零部件制造數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢及對策
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裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè)硼端、生物技術及其產業(yè)、航空醋安、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備。 馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別墓毒，不在于生產什么侠森，而在于怎樣生產，用什么勞動資料生產”笨墙。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料磺勋，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術刷粒，以提高制造能力和水平秉疚，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資宵穆，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)椅勿，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策∵笳總之勇斜，大力發(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展迅忆、提高綜合國力和國家地位的重要途徑究惨。 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品苇裤，即所謂的數(shù)字化裝備治拿，其技術范圍覆蓋很多領域：（1）機械制造技術摩泪；（2）信息處理、加工劫谅、傳輸技術见坑；（3）自動控制技術；（4）伺服驅動技術捏检；（5）傳感器技術荞驴；（6）軟件技術等。 1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢 數(shù)控技術的應用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化贯城，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征熊楼，而且隨著數(shù)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT能犯、汽車鲫骗、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用踩晶，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢执泰。從目前世界上數(shù)控技術及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］子桩。 1.1 高速杖烘、高精加工技術及裝備的新趨勢 效率、質量是先進制造技術的主體奄刊。高速蠢缚、高精加工技術可極大地提高效率，提高產品的質量和檔次污祭，縮短生產周期和提高市場競爭能力锐校。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一慨蜒。 在轎車工業(yè)領域矮按，年產30萬輛的生產節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一歉羹；在航空和宇航工業(yè)領域膨泄，其加工的零部件多為薄壁和薄筋，剛度很差帅挫，材料為鋁或鋁合金段丸，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋抡草、壁進行加工饰及。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機翼、機身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘康震、螺釘和其他聯(lián)結方式拼裝燎含，使構件的強度宾濒、剛度和可靠性得到提高。這些都對加工裝備提出了高速屏箍、高精和高柔性的要求绘梦。 從EMO2001展會情況來看，高速加工中心進給速度可達80m/min赴魁，甚至更高卸奉，空運行速度可達100m/min左右。目前世界上許多汽車廠颖御，包括我國的上海通用汽車公司择卦，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min郎嫁，快速為100m/min秉继，加速度達2g，主軸轉速已達60000r/min源相。加工一薄壁飛機零件折司，只用30min，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h下乱，在普通銑床加工需8h耿把；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達12*1000r/mm和1g。 在加工精度方面条肢，近10年來舍仙，普通級數(shù)控機床的加工精度已由10μm提高到5μm，精密級加工中心則從3～5μm稀忘，提高到1～1.5μm云钻，并且超精密加工精度已開始進入納米級（0.01μm）。 在可靠性方面扣筛，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6000h以上聋寻，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到30000h以上，表現(xiàn)出非常高的可靠性水导。 為了實現(xiàn)高速坠狡、高精加工，與之配套的功能部件如電主軸遂跟、直線電機得到了快速的發(fā)展逃沿，應用領域進一步擴大。 1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展 采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工幻锁，可用刀具最佳幾何形狀進行切削凯亮，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高。一般認為触幼，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進行高速銑削淬硬鋼零件時究飞，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益置谦。 但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機結構復雜等原因亿傅，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍媒峡，加之編程技術難度較大，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展葵擎。 當前由于電主軸的出現(xiàn)谅阿，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低某蛆，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小碴秽。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展。 在EMO2001展會上诸跳，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭承叫，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機床上實現(xiàn)彼使，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工织鳖。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工接馏，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制卷哟。 1.3 智能化、開放式扇蚯、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)役躬，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化，如加工過程的自適應控制柿糖，工藝參數(shù)自動生成竿刁；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制搪缨、電機參數(shù)的自適應運算食拜、自動識別負載自動選定模型、自整定等副编；簡化編程负甸、簡化操作方面的智能化，如智能化的自動編程痹届、智能化的人機界面等呻待；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容、方便系統(tǒng)的診斷及維修等蚕捉。
