國內數控機床發(fā)展回顧

時間：2014-10-06

國內數控機床發(fā)展回顧

武漢嘉倍德科技有限公司是一家**的數控切割機械研發(fā)生產企業(yè)，公司主要經營數控切割機、數控火焰切割機、數控等離子切割機、數控割、相貫線切割機、水下等離子數控切割機、激光切割機等加工設備。激光切割機等加工設備。產品主要應用于機床機械、工程機械、汽車、船舶、機車、石油機械、航空航天、紡機、糧機、電器、電梯等領域，包括鋼板**切割機、鋼結構**切割機、汽車**切割機、船舶**切割機、廣告與鈑金行業(yè)**切割機、航空航天制造用切割機、環(huán)保壓力容器成套切割設備及其他相關焊接設備等。
公司2006年成立至今，始終致力于國內數控切割機床產品的設計、研發(fā)、生產、制造和銷售工作，曾針對國內數控機床市場的相關焦點問題刊發(fā)多篇專題問題，引起行業(yè)關注和熱議，公司技術部在2009年至2010年少見刊發(fā)了的“我國機床產業(yè)轉型升級”專題，成為行業(yè)的關注熱點，得到了眾多*、企業(yè)高管及業(yè)界同仁的認可，并與今年公布的十二五規(guī)劃的一些方針不謀而合，在一定程度上對行業(yè)發(fā)展起到了推波助瀾的作用。此次的“機床產品**與設計”專題是公司技術部總工及總經理葉大襄先生又一傾心力作，編者預讀部分篇章后，感覺前瞻性與實用性兼?zhèn)?，頗有啟迪。此專題將分為機床基本構成的新概念、機床性能設計的新方法和**的機床產品三大部分，現摘選部分章節(jié)以餐讀者。

一、引言
　　“機床產業(yè)轉型升級途徑”專題發(fā)表后，受到許多讀者的鼓勵和厚愛，希望葉先生再就產品**寫些文章，作較深一層次的探討。而在今年4月在北京舉辦的CIMT2014是**機床制造商面對世界經濟、社會和工業(yè)發(fā)展新需求，大力轉變發(fā)展方式、大力推進產業(yè)和產品結構調整和轉型升級的首輪成果展示，其主題就是“將以科技**迎接后危機時代”。
　　展望“十二五”，產品**無疑將是我國機床產業(yè)可持續(xù)發(fā)展和提升競爭力以及邁向機床強國的頭等大事。新的《機床產品**與設計》專題將由16篇文章構成，分別闡述機床**和設計的新概念、新思路、新方法和新趨勢，旨在為我國機床企業(yè)迎接新的挑戰(zhàn)助一臂之力。
　　產品**不僅是機床產業(yè)本身發(fā)展的需要，還將為其他產業(yè)帶來直接和間接的效益。例如，許多新興產業(yè)，像生物芯片、**光電器件、復合材料等產業(yè)化所需新裝備都要**開發(fā)對應的新型機床作為必要的生產手段；其次，機床產品**帶來的效率提升直接讓所有用戶企業(yè)得益，也就是說一臺機床提高生產效率，能降低所生產的工業(yè)品和消費品的成本。在間接效益方面，機床**構思往往追趕原先的應用領域，“溢出”到用戶企業(yè)，啟發(fā)用戶將**構思移植到自身的新產品中，帶動進一步的**和產業(yè)結構的轉型升級。

