盛伯浩 京機床研究所| 提高國產數控機床的競爭力一直是個熱點話題。面臨當前國產數控機床及其構成柔性生產線的能力有待提高的現狀，文中提出了切實可行的建議。作者亦暢談如何將“共性技術”與“專業技術”兩手抓，儘快縮短我國與國際先進技術水平之間的距離。 |
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近年來，我國數控機床產量的增速遠超過GDP的增速，這當中市場容量、固定資產投資規模以及出口市場拓展等多方面因素起到了有力的推動作用。2008年上半年初開始，出現了國產數控機床銷售率下降、庫存量增大、訂單量減少的徵兆，至下半年這一勢態更漸趨擴大。進一步分析還可看到，產量增長率的下滑遠大於產值的下滑，且進口額反而有同比增加的趨勢，這個現象進一步說明市場對大型和高性能的數控機床有較大需求，同時也反映出國際金融危機下加強國產數控機床競爭力已刻不容緩。
有沒有穩妥的策略方法能夠切實推進數控機床的產值和經濟效益的持續成長？筆者以為，當務之急是要通過提高技術含量來增加產品附加值。日本就是一個很好的樣板，該國數控機床數量雖少於我國，但產值仍穩居世界首位，平均單台數控機床的產值約為我國的3倍。可以看到，不斷地提升產品的性能、質量和可靠性，深化產品技術服務內涵，是增強國產數控機床市場競爭力的重要途徑。
國產數控機床及其構成柔性生產線的能力有待提高
上世紀70年代起形成的以數控技術為中心的柔性製造技術，在本世紀仍將持續發展並成為加工技術發展的主流。在發展多樣化的適用產品、實施中大批量生產時，柔性生產線的優勢尤為明顯，它們在可重構製造(Reconfigurable Manufacturing)技術支持下構建的製造系統具有高效柔性化的特點。通過發展可重構的多刃、多面複合加工的製造裝備，並針對加工對象的特徵，對製造系統實現快速重組，能夠更敏捷而經濟地適應不確定市場對產品多變的需求，從而保證市場所需產品能迅速投放上市。
表1國內外中型加工中心性能對照表
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表1通過中型加工中心的性能對比，顯示出國內高速數控機床及其構成柔性生產線，與國外同類產品的主要差距。顯而易見，國產數控機床的可靠性與精度壽命急需提高。而根據2005年對國產品9種普及型加工中心和數控車床檢測統計結果，在可靠性方面，國產機床的MTBF（平均無故障運行時間，Mean Time Between Failures）大部分僅為600-700h。同時，也對9種國產加工中心和數控車床的精度壽命（Tmk）進行測試與預估，發現兩個問題：首先，9種機床的Tmk的差異接近1倍；而且大部分Tmk在高負載的兩班制條件下，精度保持也只能達到2年。
汽車製造業作為數控機床的主要用戶，約佔其消費額的40%左右，國產機床在構建先進柔性生產線方面的能力亟待增強。
且讓我們關注一下在汽車行業大顯身手的柔性生產線（AFTL）——它按照敏捷製造單元（AMC）構建而成，主要特徵有以下三點：(1) 以多台功能相同且具有工序集中的數控機床如高效精密加工中心組成單元。(2) 應用二維物料輸送裝置使各工位加工的單元構建成生產線。(3) 其優點在於高柔性、高可靠性和利用率。比如德國Hueller Hilte製造的缸蓋生產線，MAKINO美國公司製造的ABS生產線等。
表2 RMS 的基本結構及目標市場定位 |
