高效柔性制造技术的现状及发展 北京机床研究所盛伯浩唐华 本文分析了以数控机床为核心的制造技术向高效化、柔性化和高精化的发展概况,并研究其在高速化、 高效高精化、复合化、可重构化和网络化等五个主要方向的新进展 进入21世纪,中国机床制造业既面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机,也遭遇加 入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面来讲,加速推进以数控技术为核心的高效柔性制造技术将 是解决机床制造业持续发展的关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备,它的发展 直备受关注。数控机床以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人瞩目, 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核心技术之一。另一方面 通过持续的研究,信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。因此,本文将着重于剖析数控技术 的现况及动向,从中探讨高效柔性制造技术对促进机床制造业发展的作用 数控机床基本评定指标 成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的4个要素,采用传统的非 数控生产方式只有达到一定阀值的大批量规模生产才能取得上述4个方面的统一。但在当前激烈的市场竞 争环境下,以生产为中心、企业为主导的卖方市场,已转向以市场需求为中心、用户为主导的买方市场, 产品需求呈现多样化和个性化,且产品经济寿命大大缩短,这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主 流的生产环境:其次,衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期 为此,发展柔性结构体系的数控制造技术装备及制造系统,是实现在快速多变的市场环境中对用户驱 动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化,是指当产品的品种需求发 生变化时,它们仍能在满足经济性的前提下,实现及时转换生产的适应能力。同时,持续地提高经济加工 精度也是适应市场竞争的另一个主要目标。作为评定数控机床及系统效能的基本指标,也将由传统的工作 精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量 高效柔性化 虽然传统的非数控机床也具有一定的柔性,但它不能获得高的效能和稳定的精度,更不适应复杂型面 的加工。因此,基于数控技术的高效柔性化制造装备及其制造系统需兼具下列特征: *高度的灵活性和多品种生产的快速适应性: *高效的生产能力,包括:高生产率一借助于高速化和提高金属切除率等途径:高稳定性一对于光机 电集成的数控机床,着重要求其降低故障率,提高可靠性,以提高制造装备及系统的开动率(利用率)。 高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的市场环境下两个最主要的要求,即产品生产变换的灵 捷性和产品质量的持续提高 高精化
高效柔性制造技术的现状及发展 北京机床研究所 盛伯浩 唐华 本文分析了以数控机床为核心的制造技术向高效化、柔性化和高精化的发展概况，并研究其在高速化、 高效高精化、复合化、可重构化和网络化等五个主要方向的新进展。 进入 21 世纪，中国机床制造业既面临提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭遇加 入 WTO 后激烈的巿场竞争的压力。从技术层面来讲，加速推进以数控技术为核心的高效柔性制造技术将 是解决机床制造业持续发展的关键。 数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展 一直备受关注。数控机床以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人瞩目， 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核心技术之一。另一方面， 通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提升。 因此，本文将着重于剖析数控技术 的现况及动向，从中探讨高效柔性制造技术对促进机床制造业发展的作用。 数控机床基本评定指标 成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和巿场竞争能力的 4 个要素，釆用传统的非 数控生产方式只有达到一定阀值的大批量规模生产才能取得上述 4 个方面的统一。但在当前激烈的巿场竞 争环境下，以生产为中心、企业为主导的卖方巿场，已转向以巿场需求为中心、用户为主导的买方巿场， 产品需求呈现多样化和个性化，且产品经济寿命大大缩短，这首先将形成以多品种变批量的生产方式为主 流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。 为此，发展柔性结构体系的数控制造技术装备及制造系统，是实现在快速多变的巿场环境中对用户驱 动的巿场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化，是指当产品的品种需求发 生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。同时，持续地提高经济加工 精度也是适应巿场竞争的另一个主要目标。 作为评定数控机床及系统效能的基本指标，也将由传统的工作 精度和切削能力改为用高效柔性和高精化的程度来衡量。 高效柔性化 虽然传统的非数控机床也具有一定的柔性，但它不能获得高的效能和稳定的精度，更不适应复杂型面 的加工。因此，基于数控技术的高效柔性化制造装备及其制造系统需兼具下列特征： * 高度的灵活性和多品种生产的快速适应性； * 高效的生产能力，包括：高生产率－借助于高速化和提高金属切除率等途径；高稳定性－对于光机 电集成的数控机床，着重要求其降低故障率，提高可靠性，以提高制造装备及系统的开动率(利用率)。 高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争激烈的巿场环境下两个最主要的要求，即产品生产变换的灵 捷性和产品质量的持续提高。 高精化
