進(jìn)入21世紀(jì),我國(guó)機(jī)床制造業(yè)既面臨著提升機(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),也遭遇到加入WTO后激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的壓力。從技術(shù)層面上來(lái)講,加速推進(jìn)數(shù)控技術(shù)將是解決機(jī)床制造業(yè)持續(xù)發(fā)展的一個(gè)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)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開(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)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。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。

1．現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的兩個(gè)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)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力的4個(gè)要素，采用傳統(tǒng)的非數(shù)控生產(chǎn)方式只有達(dá)到一定閾值的大批量的規(guī)模生產(chǎn)才能取得上述4個(gè)方面的統(tǒng)一。但在當(dāng)前激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)環(huán)境下，以生產(chǎn)為中心，企業(yè)為主導(dǎo)的賣方市場(chǎng)已轉(zhuǎn)向以市場(chǎng)需求為中心、用戶為主導(dǎo)的買(mǎi)方市場(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)控制造裝備及制造系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)在快速多變的市場(chǎng)環(huán)境中對(duì)用戶驅(qū)動(dòng)的市場(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)品的品種的需求發(fā)生變化時(shí)，它們?nèi)阅茉跐M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)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的另一個(gè)主要目標(biāo)。

   因而作為評(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。

   高效柔性化和高精化分別反映了制造業(yè)在競(jìng)爭(zhēng)激烈的市場(chǎng)環(huán)境下的兩個(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。

（1）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)的高效柔性化的制造裝備及制造系統(tǒng)需兼具下列特性：①高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應(yīng)性。②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）。

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

   分析汽車的某些關(guān)鍵件的精度需求，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、減震器的閥體、泵體、盤(pán)類以及模具等在近十幾年內(nèi)有明顯的提高。

2.我國(guó)數(shù)控機(jī)床現(xiàn)況

   從上世紀(jì)80年代起，機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏，但對(duì)數(shù)控技術(shù)和數(shù)控機(jī)床一直給予較大的關(guān)注。經(jīng)過(guò)“九五”數(shù)控車床和加工中心（包括數(shù)控銑床）的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)基地的形成，所生產(chǎn)的中檔普及型數(shù)控機(jī)床的功能、性能和可靠性方面已具有較強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。但在中、高檔數(shù)控機(jī)床方面，與國(guó)外一些先進(jìn)產(chǎn)品相比，仍存在較大差距，這是由于歐美日等先進(jìn)工業(yè)國(guó)家于80年代先后完成了數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)進(jìn)程，其中一些著名機(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)發(fā)展，如美國(guó)英格索爾公司和德國(guó)惠勒喜樂(lè)公司對(duì)用于汽車工業(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)的車銑中心對(duì)高效復(fù)合加工的推進(jìn)等等。相比之下，我國(guó)大部分?jǐn)?shù)近代機(jī)床產(chǎn)品在技術(shù)處于跟蹤階段。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)品主要技術(shù)指標(biāo)，由此可以看到效率、精度和可靠性等方面均有明顯差距。

發(fā)展復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床、縮短制造過(guò)程鏈

   多功能復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床簡(jiǎn)稱復(fù)合機(jī)床，或稱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)的主要用于車加工的車削中心，這兩類多功能的數(shù)控機(jī)床在推進(jìn)數(shù)控機(jī)床的工序集中的工藝方法上發(fā)揮了重要的作用。但對(duì)于這較復(fù)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(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工效。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)，可以分為如下兩類：

（1）跨加工類別的工藝復(fù)合數(shù)控加工機(jī)床   該類機(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)的有車銑中心、銑車中心和銑削—激光加工機(jī)床等。（2）多面多軸聯(lián)動(dòng)加工的工序復(fù)合數(shù)控機(jī)床。

