近6年來我國數(shù)控機床一直處于持續(xù)地以年均增長超過30%的速度快速發(fā)展,據(jù)初步統(tǒng)計2004年數(shù)控機床的產量約50000臺,同比年增長35.8%,數(shù)控機床的消費量超過70000臺,同比年約增長32%。數(shù)控機床需求的旺盛也促進了2004年內新建的三資和民營機床廠以及數(shù)控機床品種的明顯增加。但是,進口的數(shù)控機床數(shù)量也在逐年同步增加,而且進口數(shù)控機床金額的增長趨勢更快。2004年數(shù)控機床的進口數(shù)量同比年增長近30%,而進口金額的增長近50%,從而導致國產數(shù)控機床在國內市場消費額中的所占比例已不足30%,降至近幾年的最低。之所以出現(xiàn)這一現(xiàn)象,其主要原因在于國內市場急需的技術含量和附加值高的數(shù)控機床,絕大多數(shù)須依賴進口。如上所述,機床制造業(yè)在近年取得數(shù)控機床快速增長業(yè)績下也面臨著新的機遇與挑戰(zhàn)。因此,對制造業(yè)發(fā)展動向的分析將有助于推進數(shù)控機床技術實現(xiàn)跨越式發(fā)展的目標。
1998年美國為振興其制造業(yè)制訂了“集成制造技術計劃及其路線圖計劃(IMTI及IMTR)”,提出了包括信息、制造和產品創(chuàng)新三個方面的六項策略。即:
1、信息系統(tǒng)高度集成化:企業(yè)管理系統(tǒng)的集成化;技術、制造與管理系統(tǒng)無縫聯(lián)接,即插即用。
2、制造系統(tǒng)敏捷化:柔性化、可重構與分布式生產;智能化的工藝與裝備。
3、產品設計的創(chuàng)新與優(yōu)化:設計與制造全面集成與優(yōu)化;基于科學(知識)的制造。
從我國制造業(yè)的基礎和發(fā)展進程來講,還不能與美國一樣立刻進入全面集成和完全的數(shù)字化制造階段,尚需較多地關注一些基礎制造裝備及其相關技術的研究,提高其融合信息化和數(shù)字化制造與管理的能力,為適應未來制造的需要建立基礎。數(shù)控技術的總的發(fā)展趨勢是:高精化、高速化、高效化、柔性化、智能化和集成化,并注重工藝適用性和經濟性。具體可歸納為下列八個方面:
1、持續(xù)地提高經濟加工精度
從1950年至2000年的50年內加工精度提升100倍左右,即加工精度平均每8年提高1倍,當前的普通精度加工已達上世紀50年代的精密加工水平。以加工中心加工典型件的尺寸精度和形位精度為例對比國內外的水平,國內大致為0.008~0.010mm,而國際先進水平為0.002~0.003mm,按上述統(tǒng)計規(guī)律分析差距約為15年左右。
2、推進全面高速化實現(xiàn)高效制造
在刀具材料和結構發(fā)展的支持下,切削速度不斷地提高,實際生產中車、銑45號鋼由1950年的80~100m/min,至2000年普遍達500~600m/min,50年內切削速度提高了5倍。高速化加工另一個特點是大多從單一的高速切削發(fā)展至全面高速化,不僅要縮短切削時間,也要力求降低輔助時間和技術準備時間。
3、復合加工機床促進新一代高效機床的形成
復合機床的含義是在一臺機床上實現(xiàn)或盡可能完成從毛坯至成品的全部加工。復合機床根據(jù)其結構特點,可以分為如下兩類:
工藝復合型:為跨加工類別的復合機床,包括不同加工方法和工藝的復合,如車銑中心、銑車中心、激光銑削加工機床、沖壓與激光切割復合、金屬燒結與鏡面切削復合等。
工序復合型:應用刀具(銑頭)自動交換裝置、主軸立臥轉換頭、雙擺銑頭、多主軸頭和多回轉刀架等配置增加工件在一次安裝下的加工工序數(shù),如多面多軸聯(lián)動加工的復合機床和主副雙主軸車削中心等。
復合數(shù)控機床具有良好的工藝適用性,避免了在制品的儲存和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié),有力地支援了準時制造(JIT),因此對它的研發(fā)已被給予了極大的關注。
4、工藝適用性的專門化數(shù)控機床正不斷涌現(xiàn)
