我國(guó)裝備制造業(yè)的質(zhì)變分析

關(guān)心我國(guó)機(jī)械加工領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步，勢(shì)必要聯(lián)系世界范圍的發(fā)展。因?yàn)榧夹g(shù)與科學(xué)是沒(méi)有國(guó)界的，而且是相互促進(jìn)的。從這個(gè)角度來(lái)觀察分析，世界機(jī)械加工的技術(shù)演變，屬于“質(zhì)變”性質(zhì)的至少有方面。

    近三十年來(lái)世界機(jī)械加工領(lǐng)域質(zhì)變中，我國(guó)都一直積極參與，并作出了重要貢獻(xiàn)，某些方面甚至已進(jìn)入了世界前列。

    質(zhì)變表現(xiàn)為：

    智能型生產(chǎn)工具出現(xiàn)

    最近在政策研究室一次“產(chǎn)業(yè)選擇”座談會(huì)上，我提出一個(gè)觀點(diǎn)，“機(jī)床作為生產(chǎn)工具具備智能特性是人類(lèi)生產(chǎn)工具具有劃時(shí)代意義的發(fā)展，人類(lèi)正在迎接一個(gè)智能型生產(chǎn)工具時(shí)代的到來(lái)”，得到了與會(huì)的很多贊同。

    人類(lèi)的生產(chǎn)工具由手動(dòng)發(fā)展到具備動(dòng)力，馬克思認(rèn)為這是一次人類(lèi)生產(chǎn)工具的大,這種具備動(dòng)力的生產(chǎn)工具馬克思稱之為“工具機(jī)”(即機(jī)床)。由于時(shí)代的限性，馬克思沒(méi)有可能親身經(jīng)歷和接觸到人類(lèi)生產(chǎn)工具具備智能的這一變化。

    而當(dāng)工具機(jī)(機(jī)床)具備數(shù)控控制功能后，人類(lèi)的智能型生產(chǎn)工具的雛型才有可能出現(xiàn)，這是人類(lèi)生產(chǎn)工具新的又一具有劃時(shí)代意義的發(fā)展。

數(shù)控機(jī)床的出現(xiàn)標(biāo)示機(jī)床向智能化發(fā)展的萌芽。回溯機(jī)床的發(fā)展歷史，從1952年第一臺(tái)數(shù)控機(jī)床出現(xiàn)至今50余年，其中包括走向成熟的30年和走向大規(guī)模應(yīng)用的20年，特別是近幾年，陸續(xù)出現(xiàn)的機(jī)床智能化功能的進(jìn)一步增添，標(biāo)志著機(jī)床技術(shù)在發(fā)展道路上的質(zhì)變?？梢哉f(shuō)計(jì)算機(jī)控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、軟件功能拓展為機(jī)床智能化提供了物質(zhì)基礎(chǔ)。

    智能型機(jī)床尚無(wú)全面確切定義，簡(jiǎn)單地說(shuō)，是能對(duì)影響加工過(guò)程的多種參數(shù)及功能作出自我判斷并修正、和自我正確選擇并作出決定方案的機(jī)床;即智能型機(jī)床能夠監(jiān)控、診斷、評(píng)價(jià)、補(bǔ)償和修正在加工過(guò)程中出現(xiàn)的各類(lèi)偏差(如刀具半徑自動(dòng)檢測(cè)、刀具破損檢測(cè)、多軸同步差異等)，并能提供最優(yōu)化的加工方案(如調(diào)整機(jī)床加工時(shí)間、工藝路線、選擇最佳加工參數(shù)、主軸運(yùn)行狀況、位置補(bǔ)償、精度修正、熱變形補(bǔ)償?shù)?。最早出現(xiàn)的具有智能控制機(jī)床功能特性的，可以追溯到自適應(yīng)控制電火花加工機(jī)床，即根據(jù)加工參數(shù)變化自我調(diào)整電極與工件間的放電間隙，從而取得最佳加工效果。

    最近幾年，日本的山崎馬扎克公司陸續(xù)了智能主軸振動(dòng)控制、智能熱屏障、智能防撞屏障、語(yǔ)言提示；日本大隈公司了thinc智能數(shù)字控制系統(tǒng)等等。說(shuō)明隨著技術(shù)的發(fā)展，機(jī)床這種生產(chǎn)工具智能化的功能會(huì)越來(lái)越高級(jí)，越來(lái)越增多。人類(lèi)智能型生產(chǎn)工具的發(fā)展方興未艾，前景光明。

