張根保,羅天洪

(1.重慶文理學(xué)院 智能制造工程學(xué)院,重慶 402160;2.重慶大學(xué) 機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院,重慶 400044)

1 引言

數(shù)控機(jī)床是數(shù)字控制機(jī)床的簡稱,是一種由數(shù)字程序控制的復(fù)雜高科技機(jī)電一體化產(chǎn)品[1]。數(shù)控機(jī)床較好地解決了復(fù)雜、精密、多品種、小批量零件的高質(zhì)量、自動化加工問題,是一種高柔性、高效能、高精度的加工設(shè)備,也是智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)裝備。作為裝備制造業(yè)的工業(yè)母機(jī),數(shù)控機(jī)床的水平在很大程度上決定了國家裝備制造業(yè)的水平[2]。最近幾年,《中國制造2025》的推進(jìn)和《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備》國家科技重大專項(xiàng)的實(shí)施,極大地促進(jìn)了我國數(shù)控機(jī)床水平的快速提升,國產(chǎn)低端機(jī)床產(chǎn)品已經(jīng)完全占領(lǐng)了國內(nèi)市場,國外機(jī)床已經(jīng)徹底退出低端機(jī)床的競爭[3]。在中端機(jī)床市場,國外機(jī)床與國產(chǎn)機(jī)床的競爭比較激烈,是國內(nèi)外機(jī)床競爭的主戰(zhàn)場,隨著國產(chǎn)機(jī)床技術(shù)水平的不斷提升,國外機(jī)床也開始跟國產(chǎn)機(jī)床打價(jià)格戰(zhàn),使得部分國外機(jī)床的價(jià)格已經(jīng)與國產(chǎn)機(jī)床持平甚至低于國產(chǎn)機(jī)床,加劇了國內(nèi)外中端機(jī)床的競爭形勢。在高端機(jī)床領(lǐng)域,卻基本上是國外機(jī)床的天下,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的高端產(chǎn)品舉步維艱,產(chǎn)品的技術(shù)水平和質(zhì)量一直受到用戶的詬病[4-5]。在航空航天、發(fā)動機(jī)、汽車、船舶、軍工、電力裝備、軌道交通等尖端制造領(lǐng)域很難見到國產(chǎn)機(jī)床的身影,即使有也主要是進(jìn)行粗加工工序,很難挑起復(fù)雜薄壁結(jié)構(gòu)、難加工材料、高精度零件精密加工加工的大梁。致使在部分網(wǎng)絡(luò)自媒體中有人認(rèn)為,國產(chǎn)高端機(jī)床與國外產(chǎn)品差距巨大,有的認(rèn)為差距在5到10年,有的認(rèn)為差距為30年,部分網(wǎng)友的說法甚至更為極端,認(rèn)為差距達(dá)到50年以上。也有網(wǎng)友認(rèn)為,盡管在穩(wěn)定性、加工效率和可靠性方面還存在一定的差距,但國產(chǎn)機(jī)床的整體水平已經(jīng)與國外機(jī)床并駕齊驅(qū),各種說法紛紜,莫衷一是。造成這一現(xiàn)象的主要原因是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國外機(jī)床相比較的概念很混亂,缺乏必要的依據(jù)和方法。筆者認(rèn)為,國產(chǎn)高端機(jī)床與國外機(jī)床在性能和技術(shù)水平上或許存在一定的差距,但差距絕對不會像部分網(wǎng)友說的“50年以上”那樣大。另外,即使國內(nèi)部分科研院所或企業(yè)在機(jī)床的技術(shù)創(chuàng)新方面有一定的突破,個(gè)別企業(yè)的國產(chǎn)五軸數(shù)控機(jī)床甚至以低價(jià)出口到歐美發(fā)達(dá)國家。即使這樣,也并不意味著國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對國外先進(jìn)水平的超越。那么,國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床在技術(shù)方面是否存在差距?差距究竟有多大?差距主要體現(xiàn)在哪些方面?需要一套系統(tǒng)、科學(xué)的比較分析和評價(jià)方法,這些就是本文希望解決的問題。

2 概念界定

(1)比較對象的確定

數(shù)控機(jī)床是一類復(fù)雜的多用途機(jī)電一體化產(chǎn)品,用戶個(gè)性化定制的特征非常明顯,導(dǎo)致機(jī)床的品種和規(guī)格極其繁多,在功能、規(guī)格和檔次上具有很大的差異,為直接比較其水平帶來了很大的困難。直觀地看,比較對象的確定方法可以有以下3種類型:

1)兩臺具體機(jī)床之間的對標(biāo)比較。最簡單的比較方法是與對標(biāo)機(jī)床進(jìn)行比較,適合于企業(yè)在分析自己產(chǎn)品的技術(shù)水平與對標(biāo)產(chǎn)品差異時(shí)應(yīng)用。事實(shí)上,國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)在確定主導(dǎo)產(chǎn)品時(shí),往往采用對標(biāo)的方式在主流國外機(jī)床中選擇一個(gè)品牌的機(jī)床作為對標(biāo)對象,采用技術(shù)引進(jìn)或反求的方式跟蹤對標(biāo)機(jī)床進(jìn)行產(chǎn)品的開發(fā)和制造。因此,與對標(biāo)機(jī)床進(jìn)行技術(shù)水平比較是經(jīng)常需要的。具體方法是:在國產(chǎn)機(jī)床中確定一臺機(jī)床作為比較對象,然后在國外機(jī)床中按照“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的原則選取一臺類似的對標(biāo)機(jī)床,分別計(jì)算這兩臺機(jī)床的多項(xiàng)比較指標(biāo),再逐項(xiàng)比較各個(gè)指標(biāo)的值,就可得到這兩臺機(jī)床的技術(shù)水平差異。這種方法盡管很簡單、直觀,但得到的結(jié)果僅對特定的企業(yè)和特定的產(chǎn)品有用,對提高國產(chǎn)機(jī)床整體水平的用處卻不大,因?yàn)檫@兩臺相比較的具體機(jī)床甚至不能代表同品種機(jī)床的國內(nèi)外平均水平,更不用說代表國產(chǎn)機(jī)床和國外機(jī)床的整體水平或最高水平。

2)同品種機(jī)床之間的比較。同品種機(jī)床比較指的是數(shù)控車床之間、加工中心之間、數(shù)控磨床之間的比較等。具體方法是:第一,確定待比較的國內(nèi)外機(jī)床品種,如比較加工中心的國內(nèi)外水平,但即使不考慮規(guī)格和檔次,加工中心的細(xì)分品種也很多,如臥式加工中心、立式加工中心、精密加工中心、高速加工中心、龍門加工中心等,因此需要確定具體的品種才能進(jìn)行比較;第二,按照“規(guī)格相似、檔次相近”的原則在同品種國產(chǎn)加工中心和國外加工中心中各選擇一批(例如國產(chǎn)20臺、進(jìn)口20臺)代表性的產(chǎn)品;第三,按照后文的方法分別計(jì)算這些代表性機(jī)床的多項(xiàng)比較指標(biāo),再按照“國產(chǎn)-國外”對所選定的機(jī)床逐項(xiàng)比較各個(gè)指標(biāo)的值,就可得到這些機(jī)床的技術(shù)水平差異。這種方法比較的是某一品種機(jī)床的水平,得到的結(jié)果對提高國產(chǎn)機(jī)床某一品種的技術(shù)水平具有一定的指導(dǎo)意義,但也不能代表國產(chǎn)機(jī)床和國外機(jī)床的整體水平。

3)機(jī)床水平的全方位比較。本文的目的是研究國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的技術(shù)水平整體上是否存在差距?差距究竟有多大?差距體現(xiàn)在哪些方面?為了達(dá)到這個(gè)目的,需要比較國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床的整體水平。那么必須解決的問題是,究竟如何得到國內(nèi)外機(jī)床的整體水平?①不同品種之間的比較沒有意義。眾所周知,機(jī)床的品種非常多,據(jù)統(tǒng)計(jì)全世界共有319個(gè)機(jī)床大品類。很顯然,不同品種之間的比較沒有任何意義;②全面逐臺比較無法實(shí)施。機(jī)床的年產(chǎn)量也非常大,僅2021年國產(chǎn)金屬切削機(jī)床的產(chǎn)量就為60.2萬臺,按照32%的占比計(jì)算,一年中全球機(jī)床的總產(chǎn)量約188萬臺,這么大的數(shù)量根本無法進(jìn)行直接比較;③涉及的廠家太多而無法收集數(shù)據(jù)。機(jī)床制造廠家也非常多,如我國機(jī)床規(guī)模以上整機(jī)企業(yè)就高達(dá)近1 000家,如果按照同等生產(chǎn)率計(jì)算,全球機(jī)床制造廠家的數(shù)量會超過3 000家。再進(jìn)一步考慮到同類產(chǎn)品的規(guī)格和檔次之間的差異,在總數(shù)量方面進(jìn)行全面比較既無可能,也無意義。為解決這些難題,本文提出“代表性機(jī)床”和“平均水平”這兩個(gè)比較概念,用代表性機(jī)床的平均水平來代表國產(chǎn)機(jī)床和國外機(jī)床的整體水平。