产品零件的精度直接影响到其工作性能、寿命、能耗和噪声等,因此数控机床的高精化是市场需求和 技术发展的必然结果 分析汽车某些关键件的精度要求,如发动机的缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆、化油器、制动器 减振器的阀体、泵体、盘类以及模具等,在近十几年内有明显的提高。 统计自上世纪80年代至2002年国内外先进水平数控机床的工作精度提高的过程,平均每年提升10%, 即每隔8年误差约减少一半。对此,欧美日等国的一些着名机床公司致力于科技创新和新产品的研发,引 导着数控机床技术的发展,如美国的英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对于汽车工业和航空工业高速数控 铣床的发展,日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献,德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床 方面的开发,以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等。表3以40号刀柄的中型加 中心为例,列出国内外先进产品近年来在效率、精度和可靠性等方面均有明显的进展。 基于这一现实,为了加速振兴中国的机床制造业,当前宜加强五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 *加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐,推进痠级精度机床工程的规划和实施: *加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量的加工精度和高效柔性化: *对于中大批量生产,发展快速重组制造系统(RRMS)和可重构机床(RMT将是一个合理的解决方案 *发展网络制造单元以适应数字化企业的构建。 以下各节将对上述五个发展方向作扼要的叙述 以高速化为先导 数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的重要措施。它既可以提高机床的切削能力和缩短辅助 时间,又能改善切屑成形过程,减少刀齿每转进给量和降低切削力,有助提高加工精度。分析中型加工中 心的高速化与高精化的发展历程,可以得出作为表征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年增长一倍的比率上升,而表征压缩机床辅助时间的快移速度(指以滚珠丝槓和旋转伺 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年后逐步推广用 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槓副驱动时又提高了一倍。但主轴转速 和进给速度的提高也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、自动跟踪滤波和抑制驱动系统共振、进给速度前瞻控制 位置环前餽控制和加速平稳控制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 因此,高速化的发展不能单纯地追求转速的提高,必须考虑改善各项制约因素,才不致事倍功半。除 了上述提及的热误差和控制精度,还要注意机床结构的静动态刚度、动平衡和刀具的性能等。 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微米精度级的产品,示出了汽车零件加工需求与国产加工中心、C NC铣床、车削中心和CNC车床等满足度现状的比较
产品零件的精度直接影响到其工作性能、寿命、能耗和噪声等，因此数控机床的高精化是巿场需求和 技术发展的必然结果。 分析汽车某些关键件的精度要求，如发动机的缸体、缸盖、曲轴、凸轮轴、连杆、化油器、制动器、 减振器的阀体、泵体、盘类以及模具等，在近十几年内有明显的提高。 统计自上世纪 80 年代至2002 年国内外先进水平数控机床的工作精度提高的过程，平均每年提升 10%， 即每隔 8 年误差约减少一半。对此，欧美日等国的一些着名机床公司致力于科技创新和新产品的研发，引 导着数控机床技术的发展，如美国的英格索尔公司和德国惠勒喜乐公司对于汽车工业和航空工业高速数控 铣床的发展，日本牧野公司对高效精密加工中心所作的贡献，德国瓦德里希公司在重型龙门五面加工铣床 方面的开发，以及日本马扎克公司研发的车铣中心对高效复合加工的推进等。表 3 以 40 号刀柄的中型加工 中心为例，列出国内外先进产品近年来在效率、精度和可靠性等方面均有明显的进展。 基于这一现实，为了加速振兴中国的机床制造业，当前宜加强五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； * 加快数控机床向高效柔性化和高精化发展的步伐，推进痠级精度机床工程的规划和实施； * 加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量的加工精度和高效柔性化； * 对于中大批量生产，发展快速重组制造系统(RRMS)和可重构机床(RMT)将是一个合理的解决方案； * 发展网络制造单元以适应数字化企业的构建。 以下各节将对上述五个发展方向作扼要的叙述。 以高速化为先导 数控机床的高速化是提高其高效柔性和高精化的重要措施。它既可以提高机床的切削能力和缩短辅助 时间，又能改善切屑成形过程，减少刀齿每转进给量和降低切削力，有助提高加工精度。 分析中型加工中 心的高速化与高精化的发展历程，可以得出作为表征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 年增长一倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度(指以滚珠丝槓和旋转伺 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 年后逐步推广用 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槓副驱动时又提高了一倍。 但主轴转速 和进给速度的提高也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、自动跟踪滤波和抑制驱动系统共振、进给速度前瞻控制、 位置环前餽控制和加速平稳控制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。 因此，高速化的发展不能单纯地追求转速的提高，必须考虑改善各项制约因素，才不致事倍功半。除 了上述提及的热误差和控制精度，还要注意机床结构的静动态刚度、动平衡和刀具的性能等。 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微米精度级的产品，示出了汽车零件加工需求与国产加工中心、C NC 铣床、车削中心和 CNC 车床等满足度现状的比较