    加工方法逆向思維的突破

    快速成型(Rapidprototyping)技術(shù)是近二十年來(lái)出現(xiàn)的一種加工方法，是加工方法逆向思維的重大突破，是加工原理的巨大變革，與一直沿用至今的傳統(tǒng)“去除材料”(切削、沖剪、切割、磨削)的方法根本不同，快速成型技術(shù)實(shí)際上是反其道而行之的以“材料堆積成型”或稱之為“材料累加”方法、“增材制造方法”來(lái)達(dá)到制造工件原型的一種方法。采用復(fù)合紙、高聚物質(zhì)、金屬粉末、高溫合金、復(fù)合陶瓷、鑄造型砂等作為加工原材料；利用電熱、激光束、電子束作為能量源，按分層實(shí)體制造(LOM)、熔融沉積成型(FDM)、紫外線激光固化(SLA)、激光區(qū)域燒結(jié)(SLS)等方法來(lái)實(shí)現(xiàn)原型零件造型，用以加速考核零件設(shè)計(jì)的正確性與可行性，大大縮短整機(jī)生產(chǎn)周期，除了應(yīng)用于制造機(jī)械零件原型、型砂制芯，甚至也進(jìn)入立體藝術(shù)品型體塑形和人體醫(yī)學(xué)仿生件(如骨關(guān)節(jié))制造等相關(guān)領(lǐng)域。這是計(jì)算機(jī)科學(xué)、新材料科學(xué)、新能源科學(xué)綜成發(fā)展的最新產(chǎn)物。

我國(guó)在這個(gè)領(lǐng)域中，有華中科技大學(xué)、清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、同濟(jì)大學(xué)、中科院及上海聯(lián)泰、北京瑞科達(dá)、武漢濱湖機(jī)電技術(shù)產(chǎn)業(yè)有限公司等國(guó)有和民營(yíng)科研單位及企業(yè)積極投入。所的產(chǎn)品已進(jìn)入世界先進(jìn)行列。投入市場(chǎng)的產(chǎn)品品種繁多，年產(chǎn)幾百臺(tái)，技術(shù)已出口新加坡。

    機(jī)床結(jié)構(gòu)出現(xiàn)性變革

    近二十年來(lái)世界機(jī)床設(shè)計(jì)出現(xiàn)了性的變革，一種“并聯(lián)結(jié)構(gòu)”機(jī)床出現(xiàn)了，“并聯(lián)結(jié)構(gòu)”完全不同于所有傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)機(jī)床結(jié)構(gòu)是串聯(lián)結(jié)構(gòu)，即是按笛卡爾坐標(biāo)沿三個(gè)坐標(biāo)線方向運(yùn)動(dòng)和繞這三個(gè)坐標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)依次串聯(lián)疊加起來(lái)，形成所需刀具的相對(duì)運(yùn)動(dòng)軌跡的機(jī)床結(jié)構(gòu)，其所有的結(jié)構(gòu)幾何精度誤差、力的傳遞和剛度的損失，都會(huì)形成串聯(lián)累積而成為致命的薄弱環(huán)節(jié)。而并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床，是通過(guò)多桿結(jié)構(gòu)在空間同時(shí)運(yùn)動(dòng)來(lái)移動(dòng)主軸頭實(shí)現(xiàn)加工動(dòng)作，與串聯(lián)結(jié)構(gòu)相比，并聯(lián)結(jié)構(gòu)具有更為簡(jiǎn)化、剛度更高、動(dòng)態(tài)性能(包括精度保證及運(yùn)動(dòng)效率)更好等一系列主要優(yōu)點(diǎn)。

    二十年來(lái)，世界范圍內(nèi)大約有十幾個(gè)二十多個(gè)團(tuán)隊(duì)在從事這方面的研發(fā)，其中瑞典TRICEPT公司己供應(yīng)商品四百余臺(tái)，廣泛應(yīng)用于空客、波音及通用汽車(chē)公司和卡特彼勒大型工程機(jī)械廠，另外若干團(tuán)隊(duì)都曾經(jīng)分別展出試制品，近幾年雖然缺少進(jìn)一步報(bào)導(dǎo)，但并未停步。據(jù)作者與其中某些團(tuán)隊(duì)(例如日本豐田工機(jī)、大隈、德國(guó)Index)接觸，他們?nèi)栽诩涌旃リP(guān)，努力提高性能中，我國(guó)機(jī)床工具業(yè)也有五、六個(gè)產(chǎn)學(xué)研結(jié)合體在進(jìn)行這方面研發(fā)工作，其中哈爾濱量具刃具集團(tuán)與哈爾濱工業(yè)大學(xué)合作研發(fā)的并聯(lián)結(jié)構(gòu)品種(六桿結(jié)構(gòu))已批量生產(chǎn)五臺(tái)，成功應(yīng)用于哈爾濱汽輪機(jī)廠葉片加工生產(chǎn)線中；齊齊哈爾第二機(jī)床集團(tuán)與清華大學(xué)合作的龍門(mén)式“混聯(lián)”結(jié)構(gòu)(即串聯(lián)與并聯(lián)混合)機(jī)床，是我國(guó)獨(dú)立構(gòu)思的品種，已成功用于哈爾濱電機(jī)廠的大型水電站設(shè)備制造中。

