高效柔性制造技术的新进展^*

北京机床研究所

摘要：

以数控技术为中心的高效柔性制造技术是当前加工技术发展的主流，它具有3F、3I和3S的特征。文中分析了高效化和柔性化的主要发展目标，其主要研究方向为发展适于全面高速化、过程链集约化和大批量订制化的制造装备及其系统，使能在多品种变批量的市场需求条件下实现响应敏捷化、运行智能化和效益最优化。提出了发展快速重组制造系统及可重构制造设备作为统一高效和柔性两者要求的一个合理解决方案，并进一步探讨了可用于网络化环境的制造单元的结构体系。

关键词：

高效柔性制造  高速化  过程链集约化  快速重组制造系统  可重构制造设备

机床作为机械制造业的重要基础装备，它的发展一直引起人们的关注，在上世纪50年代由于计算机技术的兴起，促使机床的控制信息流出现了质的突破，导致了应用数字化技术进行柔性自动化控制的新一代机床——数控机床的诞生和发展。数控机床以其优异的性能和精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目，并开创了机械产品向机电一体化发展的先河，由此数控技术也成为先进制造技术中的一项核心技术，且通过持续的研究，深化信息技术的应用促进其更大地发挥潜力和进一步提升其性能。因此，发展在信息技术支持下的先进的数控技术来推进制造装备及其控制运行过程的自动化、网络化和智能化的数字化技术将是构成企业的制造系统现代化的关键。它将能提高企业在经济全球化条件下对不确定性市场环境的适应能力，从而也映射出信息技术对机械制造企业重构和改造时所起的重要作用。

本文将首先对数控机床及其控制系统发展历程中数字化信息技术所起的作用进行简要回顾，其次分析它们当前发展的两个主要技术目标、特点及相关的影响因素，最后从三个层面上探讨实现高效柔性化制造的新技术及其发展趋势。

数控技术发展历程剖析

数控技术是制造装备现代化的关键技术，也是发展先进的光机电一体化数控机床的技术基础。它包含了自动化数字编程和仿真、智能化伺服驱动高速响应矢量控制、型面优化建模和多轴联动加工、智能化诊断监控和自适应控制以及构建网络化和信息集成的开放式数控平台等一系列先进的信息控制技术。这些技术的应用对提高数控机床的生产率和加工精度起着重大的作用。

然而，数控机床潜在的效能能否得到充分的发挥，也还受到企业的生产组织和管理等方面一系列因素的制约。根据20世纪90年代初对在多品种小批量生产条件下，数控机床使用情况的统计分析结果，由于生产准备工作的不及时引起的待工工时约占整个工时的11～30%，因设备故障和正常维护所引起的停机时间约占9～15%。也就是说，数控机床的利用率在良好的使用条件下为80%，而通常仅为60%左右。

其中，由于数控机床待工的工时损失占着主要部分，它主要包括：数控加工程序、刀具和工夹具未及时到位，以及试切调整和参数设定等时间。图1示出了上述这些影响因素各自所占的比重，占前三位的因素分别为数控程序、刀具和设定参数的不及时。

* “十五”863计划CIMS主题（项目号：2001AA412160）和国家自然科学基金（项目号：59735100）资助

图1 数控机床主要待加工因素的组成比例

为此，从20世纪70年代起，开始重视把数控技术与相关的管理信息技术结合起来（图2），以提高对数控机床在生产过程中的自主管理能力‘来改善机床的利用率。这对于由数控机床组成的制造系统而言，它更是提高制造系统的生产效能，实现交货期最短和成本最低的重要措施。

分析数控技术的发展历程可得出：现代数控技术已由早期的单纯地发展设备的光机电系统信息的数字化控制技术走向与企业管理和生产过程信息更广泛地融合。它将涉及生产管理与调度、工夹刀具管理、技艺优化数据库、以及现场总线与网络通讯环境等技术，从而形成了更先进的和更全面的信息化数字控制技术。

高效柔性化与高精化表征现代数控技术发展特点

成本、质量、生产率和产量、交货期是衡量企业生产能力和市场竞争能力的四个要素，采用传统的非数控生产方式只有达到一定阈值的大批量的规模生产才能取得上述四个方面的统一。但在当前激剧的市场竞争环境下，已由以生产为中心、企业为主导的卖方市场转向以市场需求为中心、用户为主导的买方市场，使产品需求呈现多样化和个性化，且其经济寿命大大地缩短，这将首先形成了以多品种变批量的生产方式为主流的生产环境；其次，衡量企业竞争力的首位因素也由成本转为交货期。

为此，发展柔性结构体系的数控制造装备及制造系统是实现在快速多变而不确定市场环境中对用户驱动的市场需求作出灵活、快速响应的关键。所谓制造装备及制造系统的柔性化是指当产品的品种需求发生变化时，它们仍能在满足经济性的前提下，实现及时转换生产的适应能力。故作为评定数控机床及系统效能的基本指标也将由传统的工作精度和切削能力改为用达到高效柔性化和高精化的程度来衡量。

