盛伯浩 京机床研究所| 提高国产数控机床的竞争力一直是个热点话题。面临当前国产数控机床及其构成柔性生产线的能力有待提高的现状，文中提出了切实可行的建议。作者亦畅谈如何将“共性技术”与“专业技术”两手抓，尽快缩短我国与国际先进技术水平之间的距离。 |
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近年来，我国数控机床产量的增速远超过GDP的增速，这当中市场容量、固定资产投资规模以及出口市场拓展等多方面因素起到了有力的推动作用。2008年上半年初开始，出现了国产数控机床销售率下降、库存量增大、订单量减少的徵兆，至下半年这一势态更渐趋扩大。进一步分析还可看到，产量增长率的下滑远大於产值的下滑，且进口额反而有同比增加的趋势，这个现象进一步说明市场对大型和高性能的数控机床有较大需求，同时也反映出国际金融危机下加强国产数控机床竞争力已刻不容缓。
有没有稳妥的策略方法能够切实推进数控机床的产值和经济效益的持续成长？笔者以为，当务之急是要通过提高技术含量来增加产品附加值。日本就是一个很好的样板，该国数控机床数量虽少於我国，但产值仍稳居世界首位，平均单台数控机床的产值约为我国的3倍。可以看到，不断地提升产品的性能、质量和可靠性，深化产品技术服务内涵，是增强国产数控机床市场竞争力的重要途径。
国产数控机床及其构成柔性生产线的能力有待提高
上世纪70年代起形成的以数控技术为中心的柔性制造技术，在本世纪仍将持续发展并成为加工技术发展的主流。在发展多样化的适用产品、实施中大批量生产时，柔性生产线的优势尤为明显，它们在可重构制造(Reconfigurable Manufacturing)技术支持下构建的制造系统具有高效柔性化的特点。通过发展可重构的多刃、多面复合加工的制造装备，并针对加工对象的特徵，对制造系统实现快速重组，能够更敏捷而经济地适应不确定市场对产品多变的需求，从而保证市场所需产品能迅速投放上市。
表1国内外中型加工中心性能对照表
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表1通过中型加工中心的性能对比，显示出国内高速数控机床及其构成柔性生产线，与国外同类产品的主要差距。显而易见，国产数控机床的可靠性与精度寿命急需提高。而根据2005年对国产品9种普及型加工中心和数控车床检测统计结果，在可靠性方面，国产机床的MTBF（平均无故障运行时间，Mean Time Between Failures）大部分仅为600-700h。同时，也对9种国产加工中心和数控车床的精度寿命（Tmk）进行测试与预估，发现两个问题：首先，9种机床的Tmk的差异接近1倍；而且大部分Tmk在高负载的两班制条件下，精度保持也只能达到2年。
汽车制造业作为数控机床的主要用户，约占其消费额的40%左右，国产机床在构建先进柔性生产线方面的能力亟待增强。
且让我们关注一下在汽车行业大显身手的柔性生产线（AFTL）——它按照敏捷制造单元（AMC）构建而成，主要特徵有以下三点：(1) 以多台功能相同且具有工序集中的数控机床如高效精密加工中心组成单元。(2) 应用二维物料输送装置使各工位加工的单元构建成生产线。(3) 其优点在於高柔性、高可靠性和利用率。比如德国Hueller Hilte制造的缸盖生产线，MAKINO美国公司制造的ABS生产线等。
表2 RMS 的基本结构及目标市场定位 |