    在最近一次北京舉辦的數(shù)控機(jī)床展覽會(huì)(CCMT2008)上，哈爾濱量具刃具集團(tuán)數(shù)控設(shè)備廠展出了一種具有新的突破意義的并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床品種LINKS-EXE700，它是由瑞典原TRICEPT發(fā)明人新創(chuàng)辦的EXCHON新的，哈量集團(tuán)是作為在獨(dú)家引進(jìn)此項(xiàng)技術(shù)進(jìn)行生產(chǎn)，并繼續(xù)合作開(kāi)拓應(yīng)用領(lǐng)域的企業(yè)，新的LINKS-EXE700并聯(lián)結(jié)構(gòu)機(jī)床其特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)進(jìn)一步簡(jiǎn)化，加工范圍增大，動(dòng)作快速，剛性和精度顯著提高，五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控編程進(jìn)一步改進(jìn)便于掌握。

進(jìn)行不同功能配置后，可廣泛應(yīng)用于航天、航空、機(jī)車(chē)、汽車(chē)、工程機(jī)械、模具工業(yè)作銑鏜、鉆削、磨削、焊接、鉚接、打毛刺和裝配之用，可以單機(jī)使用，也可以多臺(tái)配置成生產(chǎn)線。對(duì)于超長(zhǎng)機(jī)翼或巨大的機(jī)車(chē)車(chē)架加工，還可以將“并聯(lián)機(jī)構(gòu)”架在軌道上的或龍門(mén)框架上的移動(dòng)底座上使用(加工時(shí)移動(dòng),可以分段自動(dòng)精確定位),實(shí)現(xiàn)大尺寸工件加工。

    因此,為了迅速擴(kuò)大使用領(lǐng)域,除了供應(yīng)“并聯(lián)結(jié)構(gòu)通用性機(jī)床”產(chǎn)品外，還應(yīng)當(dāng)把“并聯(lián)結(jié)構(gòu)制造廠”(如哈量)提供并聯(lián)結(jié)構(gòu)份與用戶行業(yè)裝備制造廠(如汽車(chē)、機(jī)車(chē)、工程機(jī)械、航空行業(yè)專(zhuān)業(yè)工藝裝備廠)提供不同類(lèi)型基座或移動(dòng)框架，以及和對(duì)專(zhuān)用裝備有意愿的機(jī)床廠結(jié)合起來(lái)，有針對(duì)性地?cái)U(kuò)大這類(lèi)機(jī)床產(chǎn)品的銷(xiāo)售市場(chǎng)。

    工具概念的變異

    傳統(tǒng)的機(jī)械加工工藝體系一般是由機(jī)床―工具--(夾具)--工件組成，而工具環(huán)節(jié)按傳統(tǒng)的分類(lèi)無(wú)非是車(chē)刀、銑刀、鏜刀、鉆頭、拉刀、砂輪、沖模、壓模之類(lèi)。而所有這些工具無(wú)非都是具有一定硬度的實(shí)體，如高速鋼、工具鋼、硬質(zhì)合金、立方氮化硼、單晶及聚晶金剛石、陶瓷等材料制成的工具。后來(lái)氧炔高溫切割方法出現(xiàn)了，電能源的放電加工方法、電化學(xué)加工、激光加工方法、電子束加工法、離子注入法、光刻法等陸續(xù)出現(xiàn)，直到近年，屬于”冷能源”、”軟介質(zhì)”的高壓水射流(俗稱“水刀”)加工方法以嶄新姿態(tài)登場(chǎng)，配合多座標(biāo)數(shù)控技術(shù)在汽車(chē)工業(yè)新產(chǎn)品試制(中可以大大縮短周期。我國(guó)己有南京水刀有限公司和南京工藝裝備制造有限公司等向市場(chǎng)提供產(chǎn)品。高壓水射流(水刀)加工在其它應(yīng)用領(lǐng)域正在迅速拓展。這種以“軟”克“硬“的加工工具的出現(xiàn)令人眼花繚亂、應(yīng)接不暇。

    機(jī)械加工領(lǐng)域的進(jìn)步屬于“量變”或稱之為“漸變”的還有很多，例如加工精度的提升，幾乎每十年就提升一個(gè)數(shù)量級(jí)，亞微米、納米加工不斷升級(jí)等等，不勝枚舉。

    從瑞典向國(guó)內(nèi)引進(jìn)技術(shù)的“Transflex”型機(jī)床，預(yù)計(jì)2009年初在即將以首先投產(chǎn)的新產(chǎn)品在市場(chǎng)上亮相，也是世界范圍第一次亮相。Transflex顧名思義包含Transferline(剛性傳送生產(chǎn)線)和Flexibleline(柔性生產(chǎn)線)兩種涵義，具備兩者基因。它的原理是由多種動(dòng)力頭，仍按生產(chǎn)線布，但執(zhí)行加工的出場(chǎng)先后或動(dòng)作，由數(shù)控系統(tǒng)控制，而夾持工件則由懸掛式機(jī)械手執(zhí)行。這種Transflex機(jī)床結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積小，節(jié)輔助時(shí)間，可適應(yīng)加工位更為復(fù)雜的工件，是一類(lèi)值得關(guān)注的機(jī)床“另類(lèi)”。

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