機床產品創(chuàng)新的概念和趨勢
發(fā)布日期：2016-11-08 來源：《上海設備管理》
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一、新需求是創(chuàng)新的拉動者
隨著科學技術的進步，制造業(yè)，特別是汽車、航空航天、微電子、模具等新興產業(yè)的發(fā)展，新產品層出不窮，零件的形狀越來越復雜，零件的材料更加難以加工，零件的幾何精度和表面質量要求也越來越高。這些國民經濟支柱產業(yè)的新需求不僅促使新的工藝、新的刀具材料和結構的出現(xiàn)，更需要能夠滿足這些加工要求的新一代機床。
據統(tǒng)計，數(shù)控機床的加工精度和切削速度每8～10 年提高一倍。定位精度很快將告別微米時代而進入亞微米時代，機床的精密化與高速化匯合而成新一代高性能數(shù)控機床。高性能數(shù)控機床是下一代汽車和航空制造需要的關鍵裝備，是未來10 年數(shù)控機床的亮點。
制造技術的進步不僅是切削速度和加工精度的提高，還表現(xiàn)在加工工藝的變化。例如，1990～1995 年期間，數(shù)控車床主要用于加工回轉體零件；從20 世紀90 年代中期開始，在數(shù)控車床上配置了自驅動的銑削刀具，可以加工具有回轉表面的殼體零件；進入21 世紀，各種機器的性能日益提高，其能加工零件的結構和形狀也越來越復雜，并且希望在一臺機床上將一個復雜零件加工完畢，借助工序集中以縮短加工流程、提高效率和保證加工精度。工序集約化的需求導致車銑復合加工機床的出現(xiàn)，機床的總體配置、加工工藝和數(shù)控軸數(shù)，與傳統(tǒng)的數(shù)控機床相比都發(fā)生了很大的變化。
二、機床與人和環(huán)境的關系
機床不是孤立的貨物，它是在車間運行的生產裝備，在把毛坯轉化為零件的同時消耗能源，排放固體、液體和氣體廢棄物，并與操作者、其他機器、車間環(huán)境和生態(tài)環(huán)境發(fā)生各式各樣的關系。機床與人和環(huán)境的關系是外部矛盾，其大部分影響都是負面的，處理不當會造成內部矛盾的激化，降低機床的加工效率，甚至導致對人的危害和對環(huán)境的破壞。
研究和理解機床與人和環(huán)境的關系，可以減少機床使用時所產生的負面影響，提高機床的使用效率，保護操作者的健康，改善車間環(huán)境，降低生產成本，從而獲得更強大的市場競爭力。
1、宜人學：人機關系
宜人學，也稱為人機工程，是研究人與機器關系的科學。在工業(yè)革命初期，工人是機器的附屬物。在昏暗、嘈雜和擁擠的車間里，機器快節(jié)奏地運轉，工人不斷重復簡單而枯燥的動作，容易產生疲勞，損害健康，造成各種職業(yè)病。
隨著科學技術和社會的進步，人們開始發(fā)現(xiàn)，提高勞動生產率的途徑不僅是提高機器的效率，更重要的是人的能動性，機器是在人的指揮下工作的。何況現(xiàn)代生產需要的不僅是人的體力，更重要的是人的知識和智慧，人是生產中最寶貴的資源。保持人力資源的可用性和高效率，即勞動者的身體健康和良好的心理狀態(tài)，成為現(xiàn)代化生產面臨的新挑戰(zhàn)。數(shù)控機床實現(xiàn)了人與機在空間和時間上的可分離性。機床主要是在數(shù)控程序的指揮下完成加工任務的，人不再需要直接操作機床的動作。機床設計師的任務是使車間編程和仿真能夠有效地應用，使機床操作和維護更加方便，不僅要保證操作者的安全和健康，還能使工作更加輕松和愉快。
智能化是改善人機關系、加強人機協(xié)作的高級階段。機床不僅延伸了人的體力和腦力，而且越來越聰明。機床的智能化使數(shù)控機床的操作更加方便，進一步提高機床的性能，加強人機之間的交互和通信，防止意外的發(fā)生。例如，馬扎克公司開發(fā)了下列7 種機床智能化功能：①主動振動抑制（AVC），可減少刀具運動軌跡突然轉向時的振動；②智能溫度補償（ITS），可補償溫升引起的熱變形位移；③智能安全屏障（ISS），可防止運動部件之間碰撞和干涉；④語音警示（MVA），在可能發(fā)生事故時，提示操作者注意；⑤運動精度測量（IPS），監(jiān)控定位精度的變化；⑥機床維護支持（IMS），提示需要維修部位并提供維護指南；⑦智能慣性平衡（IBA），消除高速轉動的不平衡度。
2、廢棄物：車間環(huán)境
在機床運行過程中不斷產生廢氣、廢液和切屑，它們污染車間的工作環(huán)境，消耗能源，危害人的健康。如何在機床設計時就考慮減少廢棄物的排放，節(jié)約能源，凈化車間環(huán)境，對廢棄物的回收和再利用是新的挑戰(zhàn)和發(fā)展趨勢。
例如，德國戴姆勒奔馳（Daimler Benz）汽車公司為改善車間工作環(huán)境和提高生產過程能效的措施主要從以下3 方面入手：
1）廢氣排放管理，保證車間的空氣流通和溫度適中。
2）冷卻液和切屑處理，實現(xiàn)廢棄物的回收和再利用。
3）廢水處理，經過過濾和處理后再排放。
車間通風方式為層流通風，該方式通風面積率高，能耗較低。對切削加工產生的油霧可采取水淋法處理，空氣凈化再循環(huán)。對熱加工設備，則可采用熱交換能量回收系統(tǒng)，使加工過程中產生的廢氣所蘊含的能量得到利用。機械加工的冷卻液回收和切屑分離由切削冷卻液回收系統(tǒng)、切屑分離系統(tǒng)和溫度可控的冷卻液制備裝置組成。冷卻液和切屑的混合物經過過濾后借助離心機甩干后用壓力機將切屑壓成塊狀，以便回收再利用。而已經不含切屑的冷卻液用泵輸送到冷卻液集中供給系統(tǒng)，進一步過濾和溫度控制后循環(huán)再利用。
對于不是大量生產的車間需要考慮機床本身的冷卻液循環(huán)、工作空間溫度的控制以及切屑分離。對于采用干切削、微量潤滑（MQL）和高速加工的機床，切屑往往帶有大量熱量，如何保證切屑快速從機床移除是保證機床工作精度的重要環(huán)節(jié)。
三、機床產品的創(chuàng)新理念
