張 曙 衛(wèi)美紅 張炳生

堅(jiān)持自主創(chuàng)新發(fā)展專用數(shù)控機(jī)床
——機(jī)床產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)途徑之八

張 曙 衛(wèi)美紅 張炳生

在經(jīng)濟(jì)全球化的背景下，不少人認(rèn)為通過合資和兼并外國(guó)企業(yè)帶來的技術(shù)溢出可以有效地提升我國(guó)的技術(shù)創(chuàng)新能力。事實(shí)證明，這條路并非康莊大道，借此獲得關(guān)鍵的核心技術(shù)幾乎不可能，除了企業(yè)之間的利益沖突和文化差異外，發(fā)達(dá)國(guó)家基于國(guó)家和產(chǎn)業(yè)安全的考慮，制定了許多限制技術(shù)輸出的法律法規(guī)，出面加以干涉。我們應(yīng)該清楚地認(rèn)識(shí)到，真正的核心技術(shù)是引進(jìn)不來的，如果沒有自主創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)能力，必將永遠(yuǎn)受制于人。因此，自主創(chuàng)新是我國(guó)機(jī)床工業(yè)可持續(xù)發(fā)展的基石。

自主創(chuàng)新已經(jīng)是眾口皆云，絕沒有人反對(duì)，但形成每個(gè)人的內(nèi)心共識(shí)和企業(yè)經(jīng)營(yíng)戰(zhàn)略就不那么簡(jiǎn)單。通常技術(shù)創(chuàng)新是將科研成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)利潤(rùn)的過程，是新技術(shù)的應(yīng)用和已有技術(shù)的集成。新技術(shù)在哪里？如何集成？就需要對(duì)產(chǎn)品的基礎(chǔ)技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行深入研究。在許多情況下，浮躁往往導(dǎo)致自主創(chuàng)新成為口號(hào)和標(biāo)簽，而并沒有真正為客戶創(chuàng)造價(jià)值和為自身開拓利潤(rùn)空間。

本文僅從發(fā)展專用和專門化數(shù)控機(jī)床的側(cè)面來討論如何通過產(chǎn)品自主創(chuàng)新來滿足客戶當(dāng)前的和潛在的需求，以最佳方案為客戶創(chuàng)造最大的價(jià)值，促進(jìn)客戶技術(shù)進(jìn)步和企業(yè)本身的可持續(xù)發(fā)展。

一、通過技術(shù)集成發(fā)展新產(chǎn)品

1.問題的提出

玻璃瓶通常是包裝物或日用器皿，為了美觀其外觀形狀往往由復(fù)雜曲面構(gòu)成。我國(guó)吹制玻璃瓶的模具年消費(fèi)量和出口量非?？捎^。常熟市中恒數(shù)控設(shè)備制造有限公司承接了為模具行業(yè)研制全自動(dòng)噴焊機(jī)的項(xiàng)目，具體加工對(duì)象為玻璃瓶半合模，其典型案例如圖1所示。

該類模具的材料通常為HT300鑄鐵，在吹玻璃瓶時(shí)極易產(chǎn)生熔蝕現(xiàn)象，尤其是兩個(gè)半合模的分模線（圖1中紅線）最易熔蝕，成為模具壽命的關(guān)鍵。

2.數(shù)控等離子噴焊機(jī)

中恒公司在充分研究玻璃瓶模特征及焊接工藝的基礎(chǔ)上，研制成功了VHK320型數(shù)控等離子噴焊機(jī)，其外觀如圖2所示。

從圖中可見，焊接料筒及噴嘴固定在立柱的前方滑板上，可作縱向（X軸）、橫向（Y軸）和垂直方向（Z軸）的直線運(yùn)動(dòng)，這3個(gè)軸均由滾動(dòng)直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，交流伺服電動(dòng)機(jī)—滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)。移動(dòng)速度可在0.1mm/min至30m/min范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。

工件安裝在前床身的兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸（A軸和B軸）上，這兩個(gè)回轉(zhuǎn)軸均可作±90°的連續(xù)分度回轉(zhuǎn)，任意位置鎖定。

此外，考慮到焊接工藝的特點(diǎn)，為保證焊縫的寬度及曲面噴涂，又在立柱的垂向滑板上配置了兩個(gè)相互垂直的擺動(dòng)軸，噴嘴可沿X軸和Y軸高速擺動(dòng)。因此該機(jī)床總共有7個(gè)控制軸可同時(shí)工作，其中5軸聯(lián)動(dòng)，2個(gè)附加擺動(dòng)軸。