现有的数控机床产大多不能同时满足作为典型支柱产业的汽车制造业对数控制造装备的高效和高精的 综合要求 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、航空、模具和军工等制造业 加工关键零件的需求,它们的性能用图1中的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 米级範围内,因此可称为级制造装备及技术研究",又称 Micro Precision Machine Tool Engineering 在这方面的代表产品有德国瓦德里希济根公司的牌M-1250卧式高精度加工中心、日本牧野公司的V 56立式加工中心和中国北京机床研究所的1000三轴/五轴立式加工中心。它们的定位精度(SO标准)达4 6um,机床的综合刚度和金属切除能力均比同类型传统机床高出一倍。日本远州公司的X107混合驱动式 卧式加工中心仅对长行程X轴用直线电机驱动,有良好的性价比,标志可靠性的MTBF达5000h。都兼具 高效和高精的特征 发展复合加工数控机床 多功能复合加工数控机床简称复合机床,或称为多功能加工或完全加工机床。 复合机床的含义是在1台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。从20世纪70年代以来, 出现了以旋转刀具作主切削运动的、主要用于镗铣加工的加工中心,和以工件旋转作主运动的、主要用于 车铣加工的车削中心,这两类多功能的数控机床在推进数控机床的工序集中工艺方法上发挥了重要的作用 但对于较复杂的零件,它们的功能範围尚不足以完成从毛坯至成品的全部工序加工,因而还不能充分提高 在单件和中小批量生产条件下的生产效率,且由于工件在多台机床间的转移增加了安装误差,也不利于加 工精度的稳定性 为此,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功效。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%,即使在信息管理较良好的情况下,仍 将占20%左右。因此,复合数控机床具有明显的技术效果。 复合数控机床根据其结构特点,可分为如下两类 *跨加工类别的复合数控加工机床:该类机床主要体现为刀具回转加工、工件回转加工或特种加工等 多类功能的复合,因而在机床结构上要体现对不同加工方式的需求。目前常见的有车铣中心、铣车中心和 铣削-激光加工机床等 *多面多轴联动加工的复合数控机床。发展快速重组制造系统 在可重构制造( Reconfigurable Manufacturing)技术支持下,构建具有适应大批量高效生产的柔性化 制造系统是一个值得注意的发展方向 有关详情请参见本栏的另一篇文章"快速重组制造系统原理及应用技术"。 发展网络化制造单元 在信息化技术蓬勃发展的推动下,制造业正面临以提升竞争能力为目标的构建全企业数字化时代。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,将成为信息集成和快速
现有的数控机床产大多不能同时满足作为典型支柱产业的汽车制造业对数控制造装备的高效和高精的 综合要求。 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、航空、模具和军工等制造业 加工关键零件的需求，它们的性能用图 1 中的 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 米级範围内，因此可称为级制造装备及技术研究"，又称 Micro Precision Machine Tool Engineering。 在这方面的代表产品有德国瓦德里希.济根公司的牌 M-1250 卧式高精度加工中心、日本牧野公司的 V 56 立式加工中心和中国北京机床研究所的 1000 三轴/五轴立式加工中心。它们的定位精度(ISO 标准)达 4- 6um，机床的综合刚度和金属切除能力均比同类型传统机床高出一倍。日本远州公司的 X107 混合驱动式 卧式加工中心仅对长行程 X 轴用直线电机驱动，有良好的性价比，标志可靠性的 MTBF 达 5000h。都兼具 高效和高精的特征。 发展复合加工数控机床 多功能复合加工数控机床简称复合机床，或称为多功能加工或完全加工机床。 复合机床的含义是在 1 台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。从 20 世纪 70 年代以来， 出现了以旋转刀具作主切削运动的、主要用于镗铣加工的加工中心，和以工件旋转作主运动的、主要用于 车铣加工的车削中心，这两类多功能的数控机床在推进数控机床的工序集中工艺方法上发挥了重要的作用。 但对于较复杂的零件，它们的功能範围尚不足以完成从毛坯至成品的全部工序加工，因而还不能充分提高 在单件和中小批量生产条件下的生产效率，且由于工件在多台机床间的转移增加了安装误差，也不利于加 工精度的稳定性。 为此，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功效。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%，即使在信息管理较良好的情况下，仍 将占 20%左右。因此，复合数控机床具有明显的技术效果。 复合数控机床根据其结构特点，可分为如下两类： * 跨加工类别的复合数控加工机床：该类机床主要体现为刀具回转加工、工件回转加工或特种加工等 多类功能的复合，因而在机床结构上要体现对不同加工方式的需求。目前常见的有车铣中心、铣车中心和 铣削-激光加工机床等； * 多面多轴联动加工的复合数控机床。 发展快速重组制造系统 在可重构制造(Reconfigurable Manufacturing）技术支持下，构建具有适应大批量高效生产的柔性化 制造系统是一个值得注意的发展方向。 有关详情请参见本栏的另一篇文章"快速重组制造系统原理及应用技术"。 发展网络化制造单元 在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临以提升竞争能力为目标的构建全企业数字化时代。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，将成为信息集成和快速
实施的制造单元,其主要特征可归结为3F(柔性化、联盟化和新颖化)、3I(集成化、信息化和智能化)和3s (系统化、软件化和个性化)。 当前,国内外一些机床和数控系统制造企业正在从网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元 它将能与企业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、可视化监控等以提高机床利用率,实现高效的柔性生产
实施的制造单元，其主要特征可归结为 3F(柔性化、联盟化和新颖化)、3I(集成化、信息化和智能化)和3S (系统化、软件化和个性化)。 当前，国内外一些机床和数控系统制造企业正在从网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元， 它将能与企业 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、可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产