數(shù)控技術(shù)以其高效柔性化和加工精度穩(wěn)定的特點(diǎn)已成為一項(xiàng)應(yīng)用廣泛的先進(jìn)制造技術(shù)，它的深化發(fā)展將促進(jìn)數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，為國(guó)民經(jīng)濟(jì)和國(guó)防建設(shè)發(fā)展提供優(yōu)異、適用的基礎(chǔ)制造設(shè)備。

　　從1999年起中國(guó)數(shù)控金切機(jī)床（簡(jiǎn)稱數(shù)控機(jī)床）產(chǎn)量一直保持較高增長(zhǎng)速度，至2005年7年內(nèi)平均年增長(zhǎng)超過35%，2004年產(chǎn)量為51860臺(tái)，同比年增長(zhǎng)飆升至40.8%，處于“十五”期末的2005年增幅雖回落至15%，但產(chǎn)量仍高達(dá)59636臺(tái)，與1980年的600臺(tái)產(chǎn)量相比，25年間數(shù)控機(jī)床的產(chǎn)量已增至100倍。2005年數(shù)控機(jī)床的消費(fèi)量86000余臺(tái)，同比年增長(zhǎng)約15%。數(shù)控機(jī)床消費(fèi)金額達(dá)64.3億美元，同比年增長(zhǎng)16.3%。2006年為“十一五”起始年，數(shù)控機(jī)床產(chǎn)銷呈現(xiàn)出高開高走的良好態(tài)勢(shì)，預(yù)計(jì)增幅將超過25%。

　　但是另一方面，進(jìn)口數(shù)控機(jī)床數(shù)量也在逐年增加，而且進(jìn)口數(shù)控機(jī)床金額的增長(zhǎng)趨勢(shì)更快。2005年數(shù)控機(jī)床的進(jìn)口數(shù)量同比年增長(zhǎng)僅1%，而進(jìn)口金額的增長(zhǎng)卻達(dá)11%，從而導(dǎo)致國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)消費(fèi)額中的所占比例仍僅30%左右。這一現(xiàn)象的主要原因在于，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)對(duì)技術(shù)和附加值高的高效精密數(shù)控機(jī)床和高性能大重型數(shù)控機(jī)床需求增長(zhǎng)，要依靠進(jìn)口解決。

　　本文將在分析中國(guó)數(shù)控機(jī)床持續(xù)平穩(wěn)快速發(fā)展形成原因的基礎(chǔ)上，探討所面臨的挑戰(zhàn)，并從振興中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)占有率的角度著重于剖析數(shù)控機(jī)床及由其組成的制造系統(tǒng)（生產(chǎn)線）的技術(shù)現(xiàn)況及發(fā)展趨勢(shì)，并初步探討使其能適應(yīng)變批量、多品種、高效優(yōu)質(zhì)、低成本以及具有快速響應(yīng)的柔性的技術(shù)創(chuàng)新道路。


一、數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)發(fā)展的動(dòng)力剖析

　　促進(jìn)中國(guó)數(shù)控機(jī)床市場(chǎng)發(fā)展的條件是國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)建設(shè)的平穩(wěn)快速增長(zhǎng)和進(jìn)入ＷＴＯ參與全球化市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的大環(huán)境。中國(guó)已成為制造大國(guó)，并在政策和“十一五”規(guī)劃引導(dǎo)下正向著具有創(chuàng)新活力的制造強(qiáng)國(guó)邁進(jìn)。為此將從國(guó)內(nèi)制造業(yè)發(fā)展需求拉動(dòng)和產(chǎn)業(yè)投資拉動(dòng)兩方面來分析數(shù)控機(jī)床持續(xù)快速增長(zhǎng)的一些內(nèi)在原因。

隨著機(jī)床工作精度的提高以及近凈成形技術(shù)的發(fā)展替代了一般表面的加工，預(yù)期至2020年微米級(jí)（0.001mm）加工精度技術(shù)將替代目前量大面廣的道級(jí)（0.01mm）加工精度，成為加工領(lǐng)域的主流技術(shù)。超精密加工機(jī)床加工精度也將由亞微米（0.1μm）級(jí)、深亞微米（0.01μm）級(jí)提升至納米級(jí)，同時(shí)迅速擴(kuò)大其在制造業(yè)中的應(yīng)用范圍。

2. 推進(jìn)以高效為目標(biāo)的全面高速化

　　與精度的持續(xù)提升一樣，高速化加工已從單一的高速切削發(fā)展到全面高速化。不僅要縮短切削時(shí)間，也要力求降低輔助時(shí)間和技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間。即除了提高主軸轉(zhuǎn)速和進(jìn)給速度外，還要提高快移速度與加（減）速度，縮短主軸起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)間，減少刀具自動(dòng)交換時(shí)間與工件托盤自動(dòng)交換時(shí)間等，來減少輔助時(shí)間并通過生產(chǎn)信息集成管理和規(guī)劃以及CAM等來進(jìn)一步縮短技術(shù)準(zhǔn)備時(shí)間。