3.機(jī)床的控制

VHK320型數(shù)控等離子噴焊機(jī)的控制系統(tǒng)是由微機(jī)、CNC和PLC以及觸摸屏組成，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床部件的運(yùn)動(dòng)和噴焊工藝過程的控制，其控制原理框圖如圖3所示。

借助凱恩帝1000M8數(shù)控系統(tǒng)控制噴焊機(jī)的5個(gè)軸：3個(gè)平移軸（X/Y/Z）帶動(dòng)焊槍移動(dòng)，使焊槍可到達(dá)坐標(biāo)系任意位置，2個(gè)相垂直的旋轉(zhuǎn)軸（A/B）帶動(dòng)工件實(shí)現(xiàn)任意角度旋轉(zhuǎn)，使模具處于最佳的焊接姿態(tài)。焊接系統(tǒng)主體為等離子焊機(jī)，由焊接過程PLC控制，控制對(duì)象有焊機(jī)啟停、焊接電流、焊接合金粉末流量和焊接噴嘴的冷卻等。

CNC在運(yùn)行時(shí)通過輸入輸出口向焊接過程PLC送出焊機(jī)啟停、電流編碼等信號(hào)，同時(shí)焊接過程PLC將當(dāng)前焊機(jī)狀態(tài)信號(hào)返回給CNC。

在焊接過程PLC中，存儲(chǔ)有16種電流和送粉量參數(shù)。當(dāng)需改變焊機(jī)電流和送粉量時(shí)，CNC輸出對(duì)應(yīng)16種參數(shù)的信號(hào)到焊接過程PLC，根據(jù)存儲(chǔ)在PLC中的電流和送粉量參數(shù)，調(diào)整輸出到等離子焊機(jī)的模擬電壓信號(hào)，等離子焊機(jī)按此電壓信號(hào)調(diào)整輸出電流；同時(shí)調(diào)整輸出到送粉電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)的模擬電壓信號(hào)，控制送粉電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以達(dá)到調(diào)整送粉量的目的。

該系統(tǒng)的特色是借助軟件將7軸數(shù)控機(jī)床與等離子噴焊機(jī)集成為一體，在機(jī)械運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，控制著焊接過程的各種參數(shù)，例如起弧、斷弧時(shí)間，弧電流的大小，噴粉量的控制等。

在等離子焊機(jī)工作時(shí)，焊槍（負(fù)極）的合金粉末流向工件（正極），合金粉末形成的流體直徑在φ5mm左右，其中通過較大的焊接電流，將合金粉末及焊接基體一起融化于焊道中，當(dāng)焊道的寬度大于5mm時(shí)，基體的融化寬度仍然為5mm，焊接層在基體上未融化的部分結(jié)合強(qiáng)度將會(huì)降低，因此需要將焊槍在沿焊道方向移動(dòng)的同時(shí)作擺動(dòng)，形成Z字形路線，才能夠保證焊接強(qiáng)度。

為了達(dá)到以上目的，在機(jī)床上增加了焊槍擺動(dòng)裝置，由一個(gè)PLC、兩個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)和一個(gè)十字滑臺(tái)組成。在焊接過程中，CNC控制X、Y軸運(yùn)行的同時(shí)，將當(dāng)前在XY平面內(nèi)的移動(dòng)方向輸出到焊槍擺動(dòng)PLC。當(dāng)需要擺動(dòng)時(shí)，CNC輸出擺速、擺幅參數(shù)信號(hào)、方向信號(hào)及啟動(dòng)信號(hào)，焊槍擺動(dòng)PLC根據(jù)這些信號(hào)控制十字滑臺(tái)的2臺(tái)伺服電動(dòng)機(jī)，從而達(dá)到跟隨X-Y移動(dòng)方向作來回?cái)[動(dòng)的目的。

4.創(chuàng)新產(chǎn)品的效益

數(shù)控等離子噴焊機(jī)在技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了數(shù)控技術(shù)與等離子焊接技術(shù)的集成化，完成了數(shù)字控制焊接技術(shù)研制工作，尤其是控制軟件在國(guó)內(nèi)獨(dú)創(chuàng)，因此該項(xiàng)技術(shù)獲得了2項(xiàng)國(guó)家專利，其中發(fā)明專利1項(xiàng)。