(2)只比較高檔數(shù)控機(jī)床

從產(chǎn)品的檔次看,數(shù)控機(jī)床可以初略地劃分為高檔機(jī)床、中檔機(jī)床和低檔機(jī)床3大類,具體劃分方法可參見本專題系列文獻(xiàn)[6]。經(jīng)過幾十年改革開放的發(fā)展,國產(chǎn)低檔數(shù)控機(jī)床已經(jīng)把國外產(chǎn)品徹底阻擋在國內(nèi)市場的大門之外,比較的意義不大。中檔機(jī)床是當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)床產(chǎn)品競爭的主戰(zhàn)場,國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床各有優(yōu)勢,但它們之間的水平比較也不是本文的重點(diǎn)研究內(nèi)容(當(dāng)然也可以參照本文提供的比較方法進(jìn)行比較)。本專題系列論文主要討論高檔數(shù)控機(jī)床的高端制造模式,因此國內(nèi)外高檔數(shù)控機(jī)床整體水平之間的比較才是本文討論的重點(diǎn)。

(3)只對整機(jī)水平進(jìn)行比較

數(shù)控機(jī)床整機(jī)一般由機(jī)械結(jié)構(gòu)件、控制系統(tǒng)(數(shù)控系統(tǒng))、傳動系統(tǒng)(功能部件和驅(qū)動系統(tǒng))和輔機(jī)4種類型的部件組成[7-8],這些部件的水平(技術(shù)含量和質(zhì)量)各不相同,對整機(jī)也有不同的影響。盡管功能部件和輔機(jī)對整機(jī)技術(shù)水平的影響也很大,但限于篇幅,本文只對整機(jī)的技術(shù)水平進(jìn)行比較,而不考慮部件的水平如何。由于機(jī)床的整機(jī)品種很多,本文選擇量大面廣的加工中心類、數(shù)控車床類、磨削加工類、齒輪加工類4個(gè)品種的高檔機(jī)床作為國內(nèi)外機(jī)床水平的代表進(jìn)行水平比較。

(4)用樣本的平均水平代表整體水平

本文比較的對象是國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床,比較的目的是通過分析確定國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床的整體技術(shù)水平是否存在差距,差距究竟有多大,體現(xiàn)在哪些方面等問題,為國產(chǎn)機(jī)床行業(yè)的整體發(fā)展提供參考,為國產(chǎn)機(jī)床水平的提升、實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代指明方向。因此,比較內(nèi)容是“國產(chǎn)機(jī)床水平”和“國外機(jī)床水平”。但不管是國產(chǎn)機(jī)床還是國外機(jī)床,其品種、規(guī)格、數(shù)量都太多,考慮到每臺機(jī)床是不可行的。為此,本文引入“平均水平”的概念,在國產(chǎn)機(jī)床的平均水平和國外機(jī)床的平均水平之間進(jìn)行比較,這樣能反映出國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床之間整體水平的差異。數(shù)控機(jī)床平均水平的定義如下:

定義1數(shù)控機(jī)床的平均水平是指“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的一組代表性機(jī)床產(chǎn)品綜合技術(shù)水平的平均值。

“品種相同”意味著所選擇的國內(nèi)外機(jī)床產(chǎn)品樣本品種和數(shù)量要有對應(yīng)性,例如,在國產(chǎn)機(jī)床中選擇兩臺數(shù)控車床、兩臺加工中心,則在國外機(jī)床中也應(yīng)該選擇兩臺數(shù)控車床、兩臺同類型加工中心,這樣的比較結(jié)果才有意義。

“規(guī)格相似”意味著在重型機(jī)床之間、大型機(jī)床之間、中型機(jī)床之間、小型機(jī)床之間進(jìn)行比較,跨規(guī)格之間的比較意義不大,因?yàn)椴煌?guī)格機(jī)床技術(shù)水平之間本身的差異就非常大。以可靠性為例,中小型機(jī)床的可靠性指標(biāo)通?？梢允谴笮蜋C(jī)床可靠性的5～6倍以上,把它們放在一起對比顯然沒有意義。

“檔次相近”意味著在同檔次機(jī)床產(chǎn)品之間進(jìn)行比較,例如,只能在高檔機(jī)床之間、中檔機(jī)床之間或低檔機(jī)床之間進(jìn)行比較,跨檔次機(jī)床之間的比較毫無意義,只會帶來概念上的混亂。

該定義中的“平均”有兩個(gè)方面的含義:①“混合”的概念,即將幾種量大面廣的不同品種的機(jī)床混合在一起進(jìn)行比較,才能體現(xiàn)出“國產(chǎn)水平”和“國外水平”的“整體”特點(diǎn);②“平均值”,指的是比較樣本組中各臺代表性機(jī)床綜合技術(shù)水平相加再除以樣本的總臺數(shù)得到的數(shù)值。

但在計(jì)算平均水平時(shí),由于涉及到的企業(yè)數(shù)量、產(chǎn)品品種、規(guī)格和檔次仍然太多,為此本文提出“代表性機(jī)床”的概念,并給出如下定義:

定義2代表性機(jī)床指的是在所有“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的機(jī)床產(chǎn)品中按照抽樣原則確定的一組機(jī)床產(chǎn)品,作為比較時(shí)的代表。這組機(jī)床的平均水平就代表了所有“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”機(jī)床產(chǎn)品的平均水平,同時(shí)也代表了國產(chǎn)機(jī)床或國外機(jī)床的整體平均水平。

(5)不能用“年”這個(gè)時(shí)間單位定義機(jī)床的技術(shù)水平

說到數(shù)控機(jī)床的水平,很多人喜歡用“國內(nèi)外差距××年”來評價(jià),這種以年作為水平的比較單位是非常不合理的,因?yàn)槲覀兏緹o法精確地將機(jī)床的技術(shù)水平與年代聯(lián)系起來。以五軸聯(lián)動技術(shù)為例,世界第一臺五軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床是由美國辛辛那提公司于1959年生產(chǎn)出來的,至今已有60多年的歷史,但我們卻不能說五軸聯(lián)動是一種落后的技術(shù);一臺已經(jīng)服役40年的機(jī)床可能目前的精度仍然很高,而一臺近幾年出廠的數(shù)控機(jī)床的精度甚至還不如這臺老機(jī)床,我們是否就可以說這臺現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床的水平與上述老機(jī)床的差距是40年?類似的,我們也不能說“到××年就能超越進(jìn)口機(jī)床”這樣的話。因此,本文使用了技術(shù)水平的平均得分來評價(jià)國內(nèi)外機(jī)床的整體水平。

(6)定量計(jì)算和定性打分相結(jié)合

在進(jìn)行國內(nèi)外機(jī)床水平比較時(shí),一定要將指標(biāo)的定性分析和定量計(jì)算結(jié)合起來,盡量用數(shù)據(jù)說話,對于實(shí)在無法進(jìn)行定量化的指標(biāo),建議采用專家打分法進(jìn)行量化。

3 機(jī)床水平的技術(shù)指標(biāo)分析

代表數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的指標(biāo)很多,本文只選取具有代表性的、用戶最關(guān)心的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行分析和比較(在實(shí)際操作時(shí),可以先組織一批專家利用專家打分法或者群體決策法來選擇待比較的技術(shù)指標(biāo))。

(1)運(yùn)動精度(Kinematic Accuracy,KA)

機(jī)床是用來加工機(jī)械零件的,因此其加工精度毫無疑問是最重要的技術(shù)指標(biāo)[9-10]。決定機(jī)床加工精度的主要技術(shù)參數(shù)是運(yùn)動精度,具體說有運(yùn)動軸的線性定位精度和重復(fù)定位精度(多個(gè)運(yùn)動軸的精度不同時(shí),選用最低的精度)、回轉(zhuǎn)軸的周向定位精度和重復(fù)定位精度、主軸的回轉(zhuǎn)精度(用近軸端的允差做代表)、各軸之間的聯(lián)動運(yùn)動精度等。機(jī)床運(yùn)動精度的高低與機(jī)床零件的幾何精度、機(jī)床的裝配精度、機(jī)床的熱變形、機(jī)床的動靜剛度和數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)水平等密切相關(guān)。機(jī)床的運(yùn)動精度屬于可以計(jì)算的定量指標(biāo),一般情況下在產(chǎn)品使用說明書中可以查到。

(2)功能復(fù)合度(Multiple Function,MF)