在海外，RMS（可重構生產線）方面的研究應用已走在了前面，表2顯示了RMS的基本結構及目標市場定位。美國國家科學基金會早在1996年便在密歇根大學成立了RMS工程研究中心，現已邁入工程應用階段。我國還需結合國情迎頭趕上，通過更好地發展新一代生產線，適應多變且具有不確定性的市場需求。
拓展柔性生產線的應用
在拓展柔性生產線應用的實踐中不斷使其完善，可採取如下一些切實可行的舉措和手段。
1. 開展可靠性設計、研發可靠性測評技術
推進數控機床的可靠性與精度設計，確定合理的精度裕度，加強全面質量管理，切實保障數控機床可靠性和精度壽命的增長。實際上在我國，普及型加工中心和數控車床的MTFB在20年中平均增加了3到4倍，但是由於汽車製造業的高效生產條件，還會不斷對其提出更高要求。
一般而言，數控系統（包括數控裝置、伺服單元和主軸電機及控制單元等）的故障率通常佔數控機床全部的25-40%。它的無故障運行時間的增長對數控機床的可靠性起重要作用。日本FANUC公司的數控系統經過10年努力，其返修率從1985年的11.5%(相當於MTBF為8.5個月)變成1994年的0.8%（MTBF為125個月），可靠性足足增加了13.5倍。
而數控系統主要的故障模式為元器件損壞、主軸控制失調和伺服進給系統失調等。導致數控機床故障概率增大的原因分為如下三方面：（1）數控系統和電氣系統的電子元器件和編碼器，檢測裝置等失效。（2）自動化功能部件如自動換刀裝置、回轉刀塔和監控裝置等失效。（3）動力源控制裝置複雜，其電、氣、液等控制閥和開關增多，使失效機率增大。
可見，數控機床可靠性涉及的因素廣，需應用系統工程的方法從設計、製造、裝調、調試、測評和交驗等整體流程予以控制改進，才可能獲得可靠性的明顯增長。
2. 生產線可靠性設計方法及評價指標
生產線中1台設備出現的故障，將會導致線中其他設備出現次生停機（Secondary Downtimes），特別是當生產線按“串聯”形式組成時，這種現象尤為明顯。為保障生產線較高的利用率，對生產線的可靠性設計需要建立如下四項平台技術。
(1) 研究制定生產線潛在停機模式及危害性分析（DMEA）指導資料（手冊）。
(2) 根據生產線的各工位佈局和對利用率（Availability）的要求，應用仿真技術得出各工位設備MTBF和技術利用率ATS的合理指標。
(3) 發展數控機床的FMEA（潛在故障模式及後果分析）技術，並針對故障特徵、構建各類數字化工程分析技術的應用，實現對設備結構、製造與裝配質量的優化設計。
(4) 發展數控機床的RCM（基於可靠性的可維修性）設計技術，以減少MTTM（平均故障修複停機時間）。
3. 數控機床精度壽命設計技術
機床作為加工機器的機器，其精度及精度保持性是一個核心指標。精度的變化主要取決於四個方面：(1)摩擦磨損；(2)間隙和預緊條件變化使動態特性下降；(3)熱力作用引起熱變形；(4)構件內應力釋放使製造精度降低。為此，從這四方面手，就能控制有損精度壽命的源頭。
除了以上列述的幾項有益於拓展柔性生產線應用的舉措，其他需要研究的技術以及需制定的規范還包括：數控機床可靠性和精度壽命的測試技術，促進數控製造裝備技術性能提升和可靠性增長的試驗規範；有關敏捷化可重構柔性自動生產線的集成技術，全面優化生產線的規劃設計；設定可靠性及精度壽命指標的預期目標，等等。
例如，預期目標方面，我認為我國業界應能在3至5年內達到以下目標：
(1)對於設備而言，MTBF2000h；MTTM10h；Cmk2.0；Tmk4年(兩班制)；
(2) 如果是生產線，利用率ATS85%，Cpk1.67。
CMJ對話本期專題欄目作者盛伯浩先生：共性技術與專業技術雙管齊下 儘快縮小與發達國家的差距
北京機床研究所副總師盛伯浩先生 |
