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中德制造界共同探讨下一代制造技术

http://cn.newmaker.com 10/19/2008 11:19:00 PM designnews

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展厅 1	加工中心/FMS展厅车铣加工中心, 铣削加工中心, 钻铣加工中心, 镗铣加工中心, 五轴加工中心, ...

2008年9月，中德制造领域的高端技术交流活动在沪举行。中德双方的专家不仅在具体的先进技术层面交流颇多，我们还可以从中听到专家在宏观层面上，对中国制造产业升级非常一些非常有价值的见解及思路。

本次研讨会中最大的关注莫过于“下一代制造技术”。之前，我们已经引入了国际上先进的精益生产体系，还有敏捷制造。如果对二者的特征分别加以概括，据中国机械工程学会荣誉理事，同济大学机械工程学院张曙教授介绍：所谓精益生产可以用四个“以”字开头，那就是以客户为“上帝”;以“人”为中心;以“精简”生产过程为手段;以产品的“零缺陷” 为最终目标。另一方面，敏捷制造的主要特征则可被总结为六大方面：可重构的和不断改变的生产系统;以信息为基础和与批量无关的制造系统;充分调动人的积极因素和发挥人的创造性;向基层下放权力，简化领导层次和组织结构;自主管理的、模块化的、分布式的制造单元;及利用信息高速公路，建立全球制造网络。

精益生产的愿景是要同时获得极高的生产率、极佳的产品质量和很大的生产柔性。不强调过细分工，而强调企业各部门的相互密切合作。而敏捷制造可以将先进的制造技术、有知识的劳动力、以及促进企业内部和企业之间的灵活管理集成在一起，对市场作出快速响应。

然而，如果我们站在精益生产和敏捷制造之上寻求进一步的突破，那将是什么样的体系呢?它就是“下一代的制造”。下一代制造是以人为本、以知识为基础的制造模式。它需要我们引入新的制造哲理和系统集成方法;采用快速、高效、无污染的制造工艺以及可重构和可扩展的制造设备和系统;同时，它运用新的管理理念：如创新管理、变革管理、知识管理和知识供应链;最后，我们还要提出新的业务模式，而在这个新的模式中，“产品”仅是“服务”的物质形态。

对于下一代制造的研究并非是明天的事情，张曙教授说：“在制造业高度发达的欧洲，有一个和下一代制造概念类似的词汇，叫做未来(Manufuture)。它是由Manufacture和Future两个字组合而成，是欧共体在分析全球经济形势的基础上提出的发展战略。制造未来的使命是迎接知识经济时代的挑战，加速欧洲制造企业的转型，保持高附加值收入和赢得全球市场主要份额。

如何向“下一代制造”大踏步地迈进呢?信息化将是大势所趋。而从信息化走向网络化也是工业企业信息化的必经之路。在张曙教授的“下一代制造”企业属性模型中。知识管理和数字化仿真技术是重要的技术基石。而在机床硬件方面，高速加工、超精密加工、纳米加工中心多轴联动数控等都是这一愿景的重要技术组成部分。在张曙教授本次会议的报告里，张曙教授对引领“下一代制造”进程的先进机床技术做了完整详细的介绍与分析，这其中包括现代数控机床、极端制造、并联、倒置、先进控制系统等各前沿领域的最新进展。

现代数控机床

张教授介绍说：“现代数控机床的发展使机床的加工精度和切削速度大约每八年提高一倍。定位精度很快将告别微米时代而进入亚微米时代，精密化与高速化汇合而成新一代高性能数控机床。而衡量现代机床的重要特征还有高切除率、五轴或五轴以上联动、智能化监控和补偿、完整加工、皮米插补等。

高速加工机床

随着汽车、航空航天等工业轻合金和复合材料的广泛应用，高速加工已成为制造技术的重要发展趋势。高速加工具有缩短加工时间、提高加工精度和表面质量等优点，在模具制造等领域的应用也日益广泛。机床的高速化需要新的数控系统、高速电主轴和高速伺服进给驱动，以及机床结构的优化和轻量化。

超精密加工机床

以超精密车床为例，如Nanoform 300，它采用静压导轨和高精度空气轴承的主轴。机床配有真空卡盘，激光干涉位置反馈系统，刀具位置测量和恒温控制装置。使用天然单晶金刚石车刀，可加工出镜面的、非铁材料的、非球面光学零件。轴向直线度可达 0.5µm/250mm，径向直线度0.3µm/150mm，表面粗糙度可达Ra<10nm。

纳米加工中心

五轴纳米加工中心已经走出实验室，如德国KERN公司Pyramid Nano 立式加工中心，其基础件是对称的龙门式结构，以保证机床的高刚度和热稳定性。床身和龙门架整体由 Kern Armorith 人造大理石制成，采用具有静压轴承的伺服驱动装置和静压导轨。