用戶購買一個(gè)產(chǎn)品實(shí)際上就是購買該產(chǎn)品的功能,能夠?qū)崿F(xiàn)的功能越多,產(chǎn)品的價(jià)值就越高,但機(jī)床的結(jié)構(gòu)也更復(fù)雜,同時(shí)也需要更高的設(shè)計(jì)制造水平。例如,一臺五軸聯(lián)動機(jī)床可以加工的零件要比三軸聯(lián)動機(jī)床復(fù)雜的多,相應(yīng)的機(jī)床結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)更復(fù)雜,設(shè)計(jì)制造難度也更大。因此,一臺機(jī)床所能夠?qū)崿F(xiàn)的功能是其最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。例如,車削中心與數(shù)控車床相比就增加了銑削功能甚至加工齒輪的功能;加工中心在銑床的基礎(chǔ)上增加了鏜孔加工功能;目前有些高檔次的加工中心甚至還增加了增材制造功能和激光加工等功能(用戶是否需要則另當(dāng)別論)。機(jī)床的功能復(fù)合度屬于可以計(jì)算的定量指標(biāo)。

(3)加工效率(Machining Efficiency,ME)

加工效率[11-13]是機(jī)床在單位時(shí)間內(nèi)切除金屬的數(shù)量,與主軸的轉(zhuǎn)速、運(yùn)動軸的進(jìn)給移動速度和機(jī)床的剛度(或驅(qū)動電機(jī)功率)密切相關(guān)。加工效率高的機(jī)床在相同的時(shí)間內(nèi)可以為用戶創(chuàng)造更高的價(jià)值,因此,用戶非常關(guān)注機(jī)床的加工效率。機(jī)床的加工效率屬于可以計(jì)算的定量指標(biāo)。

(4)可靠性(Operational Reliability,OR)

可靠性[14-17]是指產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定的時(shí)間內(nèi),完成規(guī)定功能的能力。與可靠性密切相關(guān)的概念是故障,可靠性高的產(chǎn)品在使用過程中不容易出現(xiàn)故障,可以提高機(jī)床的可用性,降低維修費(fèi)用。從理論上講,可靠性是個(gè)定量的指標(biāo)(平均無故障工作時(shí)間:MTBF),但在進(jìn)行水平比較時(shí),由于單臺機(jī)床的可靠度很難經(jīng)過測試得到,因此本文將可靠性按照定性指標(biāo)來處理,根據(jù)用戶長期使用效果來打分確定。

(5)精度穩(wěn)定性(Accuracy Stability,AS)

機(jī)床的精度穩(wěn)定性[18]是指機(jī)床按照同樣的工藝條件加工一批(如30件)零件時(shí),所得到的零件誤差的散差大小。機(jī)床的精度穩(wěn)定性主要取決于機(jī)床本身的設(shè)計(jì)(熱變形)、加工、裝配和磨損(微小的振動)、數(shù)控系統(tǒng)的控制精度、聯(lián)動軸之間的聯(lián)動精度,同時(shí)也與使用和維護(hù)水平有密切關(guān)系。從理論上講,精度穩(wěn)定性也是個(gè)定量的指標(biāo),但在進(jìn)行水平比較時(shí),由于很難得到單臺機(jī)床的精度穩(wěn)定性值,本文將精度穩(wěn)定性按照定性指標(biāo)來處理。

(6)精度保持性(Accuracy Retentivity,AR)

是指在規(guī)定的壽命周期內(nèi),機(jī)床保持其所要求的工作精度的能力。精度保持性[19-20]一般是由機(jī)床某些關(guān)鍵零件(如主軸、進(jìn)給軸、導(dǎo)軌等)的首次大修期所決定的,與機(jī)床的設(shè)計(jì)、防護(hù)、日常維護(hù)保養(yǎng)等密切相關(guān)。對于現(xiàn)代機(jī)床而言,機(jī)床的精度保持性一般應(yīng)該達(dá)到10年以上(服役10年后進(jìn)行大修或淘汰)。也就是說,在10年時(shí)間內(nèi),盡管機(jī)床的加工精度因各種原因會有一定程度的衰退,但加工零件的精度仍然能夠達(dá)到用戶的最低要求。本文的精度保持性主要是指10年服役期內(nèi)機(jī)床精度的衰退速度。從理論上講,精度保持性是個(gè)定量的指標(biāo),但在進(jìn)行水平比較時(shí),由于很難得到單臺機(jī)床的精度保持性數(shù)值,本文將精度保持性按照定性指標(biāo)來處理。

(7)信息化水平(Informatization Level,IL)

隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、工業(yè)4.0、智能制造和5G通信技術(shù)的迅速普及,信息化在機(jī)床應(yīng)用中起著越來越重要的作用,并作為提高機(jī)床的加工效率、保證零件精度和降低廢品率的主要手段,已成為機(jī)床最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。機(jī)床的信息化包括單機(jī)信息化和智能化水平、多機(jī)組線能力、機(jī)床與車間生產(chǎn)管理系統(tǒng)(如MES)的雙向信息通信能力、機(jī)床的遠(yuǎn)程監(jiān)控與遠(yuǎn)程故障診斷能力等。由于包括的內(nèi)容很多,要建立一套系統(tǒng)、全面的數(shù)控機(jī)床信息化水平定量評價(jià)指標(biāo)體系比較困難,因此本文將機(jī)床的信息化水平按照定性指標(biāo)來處理。

(8)綠色化水平(Greenization Level,GL)

隨著低碳經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和用戶環(huán)境意識的不斷提高,機(jī)床的綠色化也逐漸成為重要的技術(shù)性能評價(jià)指標(biāo)。綠色化是個(gè)壽命周期概念,涉及到產(chǎn)品的綠色設(shè)計(jì)、綠色制造、綠色使用、綠色運(yùn)維和綠色處置等。常用的機(jī)床綠色化技術(shù)包括干切削、微量潤滑切削、切屑無害化處理、節(jié)省能量消耗、機(jī)床再制造等。由于本文并不專門研究綠色化,為簡化起見,只涉及到數(shù)控機(jī)床的綠色運(yùn)行和綠色運(yùn)維,并將綠色化作為定性指標(biāo)來處理。

(9)人體工學(xué)(Human Engineering,HE)

人體工學(xué)指的是產(chǎn)品的的外觀形狀和色彩、輔機(jī)的布置、機(jī)床防護(hù)裝置及覆蓋件處理、電氣液管路布置、操作的易達(dá)性、省力性、舒適性和安全性等,要求操作符合人體工學(xué)原理、色彩搭配美觀、占地面積小、整體穩(wěn)定性和安全性高,具有很強(qiáng)的時(shí)代感。人體工學(xué)(如外觀造型)無法進(jìn)行定量化,本文按照定性指標(biāo)來處理。

除了上述9項(xiàng)指標(biāo)外,用戶也很看重機(jī)床的服役壽命、交付期、壽命周期服務(wù)水平、壽命周期成本等指標(biāo),這幾項(xiàng)指標(biāo)對提升用戶的滿意度和增強(qiáng)用戶粘性都非常重要,但主要靠機(jī)床制造企業(yè)的管理水平來保障。由于本文討論的是國內(nèi)外機(jī)床的技術(shù)水平比較,這幾項(xiàng)管理類指標(biāo)均不在本文的討論范圍之內(nèi)。

4 研究方法

(1)機(jī)床品牌的分檔

根據(jù)一般的概念,本文可以將中國大陸以外機(jī)床生產(chǎn)國和地區(qū)的技術(shù)水平大致分為3個(gè)檔次:日本、德國、美國、瑞士的機(jī)床為第一檔次;意大利、西班牙、法國、荷蘭、奧地利的機(jī)床為第二個(gè)檔次;韓國、臺灣省、印度、巴西、捷克、俄羅斯的機(jī)床為第三個(gè)檔次。這種分檔方法盡管有點(diǎn)粗糙,也不完全符合實(shí)際,例如第二個(gè)檔次的國家也有個(gè)別品牌的機(jī)床技術(shù)水平很高。但這種分檔次劃分方法卻基本上可以反映當(dāng)前各個(gè)主要機(jī)床生產(chǎn)國的平均技術(shù)水平。由于本文研究的是高檔數(shù)控機(jī)床之間的技術(shù)水平比較,因此,只針對第一檔次國家(日本、德國、美國、瑞士)的代表性機(jī)床與國產(chǎn)代表性機(jī)床進(jìn)行技術(shù)水平比較。

(2)平均水平和樣本選取

根據(jù)前面的定義,平均水平是指國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床品牌的代表性水平和第一檔次國外機(jī)床生產(chǎn)國各種高端數(shù)控機(jī)床品牌的代表性水平,并不特指某個(gè)國家、某個(gè)品牌、某種規(guī)格產(chǎn)品的具體技術(shù)水平,也不意味著是各自國家機(jī)床的最高水平產(chǎn)品。例如,奧地利車銑復(fù)合機(jī)床WFL,日本捷太科特Jtket的AHN15-3D自由曲面金剛石加工機(jī)床等盡管都屬于代表各自國家機(jī)床制造水平的高檔機(jī)床,但卻不在比較范圍內(nèi)。