數(shù)控等離子噴焊機(jī)為國(guó)內(nèi)玻璃瓶模具產(chǎn)品的升級(jí)換代、走向國(guó)際市場(chǎng)創(chuàng)造了必要條件。玻璃瓶模具的吹制壽命從3萬件提高到10萬件以上。

數(shù)控等離子噴焊機(jī)的研制成功完全替代了進(jìn)口產(chǎn)品。其價(jià)格僅為進(jìn)口機(jī)床價(jià)格的25%左右。與手工焊機(jī)相比，數(shù)控等離子噴焊機(jī)可節(jié)省30%的焊粉，以中等規(guī)模模具廠年產(chǎn)5萬套玻璃瓶模具計(jì)，可節(jié)省合金焊粉15t，價(jià)值500萬元。每臺(tái)噴焊機(jī)節(jié)約工時(shí)8500h，相當(dāng)于4個(gè)人1年的工作量。

本項(xiàng)技術(shù)已移植到復(fù)雜表面的激光焊接、激光表面處理等設(shè)備，應(yīng)用前景廣闊。

二、客戶需要解決方案

1.系統(tǒng)集成和解決方案

玻璃瓶模具的冷卻孔加工是該類模具生產(chǎn)中的另一個(gè)棘手問題，在很大程度上制約了玻璃瓶模具的生產(chǎn)效率和質(zhì)量。因此僅僅解決模具本體的噴焊關(guān)鍵技術(shù)，還不能全面滿足客戶的需求，客戶需要全面提升玻璃瓶模具制造水平和效益。

為了降低玻璃瓶模具的工作溫度，其端面上布置有60～90個(gè)冷卻孔，孔徑大小約φ4.5～8mm，孔深為L(zhǎng)=280～500mm，如圖4所示。

長(zhǎng)期以來，國(guó)內(nèi)模具廠都在立式鉆床上配以鉆模，從兩端鉆孔。其缺點(diǎn)是勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低，每副模具耗時(shí)約3～4 h。而且從兩端鉆孔，中間接頭部分無法對(duì)準(zhǔn)，位置偏差較大，當(dāng)模具用壓縮空氣冷卻時(shí)噪聲就很大。

據(jù)了解，國(guó)外大多使用改裝過的“槍鉆機(jī)床”加工，雖然解決了模具冷卻噪聲大的問題，但仍然存在以下缺點(diǎn)：

（1）加工效率仍然較低，每件模具耗時(shí)約2.5 h。

（2）機(jī)床價(jià)格昂貴，國(guó)內(nèi)模具廠大多難以承受。

（3）由于鉆頭太長(zhǎng)，鉆頭鉆出口的位置往往偏離較大，且常出現(xiàn)相鄰孔穿透，導(dǎo)致廢品率高。

（4）鉆頭昂貴，約為普通麻花鉆的30～50倍。

中恒公司在充分了解玻璃瓶模具生產(chǎn)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，又開發(fā)了高效專用數(shù)控鉆孔機(jī)床，以滿足全面提高模具生產(chǎn)水平的需要。

2.ZK4050數(shù)控深孔鉆床

ZK4050數(shù)控深孔鉆床的外觀如圖5所示。

機(jī)床具有4個(gè)直線運(yùn)動(dòng)控制軸。2個(gè)高精度鉆削動(dòng)力頭在機(jī)床兩側(cè)的水平滑座上可相向運(yùn)動(dòng)（Z軸和W軸），主軸回轉(zhuǎn)精度為0.012 mm，兩主軸同軸度為0.02/300mm，兩動(dòng)力頭上均帶有跟隨主軸中心的導(dǎo)向鉆模。

安裝工件的工作臺(tái)作橫向進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，并跟隨升降臺(tái)作垂向運(yùn)動(dòng)，令工件完成在X-Y平面內(nèi)移動(dòng)和定位。機(jī)床的工作循環(huán)控制框圖如圖6所示。

3.創(chuàng)新產(chǎn)品的效益

ZK4050數(shù)控專用鉆床具有明顯的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益，與原有工藝方案的比較見表1。

ZK4050型數(shù)控深孔鉆自開發(fā)成功以來，平均每年銷售10臺(tái)以上。玻璃模具生產(chǎn)廠使用該機(jī)床以后，有效地提高了工廠的效率和效益，平均1人操作3臺(tái)。與采用進(jìn)口槍鉆機(jī)床比較，模具制造成本降低35%以上。