加工中心的定位误差为±0.4µm，重复定位精度为± 0.3µm，表面粗糙度Ra<0.05µm。

进给率范围为0.01~30000mm/min，最小位移量为0.1µm，最大加速度10m/s2。可加工硬度64HRC以下的淬硬钢、石墨和陶瓷。

多轴联动数控

多轴联动数控加工是在笛卡尔座标X、Y、Z 直线移动的基础上，增加2～3个回转控制轴。其有三种基本结构：摇篮双回转工作台，悬臂双回转工作台和万能铣头。

多轴联动数控加工可实现一次做成：复合加工。70年代的加工中心开多工序集成之先河，现已发展成为“复合完整加工”，在一台机床上完成全部工序。

复合完整加工通过工艺过程集成，一次装卡就把一个复杂零件加工完成，提高了加工精度，易于保证过程的高可靠性和实现零缺陷生产。复合完整加工缩短了加工过程链和辅助时间，减少了机床台数，简化了物料流，生产总占地面积小，投资更加有效，我们完全可以认为：一台机床就是一个小工厂。

板材数控加工

首先是板材激光切割。激光切割是一种高速高效和高精度加工工艺，它可以切割薄钣材，也可以切割厚钣材。将激光器安装在五轴联动的数控机床上，就可以在板金零件的曲面上进行切割。日本Mazak公司的世界技术中心的整个建筑和家具都是由钣材激光切割，折弯，卷管，然后激光焊接而成，成为“机床加工的建筑”。另外，多轴联动数控加工还包括板材激光焊接、板材复合加工机床等最新技术。

极端制造机床

超重超大型数控机床

超重超大型机床的典型产品是中心高2m以上的车床、工作台5m以上的龙门铣床、镗杆直径320mm以上的镗床等。而复合加工、多轴联动对超重超大型数控机床具有特别重要的意义，工序集中提高效率，节约装夹和搬运时间，都可创造可观的财富。而对现有传统超重超大机床进行数控化改造具有重大的战略意义。

微尺度机床

微尺度机床(Micro Machine Tool)是使用刀具尺寸小于1mm的钻床和铣床，或加工工件直径小于1mm的车床，以及电加工和激光加工。微尺度切削加工需要高转速主轴、高进给速度和高进给加速度以及高速大带宽的闭环伺服系统，机床不大，技术含量很高。

由不同的微尺度机床可以组成桌面型微工厂，通过显示器进行操作，制造微尺度机械产品。

并联运动机床

新的运动学原理使之实现了从6杆到5杆的突破。比如2+3混联运动机床，它是由2杆或3杆并联机构与串联运动机构综合而成的数控机床，各取其所长，从而优化机床的性能。2+3混联运动将2杆并联机构连接主轴部件，改变2杆的长度或支点的距离，就可使刀具中心产生X和Y方向的移动，构成混联机床。

倒置式机床

德国Index公司的V100型立式车削加工中心是典型的倒置式加工机床。机床电主轴不仅提供的切削所需的旋转运动，且借助三组并联杆机构驱动实现进给运动。其原理是将杆机构的支点固定在滑座上，控制滑座在立柱上的移动就可以实现主轴三个坐标的进给运动。

另外，瑞典Modig公司也开发了一种称之为TransFlex的倒置式柔性制造系统。该系统采取倒置式龙门配置，与一般龙门式加工中心类似，不同之点在于安装在“主轴”上的不是刀具，而是夹具和工件。此机床工作时，将夹持在“主轴”上的工件移向配置在两侧的动力头，完成一道工序后移至另一个动力头，进行下一道工序的加工。

聪明加工系统-SMS

数控加工的基本原理是机床部件按照50多年前制定的G和M指令组成的程序运动。机床不知道加工什么零件，怎样加工，是瞎子走路。而聪明加工系统的实质是智能化，其主要特征是：第一，知道本系统的加工能力和状态。第二，能够监控和自主优化加工过程。第三，能够自行度量工作(输出)的质量。第四，能够不断持续学习和提高自己的能力。

误差的检测和补偿

机床在加工过程中不可避免会产生误差，需要采用各种传感器，借助实时监控和补偿技术，进一步提高机床的性能，使它聪明起来。另外，借助微机电系统技术可以制作体积非常小的加速度、位移、温度等物理量传感器，用于测量机床工作时的振动(脉搏)，功率(血压)和温升(体温)。测量可以在加工过程中、过程之间和加工完毕后进行，将误差输入误差模型，然后进行补偿。