虽然传统的非数控机床也具有一定的柔性，但它不能获得高的效能和稳定的精度，更不适应复杂型面的加工。因此，基于数控技术的高效柔性化的制造装备及其制造系统需兼具下列特性：

（1）       高度的灵活性和多品种生产的快速适应性；

（2）       高效的生产能力，它有包括如下两个方面：

l         高生产率  借助于高速化和提高金属切除率等途径。

l         高稳定性  对于光机电集成的数控机床既高度自动化的制造系统，着重要求其降低故障率有高的可靠性，以提高制造装备及系统的开动率（利用率）。

因而，制造装备及其系统高效柔性化的具体指标的内涵可分列如表1所示。

表1  高效柔性化指标的内涵

   因此，高效柔性化和高精化分别反映了制造业在竞争急剧且具有不确定性市场环境下的两个最主要的要求，即产品生产变换的灵捷性和产品质量持续地提高。对此当前有如下四方面的研究，并列叙于以下各节。

1）  加速数控机床向高速化和高精化发展和应用的步伐。

2）  加强发展多功能复合加工的数控机床来提高单件和中小批量生产的加工精度和高效柔性化。

3）  对于中大批量生产提出发展快速重组制造系统（Rapidly Reconfigurable Manufacturing System简称RRMS）和 可重构机床（Reconfigurable Machine Tool简称RMT）将是一个合理的解决方案。

4）  发展网络化制造单元以适应数字化企业的构建。

以高速化为先导提高数控机床的综合性能

数控机床的高速化是提高其高效柔性化和高精化的一个重要措施。它既可提高其切削能力和缩短辅助时间，而且还能藉此改善切屑形成过程，减少刀齿每转进给量和降低切削力，有助于提高加工精度，图3示出了随着高速化所取得的精度提高的实例。

表2示出了中型加工中心的高速化与高精化的发展历程，从中可以得出，作为表征其切削运动高速化的主轴最高转速和最大进给速度，大致持续地以每10年增长一倍的比率上升，而表征压缩机床辅助时间的快移速度（指以滚珠丝杠和旋转伺服电机驱动）和自动换刀/工作台转位速度，基本上以每12～15年翻一番的速度增长，1993年后应用直线电机直接驱动的新技术逐步推广，使加工中心的快移速度比用滚珠丝杠副驱动时又提高了一倍。

但随着主轴转速和进给速度的提高，其结构和测量系统的热变形和位置控制的跟踪误差将随之增大，为此，应用信息技术发展诸如热误差补偿、进给速度前瞻控制、位置环前馈控制和加速平稳控制等一系列先进控制技术，使能在高速控制条件下，仍能保证加工精度不断地改善（图4），平均年提升10%，即每隔8年误差约减小一半。

表1 中型加工中心高速化与高精化的发展历程及预测

注：中型加工中心包括生产型的立式加工中心和卧式加工中心，它的主要规格参数为：工作宽度400~630mm，主轴锥孔ISO40或HSK63，机床的材料切除率（铣削45钢）≥200cm3/min，刀具最大重量≤10Kg。

发展复合加工数控机床缩短过程链

多功能复合加工机床简称复合机床（Complex Machine Tools）称之为多功能加工（Multi Functional machining）或完全加工（Complete Machining 或 End to End Machining）机床。

复合加工机床的含义是在一台机床上实现或尽可能从毛胚至成品的全部加工。从20世纪70年代以来已开始出现以旋转刀具作主切削运动的以镗铣加工为主的加工中心和以工件旋转作主运动的以车、螺纹加工为主的车削中心，这两类多功能的数控机床在推进数控机床的工序集中的工艺方法上发挥了重要的作用。但对于较复杂的零件，它们的功能范围尚不足以完成从毛胚至成品的全部工序加工，因而还不能充分提高在单件和中小批量生产条件下的生产效率，且由于工件在多台机床间的转移，增加了安装误差，也不利于加工精度的稳定性。

    为此，加强了复合数控机床的发展步伐，通过进一步提高工序的集中度，缩短加工过程链，以提高多品种单件和中小批量加工的工效。复合数控机床可以减少在不同数控机床间进行工序的转换而引起的待工以及多次上下料等时间。通常这些时间常占零件整个生产周期的40~60%，即使在信息管理较良好的情况下，仍将占20%左右。

复合数控机床根据其结构特点，可分为如下两类：

1．  跨加工类别的复合数控加工机床

主要为刀具回转加工或特种加工等多类功能的负荷。因而在机床结构上要体现不同加工方式的需求。目前常见的有车铣中心、铣车中心和铣削-激光加工机床等。例如以车削为基型的车铣中心和以铣削为基型的铣车中心，它们都具有实现车削和铣削的两个主轴单元，并至少有五个进给运动驱动轴，以及自动换刀装置或再配以多工位回转刀架，它们可从棒料或坯件直接加工出形状复杂的零件。

