的產品由于市場需求的變化要作較大的調整時，往往既費時又耗費資金。為此，美國Y.Koren教授于1995年提出了發展可重構制造系統(RMS)的構想。我國從1997年起在國家自然科學基金和“十五”863計劃資助下，對可重構制造技術以及構建快速重組制造系統（RRMS）的理論與方法進行研究，其核心為制造系統能物理組態，即根據加工對象的變化方便地進行調整。為了能在制造系統的設計與規劃、集成與整合以及運動與決策等3方面實現組態，需要解決圖5所示外圈的6個關鍵技術，使其兼具專用生產線的高效性能和適用的柔性所取得的經濟性。為此發展了能對多變的市場需求作出合理的配置規劃和易于調整的布局方式、適應重構的控制軟件、開放式控制系統和規范化接口以及能快速提升系統重組后制造質量的診斷系統等技術，并取得了初步成功的應用。

7.發展網絡化制造單元，推進企業制造能力的高效柔性化

   在信息化技術蓬勃發展的推動下，制造業正面臨著一個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，它將成為一個信息集成和快速實施的制造單元，其主要特征可歸結為3F、3I和3S，即：3F（柔性化、聯盟化和新穎化）、3I（集成化、信息化和智能化）、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在從分布式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，實現高效柔性生產。

8.開展可靠性設計，加強全面質量管理，保證數控機床的可靠性增長

   數控機床多發的故障率一直是影響我國數控機床品質的一個重要問題。尤其是用于批量生產的自動生產線上，對數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年提出為汽車行業提供的加工中心其MTBF35000h，這樣可保證在生產線上的數控機床只需每年作例行檢修，而不致因出現故障而引起停產。相比國內加工中心先進水平的MTBF3600h有大幅度的提高。

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

   因此，為了保證數控機床有高的可靠性，設計時不僅要考慮其功能和力學特性，還要進行可靠性設計，根據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量要求，加強全面質量管理以求可靠性的不斷增長。

   精心設計、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節是推進數控技術的重要措施。例如我國機床行業經5年的努力已使加工中心和數控車床的MTBF增長了50%；又有如日本FANUC公司的數控系統在1985年時無鼓掌時間僅為8.7個月，公司領導提出了增長至50個月的目標，至1991年基本實現，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品質量之間的互動關系。