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三、專機(jī)成就偉業(yè)

法因數(shù)控機(jī)械有限公司是我國(guó)最大的鋼結(jié)構(gòu)數(shù)控加工設(shè)備生產(chǎn)基地，2008年上市以來，完成了從求生存到求發(fā)展的轉(zhuǎn)型升級(jí)。法因數(shù)控在模塊化、組合化的基礎(chǔ)上，讓一臺(tái)臺(tái)專機(jī)成為常規(guī)產(chǎn)品，在專用的基礎(chǔ)上進(jìn)行批量生產(chǎn)，從專業(yè)化到產(chǎn)業(yè)化，先后為鋼結(jié)構(gòu)制造產(chǎn)業(yè)提供了大量實(shí)用、高效的新型數(shù)控加工裝備，促進(jìn)了現(xiàn)代鋼結(jié)構(gòu)制造產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，提出“從向客戶提供產(chǎn)品到向客戶提供整體解決方案”的轉(zhuǎn)變，致力于專用設(shè)備成套化。

例如，該公司最近研發(fā)成功的“UB100B/4雙龍門4軸數(shù)控組合鏜床”獲得了2009年度“國(guó)內(nèi)首臺(tái)”技術(shù)裝備認(rèn)定。該機(jī)床主要用于煤礦企業(yè)中各種規(guī)格液壓支架焊接組件及焊接元件的雙面剛性鏜孔加工，所加工的液壓支架最寬可到1.75m，最長(zhǎng)可達(dá)6.2m，其外觀如圖7所示。

從圖中可見，工作臺(tái)為固定式，有效面積5000mm×1750mm；雙龍門架縱向移動(dòng)（X軸），最大行程2×2500mm；鏜削頭垂直上下移動(dòng)（Y軸），最大行程1000mm；鏜削頭水平軸向移動(dòng)（Z軸），最大行程700mm；雙面鏜削頭主軸端面間距1425～2825mm。

液壓支架是煤礦采掘機(jī)械化工作面的主體設(shè)備，它能可靠而有效地支撐和控制工作面頂板，隔離采空區(qū)，保持安全的地下作業(yè)空間，如圖8所示。

國(guó)內(nèi)目前在生產(chǎn)液壓支架時(shí)仍多沿用傳統(tǒng)的加工工藝和生產(chǎn)方式，靠人工劃線、用通用設(shè)備鏜孔，質(zhì)量差、勞動(dòng)強(qiáng)度大、生產(chǎn)周期長(zhǎng)、安全隱患多，不適應(yīng)提高液壓支架質(zhì)量和可靠性的要求。

UB100B/4雙龍門4軸數(shù)控組合鏜床是專用加工設(shè)備，采用Fagor8055/2數(shù)控系統(tǒng)。自主開發(fā)了自動(dòng)雙面鏜孔的智能化、柔性化、嵌入式軟件，液壓支架一次裝夾定位后，輸入所需鏜孔的坐標(biāo)位置、鏜孔長(zhǎng)度、鏜孔轉(zhuǎn)速、進(jìn)給速度，即可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)雙面鏜孔，具有CAD/CAM自動(dòng)轉(zhuǎn)換、故障診斷、報(bào)警、通訊、存儲(chǔ)等功能，解決了煤礦液壓支架生產(chǎn)廠家的加工技術(shù)難題，提高生產(chǎn)效率4～5倍，價(jià)格僅是國(guó)外同類設(shè)備的1/2～1/3，經(jīng)濟(jì)效益顯著。

四、趨勢(shì)與展望

自主創(chuàng)新是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和可持續(xù)發(fā)展的永恒主題。專用數(shù)控機(jī)床可以大幅度提高生產(chǎn)效率和降低成本，節(jié)約各種資源，是機(jī)床企業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要途徑之一。專用數(shù)控機(jī)床是把專用機(jī)床的高生產(chǎn)率和數(shù)控機(jī)床的高柔性結(jié)合起來，適合產(chǎn)品更新?lián)Q代的大趨勢(shì)，有較大的市場(chǎng)空間和利潤(rùn)空間。

由于專用數(shù)控機(jī)床是針對(duì)客戶生產(chǎn)某一類零件加工而設(shè)計(jì)制造的，大多沒有現(xiàn)成的樣機(jī)可以仿制。從某種程度來說，專用數(shù)控機(jī)床的自主創(chuàng)新具有更廣泛的原創(chuàng)性和更迫切的市場(chǎng)需求，是我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)無法回避的。