CMJ：目前普遍認為我國的自主研發水平尚落後於發達國家，您認為，這個差距究竟有多大？
盛伯浩：以汽車行業為例，汽車製造用柔性生產線尤其是汽車發動機製造方面，我國的自主研發能力與國際先進水平約有20年差距。這也是為什麼我強調要加快攻關柔性生產線關鍵技術，而只有全面推進了高效精密數控機床的發展，才能確保為汽車製造業提供優質的國產成套製造設備。
CMJ：我注意到您也提議了一些具體方案，力求讓國產數控製造裝備及其組成的生產線能夠較好滿足製造業需求。比如建立數控製造裝備性能測評和可靠性測試的測試中心等等。
盛伯浩：對的，通過設定切合國情的參考標準，並以之為門檻進行衡量，可以達到控制和保證機床的基本水平的目的，推動更多企業達到較高技術水平。比如說設定一個目標，MTBF從1000h發展為2000h，一般要3到5年時間，當然這還僅是部分有實力的企業優先達標。而且這個標杆也是水漲船高的，隨我們技術和工藝手段的增長而逐步提高。
以上文提到的柔性生產線的研發為例，應該有實現跨越式發展的決心和勇氣。為此，我們有必要建立研發的專業隊伍，設定階段性目標，在前期先發展敏捷柔性生產線，同時對可重構生產線進行工程研究。而在這個過程中，集結產、學、研、用的優勢力量將是一條很好的途徑。
CMJ：確實，業界對產學研的期待和呼聲都比較高，比如對相關數控機床的一些基礎共性技術，如能集中力量予以突破，對於縮小我國與發達工業國家的差距而言，應該是相當有益。
盛伯浩：不可否認，我國在基礎研究方面還是比較薄弱的。“共性技術”指各類數控機床普遍存在的問題，如可靠性、精度、壽命等技術。正由於其具有普遍性，且在不同產品中又會呈現不同形態，最好是組織聯合攻關，以取得事半功倍的效果。
這如果讓單個企業獨立運作就顯得很困難，從現實角度考慮，企業必須要應付市場競爭，如果一個企業耗時耗力研究了對大家都有益的共性的技術難關，相對而言，他自己的投入和產出效益比例並不一定很高。這是一個很尷尬的現實問題。
CMJ：一般而言，核心技術可分為兩大類，除了基礎共性技術，還有專用性技術，比如五軸聯動機床的刀具位置補償技術，各類機床的工藝應用技術等都歸屬此類。這方面的提高該怎樣實現？
盛伯浩：這其實並沒有捷徑，得常年積累。當然，現在我國的加工能力、工藝條件和資金環境都在逐步改善，但要真正達到國際水平還有很長的路要走，因為本國的製造商還沒能達到較高水平。國外這方面的發展其實也是建立在相當長的工業發展歷史之上的，不斷改進細節以趨完善。
有人說可以借鑒仿製，可是簡單地照搬別人的設計是不可行的，因為你不可能知道人家在裝配中注意了哪些環節，達到了怎樣的精確度，甚至哪些項目要檢查等等，這些機密的“Know how”，你也是不能完全掌握的。但我們確實能借鑒國外經驗，比如他們早在產品設計階段已考慮如何讓成品達到較高可靠性，並以此為標準來衡量設計的可行性和優劣，而不是說走到哪算哪。而我們在借鑒的同時，一定要注意通過測評、分析來完成消化、吸收和提高。
CMJ：有這樣一種說法，我國的機床製造水平目前是“貌似而非神似”，應該就是您所強調的，光靠仿製是學不到人家的“精神氣”的，這可能也正是為什麼買家更願意購入進口機床，主要是擔心國產品的質量不是很可靠，靈活性不太強等等。
盛伯浩：專業技術的提升確實需要在整個製造業的發展長河中不斷孕育。比如說機床結構的設計就是很專業的領域，特別是具體的結構設計往往相當困難。說直白一點，光是靠聰明的大腦去想，有時也是沒用的，心裏沒底，就一定得做實驗驗證。