先进过程控制系统--APS

先进过程控制系统的任务是监控电主轴的工作状态，它在很大程度上反映了数控机床的“健康”水平。当主轴高速运转时，主轴轴承和电机的发热都会造成热变形，使主轴端产生轴向位移。当主轴转速超过10000r/min时，主轴轴承滚珠的离心力，使滚珠压紧外环，也使主轴端产生轴向位移。借助安放在主轴壳体中的位移传感器，可以测出位移量，输入误差模型，在数控系统中加以补偿

智能温度控制--ITC

除了主轴以外，滚珠丝杆在高速运转时产生的热量也不容忽视。采用中空的滚珠丝杆，将恒温冷却液在其中循环，可以显著减少热变形。我们可以实时测量冷却液温度，并将其输入误差模型，通过数控系统进一步补偿机床的位移误差，提高工作精度。

操作支持系统--OSS

操作支持系统OSS是聪明加工系统的主要组成部分，它帮助操作者正确设定机床性能。

工件的加工时间、加工精度和表面质量是优化机床性能的3个相互有制约的因素。在OSS系统中，如果工件要求加工时间短，加工精度和表面质量就差一点，要求加工精度高，加工时间就长一点。操作者选择优化目标，系统自动优化性能参数。

远距通知系统--RNS

远距通知系统(RNS)建立了机床与有关人员的通信关系，人和机在时间和空间上完全分离而却保持着实时联系。此系统可将加工状态通知操作者和调度，缺少刀具还要通知工具室和供应商，机床故障通知维修部门等，不同的信息立即通知到责任人和相关人。因此，RNS可保证加工质量和数量，大幅提升整体运作效率。

我们如果去尝试用一个完整的范例描述现代制造技术的发展前景，从挑战者成为全球大型客机的领导者的Airbus公司(空中客车)所代表的当前最先进的现代制造理念对中国企业而言，应该有相当明确的指导意义。

Airbus公司成立于1970年。30余年来，从挑战者成为全球大型客机的领导者，市场占有率超过50%。公司共有55,000名员工，2005年销售额为223亿欧元。它生产A300/A310、 A320、 A330/A340/A350和A380四个系列多种客机和运输机。现有4190架“空客”在全球飞行。

Airbus公司最大的成功在于它的协同能力。即公司把一项庞大的系统工程拆成若干个子系统，然后通过先进的信息化协同设计制造技术，将各个部分有机地组织运转起来。其中首先就是异地的专业化设计。空中客车在4国5地进行异地专业化联合设计(其设计团队架构如表1)。而后制造及原料采购也同样是在全球范围内展开的。

Airbus 的采购网络遍布全球30个国家，有1500家以上的供应商加盟，其中：40%是美国供应商，其他为欧洲、亚洲、非洲和澳大利亚。其采购范围从原材料到飞机结构件和起落架。 Airbus 有完整的采购策略、采购过程和系统，包括规范的加工外包策略和合同政策。并且公司还建立了采购门户网站 Sup@irWorld，保证整个供应链采购信息的及时沟通。

而正是基于这个世界范围精密运转的设计制造平台上，Airbus 研发制造出了世界上最大的全双层客机A380。A380载客量为创纪录的550人，续航能力高达14,800公里。A380客机令航空公司运行成本可降低15~20%，续航能力提高15~20%，其创新之处还包括油耗、噪音和喷射排放等指标都有所降低，是目前世界最先进的客机。A380客机已经改变了飞行旅行的概念，现在，世界上已经有新加坡航空公司等11家客户定购了129架A380客机。而这一切，都是下一代制造技术的典范之作。

此次研讨会德方的代表畅谈了德国生产制造业的最新解决方案。在世界市场上，德国的机械制造业尽管并不占据最有力的地理位置，但它是德国经济的核心竞争力。德国机械制造的优势不仅是基于卓越的工程和生产技术，还在于能够向全德境内所有工厂不断提供他们所需技术。面对德国生产制造业严峻的经济条件压力，来自德国斯图加特大学的 E Westkamper教授提出了“工厂配置结构化”的概念，这样可以将工厂变成可优化的、可不断调整改进的复杂系统，必须要使整个流程系统化，从战略规划至运行，乃至改建，这一系列的过程都要系统化、合理化。在各个过程中要运用数字化的工具，并且通过工厂数据管理平台使它们长期保持一体化。

另外，斯图加特大学机床与加工装备控制技术研究所Alexander Verl 教授介绍了基于模型的调节技术在机床和机器人工业控制技术中的应用。德国斯图加特大学机床研究所(IfW)所长、德国生产工程学会主席Uwe Heisel先生也以“机床的革新和趋势”为题，从技术层面全面阐述了机床工业的发展方向。我们会在未来技术专题中为您另作报道。

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