1)國外機(jī)床樣本選擇。由于第一檔次國外機(jī)床包括4個(gè)國家,這4個(gè)國家的機(jī)床品牌也很多,各個(gè)品牌所覆蓋的機(jī)床品種更多,給水平比較帶來了很大的困難。根據(jù)平均水平的概念,本文在第一檔次國外機(jī)床品牌中選取若干個(gè)典型高端品牌的產(chǎn)品并計(jì)算他們的平均水平作為國外高檔機(jī)床水平的代表。為了使所選取的樣本具有代表性和可比性,樣本必須覆蓋第一檔次的4個(gè)國外機(jī)床生產(chǎn)國,也要覆蓋加工中心類、數(shù)控車床類、磨削加工類、齒輪加工類四大類量大面廣的機(jī)床品種。在本文的算例中,選擇加工中心4臺、數(shù)控車床3臺、數(shù)控磨床1臺、齒輪加工機(jī)床2臺,以這10臺高檔數(shù)控機(jī)床作為國外機(jī)床整體水平的代表。

2)國產(chǎn)機(jī)床樣本選擇。我國規(guī)模以上的機(jī)床整機(jī)生產(chǎn)廠家接近1 000家(個(gè)別文獻(xiàn)給出的具體數(shù)量為824家)[21],幾乎覆蓋了所有機(jī)床品種。這些機(jī)床的技術(shù)水平參差不齊,計(jì)算其平均技術(shù)水平更加困難。為此,本文從近幾年發(fā)展態(tài)勢較好的10個(gè)一線機(jī)床生產(chǎn)廠家中進(jìn)行選取,并認(rèn)為這些廠家的機(jī)床水平就代表了國產(chǎn)機(jī)床當(dāng)前的最高水平(盡管可能還達(dá)不到真正高檔數(shù)控機(jī)床的水平)。為了具有可比性,在選取國產(chǎn)機(jī)床的代表性廠家時(shí),也應(yīng)從加工中心類、數(shù)控車床類、磨削加工類、齒輪加工類等4大類機(jī)床品種的生產(chǎn)廠家中進(jìn)行選擇,并根據(jù)“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的原則,在機(jī)床品種和數(shù)量上保持與國外的10個(gè)品牌的機(jī)床具有對應(yīng)性(如加工中心4臺、數(shù)控車床3臺、數(shù)控磨床1臺、齒輪加工機(jī)床2臺)。

(3)指標(biāo)計(jì)算和專家打分

在行業(yè)內(nèi)(機(jī)床制造企業(yè)、機(jī)床高端用戶、機(jī)床科研院所、高等院校機(jī)械學(xué)科教授等)選取10名專家,專家根據(jù)自己的知識和經(jīng)驗(yàn)按照后面的計(jì)算方法和打分原則對所選取的國內(nèi)外各10臺代表性機(jī)床的技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算和打分。其中,前3項(xiàng)指標(biāo)為定量計(jì)算(按照后文提供的計(jì)算方法),后6項(xiàng)指標(biāo)為專家打分,指標(biāo)計(jì)算和專家打分結(jié)果一并計(jì)入表1中。另外,不管是指標(biāo)計(jì)算的分?jǐn)?shù)還是專家打分的分?jǐn)?shù),每項(xiàng)指標(biāo)的滿分都是100分。

表1 指標(biāo)計(jì)算和專家打分表示例(第j位專家)

如表1所示為第j位專家對國內(nèi)外20臺高檔數(shù)控機(jī)床(國內(nèi)外機(jī)床各10臺)的9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)計(jì)算和打分表。其中,國外機(jī)床總分ATSj(Abroad Total Score)是10臺國外機(jī)床某一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的得分總和,通過得分比較可以看出專家j對國外高檔數(shù)控機(jī)床某一項(xiàng)指標(biāo)的具體評價(jià);國產(chǎn)機(jī)床總分DTSj(Domestic Total Score)是10臺國產(chǎn)機(jī)床某一項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的得分總和,通過得分比較可以看出專家j給國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床某一項(xiàng)指標(biāo)的具體評價(jià);指標(biāo)總分TISj(Total Index Score)是專家j給某一臺機(jī)床9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)打分的總和,通過比較可以看出專家j對國產(chǎn)機(jī)床和國外機(jī)床的綜合指標(biāo)評價(jià)。

(4)定量技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算

根據(jù)上面的分析可以看出,在9個(gè)評價(jià)指標(biāo)中,有3個(gè)指標(biāo)可以直接利用公式進(jìn)行定量計(jì)算,具體數(shù)值從所選取的國外機(jī)床和國產(chǎn)機(jī)床代表性廠家的產(chǎn)品使用說明書或產(chǎn)品樣本中進(jìn)行收集。

1)運(yùn)動精度指標(biāo)分值計(jì)算。對于加工中心類機(jī)床,決定機(jī)床運(yùn)動精度的主要技術(shù)參數(shù)一般都可以從公開資料(如機(jī)床的使用說明書)中得到。本文選取各運(yùn)動軸的線性定位精度和重復(fù)定位精度、主軸的回轉(zhuǎn)精度、各軸之間的聯(lián)動運(yùn)動精度(或稱插補(bǔ)精度)等4項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算機(jī)床的運(yùn)動精度。在所選擇的共8臺中外加工中心機(jī)床中(進(jìn)口機(jī)床4臺、國產(chǎn)機(jī)床4臺)選4項(xiàng)精度指標(biāo)的最高值(毫米)作為基準(zhǔn),每項(xiàng)精度指標(biāo)給100/4=25的滿分。然后,其他7臺加工中心機(jī)床與基準(zhǔn)機(jī)床的精度值進(jìn)行比較,由于這些機(jī)床的精度較基準(zhǔn)機(jī)床更低,它們的精度得分必然低于基準(zhǔn)機(jī)床,精度等級減分值(為負(fù)數(shù))可以由如下公式計(jì)算得到:

Ki=2 000(Pi-PJ)。

(1)

式中:Ki為第i臺比較機(jī)床的運(yùn)動精度減分值;Pi為第i臺機(jī)床的運(yùn)動精度;PJ為基準(zhǔn)機(jī)床的精度;(Pi-PJ)乘以2 000的原因是為了使所得減分值保持在25分的自然數(shù)以內(nèi),機(jī)床精度越差,減分值越高。

將每臺機(jī)床的4項(xiàng)運(yùn)動精度得分相加,就可以得到這臺機(jī)床的運(yùn)動精度平均得分。對于數(shù)控車床類、磨削加工類、齒輪加工類機(jī)床而言,其運(yùn)動精度的表達(dá)方式有所不同,本文采用與加工中心精度減分值同樣的原理確定各臺機(jī)床的精度平均得分,將計(jì)算結(jié)果計(jì)入表1。

如果所選擇的機(jī)床運(yùn)動精度指標(biāo)低于基準(zhǔn)精度51%以上,則說明這臺機(jī)床的檔次已經(jīng)不屬于高檔數(shù)控機(jī)床(或者說不具備可比性),就應(yīng)該重新進(jìn)行機(jī)床的選擇,本文的算例所采用的方式是對運(yùn)動精度較基準(zhǔn)機(jī)床相差較多的機(jī)床得分直接賦零。

2)功能復(fù)合度指標(biāo)分值計(jì)算。機(jī)床的功能事實(shí)上就是產(chǎn)品所能夠完成的加工工序。常用的機(jī)械加工工序有:車削、銑削、磨削、鏜削、鉆鉸、攻絲、滾齒加工、磨齒加工、增材加工、熱處理10項(xiàng)。對于不同的機(jī)床,由于其主要功能不同,給定每種功能的分?jǐn)?shù)亦不同。因?yàn)橄嗤墓δ軐Σ煌臋C(jī)床具有不同的重要度,本文用不同的得分值來表示功能的重要度。例如,對于數(shù)控車床類機(jī)床,車削加工肯定是必要且最重要的功能,銑削功能次之;而對于加工中心類機(jī)床,銑削加工和鏜削加工是最重要的功能,其他加工功能并不是必需的。由于機(jī)床功能復(fù)合度的滿分是100分,需要將這100分合理分解到10項(xiàng)加工工序上,有此項(xiàng)功能就給出表中的分?jǐn)?shù)(如表2),沒有這項(xiàng)功能則不給分。將計(jì)算結(jié)果計(jì)入表1。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),表2中功能復(fù)合度的分值也可以通過專家討論確定(目前的分值是筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)主觀給定的)。