　　對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床使用情況統(tǒng)計(jì)得出：其機(jī)床利用率（有效切削時(shí)間與全部工時(shí)之比）僅為25-35%，其余的75-65%均消耗在機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾等輔助時(shí)間以及待工時(shí)間（由于技術(shù)準(zhǔn)備和調(diào)度不及時(shí)引起的非工作時(shí)間）與故障停機(jī)時(shí)間上。因此需通過提高各軸快移速度和加（減）速度、主軸變速的角加（減）速度、刀具（工件）自動(dòng)交換速度，改善數(shù)控系統(tǒng)的操作方便性和監(jiān)控功能以及加強(qiáng)信息管理，才有可能全面壓縮輔助時(shí)間和減少待工時(shí)間，使數(shù)控機(jī)床的切削時(shí)間利用率達(dá)到60%~80%。

　　在推進(jìn)加工制造過程全面高速化發(fā)展中，下列三項(xiàng)技術(shù)發(fā)揮了重要的作用：

　　(1)電主軸技術(shù)：它包括內(nèi)裝電機(jī)結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)控制和雙面過定位刀柄結(jié)構(gòu)等，保證主軸實(shí)現(xiàn)大功率、高轉(zhuǎn)速運(yùn)行。

　　(2)直接驅(qū)動(dòng)技術(shù)：它包括由直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性軸運(yùn)動(dòng)和由力矩電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)回轉(zhuǎn)軸運(yùn)動(dòng)，它們的無摩擦、“零中間傳動(dòng)件”提高了快速運(yùn)動(dòng)的加速性和平穩(wěn)性。

　　(3)高速高精數(shù)字化控制技術(shù)：它是用于抑制或消除由于高速化所引起跟蹤誤差、熱誤差和顫振等負(fù)面影響的先進(jìn)控制技術(shù)。

3. 復(fù)合加工機(jī)床向產(chǎn)品多樣化發(fā)展

　　多功能復(fù)合加工機(jī)床簡(jiǎn)稱復(fù)合機(jī)床（Complex Machine Tool），或稱多功能加工（Multi-Functional Machining ）或完全加工（Complete Machining或End to End Machining）機(jī)床。

　　復(fù)合機(jī)床的含義是在一臺(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。復(fù)合機(jī)床根據(jù)其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以分為如下兩類：

　　(1)跨加工類別的復(fù)合機(jī)床，如車銑中心、銑車中心、激光銑削加工機(jī)床等。

　　(2)多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的復(fù)合機(jī)床。

　　增加數(shù)控機(jī)床的復(fù)合加工功能將進(jìn)一步提高其工序集中度，不僅可減少多工序加工零件的上下料時(shí)間，而且更主要地可避免零件在不同機(jī)床上進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換而增加的工序間輸送和等待的時(shí)間，尤其在未組成有效的生產(chǎn)線的條件下，這種工序間的等待時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過零件在機(jī)床上的工作時(shí)間，從而延長(zhǎng)了零件的生產(chǎn)周期。

　　復(fù)合數(shù)控機(jī)床則具有良好的工藝適用性，避免了在制品的儲(chǔ)存和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，有力地支持了準(zhǔn)時(shí)制造（JIT），因此對(duì)它的研發(fā)已被給予極大的關(guān)注。復(fù)合數(shù)控機(jī)床呈現(xiàn)出多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。

4. 加強(qiáng)工藝適用性

　　通過對(duì)機(jī)床布局和結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新，使對(duì)不同類型的零件有最佳的加工適用性。因?yàn)殡S著機(jī)械產(chǎn)品的性能優(yōu)化和輕量化，其零件和構(gòu)件的形狀、尺寸和精度呈現(xiàn)多樣性，很難用少數(shù)幾種標(biāo)準(zhǔn)的、通用的機(jī)床結(jié)構(gòu)來最佳地滿足多方面的工藝要求。

　　這種“個(gè)性化”結(jié)構(gòu)趨向雖有為了產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)需要的因素，但更主要的是體現(xiàn)了如何能更好地適應(yīng)用戶的需求。尤其對(duì)一些批量生產(chǎn)的零件，更希望有最佳工藝適用性的專門化數(shù)控機(jī)床。

　　要解決品種多樣化與經(jīng)濟(jì)性的矛盾，這就對(duì)機(jī)床的模塊化設(shè)計(jì)提出了更高的要求，近年來對(duì)并聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床和混聯(lián)機(jī)構(gòu)機(jī)床的研究以及對(duì)可重構(gòu)機(jī)床（Reconfigurable Machine Tool，簡(jiǎn)稱RMT）技術(shù)的探索，反映了對(duì)制造裝備能更方便地實(shí)現(xiàn)個(gè)性化、多樣化發(fā)展的一個(gè)追求。

5. 敏捷制造系統(tǒng)

　　柔性制造系統(tǒng)（FMS）和柔性制造單元(FMC)作為一種高生產(chǎn)率的多品種自動(dòng)化生產(chǎn)系統(tǒng)，于上世紀(jì)70年代初開始研制，于80年代得到很大的發(fā)展。到90年代初由于大批量生產(chǎn)的制造業(yè)如汽車工業(yè)產(chǎn)品更新加快，出現(xiàn)了多品種生產(chǎn)的需求，要求自動(dòng)線柔性化，發(fā)展了用數(shù)控機(jī)床構(gòu)建的柔性生產(chǎn)線（FML），由此也推動(dòng)了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)約的高速化數(shù)控機(jī)床的發(fā)展。