2．  多面多轴联动加工的复合数控机床

最典型的是五轴五面数控铣床，早期主要用于大型龙门铣床和数控镗铣床上，它通过更换附件头和五轴联动可在大型工件一次安装下完成各加工表面的铣镗等加工，大大缩短加工周期。如图5所示五面加工中心配以自动交换切削头（AAC）和自动交换工作台装置（AWC）后，与龙门加工中心和非数控龙门铣床相比，其工效分别提高1.3倍和5.2倍。

图5 功能复合的五面加工中心 缩短了零件加工工时提高了机床利用率

近年对中小型复杂零件加工也已采用五轴五面加工，以减少因多次安装引起的误差提高加工精度，对于车削类零件，则出现双主轴车削中心和双主轴车铣中心，可在一台机床上完成棒料和坯件的两端的加工。

高校柔性化的新一代制造系统

在可重构制造（Reconfigurable Manufacturing）技术支持下，构建具有石英钟大批量高效生产的柔性化制造系统。目前常用的FMS/FML，其制造装备的功能储备通常较多，在大批量生产条件下，往往仅能应用其中的20%左右的功能。因此用扩大功能储备以备不时之需的做法，既是对资源的浪费，也是增大投资的不经济之举。另一方面当加工的产品由于市场需求的变化，要作较大的调整时，往往既费时，又耗资大。为此，美国Y. Coren教授于1995年提出了发展可重构制造系统(RMS)的构想。我国从1997年起在国家自然科学基金和“十五”863计划资助下，对可重构制造技术以及构建快速重组制造系统(RRMS)的理论与方法进行研究，得出其理论体系如图6所示。发展了具有对多变的市场需求作出合理的配置规划和易于调整的布局方式，适应重构的控制软件，开放式控制系统和规范化接口以及能快速提升系统重组后制造质量的诊断系统等技术（图7），并取得了初步成功的应用。

图6  RRMS的6项基础原理及其对物理组态的作用

图7 实施快速重组制造系统的五个使能技术子系统

图8示出了新发展的一种适宜于快速重组的基于组态式制造单元组成的阵列式布局模式。它具有很好的灵捷性，可根据市场需求方便地扩大和缩减生产规模，便于组织多品种混流生产，与传统的C形布局相比可降低工程费用25%。当一旦市场需求变化时，可在充分利用原有资源的基础上，对配置的设备或设备上的模块进行更换调整，达到快速和经济地重组成新的适用的制造系统。

图8 生产汽车制动变速装置零件的快速重组制造系统布局图

图9示出上海日发数字化系统有限公司与清华大学和北京机床研究所应用可重构制造系统技术开发的中小轴承磨超自动线，可通过构建和功能部件的重组构成能适用于深沟径向球轴承、角接触径向球轴承和滚锥轴承等的内外套圈精加工，可缩短新产品上市时间≥30%，降低重复投资≥10%，提高机床利用率≥10%。

图9可快速重组的RF30Q中小型轴承磨超自动线

发展网络化制造单元  推进企业制造能力的高效柔性化

在信息化技术蓬勃发展的推动下，制造业正面临着一个以提升竞争能力为目标构建全企业数字化时代。作为主要制造装备的数控机床及其组成的制造系统也将积极地向数字化迈进，它 将成为一个信息集成和正确实施的制造单元，其主要特征可归结为3F、3I和3S，即

3F：柔性化（Flexibility）、联盟化（Federalization）和新颖化（Fashion）；

3I：集成化（Integration）、信息化（Information）和智能化（Inteligence）；

3S：系统化（System）、软件化（Software）和个性化（Speciality）。

当前，国内外一些机床和数控系统制造企业研究者正在从网络化联盟制造的角度出发研究相适应的制造单元，它将能与企业ERP、PDM和CAD/CAPP/CAM的信息集成，进而通过与客户关系管理（CRM）和供应链管理（SCM）的联系作出智能决策，实施并行工程，可视化监控等以提高机床利用率，实现高效的柔性生产。

“十五”攻关项目“多种控制系统数控机床集群控制管理系统”（项目号：2001BA203B01-05）的研究，发展了一种多制式数控机床集群网络化制造单元（GAMC），它的主要特点为：

（1）       它是一种把生产实施与生产管理紧密结合的高度自制型的制造单元；

（2）       具有能把不同类型和控制水平的数控机床进行信息集成和交互的协作平台，能充分集结和提升企业已有的资源的潜力；

（3）       应用组态控制单元，通过虚拟仿真和工艺优化，实现多品种变批量的高效柔性化生产。

该制造单元的控制结构原理如图10所示。

图10 网络化制造单元控制结构应用示例