表2 不同機(jī)床的功能復(fù)合度分值

3)加工效率指標(biāo)分值計(jì)算。傳統(tǒng)的切削效率計(jì)算公式是切削速度、進(jìn)給量和吃刀深度的乘積,但切削效率與加工效率并不是一個(gè)概念,前者是針對單道工序而言的,后者則是針對整個(gè)機(jī)床的。在不考慮零件裝夾等輔助時(shí)間時(shí),機(jī)床的最大加工效率取決于主軸的最高轉(zhuǎn)速、運(yùn)動軸的最大切削移動速度、電機(jī)的功率等。以數(shù)控車床為例,在所確定的6臺中外機(jī)床(國外3臺、國產(chǎn)3臺)的相應(yīng)機(jī)床中分別選擇最高的主軸轉(zhuǎn)速、最快的運(yùn)動軸切削移動速度和最大的電機(jī)功率作為基準(zhǔn)機(jī)床,分別賦予40分、40分、20分(加起來為100分)的基準(zhǔn)分值,其他機(jī)床的這幾項(xiàng)數(shù)據(jù)(主軸轉(zhuǎn)速、運(yùn)動軸移動速度和電機(jī)功率)與基準(zhǔn)機(jī)床的相應(yīng)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,根據(jù)降低的比例進(jìn)行減分(如表3),計(jì)算結(jié)果計(jì)入表1。在實(shí)際應(yīng)用時(shí),表3中的減分值也可以由專家討論確定(目前的分值是筆者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)主觀給定的)。

表3 加工效率減分值

如果某一臺機(jī)床的最大速度或最大功率低于基準(zhǔn)速度和基準(zhǔn)功率的50%以上,說明這臺機(jī)床的加工效率與其他機(jī)床已經(jīng)不在同樣的水平,缺乏可比性,所得分?jǐn)?shù)為零。

(5)定性指標(biāo)的專家打分

除了運(yùn)動精度、功能復(fù)合度和加工效率外,剩下的6個(gè)定性指標(biāo)全部采用專家打分法予以確定。為此,要求所選定的10名機(jī)床專家,以實(shí)事求是、不帶偏見的方式,在充分了解機(jī)床行業(yè)整體技術(shù)水平的條件下,對所選定的20臺國內(nèi)外機(jī)床品牌的6個(gè)定性指標(biāo)分別進(jìn)行分析打分(滿分給100分),得到各臺機(jī)床各個(gè)技術(shù)指標(biāo)的得分值,將打分結(jié)果計(jì)入表1。

(6)機(jī)床平均水平的計(jì)算方法

1)國外代表性機(jī)床平均水平的計(jì)算。將10名專家對國外代表性機(jī)床的9項(xiàng)指標(biāo)總分ATSj除以90(10名專家、9項(xiàng)指標(biāo)),就得到國外機(jī)床技術(shù)水平的平均值(Average Level of Abroad machine tools,ALA):

(2)

2)國產(chǎn)代表性機(jī)床平均水平的計(jì)算。將10名專家對國產(chǎn)代表性機(jī)床的9項(xiàng)指標(biāo)總分DTSj除以90,就得到國產(chǎn)機(jī)床技術(shù)水平的平均值(Average Level of Domiestic machine tools, ALD):

(3)

(7)打分結(jié)果的分析方法

得到最終計(jì)算結(jié)果后,可以通過對計(jì)算結(jié)果的分析得到國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床的技術(shù)水平差異:總差異有多大?差在哪些方面?

1)國外代表性機(jī)床與國產(chǎn)代表性機(jī)床平均技術(shù)水平的整體差異分析。比較由式(2)得到的ALA值和由式(3)得到的ALD值,可以得到國內(nèi)外機(jī)床的整體技術(shù)水平的差異,差值越大,則說明兩者之間技術(shù)水平的差距越大。

2)基于用戶視角的國內(nèi)外機(jī)床水平差異。上述是根據(jù)各項(xiàng)技術(shù)水平的絕對值得到的國內(nèi)外機(jī)床差異,在實(shí)際中,用戶對9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的關(guān)注度是不同的,為此,在進(jìn)行國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)水平的得分進(jìn)行比較時(shí),還可以給不同的技術(shù)指標(biāo)乘以一個(gè)系數(shù),對用戶更關(guān)注的技術(shù)指標(biāo)乘以大于1的系數(shù),對用戶關(guān)注度低的技術(shù)指標(biāo)乘以小于1的系數(shù),這樣得到的結(jié)果更貼近實(shí)際。系數(shù)的確定可以參考表4(表中的系數(shù)也可由打分專家共同討論確定)。

表4 用戶對技術(shù)指標(biāo)的關(guān)注度系數(shù)

3)分項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的差異分析。針對9項(xiàng)性能指標(biāo)中的每項(xiàng)指標(biāo),分別將10名專家的ATS和DTS進(jìn)行相減,可以得到每項(xiàng)性能指標(biāo)的ATS和DTS差值,逐項(xiàng)比較這9個(gè)ATS和DTS之間的差值,就可以得到各項(xiàng)具體性能指標(biāo)之間的差異,可以明確國產(chǎn)機(jī)床的努力方向。

4)國內(nèi)外機(jī)床分項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)之間的橫向比較。針對選定的20臺機(jī)床,通過分析9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)所得平均分?jǐn)?shù)大小,可以得到各臺機(jī)床各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)的先進(jìn)程度,從而得到應(yīng)該重點(diǎn)改進(jìn)的方向。

5 算例驗(yàn)證

5.1 樣本和數(shù)據(jù)說明

在本文的前半部分,筆者建立了國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的比較方法。為了說明該方法的應(yīng)用過程、處理技巧并驗(yàn)證方法的準(zhǔn)確性和可行性,本章采用算例的方式對所提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。需要特別說明的是:由于缺少實(shí)際數(shù)據(jù),本文在部分現(xiàn)有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上采用了較多的虛擬數(shù)據(jù)(實(shí)際數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)相結(jié)合),比較過程和分析過程都是基于虛擬數(shù)據(jù)的,并不完全代表實(shí)際情況,因?yàn)轵?yàn)證比較方法的正確性和有效性才是本文的主要目的,實(shí)際的比較結(jié)果如何反而不是最重要的。此外,全部采用真實(shí)數(shù)據(jù)也在筆者的能力范圍之外。當(dāng)然,在選擇虛擬數(shù)據(jù)時(shí),不可避免地會摻雜一些筆者的主觀觀點(diǎn)。采用虛擬數(shù)據(jù)的另外一個(gè)目的也是顯而易見:筆者并不想也沒有能力通過一個(gè)案例就給出國內(nèi)外機(jī)床的真實(shí)水平,需要由政府部門、機(jī)床行業(yè)學(xué)會或協(xié)會出面組織一個(gè)專家組以課題的方式專門進(jìn)行國內(nèi)外機(jī)床水平的比較。另外,筆者更不想涉及到國內(nèi)外機(jī)床的具體廠家,以避免由此帶來的一系列意想不到的問題。

為了避免個(gè)別企業(yè)對號入座,引出不必要的糾紛,本文用編號代表所選擇的機(jī)床品牌,國外機(jī)床品牌用AMi(Abroad Machine Tools)進(jìn)行編號,國產(chǎn)機(jī)床品牌用DMi(Domestic Machine Tools)進(jìn)行編號。

國外一流機(jī)床品牌很多,國內(nèi)機(jī)床品牌也很多(但大多數(shù)都達(dá)不到高檔數(shù)控機(jī)床的水平),在實(shí)際操作時(shí),國內(nèi)外機(jī)床具體品牌的選擇可以采用專家評議法或?qū)＜掖蚍址?。需要說明的是,即使本文給出一些具體的機(jī)床廠家名稱,但文中的編號與具體的品牌和型號規(guī)格之間沒有任何聯(lián)系,希望各企業(yè)不要對號入座。

5.2 機(jī)床品牌及產(chǎn)品型號規(guī)格選擇

(1)國外機(jī)床品牌及產(chǎn)品型號規(guī)格選擇

根據(jù)前文提供的方法,按照“檔次相近”的原則在第一檔次國外機(jī)床生產(chǎn)國(日本、德國、美國、瑞士)的高水平品牌而不一定是最頂級品牌中選取10個(gè)高檔機(jī)床品牌作為參照對象,再按照“品種相同”的原則選取這些品牌的典型機(jī)床品種,最后按照“規(guī)格相似”的原則選取這些品牌相應(yīng)型號和規(guī)格的產(chǎn)品作為比較的樣本。在本算例中,選擇了3個(gè)日本品牌、3個(gè)德國品牌、3個(gè)美國品牌、1個(gè)瑞士品牌作為代表性機(jī)床。為了具有代表性,選定機(jī)床的品種為量大面廣的機(jī)床:加工中心4臺、數(shù)控車床3臺、數(shù)控磨床1臺、齒輪加工機(jī)床2臺(如表5),從其型號規(guī)格可以看出,這些機(jī)床均為中型規(guī)格的機(jī)床,也是為了更具有可比性。

表5 國外機(jī)床品牌數(shù)據(jù)

為了避免企業(yè)對號入座,我們按照隨機(jī)的方法(并不是按照表中的順序)給這些機(jī)床進(jìn)行編號,分別為AM1、AM2、AM3、AM4、AM5、AM6、AM7、AM8、AM9和AM10。