在海外，RMS（可重构生产线）方面的研究应用已走在了前面，表2显示了RMS的基本结构及目标市场定位。美国国家科学基金会早在1996年便在密歇根大学成立了RMS工程研究中心，现已迈入工程应用阶段。我国还需结合国情迎头赶上，通过更好地发展新一代生产线，适应多变且具有不确定性的市场需求。
拓展柔性生产线的应用
在拓展柔性生产线应用的实践中不断使其完善，可采取如下一些切实可行的举措和手段。
1. 开展可靠性设计、研发可靠性测评技术
推进数控机床的可靠性与精度设计，确定合理的精度裕度，加强全面质量管理，切实保障数控机床可靠性和精度寿命的增长。实际上在我国，普及型加工中心和数控车床的MTFB在20年中平均增加了3到4倍，但是由於汽车制造业的高效生产条件，还会不断对其提出更高要求。
一般而言，数控系统（包括数控装置、伺服单元和主轴电机及控制单元等）的故障率通常占数控机床全部的25-40%。它的无故障运行时间的增长对数控机床的可靠性起重要作用。日本FANUC公司的数控系统经过10年努力，其返修率从1985年的11.5%(相当於MTBF为8.5个月)变成1994年的0.8%（MTBF为125个月），可靠性足足增加了13.5倍。
而数控系统主要的故障模式为元器件损坏、主轴控制失调和伺服进给系统失调等。导致数控机床故障概率增大的原因分为如下三方面：（1）数控系统和电气系统的电子元器件和编码器，检测装置等失效。（2）自动化功能部件如自动换刀装置、回转刀塔和监控装置等失效。（3）动力源控制装置复杂，其电、气、液等控制阀和开关增多，使失效机率增大。
可见，数控机床可靠性涉及的因素广，需应用系统工程的方法从设计、制造、装调、调试、测评和交验等整体流程予以控制改进，才可能获得可靠性的明显增长。
2. 生产线可靠性设计方法及评价指标
生产线中1台设备出现的故障，将会导致线中其他设备出现次生停机（Secondary Downtimes），特别是当生产线按“串联”形式组成时，这种现象尤为明显。为保障生产线较高的利用率，对生产线的可靠性设计需要建立如下四项平台技术。
(1) 研究制定生产线潜在停机模式及危害性分析（DMEA）指导资料（手册）。
(2) 根据生产线的各工位布局和对利用率（Availability）的要求，应用仿真技术得出各工位设备MTBF和技术利用率ATS的合理指标。
(3) 发展数控机床的FMEA（潜在故障模式及後果分析）技术，并针对故障特徵、构建各类数字化工程分析技术的应用，实现对设备结构、制造与装配质量的优化设计。
(4) 发展数控机床的RCM（基於可靠性的可维修性）设计技术，以减少MTTM（平均故障修复停机时间）。
3. 数控机床精度寿命设计技术
机床作为加工机器的机器，其精度及精度保持性是一个核心指标。精度的变化主要取决於四个方面：(1)摩擦磨损；(2)间隙和预紧条件变化使动态特性下降；(3)热力作用引起热变形；(4)构件内应力释放使制造精度降低。为此，从这四方面手，就能控制有损精度寿命的源头。
除了以上列述的几项有益於拓展柔性生产线应用的举措，其他需要研究的技术以及需制定的规范还包括：数控机床可靠性和精度寿命的测试技术，促进数控制造装备技术性能提升和可靠性增长的试验规范；有关敏捷化可重构柔性自动生产线的集成技术，全面优化生产线的规划设计；设定可靠性及精度寿命指标的预期目标，等等。
例如，预期目标方面，我认为我国业界应能在3至5年内达到以下目标：
(1)对於设备而言，MTBF2000h；MTTM10h；Cmk2.0；Tmk4年(两班制)；
(2) 如果是生产线，利用率ATS85%，Cpk1.67。
CMJ对话本期专题栏目作者盛伯浩先生：共性技术与专业技术双管齐下 尽快缩小与发达国家的差距
北京机床研究所副总师盛伯浩先生 |