回顧近10年來制造系統(tǒng)的發(fā)展歷程，基本上遵循以下兩個(gè)方向：

(1)增強(qiáng)制造系統(tǒng)的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速響應(yīng)能力。

(2)發(fā)展具有能兼顧柔性、高效、低成本和高質(zhì)量且便于功能重組的新型的可重構(gòu)制造系統(tǒng)（RMS）。

6. 完善配套裝置和功能部件的品種與質(zhì)量

　　除了數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)裝置外，關(guān)鍵的功能部件如電主軸、刀具自動(dòng)交換系統(tǒng)、滾動(dòng)導(dǎo)軌副、滾動(dòng)絲杠驅(qū)動(dòng)副、雙擺主軸頭、雙擺回轉(zhuǎn)臺(tái)和自動(dòng)轉(zhuǎn)位刀塔等在國(guó)外均有一些著名的專業(yè)化生產(chǎn)廠，這對(duì)保證產(chǎn)品質(zhì)量，增長(zhǎng)整機(jī)的可靠性和降低成本起著重要的作用。

　　數(shù)控系統(tǒng)的可靠性仍在繼續(xù)增長(zhǎng)，如FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)在90年代達(dá)到月故障率0.008，相當(dāng)于平均無故障時(shí)間125個(gè)月（約40000小時(shí)以上），對(duì)保證整機(jī)可靠性起著重要的作用。

四、數(shù)控機(jī)床的技術(shù)創(chuàng)新探討

　　在數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)和共性技術(shù)支撐下，研發(fā)功能適用、性能優(yōu)異的功能部件，并應(yīng)用整機(jī)優(yōu)化與集成技術(shù)以及優(yōu)良的制造技術(shù)才能生產(chǎn)出具有競(jìng)爭(zhēng)能力的高品質(zhì)機(jī)床。圖5示出數(shù)控機(jī)床5項(xiàng)核心技術(shù)和2項(xiàng)共性技術(shù)。核心技術(shù)的創(chuàng)新將是提升產(chǎn)品技術(shù)含量的關(guān)鍵，共性技術(shù)的創(chuàng)新將是推進(jìn)產(chǎn)品質(zhì)量增長(zhǎng)的保障。圖中還示出了數(shù)控機(jī)床在關(guān)鍵技術(shù)、功能部件技術(shù)和整機(jī)優(yōu)化技術(shù)的三個(gè)層次的構(gòu)架。

技術(shù)創(chuàng)新策略有以下五個(gè)方面：

　　1) 適應(yīng)數(shù)字化制造的發(fā)展，作為主要制造裝備的數(shù)控機(jī)床和系統(tǒng)，需具有如下（FIS）3的特性。即：
3F：柔性化（Flexibility）、聯(lián)盟化（Federalization）、新穎化（Fashion）；
3I：集成化（Integration）、信息化（Information）、智能化（Intelligence）；
3S：系統(tǒng)化（System）、軟件化（Software）、個(gè)性化（Speciality）。

　　2）數(shù)控機(jī)床及其制造系統(tǒng)的三個(gè)主要發(fā)展方向

·  以全面高速化為先導(dǎo)，推進(jìn)μ級(jí)工程，發(fā)展高性能高可靠性功能部件，提高數(shù)控機(jī)床綜合性能，研發(fā)適應(yīng)汽車工業(yè)等需要的高效精密機(jī)床；

·  發(fā)展復(fù)合功能數(shù)控機(jī)床、縮短過程鏈，適應(yīng)單件、中小批生產(chǎn)的高效柔性制造；

·  研究基于生產(chǎn)線布局和制造裝備可重構(gòu)的快速制造系統(tǒng)是大批量生產(chǎn)的最佳方案。

　　3）建立明確的可靠性增長(zhǎng)目標(biāo)

　　采取精心的簡(jiǎn)約結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、通過可靠性測(cè)評(píng)實(shí)驗(yàn)，確定薄弱環(huán)節(jié)和改進(jìn)措施，重視選購(gòu)高品質(zhì)配套件、嚴(yán)格控制制造質(zhì)量，發(fā)展人機(jī)友好操作界面以及加強(qiáng)維護(hù)和注重維修故障分析，將有利于數(shù)控機(jī)床可靠性的增長(zhǎng)，使MTBF≥500h。

　　4）數(shù)控機(jī)床的加工精度持續(xù)提升

根據(jù)市場(chǎng)的需求進(jìn)行持續(xù)提升，要注意精度與高效、高速及經(jīng)濟(jì)性的協(xié)調(diào)發(fā)展。超精密微細(xì)加工呈現(xiàn)出應(yīng)用領(lǐng)域擴(kuò)大趨勢(shì)。

　　5）當(dāng)前宜加強(qiáng)研究和發(fā)展下列數(shù)控機(jī)床及其組成的成套制造系統(tǒng)