二、產品**的基本概念
　　眾多的研究表明，產品**不是孤立的事件，其形成機制和過程呈現出與生物進化類似的路徑依賴特征。在一個產業(yè)的發(fā)展過程中，業(yè)內對技術的應用范圍、實用**、未來發(fā)展路向等方面的共識，會逐漸地形成一套技術范式，表現為行業(yè)內奉為**的主流產品設計思路和引導行業(yè)**路線的技術軌跡。
　　基于技術軌跡概念，**可分為是沿著既有技術軌跡向前推進，對主流設計進行模仿性、維持性、演進性改良的連續(xù)**，或另辟蹊徑、跳出技術軌跡以外，對既有市場格局和技術產生突破性、顛覆性改變的不連續(xù)**兩種模式。
　　連續(xù)**和不連續(xù)**除了在技術軌跡上不同之外，在風險、回報、實施方法等各個方面都有所分別。開發(fā)不連續(xù)**產品是實現自主**的重要一環(huán)，但開發(fā)不連續(xù)**產品所需的技術較為陌生，可供借鑒的知識和經驗不多；此外用戶對不連續(xù)**不熟悉，在推廣應用方面需要投入的資源較多，而且需要面對產品不為用戶接受的風險。
　　機床是復雜的工業(yè)產品，其開發(fā)周期和投資都遠比一般消費品為高，企業(yè)在規(guī)劃**路線之前，有必要把握好新產品的**度，平衡連續(xù)**與不連續(xù)**構思所伴隨的風險和回報，以**較好的**績效。
　　金屬切削機床是機床產業(yè)的主體產品，它以高剛性金屬鑄造或焊接床身、笛卡爾坐標系運動學、電動機驅動主軸等作為產品的主流設計概念，并以不斷提高機床的功率和定位精度作為技術進步的評價標準，在這個基礎上持續(xù)不斷地出現各種以功能部件改進為標志的連續(xù)**。
　　持續(xù)的**和不斷的改進帶動機床產品性能的提升，以切削加工機床為例，從上世紀40年代到現在，車削、銑削、磨削機床等的加工精度都經歷了持續(xù)的、大幅度的提高。
　　在各類機床的演進過程中，雖然部分機床引入了人造大理石床身、直接驅動等技術跨度較大的新技術；但總的來說，機床產業(yè)和用戶仍然以主流設計為參照系來理解和評價這些新技術的優(yōu)劣。加以上述突破性**構思具有共性，能應用在各類機床上，除了牛頭刨床、仿形機床等個別例子外，沒有出現整個機床類別被淘汰的現象，而相反在原**床類別中派生出諸如車銑復合等新的機床類別，令機床產品的技術范式在較長一段時間內相對穩(wěn)定和漸進發(fā)展，以連續(xù)**為主。
　　連續(xù)**雖然為機床產業(yè)和用戶帶來很大的直接和間接的效益，技術范式的規(guī)范作用也指引機床產業(yè)的技術發(fā)展方向，降低**所帶來的不確定性和風險。但是，正如Moreau和Christinsen等學者指出，技術范式約束了企業(yè)和用戶的思維，降低了機床產業(yè)對當前社會經濟變化的敏感性，令即使良好的企業(yè)也可能會變得短視，不研究或不積極推出脫離技術軌跡的**產品。因此，當代表嶄新產品類別和使用模式的**構思進入市場時，積極采納新構思的企業(yè)將****優(yōu)勢，顛覆當前市場**者的控制，并且創(chuàng)造新的周期。那些不能預見技術軌跡變化的企業(yè)，則隨著舊范式的瓦解而逐漸衰亡。武漢嘉倍徳科技市場部認為，我們在**長期發(fā)展戰(zhàn)略時固然應該重視不連續(xù)**，但也不能偏廢連續(xù)**，處理好兩者的互動和互補關系。

三、機床產品的不連續(xù)**
　　回顧歷史，機床產業(yè)經歷了幾次主要的技術范式較迭。*來，機床產品在技術層面依次出現了天軸皮帶傳動、交流電動機驅動、計算機數控、加工中心和多軸復合加工5類不連續(xù)**。

　　3.1 天軸皮帶傳動
　　天軸皮帶傳動將機床從手工業(yè)的工具提升為工業(yè)化機械裝備的主角。蒸汽機和大型直流電動機的外部動力通過車間上方的天軸和皮帶傳送至每臺機床，并且借助塔輪機構實現主軸3～5種速度的變換（變速范圍小于10）。雖然從結構而言，天軸皮帶傳動機床和其前身人力驅動機床沒有重大分別，但由于穩(wěn)定的機械動力代替人力，降低對工人的體力和技藝要求，延伸了人的體力，使“工具”轉變?yōu)椤肮ぞ邫C”，大大促進工廠這一現代制造組織形態(tài)的形成。

　　3.2 交流電動機驅動
　　交流電動機的出現使集中驅動方式轉變?yōu)榉稚Ⅱ寗?，使動力提供和加工功能集成為一體。交流電動機取代了皮帶，通過齒輪變速箱傳動來驅動機床主軸，實現12～24種速度的變換，變速范圍可達100以上。由于機床主軸轉速、功率和扭矩大幅度提高，大大提高了機床加工效率和加工范圍。雖然機床仍然由人工操作，一人一機、完成一道工序，但車間不再顯得那么擁擠和嘈雜，可以營造明亮和整潔的工作環(huán)境，工人勞動條件有了明顯的改善，成為現代化生產的一種象征。
交流電動機驅動的出現使機床不斷向大型化、精密化和自動化發(fā)展，可采用多臺電動機驅動機床的不同部件，以簡化傳動鏈和提高自動化程度，并進一步與外圍輔助裝置和物料輸送裝置集成，構成自動化單元或自動線。
　　直到今天為止，交流電動機驅動的機床，即普通機床仍然在我國制造業(yè)中廣泛使用，是一般工廠加工設備的主體。

