淺談柔性制造技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的應(yīng)用

黑龍江 楊海峰 徐玉海

在信息化技術(shù)蓬勃發(fā)展的推動下，以數(shù)控機(jī)床為核心的制造技術(shù)向著高效化、柔性化和高精化的方向發(fā)展，數(shù)控機(jī)床及由數(shù)控機(jī)床組成的制造系統(tǒng)是改造傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)，構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直備受關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以卓越的柔性自動化性能，優(yōu)異而穩(wěn)定的精度，靈敏而多樣化的功能引人矚目，開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河。因此，數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的核心技術(shù)之一。另一方面，通過持續(xù)的研究，信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床的進(jìn)一步提升。所以，本文將著重剖析數(shù)控技術(shù)的現(xiàn)狀及動向，從中探討高效柔性制造技術(shù)對促進(jìn)機(jī)床制造業(yè)發(fā)展的作用。

一、柔性制造系統(tǒng)

柔性制造系統(tǒng)(FMS)指自動化程度高的制造系統(tǒng)。目前所談及的FMS通常是指在批量切削加工中以先進(jìn)的自動化和高水平的柔性為目標(biāo)的制造系統(tǒng)。80年代后，制造業(yè)自動化進(jìn)入一個嶄新時代，即基于計算機(jī)的集成制造(CIMS)時代，F(xiàn)MS已成為各工業(yè)化國家機(jī)械制造自動化的研制發(fā)展重點。

1.柔性制造單元(FMC)

FMC的問世并在生產(chǎn)中開始使用約比FMS晚6-8年，它是由1-2臺加工中心、工業(yè)機(jī)器人、數(shù)控機(jī)床及物料運(yùn)送存貯設(shè)備構(gòu)成，具有適應(yīng)加工多品種產(chǎn)品的靈活性。FMC可視為一個規(guī)模最小的FMS，是FMS向廉價化及小型化方向發(fā)展的一種產(chǎn)物，其特點是實現(xiàn)單機(jī)柔性化及自動化，迄今已進(jìn)入普及應(yīng)用階段。

2.柔性制造系統(tǒng)(FMS)

通常包括4臺或更多臺全自動數(shù)控機(jī)床(加工中心與車削中心等)，由集中的控制系統(tǒng)及物料搬運(yùn)系統(tǒng)連接起來，可在不停機(jī)的情況下實現(xiàn)多品種、中小批量的加工及管理。

3.柔性制造線(FML)

它是處于單一或少品種大批量非柔性自動線與中小批量多品種FMS之間的生產(chǎn)線。其加工設(shè)備可以是通用的加工中心、CNC機(jī)床；亦可采用專用機(jī)床或NC專用機(jī)床，對物料搬運(yùn)系統(tǒng)柔性的要求低于FMS，但生產(chǎn)率更高。它是以離散型生產(chǎn)中的柔性制造系統(tǒng)和連續(xù)生產(chǎn)過程中的分散型控制系統(tǒng)(DCS)為代表，其特點是實現(xiàn)生產(chǎn)線柔性化及自動化，其技術(shù)已日臻成熟，迄今已進(jìn)入實用化階段。

4.柔性制造工廠(FMF)

FMF是將多條FMS連接起來，配以自動化立體倉庫，用計算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)系，采用從訂貨、設(shè)計、加工、裝配、檢驗、運(yùn)送至發(fā)貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)投入實際，實現(xiàn)生產(chǎn)系統(tǒng)柔性化及自動化，進(jìn)而實現(xiàn)全廠范圍的生產(chǎn)管理、產(chǎn)品加工及物料貯運(yùn)進(jìn)程的全盤化。FMF是自動化生產(chǎn)的最高水平，反映出世界上最先進(jìn)的自動化應(yīng)用技術(shù)。它是將制造、產(chǎn)品開發(fā)及經(jīng)營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質(zhì)流的智能制造系統(tǒng)(IMS)為代表，其特點是實現(xiàn)工廠柔性化及自動化。

二、柔性制造技術(shù)應(yīng)用在數(shù)控機(jī)床的發(fā)展方向

發(fā)展柔性結(jié)構(gòu)體系的數(shù)控制造技術(shù)裝備及制造系統(tǒng)，是實現(xiàn)在快速多變的市場環(huán)境中對用戶驅(qū)動的市場需求做出靈活、快速響應(yīng)的關(guān)鍵。所謂制造裝備及制造系統(tǒng)的柔性化，是指當(dāng)產(chǎn)品的品種需求發(fā)生變化時，它們?nèi)阅茉跐M足經(jīng)濟(jì)性的前提下，實現(xiàn)及時轉(zhuǎn)換生產(chǎn)的適應(yīng)能力。同時，持續(xù)地提高經(jīng)濟(jì)加工精度也是適應(yīng)市場競爭的另一個主要目標(biāo)。作為評定數(shù)控機(jī)床及系統(tǒng)效能的基本指標(biāo)，也將由以傳統(tǒng)的工作精度和切削能力改為用高效柔性和高精化的程度來衡量。

