淺談柔性制造技術在數控機床中的應用

黑龍江 楊海峰 徐玉海

在信息化技術蓬勃發展的推動下，以數控機床為核心的制造技術向著高效化、柔性化和高精化的方向發展，數控機床及由數控機床組成的制造系統是改造傳統產業，構建數字化企業的重要基礎裝備，它的發展一直備受關注。數控機床以卓越的柔性自動化性能，優異而穩定的精度，靈敏而多樣化的功能引人矚目，開創了機械產品向機電一體化發展的先河。因此，數控技術成為先進制造技術中的核心技術之一。另一方面，通過持續的研究，信息技術的深化應用促進了數控機床的進一步提升。所以，本文將著重剖析數控技術的現狀及動向，從中探討高效柔性制造技術對促進機床制造業發展的作用。

一、柔性制造系統

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

1.柔性制造單元(FMC)

FMC的問世并在生產中開始使用約比FMS晚6-8年，它是由1-2臺加工中心、工業機器人、數控機床及物料運送存貯設備構成，具有適應加工多品種產品的靈活性。FMC可視為一個規模最小的FMS，是FMS向廉價化及小型化方向發展的一種產物，其特點是實現單機柔性化及自動化，迄今已進入普及應用階段。

2.柔性制造系統(FMS)

通常包括4臺或更多臺全自動數控機床(加工中心與車削中心等)，由集中的控制系統及物料搬運系統連接起來，可在不停機的情況下實現多品種、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之間的生產線。其加工設備可以是通用的加工中心、CNC機床；亦可采用專用機床或NC專用機床，對物料搬運系統柔性的要求低于FMS，但生產率更高。它是以離散型生產中的柔性制造系統和連續生產過程中的分散型控制系統(DCS)為代表，其特點是實現生產線柔性化及自動化，其技術已日臻成熟，迄今已進入實用化階段。

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，用計算機系統進行聯系，采用從訂貨、設計、加工、裝配、檢驗、運送至發貨的完整FMS。它包括了CAD/CAM，并使計算機集成制造系統(CIMS)投入實際，實現生產系統柔性化及自動化，進而實現全廠范圍的生產管理、產品加工及物料貯運進程的全盤化。FMF是自動化生產的最高水平，反映出世界上最先進的自動化應用技術。它是將制造、產品開發及經營管理的自動化連成一個整體，以信息流控制物質流的智能制造系統(IMS)為代表，其特點是實現工廠柔性化及自動化。

二、柔性制造技術應用在數控機床的發展方向

發展柔性結構體系的數控制造技術裝備及制造系統，是實現在快速多變的市場環境中對用戶驅動的市場需求做出靈活、快速響應的關鍵。所謂制造裝備及制造系統的柔性化，是指當產品的品種需求發生變化時，它們仍能在滿足經濟性的前提下，實現及時轉換生產的適應能力。同時，持續地提高經濟加工精度也是適應市場競爭的另一個主要目標。作為評定數控機床及系統效能的基本指標，也將由以傳統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

雖然傳統的非數控機床也具有一定的柔性，但它不能獲得高的效能和穩定的精度，更不適應復雜型面的加工。因此，基于數控技術的高效柔性化制造裝備及其制造系統需兼具下列特征：

（1）高度的靈活性和多品種生產的快速適應性；

（2）高效的生產能力，包括：高生產率——借助于高速化和提高金屬切除率等途徑；高穩定性——對于光機電集成的數控機床，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的開動率(利用率)。

高效柔性化和高精化分別反映了制造業在競爭激烈的市場環境下兩個最主要的要求，即產品生產變換的靈捷性和產品質量的持續提高。

2.高精化

產品零件的精度直接影響到其工作性能、壽命、能耗和噪聲等，因此數控機床的高精化是市場需求和技術發展的必然結果。

3.高速化

數控機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，減少刀齒每轉進給量和降低切削力，有助提高加工精度。因此，高速化的發展不能單純地追求轉速的提高，必須考慮改善各項制約因素，才不致事倍功半。應包括熱誤差和控制精度，還要注意機床結構的靜動態剛度、動平衡和刀具的性能等。

三、柔性制造技術在數控機床中的發展方向

1.研制高效精密數控機床

目前，國內生產的數控機床尚缺少高效微米精度級的產品，現有的數控機床大多不能同時滿足作為典型支柱產業的汽車制造業對數控制造裝備的高效和高精的綜合要求。因此，高效精密數控機床在汽車制造業中的應用將會實現裝備制造業的快速發展。

2.復合加工數控機床

多功能復合加工數控機床簡稱復合機床，或稱為多功能加工或完全加工機床。加快復合數控機床的發展步伐，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。復合數控機床可以減少在不同數控機床間進行工序的轉換而引起的待工以及多次上下料等時間。

機床作為機械制造業的重要基礎裝備，它的發展一直引起人們的關注，以數控技術為中心的高效柔性制造技術是當前加工技術發展的主流。因此，柔性制造技術在數控機床中的具體應用實現了數控機床以其優異的性能和精度、靈捷而多樣化的功能完成機械產品的制造，最終實現了裝備制造業的快速發展。

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