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、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。

　　進(jìn)入21世紀(jì)，中國(guó)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)，也遭遇加入WTO后激烈的巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面來(lái)講，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。

　　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，它的發(fā)展一直備受關(guān)注。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、靈捷而多樣化的功能引人矚目，開(kāi)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。另一方面，通過(guò)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。 因此，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(duì)促進(jìn)機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的作用。

　　數(shù)控機(jī)床基本評(píng)定指標(biāo)

　　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)能力和巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的4個(gè)要素，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。但在當(dāng)前激烈的巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心、企業(yè)為主導(dǎo)的賣(mài)方巿場(chǎng)，已轉(zhuǎn)向以巿場(chǎng)需求為中心、用戶(hù)為主導(dǎo)的買(mǎi)方巿場(chǎng)，產(chǎn)品需求呈現(xiàn)多樣化和個(gè)性化，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；其次，衡量企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)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)控制造技術(shù)裝備及制造系統(tǒng)，是實(shí)現(xiàn)在快速多變的巿場(chǎng)環(huán)境中對(duì)用戶(hù)驅(qū)動(dòng)的巿場(chǎng)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(dāng)產(chǎn)品的品種需求發(fā)生變化時(shí)，它們?nèi)阅茉跐M(mǎn)足經(jīng)濟(jì)性的前提下，實(shí)現(xiàn)及時(shí)轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。同時(shí)，持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度也是適應(yīng)巿場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的另一個(gè)主要目標(biāo)。 作為評(píng)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(lái)衡量。

　　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，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，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(duì)于光機(jī)電集成的數(shù)控機(jī)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(kāi)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(jìng)爭(zhēng)激烈的巿場(chǎng)環(huán)境下兩個(gè)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。

　　高精化

　　產(chǎn)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(shù)控機(jī)床的高精化是巿場(chǎng)需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

　　分析汽車(chē)某些關(guān)鍵件的精度要求，如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋、曲軸、凸輪軸、連桿、化油器、制動(dòng)器、減振器的閥體、泵體、盤(pán)類(lèi)以及模具等，在近十幾年內(nèi)有明顯的提高。

　　統(tǒng)計(jì)自上世紀(jì)80年代至2002年國(guó)內(nèi)外先進(jìn)水平數(shù)控機(jī)床的工作精度提高的過(guò)程，平均每年提升10%，即每隔8年誤差約減少一半。對(duì)此，歐美日等國(guó)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)，引導(dǎo)著數(shù)控機(jī)床技術(shù)的發(fā)展，如美國(guó)的英格索爾公司和德國(guó)惠勒喜樂(lè)公司對(duì)于汽車(chē)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(duì)高效精密加工中心所作的貢獻(xiàn)，德國(guó)瓦德里希公司在重型龍門(mén)五面加工銑床方面的開(kāi)發(fā)，以及日本馬扎克公司研發(fā)的車(chē)銑中心對(duì)高效復(fù)合加工的推進(jìn)等。表3以40號(hào)刀柄的中型加工中心為例，列出國(guó)內(nèi)外先進(jìn)產(chǎn)品近年來(lái)在效率、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)，為了加速振興中國(guó)的機(jī)床制造業(yè)，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；

　　* 加快數(shù)控機(jī)床向高效柔性化和高精化發(fā)展的步伐，推進(jìn)痠級(jí)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(lái)提高單件和中小批量的加工精度和高效柔性化；

　　* 對(duì)于中大批量生產(chǎn)，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。

　　以下各節(jié)將對(duì)上述五個(gè)發(fā)展方向作扼要的敘述。

　　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。它既可以提高機(jī)床的切削能力和縮短輔助時(shí)間，又能改善切屑成形過(guò)程，減少刀齒每轉(zhuǎn)進(jìn)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(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，大致持續(xù)地以每10年增長(zhǎng)一倍的比率上升，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(tái)轉(zhuǎn)位速度，基本上以每12~15年翻一番的速度增長(zhǎng)，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)，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(huì)引起一些負(fù)面影響，使機(jī)床結(jié)構(gòu)和測(cè)量系統(tǒng)的熱變形和位置控制的跟蹤誤差隨之增大。為此，應(yīng)用信息技術(shù)發(fā)展諸如熱誤差補(bǔ)償、自動(dòng)跟蹤濾波和抑制驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)共振、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)，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(fā)展不能單純地追求轉(zhuǎn)速的提高，必須考慮改善各項(xiàng)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(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。

　　研制高效精密數(shù)控機(jī)床

　　目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床尚缺少高效微米精度級(jí)的產(chǎn)品，示出了汽車(chē)零件加工需求與國(guó)產(chǎn)加工中心、CNC銑床、車(chē)削中心和CNC車(chē)床等滿(mǎn)足度現(xiàn)狀的比較。

　　現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床產(chǎn)大多不能同時(shí)滿(mǎn)足作為典型支柱產(chǎn)業(yè)的汽車(chē)制造業(yè)對(duì)數(shù)控制造裝備的高效和高精的綜合要求。

　　為此，需研發(fā)一些能兼顧高效化和高精化的數(shù)控制造裝備，以適應(yīng)汽車(chē)、航空、模具和軍工等制造業(yè)加工關(guān)鍵零件的需求，它們的性能用圖1中的D區(qū)域來(lái)表示。由于這些數(shù)控制造裝備的加工精度主要在微米級(jí)範(fàn)圍內(nèi)，因此可稱(chēng)為級(jí)制造裝備及技術(shù)研究"，又稱(chēng)Micro Precision Machine Tool Engineering。

　　在這方面的代表產(chǎn)品有德國(guó)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(guó)北京機(jī)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(biāo)準(zhǔn))達(dá)4-6um，機(jī)床的綜合剛度和金屬切除能力均比同類(lèi)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(duì)長(zhǎng)行程X軸用直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)，有良好的性?xún)r(jià)比，標(biāo)志可靠性的MTBF達(dá)5000h。都兼具高效和高精的特征。

　　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(jiǎn)稱(chēng)復(fù)合機(jī)床，或稱(chēng)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(tái)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。從20世紀(jì)70年代以來(lái)，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，和以工件旋轉(zhuǎn)作主運(yùn)動(dòng)的、主要用于車(chē)銑加工的車(chē)削中心，這兩類(lèi)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。但對(duì)于較復(fù)雜的零件，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，且由于工件在多臺(tái)機(jī)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(jī)床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度，使加工過(guò)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(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%，即使在信息管理較良好的情況下，仍將占20%左右。因此，復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有明顯的技術(shù)效果。

　　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(lèi)：

　　* 跨加工類(lèi)別的復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床：該類(lèi)機(jī)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(lèi)功能的復(fù)合，因而在機(jī)床結(jié)構(gòu)上要體現(xiàn)對(duì)不同加工方式的需求。目前常見(jiàn)的有車(chē)銑中心、銑車(chē)中心和銑削-激光加工機(jī)床等；

　　* 多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合數(shù)控機(jī)床。 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。

　　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(jìng)爭(zhēng)能力為目標(biāo)的構(gòu)建全企業(yè)數(shù)字化時(shí)代。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)，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，其主要特征可歸結(jié)為3F(柔性化、聯(lián)盟化和新穎化)、3I(集成化、信息化和智能化)和3S(系統(tǒng)化、軟件化和個(gè)性化)。

　　當(dāng)前，國(guó)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，它將能與企業(yè)ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成，進(jìn)而通過(guò)與客戶(hù)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(shí)施并行工程、可視化監(jiān)控等以提高機(jī)床利用率，實(shí)現(xiàn)高效的柔性生產(chǎn)。