那麼，這些工作讓誰做呢？單個企業技術攻關有一定困難，如果交給學校做，在短短的教育培養間隙做此研究也並非易事。在德國，則分為學校、研究機構和企業三個層次。一是企業本身很有實力，有自己的科研所和實驗室；學校則負責把握新的思想和潮流；如果實在有的企業難以進行成果轉化呢？還會有專業的研究機構來幫你完成成果轉換。
CMJ：確實，現在大家都強調科研一定要以企業為中心，徹底將科研成果推向實用。可如果你的研究10年、20年後才能見效，就沒有資金願意支持。最好是說2、3年開發週期的產品，頂多也就5、6年，那麼有企業願意接受。何況在過去幾年內，大家都在爭擴產能。
盛伯浩：這是個矛盾。何況當前金融危機之下，機床行業更應該一步步地發展，不可能很多東西同時起步。企業如果看不到確定回報，就很難爽快地去投資，資金是個問題。也即，啟動攻關項目必須遵循一定步驟，如果大家都涌入同一領域，每家的投入力度都不強，很多科研課題就會重複做，而實際上只有那些做到應用階段的，才能看到一些成果。
從日本的經驗看，他們幾十年來在導軌研究方面做了大量基礎工作，這帶來的好處見效雖慢，但影響深遠。在中國往往是產能遮住了我們的視線，現在有能力擴產了，就靠產量去競爭，而不是倚重質量。當然，我們也有學校做研究，但市場要求你研究的時間又不能太長，那麽短期內能完成什麽呢？大多是一些模擬性的東西，取得的是階段性的試驗性成果。從這個角度看，企業、學校各有所長各有所短。
CMJ：國外的核心技術一般都不會透露給我們，那是否可以在用他們的產品或是合作的過程中偷師學藝，不斷地積累？
盛伯浩：當然，這樣可以積累到一些實際使用的比如裝配上的秘訣，加工工藝流程中的精度管理等。但是，就像我們感歎的那樣，往往是單獨的零部件精度是沒問題，但湊在一起就不滿足精度要求了—這歸根結底還是設計方法的問題。所以，要不斷地更新設計方法，現如今的設計也都嚴格要求考慮動態設計、熱能設計、可靠性設計。其實有關專業技術，在國外也不是所有資料都公開—雖然基本原理是公開的，但實際予以評判的參數會有各種變化和訣竅在裡面。
同時，我們還可以聘請有經驗的海外技術工程師來傳遞技能，在此基礎上，自己再不斷地在實踐中摸索、驗證。國內有一種現狀就是只要圖紙出來就行，以偏概全，這存在一些問題，但我們並不排斥這種方式，因為這是發展過程中的正常現象，也是縮短我們與國外機床水平之間距離的一個方法。
不容置疑的是，在產品製造的整個階段中，我們都必須考慮周全，將設計和製作規範化，把影響控制因素逐步變成規範和標準的約束對象。為什麼要強調工藝研究的重要性？因為只有把薄弱環節找出來，並按照一定的規範將工藝固定化、凝結在設備裏，才能切實提高製造水平。這會是一個漫長的過程。
CMJ：也就是說，我們可以借助外力，但自己也一定要認認真真地研究、考察，做好長時間積累的思想準備。
盛伯浩：是的。比如我們研究別人的機床時，要考慮它的各種負荷情況如何，比國內的到底好在哪？需要改進的地方又是什麼？國外也無非是這樣，一年一年地積累提高，不可能一蹴而就。值得借鑒的是，國外一直很重視設計，哪怕是一個元件的設計，也會用幾種新工藝去嘗試、推敲。
怎麼積累，怎樣不斷地發展，可以舉個小例子。比如說加工中心、數控機床有很多功能部件，過去傳統機床的部件之間大多通過機械連動，很少說把一個結構孤立出來做，因而只能做一些特別標準的東西。然後到了機電一體化以後，每個部件都有獨立功能，相互間的聯繫是通過電的聯繫——當然，以後能有無線的聯系會更好。這些新的變化在早期都會出現一些不穩定的問題，但隨水平的不斷提高，每個都能自成其獨立的單元。這樣的漸變過程，對於提升機床的質量來說無疑是相當有益的。
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