(2)國產(chǎn)機(jī)床品牌及產(chǎn)品型號規(guī)格選擇

為了具有可比性,根據(jù)“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的原則,參照已選定的國外機(jī)床的品種、型號和規(guī)格,在國產(chǎn)一流機(jī)床廠家中選取國產(chǎn)品牌數(shù)控機(jī)床10臺,同樣是加工中心4臺、數(shù)控車床3臺、數(shù)控磨床1臺、齒輪機(jī)床2臺,如表6所示。需要說明的是,在表6中,國產(chǎn)機(jī)床品牌與進(jìn)口機(jī)床品牌之間并不是嚴(yán)格一對一的對應(yīng)關(guān)系。

表6 國產(chǎn)機(jī)床品牌數(shù)據(jù)

再次強(qiáng)調(diào),雖然表6中將國產(chǎn)機(jī)床品牌與國外機(jī)床品牌建立了品種對應(yīng)關(guān)系,但在實(shí)際打分時(shí)并不是將國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床品牌一一對應(yīng)的。

為了避免企業(yè)對號入座,筆者同樣按照隨機(jī)的方法(并不是按照表6中的順序)給這些機(jī)床編號為DM1、DM2、DM3、DM4、DM5、DM6、DM7、DM8、DM9和DM10。

5.3 專家選擇及其職責(zé)

在確定國內(nèi)外機(jī)床水平時(shí),專家的選擇非常重要,一般建議分別從機(jī)床制造廠家、機(jī)床典型用戶和知名機(jī)床科學(xué)研究和教學(xué)機(jī)構(gòu)中選擇專家,所選擇的專家應(yīng)該公平公正、負(fù)責(zé)任、見多識廣、經(jīng)驗(yàn)豐富。專家的職責(zé)是選擇典型國內(nèi)外機(jī)床品牌和型號規(guī)格、對相關(guān)系數(shù)進(jìn)行確定(運(yùn)動精度的基準(zhǔn)機(jī)床和減分值、功能復(fù)合度分值、加工效率的基準(zhǔn)機(jī)床和減分值等)、計(jì)算定量技術(shù)指標(biāo)、為定性技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行打分等。本文擬選定10名專家,專家的編號用Si來代表,分別為:S1、S2、S3、S4、S5、S6、S7、S8、S9、S10。在實(shí)際操作時(shí),為了提高比較數(shù)據(jù)的可信性,也可考慮增加專家的數(shù)量。

5.4 樣本機(jī)床定量技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算

(1)運(yùn)動精度指標(biāo)分值計(jì)算

機(jī)床的運(yùn)動精度按照機(jī)床的品種計(jì)算,包括加工中心運(yùn)動精度、數(shù)控車床運(yùn)動精度、數(shù)控磨床運(yùn)動精度和齒輪加工機(jī)床運(yùn)動精度。

1)加工中心的運(yùn)動精度計(jì)算。根據(jù)比較方法,8臺加工中心(國外4臺、國產(chǎn)4臺)的運(yùn)動精度分別用各運(yùn)動軸的線性定位精度、各運(yùn)動軸的重復(fù)定位精度、主軸的回轉(zhuǎn)精度、各軸之間的聯(lián)動運(yùn)動精度(插補(bǔ)精度)等4項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算。

通過查閱機(jī)床使用說明書(包括虛擬數(shù)據(jù)),可以得到這8臺加工中心4項(xiàng)運(yùn)動精度的具體值如表7所示(可以由10位專家共同討論計(jì)算,也可以由專家單獨(dú)計(jì)算,本例采用的是前者的方法)。

表7 加工中心的運(yùn)動精度及得分

由表7可以看出,運(yùn)動軸最高定位精度是AM2;運(yùn)動軸最高重復(fù)定位精度是AM2和AM4,可以任選一個(gè),本例選AM2;主軸回轉(zhuǎn)精度最高是AM1和AM2,本例選AM2;聯(lián)動運(yùn)動精度最高是AM2和AM4,本例選AM2。其他機(jī)床運(yùn)動精度都等于或低于AM2,在精度計(jì)算時(shí)需要按照規(guī)定減分(減分規(guī)則見第4章式(1)),最后得到各臺機(jī)床運(yùn)動精度的總分值。

2)數(shù)控車床的運(yùn)動精度計(jì)算。數(shù)控車床的運(yùn)動精度基本上與加工中心相同,只是聯(lián)動軸數(shù)較少。因此,數(shù)控車床的運(yùn)動精度同樣用各運(yùn)動軸的線性定位精度、各運(yùn)動軸的重復(fù)定位精度、主軸的回轉(zhuǎn)精度、各軸之間的聯(lián)動運(yùn)動精度(插補(bǔ)精度)等4項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算。本文選擇6臺數(shù)控車床(國內(nèi)外各3臺)為例,通過查閱機(jī)床使用說明書(包括虛擬數(shù)據(jù)),可以得到這6臺數(shù)控車床4項(xiàng)運(yùn)動精度的具體值如表8所示(本例由10位專家共同討論計(jì)算確定)。

表8 數(shù)控車床的運(yùn)動精度及得分

從表8可以看出,4項(xiàng)運(yùn)動精度的最高值均為AM7,所以將AM7作為基準(zhǔn)機(jī)床;其它的機(jī)床運(yùn)動精度都低于AM7,在精度計(jì)算時(shí)需要按照規(guī)定減分(見式(1)),最后得到各臺機(jī)床的運(yùn)動精度的總分值。

3)數(shù)控磨床的運(yùn)動精度計(jì)算。數(shù)控磨床的種類非常多,本文以萬能外圓磨床為例計(jì)算其運(yùn)動精度。對于外圓磨床而言,運(yùn)動精度一般用各運(yùn)動軸的線性定位精度、各運(yùn)動軸的重復(fù)定位精度、外圓磨頭主軸的回轉(zhuǎn)精度、內(nèi)圓磨頭的回轉(zhuǎn)精度等4項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算。由于選用的磨床只有2臺(中外各1臺),實(shí)際上就是這2臺機(jī)床的精度比較。通過查閱機(jī)床使用說明書(包括虛擬數(shù)據(jù)),可以得到這2臺外圓磨床4項(xiàng)運(yùn)動精度的具體值如表9所示(本例是由10位專家共同討論確定的)。

表9 數(shù)控外圓磨床的運(yùn)動精度及得分

從表9可以看出,AM8的各項(xiàng)精度都比DM8高的多。這是可以理解的,因?yàn)槟ゴ彩且环N高精度的機(jī)床,且本文所選擇的國外機(jī)床屬于磨床中的頂尖產(chǎn)品。在精度計(jì)算時(shí)需要按照規(guī)定對精度較差的機(jī)床進(jìn)行減分(見公式(1)),最后得到DM8機(jī)床的運(yùn)動精度的總分值為59分。

4)數(shù)控齒輪加工機(jī)床的運(yùn)動精度計(jì)算。齒輪加工機(jī)床主要包括滾齒機(jī)和磨齒機(jī),機(jī)床的運(yùn)動精度多用被加工齒輪的精度來表征。一般情況下,滾齒機(jī)可以加工5到7級精度的齒輪,磨齒機(jī)可以加工2到4級精度的齒輪。滾齒加工齒輪的精度通常可以由以下4個(gè)運(yùn)動精度來保障:滾刀架Z向移動定位精度、工件主軸回轉(zhuǎn)精度、刀具軸回轉(zhuǎn)精度、刀具軸與工件軸之間的聯(lián)動分度運(yùn)動精度等4項(xiàng)指標(biāo)來計(jì)算。本文選擇4臺齒輪加工機(jī)床(國內(nèi)外各2臺)為例,通過查閱機(jī)床使用說明書(包括虛擬數(shù)據(jù)),可以得到這4臺機(jī)床4項(xiàng)運(yùn)動精度的具體值如表10所示(本例是由10位專家共同討論確定的)。

表10 數(shù)控齒輪加工機(jī)床的運(yùn)動精度及得分

從表10可以看出,4項(xiàng)運(yùn)動精度的最高值均為AM10,其他機(jī)床的運(yùn)動精度都低于AM10,在精度計(jì)算時(shí)需要按照規(guī)定對精度較低的機(jī)床進(jìn)行減分(見式(1)),最后得到各臺機(jī)床的運(yùn)動精度的總分值。

(2)功能復(fù)合度指標(biāo)分值計(jì)算

根據(jù)表2,不同類型的機(jī)床,其加工工序的重要性是不同的。設(shè)所選擇20臺機(jī)床具有的功能如表11所示,其相應(yīng)的總得分同時(shí)填入表11。

表11 機(jī)床的功能及功能復(fù)合度總得分

(3)加工效率指標(biāo)分值計(jì)算

根據(jù)第4章的比較方法,影響機(jī)床效率的主要技術(shù)指標(biāo)有:主軸的最高轉(zhuǎn)速、運(yùn)動軸的最大移動速度、電機(jī)的功率等,設(shè)20臺機(jī)床的主軸最高轉(zhuǎn)速、運(yùn)動軸最大移動速度和電機(jī)的功率如表12所示,減分值按照式(1)計(jì)算得到,結(jié)果填入表12。