CMJ：目前普遍认为我国的自主研发水平尚落後於发达国家，您认为，这个差距究竟有多大？
盛伯浩：以汽车行业为例，汽车制造用柔性生产线尤其是汽车发动机制造方面，我国的自主研发能力与国际先进水平约有20年差距。这也是为什麽我强调要加快攻关柔性生产线关键技术，而只有全面推进了高效精密数控机床的发展，才能确保为汽车制造业提供优质的国产成套制造设备。
CMJ：我注意到您也提议了一些具体方案，力求让国产数控制造装备及其组成的生产线能够较好满足制造业需求。比如建立数控制造装备性能测评和可靠性测试的测试中心等等。
盛伯浩：对的，通过设定切合国情的参考标准，并以之为门槛进行衡量，可以达到控制和保证机床的基本水平的目的，推动更多企业达到较高技术水平。比如说设定一个目标，MTBF从1000h发展为2000h，一般要3到5年时间，当然这还仅是部分有实力的企业优先达标。而且这个标杆也是水涨船高的，随我们技术和工艺手段的增长而逐步提高。
以上文提到的柔性生产线的研发为例，应该有实现跨越式发展的决心和勇气。为此，我们有必要建立研发的专业队伍，设定阶段性目标，在前期先发展敏捷柔性生产线，同时对可重构生产线进行工程研究。而在这个过程中，集结产、学、研、用的优势力量将是一条很好的途径。
CMJ：确实，业界对产学研的期待和呼声都比较高，比如对相关数控机床的一些基础共性技术，如能集中力量予以突破，对於缩小我国与发达工业国家的差距而言，应该是相当有益。
盛伯浩：不可否认，我国在基础研究方面还是比较薄弱的。“共性技术”指各类数控机床普遍存在的问题，如可靠性、精度、寿命等技术。正由於其具有普遍性，且在不同产品中又会呈现不同形态，最好是组织联合攻关，以取得事半功倍的效果。
这如果让单个企业独立运作就显得很困难，从现实角度考虑，企业必须要应付市场竞争，如果一个企业耗时耗力研究了对大家都有益的共性的技术难关，相对而言，他自己的投入和产出效益比例并不一定很高。这是一个很尴尬的现实问题。
CMJ：一般而言，核心技术可分为两大类，除了基础共性技术，还有专用性技术，比如五轴联动机床的刀具位置补偿技术，各类机床的工艺应用技术等都归属此类。这方面的提高该怎样实现？
盛伯浩：这其实并没有捷径，得常年积累。当然，现在我国的加工能力、工艺条件和资金环境都在逐步改善，但要真正达到国际水平还有很长的路要走，因为本国的制造商还没能达到较高水平。国外这方面的发展其实也是建立在相当长的工业发展历史之上的，不断改进细节以趋完善。
有人说可以借鉴仿制，可是简单地照搬别人的设计是不可行的，因为你不可能知道人家在装配中注意了哪些环节，达到了怎样的精确度，甚至哪些项目要检查等等，这些机密的“Know how”，你也是不能完全掌握的。但我们确实能借鉴国外经验，比如他们早在产品设计阶段已考虑如何让成品达到较高可靠性，并以此为标准来衡量设计的可行性和优劣，而不是说走到哪算哪。而我们在借鉴的同时，一定要注意通过测评、分析来完成消化、吸收和提高。
CMJ：有这样一种说法，我国的机床制造水平目前是“貌似而非神似”，应该就是您所强调的，光靠仿制是学不到人家的“精神气”的，这可能也正是为什麽买家更愿意购入进口机床，主要是担心国产品的质量不是很可靠，灵活性不太强等等。
盛伯浩：专业技术的提升确实需要在整个制造业的发展长河中不断孕育。比如说机床结构的设计就是很专业的领域，特别是具体的结构设计往往相当困难。说直白一点，光是靠聪明的大脑去想，有时也是没用的，心 没底，就一定得做实验验证。