我們應(yīng)該認(rèn)識(shí)到，自主創(chuàng)新的真正緊迫感源自我國(guó)機(jī)床產(chǎn)業(yè)的前途，事關(guān)產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但面對(duì)中國(guó)裝備市場(chǎng)的全球化，某些“崇洋思潮”嚴(yán)重威脅著自主創(chuàng)新的生存空間，使模仿創(chuàng)新輕易霸占了地盤。這就要求中國(guó)企業(yè)家勤于思考、自強(qiáng)不息，認(rèn)真研究客戶的需求，從中吸取靈感，與客戶結(jié)為戰(zhàn)略伙伴，當(dāng)好客戶的工藝師，一起開發(fā)新一代數(shù)控機(jī)床，共同實(shí)現(xiàn)利潤(rùn)最大化和可持續(xù)發(fā)展。

附錄

他山之石可以攻玉。自主創(chuàng)新也要善于借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。本文特此介紹美國(guó)考夫曼公司（KaufmanMfg.Co.）推出的KAUFMANflex柔性制造單元，以供參考。

KAUFMANflex是組合化的系列產(chǎn)品，由3~8個(gè)工位的回轉(zhuǎn)工作臺(tái)和3軸數(shù)控加工單元兩種基本模塊組成不同配置的自動(dòng)線。數(shù)控加工單元可配置6位轉(zhuǎn)塔刀架或換刀機(jī)構(gòu)。可加工500mm以下的立方體，適用于汽車、電氣、液壓泵和家用電器等零件或零件族的中大批量生產(chǎn)。

1.加工液壓泵體的柔性制造系統(tǒng)

加工液壓泵體的KAUFMANflex單元配置及所加工的零件族如附圖1所示。

該系統(tǒng)用于加工球墨鑄鐵液壓泵體零件族。該類零件的主要表面特征為連接端面和進(jìn)出油孔。它由4臺(tái)數(shù)控加工單元和5工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)組成，20軸數(shù)控，伺服電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，且托板可B軸回轉(zhuǎn)。加工的工序有：端面銑削、單軸和多軸鉆孔以及攻絲。借助B軸可一次裝夾完成4面加工，生產(chǎn)率為95件/h。

2.加工懸架轉(zhuǎn)向節(jié)的柔性制造系統(tǒng)

加工鑄鐵懸架轉(zhuǎn)向節(jié)的KAUFMANflex系統(tǒng)外觀及零件如附圖2所示。

該系統(tǒng)用于加工懸架轉(zhuǎn)向節(jié)的所有特征表面，包括上支撐軸承孔、控制臂、下球鉸面、安裝平面和安裝孔等。加工節(jié)拍為35s。整個(gè)系統(tǒng)由2臺(tái)多工位回轉(zhuǎn)工作臺(tái)機(jī)床組成。20軸數(shù)控，伺服電動(dòng)機(jī)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)，加上托板B軸回轉(zhuǎn)，可加工左右懸架轉(zhuǎn)向節(jié)，借助機(jī)器手上下料和機(jī)床之間的工件傳輸。

主要作者簡(jiǎn)介：

張 曙，男，1932年3月生，江蘇如皋人。1956年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)。任同濟(jì)大學(xué)教授、博士生導(dǎo)師、現(xiàn)代制造技術(shù)研究所名譽(yù)所長(zhǎng)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)管理學(xué)院兼職教授、香港理工大學(xué)客座教授、江蘇省如皋市人民政府顧問、中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)榮譽(yù)理事。

張曙致力于先進(jìn)制造技術(shù)及其發(fā)展戰(zhàn)略，包括獨(dú)立制造島、分散網(wǎng)絡(luò)化制造等先進(jìn)生產(chǎn)模式以及產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)、并聯(lián)運(yùn)動(dòng)機(jī)床等先進(jìn)制造技術(shù)的研究。對(duì)產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略有獨(dú)到的見解，是我國(guó)制造戰(zhàn)略研究和先進(jìn)制造技術(shù)的倡導(dǎo)者和先驅(qū)者之一。

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Insisting on Independent Innovation, Developing Special CNC Machine Tool——Machine Industry Transition Upgrade Paths Ⅷ

ZHANG Shu, WEI Meihong, ZHANG Bingsheng

（編輯 梁 玉） （

2010-05-28）

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