產品創(chuàng)新不僅是機床產業(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。在直接效益方面，首先許多新興產業(yè)（如生物芯片、量子光電器件、復合材料等）的產業(yè)化所需的新裝備，都要先行開發(fā)相應的新型機床作為必要的生產手段；其次，機床產品創(chuàng)新帶來的效率提升，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，就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，機床創(chuàng)新構思往往超越原先的應用領域，“溢出”到機床用戶企業(yè)，啟發(fā)用戶將創(chuàng)新構思移植到自身的新產品中，帶動進一步的創(chuàng)新和產業(yè)結構升級。
1、產品創(chuàng)新的基本概念
眾多的研究表明，產品創(chuàng)新不是孤立的事件，其形成機制和過程呈現(xiàn)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、實用價值、未來發(fā)展方向等方面的共識，會逐漸地形成一套技術范式，表現(xiàn)為行業(yè)內奉為典范的主流產品設計思路和引導行業(yè)創(chuàng)新路線的技術軌跡。
基于技術軌跡概念，創(chuàng)新可分為2 種模式：1）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)創(chuàng)新；2）另辟蹊徑、跳出原來的技術軌跡，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)創(chuàng)新。
連續(xù)創(chuàng)新和不連續(xù)創(chuàng)新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區(qū)別。開發(fā)不連續(xù)創(chuàng)新產品是實現(xiàn)自主創(chuàng)新的重要一環(huán)，但開發(fā)不連續(xù)創(chuàng)新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)創(chuàng)新不熟悉，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要高，企業(yè)在規(guī)劃機床創(chuàng)新路線之前，有必要把握好新產品的創(chuàng)新度，平衡連續(xù)創(chuàng)新與不連續(xù)創(chuàng)新構思所伴隨的風險和回報，以取得較好的創(chuàng)新績效。
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、笛卡兒坐標系運動學、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(xiàn)各種以功能部件改進為標志的連續(xù)創(chuàng)新。
持續(xù)的創(chuàng)新和不斷的改進，帶動機床產品性能的不斷提升。以金屬切削加工機床為例，從20 世紀40 年代到現(xiàn)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（礦物鑄件）床身、無機械傳動的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。加以上述突破性創(chuàng)新構思具有共性，能應用在各類機床上，除了牛頭刨床、仿形機床等個別情況外，沒有出現(xiàn)整個機床類別被淘汰的現(xiàn)象，反而在原有機床類別中派生出諸如車銑復合機床等新的機床類別，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，并以連續(xù)創(chuàng)新為主。
連續(xù)創(chuàng)新雖然為機床產業(yè)和用戶帶來很大的直接和間接的效益，技術范式的規(guī)范作用也指引著機床產業(yè)的技術發(fā)展方向，降低創(chuàng)新所帶來的不確定性和風險。但是，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，令即使領先的企業(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創(chuàng)新產品。因此，當代表嶄新產品類別和使用模式的創(chuàng)新構思進入市場時，積極采納新構思的企業(yè)將取得絕對優(yōu)勢，顛覆當前市場領導者的控制，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。作者認為，在制定企業(yè)長期發(fā)展戰(zhàn)略時固然應該重視不連續(xù)創(chuàng)新，但也不能偏廢連續(xù)創(chuàng)新，必須處理好兩者的互動和互補關系。
2、機床產品的不連續(xù)創(chuàng)新
回顧歷史，機床產業(yè)經歷了幾次主要的技術范式更迭。100 多年來，機床產品在技術層面依次出現(xiàn)了天軸皮帶傳動、交流電動機驅動、計算機數(shù)控、加工中心和多軸復合加工5 類不連續(xù)創(chuàng)新。
以上列舉的機床不連續(xù)創(chuàng)新，并沒有改變機床的基本工作原理，其不連續(xù)性主要體現(xiàn)在大幅度提高了機床的性能和用戶價值。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、生產流程和產品結構，而新的生產模式和新的產品又促進了對新機床的需求。
3、機床不連續(xù)創(chuàng)新的啟示