　　3.3 數控機床
　　如果說，普通機床是電氣時代的象征，那么數控機床就是電子時代的產物，它延伸了人的腦力。借助數字控制的步進或伺服電動機驅動機床部件，使刀具在數控程序指揮下走出空間運動軌跡，以加工復雜曲面。因此，**的主體是進給運動而不是主運動。
　　數控機床的出現使機床從一種機械產品轉變?yōu)闄C電一體化產品，隨著微電子技術的發(fā)展，伴隨著許多*二層次的連續(xù)和不連續(xù)的**，諸如進給驅動方式從步進電動機、電液伺服進化為直流伺服、交流伺服，直到直接驅動。數控系統(tǒng)從數字控制進化為直接數控、計算機數控等。
數控機床除了大大提高了生產效率，淘汰了仿形機床外，還對工廠運作和管理產生了根本性的改變。例如每臺普通機床需要一名工人操作，加工質量取決于工人的技藝，而數控機床可以實現人機在空間和時間上的分離，加工的質量和效率主要取決于數控編程和刀具預調，即知識而并非技能，促進了勞動知識化，跨入了知識型制造的時代。

　　3.4 加工中心
　　加工中心與一般數控機床的區(qū)別在于增加了換刀機構和刀庫，并將主軸傳動從變頻調速改為伺服調速，以實現主軸定向停，以便進行刀具交換。將加工中心歸為不連續(xù)**的較重要原因在于機床從人工更換刀具變?yōu)樽詣痈鼡Q刀具后，生產組織將從一臺機床只完成一道工序轉變?yōu)榭梢酝瓿啥嗟拦ば?，單臺機床可以替代多臺機床完成一個工件的加工任務，提高了生產柔性，簡化了物料流，改變了生產車間的布局和管理模式。

　　3.5 復合加工機床
　　復合加工機床將車、銑、磨等多種不同類型的加工工序整合到同一臺機床上，借助**數控系統(tǒng)控制不同的主軸和進給部件對工件進行多軸聯動加工，實現一個復雜工件在一臺機床上加工完畢。一臺車銑復合加工機床與車削或銑削加工中心相比，復合加工機床并不在于主軸功率和定位精度方面的優(yōu)勢，而是由于工件只需要一次裝夾，因此在多次加工后的累計誤差較小，可明顯提高復雜工件的加工精度，減少了所需機床的臺數和占地面積，簡化了物料流，縮短了整個工藝流程，降低工藝局限對產品設計的制約。

　　以上列舉的機床不連續(xù)**，雖然沒有改變機床的基本工作原理，其不連續(xù)性是體現在大幅度地提高了機床的性能和用戶**。它的深遠影響在于觸發(fā)了用戶企業(yè)改變既有的生產模式和產品設計，而新的生產模式和新的產品又促進了對新機床的需求。

四、機床不連續(xù)**的啟示
　　回顧機床**的歷史，毫無疑問連續(xù)**是機床**的主流，而且通過不斷推出連續(xù)**，良好的機床企業(yè)可在一定時間內有效地鞏固自身的**地位。但是，在很多情況下不連續(xù)**才是根本性地改變機床產業(yè)格局的決定性因素。目前世界機床產業(yè)是否處于技術軌跡轉軌的關鍵時刻，較近國外機床制造商推出的某些新產品的出發(fā)點與以前大不相同，是否正在孕育著重大變革？我們**密切加以關注。
　　因此，有必要進一步分析哪些因素促成不連續(xù)**？在什么情況下會再出現？

4.1 技術革命的推動
工業(yè)革命導致天軸皮帶傳動機床的出現，電氣革命使交流電動機驅動獲得普遍應用，微電子革命推動數控機床功能不斷完善。進入互聯網和物聯網時代，機床將不僅是一臺設備，而且是網絡中的一個節(jié)點，這對機床的產品**將會產生什么影響？嘉倍徳科技認為，能夠借助網絡擴大機床功能范圍和提高其創(chuàng)造**能力的將不是硬件，而是軟件，軟硬結合將成為下一代機床的重要特征，是未來機床產品**的方向。

4.2 用戶需求的拉動
不斷提高生產效率是一個永恒的主題。交流電動機驅動與天軸皮帶傳動相較，大幅度提高了機床的切削速度和功率，而數控機床進一步解決了復雜形狀工件加工的難題，加工精度不斷提高。用戶的新需求在哪里？嘉倍徳科技認為，**是新材料，例如復合材料和難加工材料，都存在加工難題，需要新機床和新刀具去加以解決；其次是極限制造，**大、**重、細微加工機床已經進入機床產品**者的視野。

4.3 社會環(huán)境的影響
回顧歷史，機床是生產設備，是構成工廠的重要組成部分，不斷改善人機關系和機床與環(huán)境的關系將成為可持續(xù)發(fā)展的關鍵。首先機床是用電產品，我國大約有近千萬臺機床在運行，僅2010年就生產金切機床75萬臺、成形機床26萬臺，節(jié)能和環(huán)保是大問題；何況歐盟2012年將出臺機床能效標準，在機床新產品開發(fā)時不考慮節(jié)能和環(huán)保將導致重大失誤。其次，不斷提高勞動者的素質、改善勞動條件和工作環(huán)境也是社會發(fā)展的需要。