6．高效柔性化的新一代制造系統(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)展動(dòng)向。目前常用的FMS/FML其制造裝備的功能儲(chǔ)備通常較多，在大批量生產(chǎn)條件下，往往僅能應(yīng)用其中20%左右的功能，因此用擴(kuò)大功儲(chǔ)備以備不時(shí)之需的做法，既是對(duì)資源的浪費(fèi)，也是增大投資的不經(jīng)濟(jì)之舉。另一方面，當(dāng)加工的產(chǎn)品由于市場(chǎng)需求的變化要作較大的調(diào)整時(shí)，往往既費(fèi)時(shí)又耗費(fèi)資金。為此，美國(guó)Y.Koren教授于1995年提出了發(fā)展可重構(gòu)制造系統(tǒng)(RMS)的構(gòu)想。我國(guó)從1997年起在國(guó)家自然科學(xué)基金和“十五”863計(jì)劃資助下，對(duì)可重構(gòu)制造技術(shù)以及構(gòu)建快速重組制造系統(tǒng)（RRMS）的理論與方法進(jìn)行研究，其核心為制造系統(tǒng)能物理組態(tài)，即根據(jù)加工對(duì)象的變化方便地進(jìn)行調(diào)整。為了能在制造系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與規(guī)劃、集成與整合以及運(yùn)動(dòng)與決策等3方面實(shí)現(xiàn)組態(tài)，需要解決圖5所示外圈的6個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，使其兼具專用生產(chǎn)線的高效性能和適用的柔性所取得的經(jīng)濟(jì)性。為此發(fā)展了能對(duì)多變的市場(chǎng)需求作出合理的配置規(guī)劃和易于調(diào)整的布局方式、適應(yīng)重構(gòu)的控制軟件、開(kāi)放式控制系統(tǒng)和規(guī)范化接口以及能快速提升系統(tǒng)重組后制造質(zhì)量的診斷系統(tǒng)等技術(shù)，并取得了初步成功的應(yīng)用。

7.發(fā)展網(wǎng)絡(luò)化制造單元，推進(jìn)企業(yè)制造能力的高效柔性化

   在信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動(dòng)下，制造業(yè)正面臨著一個(gè)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)，它將成為一個(gè)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、3I和3S，即：3F（柔性化、聯(lián)盟化和新穎化）、3I（集成化、信息化和智能化）、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)在從分布式網(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)高效柔性生產(chǎn)。

8.開(kāi)展可靠性設(shè)計(jì)，加強(qiáng)全面質(zhì)量管理，保證數(shù)控機(jī)床的可靠性增長(zhǎng)

   數(shù)控機(jī)床多發(fā)的故障率一直是影響我國(guó)數(shù)控機(jī)床品質(zhì)的一個(gè)重要問(wèn)題。尤其是用于批量生產(chǎn)的自動(dòng)生產(chǎn)線上，對(duì)數(shù)控機(jī)床的可靠性更為重視，通常用平均無(wú)故障時(shí)間（以MTBF表示）的長(zhǎng)短來(lái)衡量它的可靠性。例如日本遠(yuǎn)州株式會(huì)社2002年提出為汽車行業(yè)提供的加工中心其MTBF35000h，這樣可保證在生產(chǎn)線上的數(shù)控機(jī)床只需每年作例行檢修，而不致因出現(xiàn)故障而引起停產(chǎn)。相比國(guó)內(nèi)加工中心先進(jìn)水平的MTBF3600h有大幅度的提高。

   數(shù)控機(jī)床與傳統(tǒng)機(jī)床相比，由于增加了數(shù)控系統(tǒng)、伺服控制單元、以及自動(dòng)化功能部件和相應(yīng)的監(jiān)控裝置等，應(yīng)用了大量的電氣、液壓、氣動(dòng)元件和機(jī)電裝置。由于元器件和裝置數(shù)量的增多易于導(dǎo)致出現(xiàn)失效概率的增大。

   因此，為了保證數(shù)控機(jī)床有高的可靠性，設(shè)計(jì)時(shí)不僅要考慮其功能和力學(xué)特性，還要進(jìn)行可靠性設(shè)計(jì)，根據(jù)可靠性要求合理分配各組成件的可靠性指標(biāo)，在配套件采購(gòu)和制造過(guò)程中重視質(zhì)量要求，加強(qiáng)全面質(zhì)量管理以求可靠性的不斷增長(zhǎng)。

   精心設(shè)計(jì)、嚴(yán)格制造和明確的可靠性目標(biāo)以及通過(guò)維修分析故障模式和找出薄弱環(huán)節(jié)是推進(jìn)數(shù)控技術(shù)的重要措施。例如我國(guó)機(jī)床行業(yè)經(jīng)5年的努力已使加工中心和數(shù)控車床的MTBF增長(zhǎng)了50%；又有如日本FANUC公司的數(shù)控系統(tǒng)在1985年時(shí)無(wú)鼓掌時(shí)間僅為8.7個(gè)月，公司領(lǐng)導(dǎo)提出了增長(zhǎng)至50個(gè)月的目標(biāo)，至1991年基本實(shí)現(xiàn)，到1994年已達(dá)125個(gè)月，在可靠性方面位居世界前列。這些事實(shí)充分說(shuō)明了維修和產(chǎn)品質(zhì)量之間的互動(dòng)關(guān)系。