表12 機(jī)床的加工效率指標(biāo)分值計(jì)算

從表12可以看出,主軸最高轉(zhuǎn)速為12 000 rpm,分別為AM2、AM4和DM4,最大進(jìn)給速度60 m/m,分別為AM4和DM4,主軸最大功率為62 kW,為AM3。凡是低于這些數(shù)據(jù)的機(jī)床都應(yīng)該進(jìn)行減分,所減分?jǐn)?shù)由式(1)決定,各臺機(jī)床的最終得分如表12所示。可以看出,在加工效率方面超過60分的機(jī)床只有3臺,分別為:DM4、AM4和AM2,這說明大部分機(jī)床制造商都沒有把加工效率指標(biāo)放在足夠高的地位。

5.5 樣本機(jī)床定性指標(biāo)的專家打分

根據(jù)本文第4章的打分方法,需要專家打分的6項(xiàng)指標(biāo)分別為:可靠性、精度穩(wěn)定性、精度保持性、信息化水平、綠色化水平和人體工學(xué)。既然是定性指標(biāo),打分結(jié)果就取決于專家對機(jī)床技術(shù)水平和應(yīng)用情況的整體了解。限于篇幅,本文只展示了一位專家的打分結(jié)果(如表13),如果讀者需要,可向筆者索要其他專家的打分結(jié)果(但均為虛擬數(shù)據(jù))。

表13 專家一對定性指標(biāo)的打分結(jié)果

5.6 專家打分結(jié)果的處理

(1)得分匯總

在10位專家打分完成后,將20臺機(jī)床的9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)得分(表7～表13,需向筆者索取的附表1～9)匯總成表14。其中,三項(xiàng)定量指標(biāo)是10位專家一起討論確定的,其他6項(xiàng)定性指標(biāo)是10位專家獨(dú)立打分結(jié)果的平均值。

表14 計(jì)算和打分結(jié)果匯總表

(2)國外機(jī)床總得分和平均得分

在表14中,國外機(jī)床AM1～AM10的總得分為7 355分,將其除以90(9位專家、10臺機(jī)床),就可以得到國外單臺機(jī)床技術(shù)水平的平均得分為81.7分。

(3)國產(chǎn)機(jī)床總得分和平均得分

在表14中,國產(chǎn)機(jī)床DM1～DM10的總得分為5 872分,將其除以90(9位專家、10臺機(jī)床),就可以得到國產(chǎn)單臺機(jī)床技術(shù)水平的平均得分為65.2分。

5.7 結(jié)果分析

需要再一次說明的是,由于本文采用的打分?jǐn)?shù)據(jù)是虛擬的(部分為實(shí)際數(shù)據(jù)),因此結(jié)果分析也是基于虛擬數(shù)據(jù)的,并不代表實(shí)際情況。

(1)國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)水平的整體差距分析

從表14的計(jì)算結(jié)果看,國外單臺代表機(jī)床的平均得分ALA是81.7分,而國產(chǎn)機(jī)床代表的單臺平均得分ALD是65.2分,還存在著16.5分的差距,這也是高檔數(shù)控機(jī)床進(jìn)口額居高不下的主要原因,需要盡快引入高端制造模式對國產(chǎn)高檔機(jī)床的技術(shù)水平進(jìn)行提升,實(shí)現(xiàn)進(jìn)口替代。另外,國外高檔機(jī)床的平均得分是81.7分,說明國外機(jī)床的技術(shù)水平也存在一定的提升空間(滿分為100分)。此外,筆者設(shè)想(根據(jù)虛擬數(shù)據(jù)),16.5分的差距應(yīng)該是國際上第三檔次品牌機(jī)床與第一檔次品牌機(jī)床之間的差距,因此從這一點(diǎn)看,國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的水平在國際上應(yīng)該屬于第三梯隊(duì)。

(2)基于用戶視角的國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)水平差異分析

將表14中國外機(jī)床的得分和國產(chǎn)機(jī)床的得分兩欄提取出來形成表15。表中最后一行是用國外機(jī)床的得分減去國產(chǎn)機(jī)床的得分得到的。

表15 國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)指標(biāo)差距分析

將表4中的系數(shù)乘以表15中的差距,可以得到表16,反映了用戶視角下國內(nèi)外機(jī)床水平的差距。

表16 用戶視角下國內(nèi)外機(jī)床技術(shù)水平的差距

從表16可以看出,站在用戶的角度看,國產(chǎn)機(jī)床的運(yùn)動精度與國外機(jī)床的差距最大,精度穩(wěn)定性和可靠性的差距比較接近,精度保持性和信息化水平的差距比較接近。從用戶的角度看,國產(chǎn)機(jī)床應(yīng)該把改進(jìn)的重點(diǎn)放在運(yùn)動精度的提升上,其次是提高精度穩(wěn)定性和可靠性,然后才是精度保持性和信息化水平,其他4項(xiàng)的改進(jìn)和提升暫時(shí)排在最后。

(3)國內(nèi)外機(jī)床分項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)分析比較

1)國內(nèi)外機(jī)床運(yùn)動精度技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺運(yùn)動精度平均得分為95.8分,國內(nèi)機(jī)床為67分,兩者差距為28.8分,說明國產(chǎn)機(jī)床運(yùn)動精度的提升空間還比較大,機(jī)床的加工精度是客戶最容易詬病的技術(shù)指標(biāo),需要花大力氣去改進(jìn),國內(nèi)企業(yè)應(yīng)該采用超過國標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)的要求去控制機(jī)床的精度。

2)國內(nèi)外機(jī)床功能復(fù)合度技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺功能復(fù)合度平均得分為82.9分,國內(nèi)機(jī)床為78.3分,兩者差距僅為4.6分,說明國產(chǎn)機(jī)床在功能設(shè)計(jì)水平方面基本接近國外機(jī)床。在實(shí)踐中也是如此,國外機(jī)床一旦開發(fā)某項(xiàng)新功能后,國產(chǎn)機(jī)床在很短的時(shí)間內(nèi)就可以“復(fù)制”出來,“結(jié)構(gòu)模仿”能力是我們的優(yōu)勢,但自主創(chuàng)新能力不足,這是國產(chǎn)機(jī)床行業(yè)向高端轉(zhuǎn)型必須解決的問題,否則我們永遠(yuǎn)是跟跑者。

3)國內(nèi)外機(jī)床加工效率技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺加工效率平均得分為31分,國內(nèi)機(jī)床為21分,兩者差距僅為10分。這項(xiàng)指標(biāo)國內(nèi)外機(jī)床均不高,這是因?yàn)槲覀冊诘梅钟?jì)算時(shí)沒有特別選擇高速加工機(jī)床。另外可能因?yàn)槭沁x擇的基準(zhǔn)機(jī)床的加工效率太高,其他機(jī)床的加工效率跟基準(zhǔn)機(jī)床的加工效率相比差距太大,以至于整體分?jǐn)?shù)都不高。但考慮到用戶對加工效率的要求越來越高,國產(chǎn)機(jī)床制造廠家應(yīng)該在加工效率的提升方面多下功夫,可能會成為率先超越國外機(jī)床的技術(shù)“突破點(diǎn)”。

4)國內(nèi)外機(jī)床可靠性技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺可靠性平均得分為90.5分,國內(nèi)機(jī)床為73.0分,兩者差距為17.5分,說明國產(chǎn)機(jī)床的可靠性與國外機(jī)床仍然有較大差距。事實(shí)上,根據(jù)筆者掌握的不完整數(shù)據(jù),國外常見機(jī)床(加工中心、數(shù)控車床等)的可靠性指標(biāo)MTBF已經(jīng)超過3 000小時(shí),最高可達(dá)到5 000小時(shí)(某國外品牌網(wǎng)站);而國產(chǎn)機(jī)床最高M(jìn)TBF才2 300小時(shí)左右,平均大約為1 200小時(shí)。此外,從國內(nèi)用戶的反映看,國產(chǎn)機(jī)床的可靠性差是影響用戶購買愿望的關(guān)鍵因素。由于用戶高度關(guān)注可靠性,因此,可靠性是今后國產(chǎn)機(jī)床繼續(xù)努力的主要方向。

5)國內(nèi)外機(jī)床精度穩(wěn)定性技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺精度穩(wěn)定性平均得分為90.4分,國內(nèi)機(jī)床為71.4分,兩者差距為19分,說明國產(chǎn)機(jī)床的精度穩(wěn)定性與國外機(jī)床相比仍然存在較大的差距。事實(shí)上,筆者到各個(gè)機(jī)械制造企業(yè)調(diào)研時(shí)都發(fā)現(xiàn),用戶對精度穩(wěn)定性的要求正在逐步提高,特別是齒輪加工機(jī)床、專用機(jī)床和具有一定批量的生產(chǎn)線,用戶希望通過精度穩(wěn)定性提高被加工零件的精度一致性。因此,對于加工批量比較大的機(jī)床,提高精度穩(wěn)定性至關(guān)重要。