那麽，这些工作让谁做呢？单个企业技术攻关有一定困难，如果交给学校做，在短短的教育培养间隙做此研究也并非易事。在德国，则分为学校、研究机构和企业三个层次。一是企业本身很有实力，有自己的科研所和实验室；学校则负责把握新的思想和潮流；如果实在有的企业难以进行成果转化呢？还会有专业的研究机构来帮你完成成果转换。
CMJ：确实，现在大家都强调科研一定要以企业为中心，彻底将科研成果推向实用。可如果你的研究10年、20年後才能见效，就没有资金愿意支持。最好是说2、3年开发周期的产品，顶多也就5、6年，那麽有企业愿意接受。何况在过去几年内，大家都在争扩产能。
盛伯浩：这是个矛盾。何况当前金融危机之下，机床行业更应该一步步地发展，不可能很多东西同时起步。企业如果看不到确定回报，就很难爽快地去投资，资金是个问题。也即，启动攻关项目必须遵循一定步骤，如果大家都涌入同一领域，每家的投入力度都不强，很多科研课题就会重复做，而实际上只有那些做到应用阶段的，才能看到一些成果。
从日本的经验看，他们几十年来在导轨研究方面做了大量基础工作，这带来的好处见效虽慢，但影响深远。在中国往往是产能遮住了我们的视线，现在有能力扩产了，就靠产量去竞争，而不是倚重质量。当然，我们也有学校做研究，但市场要求你研究的时间又不能太长，那麽短期内能完成什麽呢？大多是一些模拟性的东西，取得的是阶段性的试验性成果。从这个角度看，企业、学校各有所长各有所短。
CMJ：国外的核心技术一般都不会透露给我们，那是否可以在用他们的产品或是合作的过程中偷师学艺，不断地积累？
盛伯浩：当然，这样可以积累到一些实际使用的比如装配上的秘诀，加工工艺流程中的精度管理等。但是，就像我们感叹的那样，往往是单独的零部件精度是没问题，但凑在一起就不满足精度要求了—这归根结底还是设计方法的问题。所以，要不断地更新设计方法，现如今的设计也都严格要求考虑动态设计、热能设计、可靠性设计。其实有关专业技术，在国外也不是所有资料都公开—虽然基本原理是公开的，但实际予以评判的参数会有各种变化和诀窍在里面。
同时，我们还可以聘请有经验的海外技术工程师来传递技能，在此基础上，自己再不断地在实践中摸索、验证。国内有一种现状就是只要图纸出来就行，以偏概全，这存在一些问题，但我们并不排斥这种方式，因为这是发展过程中的正常现象，也是缩短我们与国外机床水平之间距离的一个方法。
不容置疑的是，在产品制造的整个阶段中，我们都必须考虑周全，将设计和制作规范化，把影响控制因素逐步变成规范和标准的约束对象。为什麽要强调工艺研究的重要性？因为只有把薄弱环节找出来，并按照一定的规范将工艺固定化、凝结在设备 ，才能切实提高制造水平。这会是一个漫长的过程。
CMJ：也就是说，我们可以借助外力，但自己也一定要认认真真地研究、考察，做好长时间积累的思想准备。
盛伯浩：是的。比如我们研究别人的机床时，要考虑它的各种负荷情况如何，比国内的到底好在哪？需要改进的地方又是什麽？国外也无非是这样，一年一年地积累提高，不可能一蹴而就。值得借鉴的是，国外一直很重视设计，哪怕是一个元件的设计，也会用几种新工艺去尝试、推敲。
怎麽积累，怎样不断地发展，可以举个小例子。比如说加工中心、数控机床有很多功能部件，过去传统机床的部件之间大多通过机械连动，很少说把一个结构孤立出来做，因而只能做一些特别标准的东西。然後到了机电一体化以後，每个部件都有独立功能，相互间的联系是通过电的联系——当然，以後能有无线的联系会更好。这些新的变化在早期都会出现一些不稳定的问题，但随水平的不断提高，每个都能自成其独立的单元。这样的渐变过程，对於提升机床的质量来说无疑是相当有益的。
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