通過對機床布局和結構的創(chuàng)新,使對不同類型的零件加工具有最佳的適用,避免一方面出現(xiàn)不能發(fā)揮最佳性能,另一方面又存在功能冗馀的現(xiàn)象。要解決品種多樣化與經濟性的矛盾,這就要對機床的模塊化設計提出了更高的要求,近年來對并聯(lián)機構機床和混聯(lián)機構機床的研究以及對可重構機床(Reconfigurable Machine Tools,簡稱RMT)技術的探索,反映了對制造裝備能更方便地實現(xiàn)個性化、多樣化發(fā)展的一個追求。
5、智能化和集成化成為數(shù)字化制造的重要支撐技術
信息技術的發(fā)展及其與傳統(tǒng)機床的相融合,使機床朝著數(shù)字化、集成化和智能化的方向發(fā)展。數(shù)字化制造裝備、數(shù)字化生產線、數(shù)字化工廠的應用空間將越來越大;而采用智能技術來實現(xiàn)多信息融合下的重構優(yōu)化的智能決策、過程適應控制、誤差補償智能控制、復雜曲面加工運動軌跡優(yōu)化控制、故障自診斷和智能維護以及信息集成等功能,將大大提升成形和加工精度、提高制造效率。
6、發(fā)展適應敏捷制造和網絡化分布式的制造系統(tǒng)
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方向:增強制造系統(tǒng)的智能化和自治管理功能,以提高FMC/FMS的快速響應能力;發(fā)展兼顧柔性、高效、低成本和高質量且便于重構的新型制造系統(tǒng)以適應不確定性的市場環(huán)境。這類新型制造系統(tǒng)稱為快速重組制造系統(tǒng)(RRMS)或可重構制造系統(tǒng)(RMS)。其原理為通過對制造系統(tǒng)中的設備配置的調整或更換設備上的功能模塊來迅速構成適應新產品生產的制造系統(tǒng)。這就要求設備和系統(tǒng)不僅軟件具有開放性,而且硬件也要有開放性成為功能可重構的機床,即如前面提到的可重構機床(RMT)。
7、向大型化和微小化兩極發(fā)展
能源裝備的大型化及航空航天事業(yè)等的發(fā)展,需要重型立式臥式加工中心和銑車中心。微米納米技術是21世紀的戰(zhàn)略高技術,正在形成一個產業(yè)。需發(fā)展能適應微小型尺寸結構和微納米加工精度的新型制造工藝和裝備。
8、配套裝置和功能部件的品種質量日臻完善
不僅數(shù)控系統(tǒng)(含數(shù)控裝置和伺服驅動裝置)有專業(yè)化生產廠,舉凡關鍵的通用性功能部件如電主軸、刀具自動交換系統(tǒng)、滾動導軌副、直線滾動絲杠驅動副、雙擺主軸頭、雙擺回轉臺和自動轉位刀塔等在國外均有一些著名的專業(yè)化生產廠,這對保證產品質量,增長整機的可靠性和降低成本起著重要的作用。完善的高集成度的專用電路系統(tǒng)的研發(fā),仍是數(shù)控系統(tǒng)可靠性繼續(xù)增長和結構小型化的一項重要措施。
從上世紀80年代起,我國機床制造業(yè)的發(fā)展雖有起伏,但對數(shù)控技術和數(shù)控機床一直給予較大的關注。經過“九五”國家科技攻關與“863”數(shù)控產業(yè)化項目,形成了數(shù)控車床和加工中心(包括數(shù)控銑床)的產業(yè)化生產基地,所生產的普及型數(shù)控機床的功能、性能和可靠性方面已具有較強的市場競爭力。但在中、高檔數(shù)控機床方面,與國外一些先進產品和技術發(fā)展趨勢對比,仍存在較大差距,大部分處于技術跟蹤階段。數(shù)控機床及由數(shù)控機床組成的柔性化制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)機械加工裝備產業(yè)、構建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎,它的發(fā)展一直備受關注。數(shù)控機床以其卓越的柔性自動化性能、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,它開創(chuàng)了機械產品向機電一體化發(fā)展的先河,因此數(shù)控技術成為先進制造技術中的一項核心技術。另一方面,通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對信息技術的深化應用促進了數(shù)控機床性能和質量的進一步提升。