回顧機床創(chuàng)新的歷史，毫無疑問連續(xù)創(chuàng)新是機床創(chuàng)新的主流。通過不斷推出連續(xù)創(chuàng)新，領先的機床企業(yè)可在一定時間內有效地鞏固自身的市場領導地位，但是在很多情況下不連續(xù)創(chuàng)新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，最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？應密切加以關注。
因此，有必要進一步分析哪些因素促成不連續(xù)創(chuàng)新？在什么情況下會再出現(xiàn)？
（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(xiàn)，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(shù)控機床功能不斷完善。進入互聯(lián)網和物聯(lián)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，這對機床的產品創(chuàng)新將會產生什么影響？能夠借助網絡擴大機床功能范圍和提高其創(chuàng)造價值能力的將不是硬件，而是網絡和軟件，軟硬結合、虛實結合將成為下一代智能機床的重要特征，是機床產品不連續(xù)創(chuàng)新的方向。
（2）用戶需求的拉動。不斷提高生產效率是永恒的主題。交流電動機驅動與天軸皮帶傳動相比，大幅度提高了機床的切削速度和功率，而數(shù)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？作者認為，首先是新材料（例如復合材料和難加工材料）存在許多加工難題，需要新機床和新刀具去加以解決。其次是極限制造，超大、超重和細微加工已經進入機床產品創(chuàng)新者的視野。
（3）社會環(huán)境的影響�；仡櫄v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 年就生產金屬切削機床75 萬臺、成形加工機床26 萬臺，節(jié)能和環(huán)保是大問題。何況歐盟2013 年已將機床能效列為新標準制定項目之一，在機床產品創(chuàng)新時不考慮節(jié)能和環(huán)保將導致重大失誤。
（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。百年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)大學機床研究所所長Schesinger 教授領導下制定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20 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)展產生重大的影響。20 世紀80 年代塔姆斯特工業(yè)大學生產技術與機床研究所在高速加工機床和工藝以及斯圖加特大學機床控制研究所在開放式數(shù)控系統(tǒng)領域的研究，對德國機床工業(yè)的發(fā)展和不連續(xù)創(chuàng)新都起到了很大的推動作用。
4、機床創(chuàng)新的未來趨勢
從社會、經濟發(fā)展的大趨勢來看，機床作為生產工具和用能產品，其產品創(chuàng)新今后若干年的焦點可以概括為以下4 個方面：
（1）生態(tài)機床。綠色制造是可持續(xù)發(fā)展的前提，機床作為制造裝備必須體現(xiàn)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。當前在生態(tài)環(huán)境不斷惡化的壓力下，工業(yè)生產需要全方位地降低對環(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)樘岣咝б嬷笜�，以更少的資源投入獲得更多產出。例如，通過移動部件輕量化可以減少驅動功率的消耗，配合先進刀具、工藝過程和切削液可以減少廢棄物的排放。
（2）智能機床�；诨ヂ�(lián)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(xiàn)。智能化可以提高機床工作的穩(wěn)定性和可靠性。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保證最優(yōu)化的加工。換句話說，機床已經進化為可感知當前狀態(tài)、自行進行思考決策和控制調節(jié)的智能機器。例如，按照加工要求幫助操作者選擇切削參數(shù)，將機床狀態(tài)以短信方式發(fā)送給有關人員等。
（3）客戶化。從大批量生產向大規(guī)模定制轉變是制造業(yè)發(fā)展的總趨勢，機床產業(yè)也不例外。為用戶創(chuàng)造價值不是一句空話。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就能加工完畢，而不同工件對應不同的工藝過程和加工方法，那么復合機床的配置就應該有所不同。可以預見，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取代。
（4）軟硬結合。已經是互聯(lián)網＋物聯(lián)網時代的今天，機床越來越與信息化和軟件有關。機床不僅是一臺生產設備，更是工廠網絡、甚至全球供應鏈網絡中的一個節(jié)點。在網絡中，機床能夠與生產管理系統(tǒng)、刀具和物料管理系統(tǒng)，甚至機床制造商、刀具供應商建立聯(lián)系，自動處理生產中出現(xiàn)的問題。在即將到來的新一輪的工業(yè)革命中，不同企業(yè)的機床將處于網絡化的信息物理融合系統(tǒng)（cyberphysical system）中，與人和其他設備連成一體，進行運算、通信和控制。
作者：1、張曙 同濟大學現(xiàn)代制造技術研究所 2、衛(wèi)漢華 香港理工大學工業(yè)中心 3、張柄生 上海納儂精密機械公司