1.高效柔性化

雖然傳統(tǒng)的非數(shù)控機(jī)床也具有一定的柔性，但它不能獲得高的效能和穩(wěn)定的精度，更不適應(yīng)復(fù)雜型面的加工。因此，基于數(shù)控技術(shù)的高效柔性化制造裝備及其制造系統(tǒng)需兼具下列特征：

（1）高度的靈活性和多品種生產(chǎn)的快速適應(yīng)性；

（2）高效的生產(chǎn)能力，包括：高生產(chǎn)率——借助于高速化和提高金屬切除率等途徑；高穩(wěn)定性——對于光機(jī)電集成的數(shù)控機(jī)床，著重要求其降低故障率，提高可靠性，以提高制造裝備及系統(tǒng)的開動率(利用率)。

高效柔性化和高精化分別反映了制造業(yè)在競爭激烈的市場環(huán)境下兩個最主要的要求，即產(chǎn)品生產(chǎn)變換的靈捷性和產(chǎn)品質(zhì)量的持續(xù)提高。

2.高精化

產(chǎn)品零件的精度直接影響到其工作性能、壽命、能耗和噪聲等，因此數(shù)控機(jī)床的高精化是市場需求和技術(shù)發(fā)展的必然結(jié)果。

3.高速化

數(shù)控機(jī)床的高速化是提高其高效柔性和高精化的重要措施。它既可以提高機(jī)床的切削能力和縮短輔助時間，又能改善切屑成形過程，減少刀齒每轉(zhuǎn)進(jìn)給量和降低切削力，有助提高加工精度。因此，高速化的發(fā)展不能單純地追求轉(zhuǎn)速的提高，必須考慮改善各項制約因素，才不致事倍功半。應(yīng)包括熱誤差和控制精度，還要注意機(jī)床結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)剛度、動平衡和刀具的性能等。

三、柔性制造技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的發(fā)展方向

1.研制高效精密數(shù)控機(jī)床

目前，國內(nèi)生產(chǎn)的數(shù)控機(jī)床尚缺少高效微米精度級的產(chǎn)品，現(xiàn)有的數(shù)控機(jī)床大多不能同時滿足作為典型支柱產(chǎn)業(yè)的汽車制造業(yè)對數(shù)控制造裝備的高效和高精的綜合要求。因此，高效精密數(shù)控機(jī)床在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用將會實現(xiàn)裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。

2.復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床

多功能復(fù)合加工數(shù)控機(jī)床簡稱復(fù)合機(jī)床，或稱為多功能加工或完全加工機(jī)床。加快復(fù)合數(shù)控機(jī)床的發(fā)展步伐，提高工序的集中度，使加工過程鏈集約化，可以提高多品種單件和中小批量加工的功效。復(fù)合數(shù)控機(jī)床可以減少在不同數(shù)控機(jī)床間進(jìn)行工序的轉(zhuǎn)換而引起的待工以及多次上下料等時間。

機(jī)床作為機(jī)械制造業(yè)的重要基礎(chǔ)裝備，它的發(fā)展一直引起人們的關(guān)注，以數(shù)控技術(shù)為中心的高效柔性制造技術(shù)是當(dāng)前加工技術(shù)發(fā)展的主流。因此，柔性制造技術(shù)在數(shù)控機(jī)床中的具體應(yīng)用實現(xiàn)了數(shù)控機(jī)床以其優(yōu)異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能完成機(jī)械產(chǎn)品的制造，最終實現(xiàn)了裝備制造業(yè)的快速發(fā)展。

[1]孫榮創(chuàng).數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢及策略[J].中國科技信息,2006.

[2]蔣平，胡宇翔，湯紹林.制造技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)及對策.第一屆國際機(jī)械工程學(xué)術(shù)會議論文集[C].2000.

[3]譚躍雄，林強(qiáng).企業(yè)制造系統(tǒng)的柔性價值及其應(yīng)用研究[A].2004年中國管理科學(xué)學(xué)術(shù)會議論文集[C].2004.