目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(guī)范、通信規(guī)范阐拭、配置規(guī)范榄集、運行平臺、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當前研究的核心掺厦。 網絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點苗率。數(shù)控裝備的網絡化將極大地滿足生產線、制造系統(tǒng)聚谁、制造企業(yè)對信息集成的需求母剥，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造、虛擬企業(yè)形导、全球制造的基礎單元环疼。國內外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機，如在EMO2001展中朵耕，日本山崎馬扎克（Mazak）公司展出的“CyberProductionCenter”（智能生產控制中心炫隶，簡稱CPC）；日本大隈（Okuma）機床公司展出“ITplaza”（信息技術廣場阎曹，簡稱IT廣場）伪阶；德國西門子（Siemens）公司展出的OpenManufacturingEnvironment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等处嫌，反映了數(shù)控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢栅贴。 1.4 重視新技術標準斟湃、規(guī)范的建立 1.4.1 關于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范 如前所述，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性檐薯、柔性凝赛、適應性、擴展性上辖，美國庭授、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范（OMAC喇喂、OSACA饰逝、OSEC）的研究和制定囊骆，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定雪奠，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定筏匪。 1.4.2 關于數(shù)控標準 數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢踪启。數(shù)控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準，即采用G慢俄，M代碼描述如何（how）加工茧天，其本質特征是面向加工過程，顯然妄结，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術高速發(fā)展的需要磨夕。 為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標準ISO14649（STEP－NC）蔓姚，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制捕虽，能夠描述產品整個生命周期內的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程坡脐，乃至各個工業(yè)領域產品信息的標準化泄私。 STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè)备闲，將產生深遠的影響晌端。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念恬砂，傳統(tǒng)的制造理念中咧纠，NC加工程序都集中在單個計算機上。而在新標準下泻骤，NC程序可以分散在互聯(lián)網上惧盹，這正是數(shù)控技術開放式、網絡化發(fā)展的方向瞪讼。其次钧椰，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。 目前刻吵，歐美國家非常重視STEP-NC的研究恼孩，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃（1999.1.1～2001.12.31）。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶苦突、廠商和學術機構牙硫。美國的STEPTools公司是全球范圍內制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者，他已經開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型（SuperModel）街剂，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程防徊。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經在配備了SIEMENS、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證绎弯。 2 對我國數(shù)控技術及其產業(yè)發(fā)展的基本估計 我國數(shù)控技術起步于1958年选芦，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年，即封閉式發(fā)展階段版逼。在此階段赌列，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制，數(shù)控技術的發(fā)展較為緩慢钮隙。第二階段是在國家的“六五”阅嘶、“七五”期間以及“八五”的前期，即引進技術载迄，消化吸收讯柔，初步建立起國產化體系階段。在此階段护昧，由于改革開放和國家的重視魂迄，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善，我國數(shù)控技術的研究捏卓、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步极祸。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間，即實施產業(yè)化的研究怠晴，進入市場競爭階段遥金。在此階段，我國國產數(shù)控裝備的產業(yè)化取得了實質性進步蒜田。在“九五”末期稿械，國產數(shù)控機床的國內市場占有率達50％，配國產數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％冲粤。 縱觀我國數(shù)控技術近50年的發(fā)展歷程寿宅，特別是經過4個5年計劃的攻關，總體來看取得了以下成績船遣。 a.奠定了數(shù)控技術發(fā)展的基礎卫糙，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術卸腐。