6)國內(nèi)外機(jī)床精度保持性技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺精度穩(wěn)定性平均得分為89.7分,國內(nèi)機(jī)床為71.2分,兩者差距為18.5分,說明國產(chǎn)機(jī)床的精度保持性與國外機(jī)床相比仍然存在較大的差距。事實(shí)上,筆者在分析部分機(jī)床制造企業(yè)的用戶抱怨記錄時(shí)也發(fā)現(xiàn),用戶對加工精度快速丟失的抱怨比較多,最快的半年時(shí)間就丟失出廠時(shí)的精度,精度一般僅能保持1年,最好的可能勉強(qiáng)到3年。而國外有些40年使用壽命的老機(jī)床仍然能夠保持較高的加工精度,說明國產(chǎn)機(jī)床制造企業(yè)應(yīng)該加強(qiáng)對精度保持性技術(shù)的研究和應(yīng)用。

7)國內(nèi)外機(jī)床信息化水平技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺信息化水平的平均得分為87.2分,國內(nèi)機(jī)床為68.8分,兩者差距為18.4分,說明國產(chǎn)機(jī)床的信息化水平與國外機(jī)床仍然有較大差距。數(shù)控機(jī)床的信息化水平主要包括數(shù)控系統(tǒng)的智能化水平、組成機(jī)床生產(chǎn)線的聯(lián)線能力和與車間管理系統(tǒng)MES的通信能力等。由于國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)的技術(shù)水平與國外高水平數(shù)控系統(tǒng)相比具有一定的差距,使得整機(jī)的信息化水平也受到較大影響,提高數(shù)控系統(tǒng)的水平無疑是國產(chǎn)機(jī)床行業(yè)的最主要努力方向。

8)國內(nèi)外機(jī)床綠色化水平技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺綠色化水平的平均得分為83.4分,國內(nèi)機(jī)床為68.6分,兩者差距為14.8分,說明國產(chǎn)機(jī)床的綠色化水平與國外機(jī)床仍然有較大差距。事實(shí)上,西方國家民眾的環(huán)保意識比較強(qiáng),對綠色制造技術(shù)研究的起步比較早,研究工作比較深入,在機(jī)床再制造、干切削、微量潤滑切削、對切屑的無害處理技術(shù)等方面都比較成熟,這些都是國產(chǎn)機(jī)床的努力方向。

9)國內(nèi)外機(jī)床人體工學(xué)水平技術(shù)指標(biāo)分析比較。從表15可以看出,國外機(jī)床單臺人體工學(xué)水平的平均得分為84.6分,國內(nèi)機(jī)床為67.9分,兩者差距為16.7分,說明國產(chǎn)機(jī)床的人體工學(xué)水平與國外機(jī)床仍然有較大差距。事實(shí)上,長期的低端制造模式使得國產(chǎn)機(jī)床企業(yè)主要關(guān)注功能的實(shí)現(xiàn)和成本的控制,像人體工學(xué)這種更高層次的技術(shù)很少進(jìn)行研究,也屬于國產(chǎn)機(jī)床的努力方向。

(4)國內(nèi)外機(jī)床分項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)之間的橫向比較

分析表15中的數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn):國內(nèi)外機(jī)床在運(yùn)動精度方面的差距最大,國外機(jī)床在運(yùn)動精度方面的得分也最高。精度是機(jī)床最重要的技術(shù)指標(biāo),長期的低端制造使得機(jī)床制造企業(yè)對精度的關(guān)注不夠,使用的控制標(biāo)準(zhǔn)比較低,缺乏保證精度的技術(shù)手段和工匠精神,造成與國外機(jī)床在精度方面的較大差距。

差距排在第二位和第三位的分別是精度穩(wěn)定性和精度保持性。在實(shí)踐中,精度穩(wěn)定性和精度保持性都是用戶極其關(guān)注的技術(shù)指標(biāo),國產(chǎn)機(jī)床制造要想成功地向高端制造模式轉(zhuǎn)型,就必須掌握精度穩(wěn)定性技術(shù)和精度保持性技術(shù)。

在9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)中,差距最小的是功能復(fù)合度,這是因?yàn)闄C(jī)床是為滿足加工要求而定制的功能,超出定制功能的要求意義并不大,用戶并不會為此而額外付出費(fèi)用。因此,就造成機(jī)床功能的大同小異。另外,國產(chǎn)機(jī)床制造企業(yè)的模仿能力很強(qiáng),只要國外機(jī)床新開發(fā)一種功能,國產(chǎn)機(jī)床企業(yè)就會很快仿制出來,就造成功能復(fù)合度差距的并不大。

差距最小排在第二位的是加工效率,這是在選擇典型樣本機(jī)床時(shí),沒有考慮加工效率問題,可能選擇的基準(zhǔn)機(jī)床是一臺高速加工機(jī)床,而其它的機(jī)床卻是一般的數(shù)控機(jī)床,造成加工效率的減分過多,所得到的總分也很少。

其他技術(shù)指標(biāo)像信息化水平、綠色化水平和人體工學(xué)水平的差距基本上保持在相同的水平,反映了國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床之間的整體差距。

需要特別予以說明的技術(shù)指標(biāo)是可靠性,國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床的差距是17.5分。因?yàn)榭煽啃詷O大的影響機(jī)床的可用性和使用成本,所以用戶對可靠性非常敏感,對國產(chǎn)機(jī)床可靠性的詬病也就非常多。事實(shí)上,通過2009年開始實(shí)施的《高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備》科技重大專項(xiàng),使國產(chǎn)機(jī)床的可靠性已經(jīng)得到質(zhì)的提高,否則差距會更大。

6 結(jié)束語

為了定量化地比較國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床之間的差異,為國產(chǎn)機(jī)床行業(yè)建立高端制造模式提供依據(jù),為國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的提升明確方向,本文對國內(nèi)外高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的比較方法進(jìn)行了研究,主要內(nèi)容如下:

首先對比較概念進(jìn)行了界定,提出了國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的比較原則,給出了“代表性機(jī)床”和“平均水平”的概念,建立了“品種相同、規(guī)格相似、檔次相近”的比較原則,使得比較結(jié)果更具實(shí)用性。隨后站在用戶的角度分析了代表數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的9項(xiàng)性能指標(biāo),這些指標(biāo)對提高國產(chǎn)機(jī)床的市場競爭力和提升用戶粘性具有非常重要的意義。接著建立了3項(xiàng)可量化技術(shù)指標(biāo)的計(jì)算方法和6項(xiàng)不可量化技術(shù)指標(biāo)的專家打分方法,對提高比較結(jié)果的準(zhǔn)確性和實(shí)用性非常重要。最后給出平均水平的計(jì)算方法和對計(jì)算結(jié)果的分析方法。

為了驗(yàn)證本文提出的國內(nèi)外高檔數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的比較方法,苦于基礎(chǔ)數(shù)據(jù)采集困難,也為了避免企業(yè)對號入座而引出不必要的糾紛,本文采用真實(shí)數(shù)據(jù)和虛擬數(shù)據(jù)相結(jié)合的方式,按照本文中提供的方法對所選取的典型機(jī)床的技術(shù)水平進(jìn)行了打分計(jì)算,得到國內(nèi)外典型機(jī)床的平均得分,國外機(jī)床平均得81.7分,國產(chǎn)機(jī)床平均得65.2分,盡管基于虛擬數(shù)據(jù),但與現(xiàn)實(shí)還是比較吻合的,反映了國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床與國外高檔數(shù)控機(jī)床在技術(shù)水平方面的整體差距。最后,本文還根據(jù)所得數(shù)據(jù)對國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床在各具體指標(biāo)方面的差距都進(jìn)行了比較細(xì)致的分析,分析結(jié)果表明,在9項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)方面,國產(chǎn)機(jī)床與國外機(jī)床都有差距,但差距有大有小,分析結(jié)果可以為機(jī)床科研機(jī)構(gòu)、機(jī)床制造企業(yè)和行業(yè)主管部門決策提供參考,也為高檔數(shù)控機(jī)床高端制造模式的建立提供了指導(dǎo)方向。

上述內(nèi)容形成一套系統(tǒng)的、具有實(shí)際操作性的國內(nèi)外數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平的比較方法,采用本文提供的方法對國內(nèi)外機(jī)床的技術(shù)水平進(jìn)行比較,可以較好地明確國內(nèi)外機(jī)床之間的差異性,為改進(jìn)國產(chǎn)機(jī)床的技術(shù)水平指明方向,為建立數(shù)控機(jī)床的高端制造模式提供依據(jù),助推國產(chǎn)高端數(shù)控機(jī)床盡快進(jìn)入國際一流水平行列。