4.4 知識供應鏈
機床產業(yè)的技術進步和發(fā)展離不開科學研究。**來機床列強都是以強大的科研為支撐的。例如，20世紀初德國柏林工業(yè)大學機床*所長Schesinger教授**下**的機床檢驗標準原則一直沿用至今。亞琛工業(yè)大學機床實驗室主任Opitz教授在上世紀60年代提出的成組技術編碼系統(tǒng)對成組技術的發(fā)展產生重大影響。上世紀80年代塔姆斯特工業(yè)大學生產技術與機床*在高速加工機床和工藝以及斯圖加特大學機床控制*在開放式數控系統(tǒng)領域的研究對德國機床工業(yè)的發(fā)展都起到了很大的推動作用。

五、結語與展望
　　曾經錯誤地認為，不連續(xù)**產品在帶來產品優(yōu)勢的同時，也會降低產品的客戶熟悉度，抵消產品優(yōu)勢提升對**績效的貢獻。然而，隨著對**實質的了解加深，發(fā)現連續(xù)和不連續(xù)**構思并非對立，一款新產品可以同時包含連續(xù)和不連續(xù)**構思，新產品中的連續(xù)**，可以幫助吸引用戶、降低用戶對不連續(xù)**的抗拒?？紤]到連續(xù)**和不連續(xù)**的疊加效應以及產品**和生產系統(tǒng)**兩方面的結合，機床產品**的未來趨勢有以下三個方面：

5.1 生態(tài)機床
綠色制造是可持續(xù)發(fā)展的前提，機床作為制造裝備**體現節(jié)能減排、以整體效益為本的評價標準。多年來，精度、速度、功率等測度的機床能力指標是機床產品的主要追求目標。當前在阻止環(huán)境惡化的壓力下，工業(yè)生產需要*地降低對環(huán)境的負面影響，機床的發(fā)展方向也應該從提高能力指標轉變?yōu)樘?益指標，以較少投入獲得更多產出。例如，通過移動部件輕量化可以達到減少驅動功率的消耗，配合**刀具、工藝過程和切削液可以減少廢棄物排放。

　　5.2 聰明機床
基于互聯網和計算機技術的智能化是機床進一步延伸人的腦力的體現。智能化可以提高機床工作的穩(wěn)定性和**性。聰明機床能借助各種傳感器對自己的狀態(tài)進行監(jiān)控，自行分析與機床狀態(tài)、加工過程以及周邊環(huán)境有關的信息，然后自行采取應對措施來**較優(yōu)化的加工。換句話說，機床已經進化到可發(fā)出信息和自行進行思考及調節(jié)。例如，能減小振動的主動振動抑制，能控制熱位移的智能熱屏障，能防止部件碰撞的智能安全屏障，語音提示和短信通知以及按照加工要求幫助選擇切削參數等。

    5.3 客戶化
    從大批量生產向大規(guī)模定制轉變是制造業(yè)總趨勢，機床產業(yè)也不例外。當好用戶的工藝師不是一句空話，用戶生產的產品是不同的，對機床設備的要求也當然各異。例如，復合加工機床的目標是一個復雜工件在一臺機床上加工完畢，不同工件有不同的工藝過程和加工方法，復合機床的配置就應該有所不同?？梢灶A見，相當一部分只專注生產和銷售傳統(tǒng)通用機床的企業(yè)將被為用戶提供模塊化、可重構、柔性化的全面解決方案的競爭者所逐步取代。

　　葉先生原文將圍繞機床與計算機的結合、與應用的配合、與環(huán)境的協(xié)調等愿景，分三大部分（1. 機床的構成、2. 機床的性能設計、3. **的機床產品）來探討，包括機床結構配置、主軸設計、進給驅動和工作臺設計、機床的數字控制及其智能化、機床靜態(tài)精度和動態(tài)性能設計、熱性能設計、機床的節(jié)能和生態(tài)設計、人機工程設計、微加工機床與桌面工廠、精密與**精密機床、并聯運動機床等機床產品**的較新進展，和讀者一起探討**機床產品的的現狀和未來發(fā)展趨勢，敬請關注和賜教。

    武漢嘉倍德科技有限公司是一家**生產數控切割機，數控激光切割機，數控火焰切割機，數控等離子切割機，數控火焰等離子兩用切割機，廣告數控切割機，數控相貫線切割機，等數控產品為一體的高新企業(yè)，公司始終奉行“以質取勝，以誠為本”，的經營理念，堅持“以服務為主導，以性價贏市場”的指導方針。本著客戶**的原則，追求完善的服務。24小時提供主機展示、銷售、送貨上門、安裝調試、技術維修等服務。較大限度的為用戶提供服務。
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