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅動欺靠、數(shù)控主機屿赶、專機及其配套件的基礎技術，其中大部分技術已具備進行商品化開發(fā)的基礎肾寡，部分技術已商品化差机、產業(yè)化。 b.初步形成了數(shù)控產業(yè)基地耿愈。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上倡超，建立了諸如華中數(shù)控、航天數(shù)控等具有批量生產能力的數(shù)控系統(tǒng)生產廠朦暖。蘭州電機廠扎怨、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產廠以及北京第一機床廠、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產廠献雅。這些生產廠基本形成了我國的數(shù)控產業(yè)基地碉考。 c.建立了一支數(shù)控研究塌计、開發(fā)挺身、管理人才的基本隊伍。 雖然在數(shù)控技術的研究開發(fā)以及產業(yè)化方面取得了長足的進步锌仅，但我們也要清醒地認識到章钾，我國高端數(shù)控技術的研究開發(fā)，尤其是在產業(yè)化方面的技術水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距热芹。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快贱傀，但橫向比（與國外對比）不僅技術水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距伊脓，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術水平差距有擴大趨勢府寒。從國際上來看，對我國數(shù)控技術水平和產業(yè)化水平估計大致如下报腔。 a.技術水平上株搔，與國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術方面則更大纯蛾。 b.產業(yè)化水平上肌辑，市場占有率低，品種覆蓋率小留旱，還沒有形成規(guī)模生產刹造；功能部件專業(yè)化生產水平及成套能力較低；外觀質量相對差格你；可靠性不高劫欣，商品化程度不足候隘；國產數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應，用戶信心不足盹清。 c.可持續(xù)發(fā)展的能力上跛孕，對競爭前數(shù)控技術的研究開發(fā)、工程化能力較弱肄寻；數(shù)控技術應用領域拓展力度不強舟鲁；相關標準規(guī)范的研究、制定滯后串锁。 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面坡沿。 a.認識方面。對國產數(shù)控產業(yè)進程艱巨性钾埂、復雜性和長期性的特點認識不足河闰；對市場的不規(guī)范、國外的封鎖加扼殺褥紫、體制等困難估計不足姜性；對我國數(shù)控技術應用水平及能力分析不夠。 b.體系方面髓考。 從技術的角度關注數(shù)控產業(yè)化問題的時候多部念，從系統(tǒng)的、產業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產業(yè)化問題的時候少氨菇；沒有建立完整的高質量的配套體系儡炼、完善的培訓、服務網絡等支撐體系查蓉。 c.機制方面乌询。不良機制造成人才流失，又制約了技術及技術路線創(chuàng)新豌研、產品創(chuàng)新妹田，且制約了規(guī)劃的有效實施，往往規(guī)劃理想淌璧，實施困難拳镊。 d.技術方面。企業(yè)在技術方面自主創(chuàng)新能力不強湃改，核心技術的工程化能力不強级闭。機床標準落后，水平較低丧足，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠本洁。 3 對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 3.1 戰(zhàn)略考慮 我國是制造大國，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移蜗胖，即要掌握先進制造核心技術搔片，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整中煞松，我國制造業(yè)將進一步“空芯”。我們以資源脸缆、環(huán)境芳争、市場為代價，交換得到的可能僅僅是世界新經濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”别粮，而非掌握核心技術的制造中心的地位懈词，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程。 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(yè)問題辩诞，首先從社會安全看坎弯，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè)，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平译暂，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力抠忘，保障社會的穩(wěn)定；其次從國防安全看外永，西方發(fā)達國家把高精尖數(shù)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質崎脉，對我國實現(xiàn)禁運和限制，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證伯顶。 3.2 發(fā)展策略 從我國基本國情的角度出發(fā)囚灼，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標砾淌，用系統(tǒng)的方法啦撮，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術谭网、配套技術作為研究開發(fā)的內容汪厨，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 強調市場需求為導向卡宛，即以數(shù)控終端產品為主蛙檐，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床胚闲、高速高精高性能數(shù)控機床贪犁、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展缭柄。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機檀氏、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產規(guī)模問題。 沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品软架；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品纳帽；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日弄讥。 在高精尖裝備研發(fā)方面挣呛，要強調產础健、學、研以及最終用戶的緊密結合舰绘，以“做得出蹂喻、用得上、賣得掉”為目標捂寿，按國家意志實施攻關口四，以解決國家之急需。 在競爭前數(shù)控技術方面秦陋，強調創(chuàng)新窃祝，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品，為我國數(shù)控產業(yè)踱侣、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎粪小。 |