堅持自主創(chuàng)新發(fā)展專用數(shù)控機床——機床產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級途徑之八

張 曙 衛(wèi)美紅 張炳生

堅持自主創(chuàng)新發(fā)展專用數(shù)控機床
——機床產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級途徑之八

張 曙 衛(wèi)美紅 張炳生

在經(jīng)濟全球化的背景下，不少人認為通過合資和兼并外國企業(yè)帶來的技術溢出可以有效地提升我國的技術創(chuàng)新能力。事實證明，這條路并非康莊大道，借此獲得關鍵的核心技術幾乎不可能，除了企業(yè)之間的利益沖突和文化差異外，發(fā)達國家基于國家和產(chǎn)業(yè)安全的考慮，制定了許多限制技術輸出的法律法規(guī)，出面加以干涉。我們應該清楚地認識到，真正的核心技術是引進不來的，如果沒有自主創(chuàng)新和新產(chǎn)品開發(fā)能力，必將永遠受制于人。因此，自主創(chuàng)新是我國機床工業(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，但形成每個人的內(nèi)心共識和企業(yè)經(jīng)營戰(zhàn)略就不那么簡單。通常技術創(chuàng)新是將科研成果轉(zhuǎn)化為商業(yè)利潤的過程，是新技術的應用和已有技術的集成。新技術在哪里？如何集成？就需要對產(chǎn)品的基礎技術和應用進行深入研究。在許多情況下，浮躁往往導致自主創(chuàng)新成為口號和標簽，而并沒有真正為客戶創(chuàng)造價值和為自身開拓利潤空間。

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

一、通過技術集成發(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雜曲面構成。我國吹制玻璃瓶的模具年消費量和出口量非?？捎^。常熟市中恒數(shù)控設備制造有限公司承接了為模具行業(yè)研制全自動噴焊機的項目，具體加工對象為玻璃瓶半合模，其典型案例如圖1所示。

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

2.數(shù)控等離子噴焊機

中恒公司在充分研究玻璃瓶模特征及焊接工藝的基礎上，研制成功了VHK320型數(shù)控等離子噴焊機，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）的直線運動，這3個軸均由滾動直線導軌導向，交流伺服電動機—滾珠絲杠驅(qū)動。移動速度可在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回轉(zhuǎn)軸（A軸和B軸）上，這兩個回轉(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，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相互垂直的擺動軸，噴嘴可沿X軸和Y軸高速擺動。因此該機床總共有7個控制軸可同時工作，其中5軸聯(lián)動，2個附加擺動軸。

3.機床的控制

VHK320型數(shù)控等離子噴焊機的控制系統(tǒng)是由微機、CNC和PLC以及觸摸屏組成，以實現(xiàn)機床部件的運動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)控制噴焊機的5個軸：3個平移軸（X/Y/Z）帶動焊槍移動，使焊槍可到達坐標系任意位置，2個相垂直的旋轉(zhuǎn)軸（A/B）帶動工件實現(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，由焊接過程PLC控制，控制對象有焊機啟停、焊接電流、焊接合金粉末流量和焊接噴嘴的冷卻等。

CNC在運行時通過輸入輸出口向焊接過程PLC送出焊機啟停、電流編碼等信號，同時焊接過程PLC將當前焊機狀態(tài)信號返回給CNC。

在焊接過程PLC中，存儲有16種電流和送粉量參數(shù)。當需改變焊機電流和送粉量時，CNC輸出對應16種參數(shù)的信號到焊接過程PLC，根據(jù)存儲在PLC中的電流和送粉量參數(shù)，調(diào)整輸出到等離子焊機的模擬電壓信號，等離子焊機按此電壓信號調(diào)整輸出電流；同時調(diào)整輸出到送粉電動機驅(qū)動的模擬電壓信號，控制送粉電動機的轉(zhuǎn)速，以達到調(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)控機床與等離子噴焊機集成為一體，在機械運動的同時，控制著焊接過程的各種參數(shù)，例如起弧、斷弧時間，弧電流的大小，噴粉量的控制等。

在等離子焊機工作時，焊槍（負極）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，當焊道的寬度大于5mm時，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合強度將會降低，因此需要將焊槍在沿焊道方向移動的同時作擺動，形成Z字形路線，才能夠保證焊接強度。

為了達到以上目的，在機床上增加了焊槍擺動裝置，由一個PLC、兩個伺服電動機和一個十字滑臺組成。在焊接過程中，CNC控制X、Y軸運行的同時，將當前在XY平面內(nèi)的移動方向輸出到焊槍擺動PLC。當需要擺動時，CNC輸出擺速、擺幅參數(shù)信號、方向信號及啟動信號，焊槍擺動PLC根據(jù)這些信號控制十字滑臺的2臺伺服電動機，從而達到跟隨X-Y移動方向作來回擺動的目的。

4.創(chuàng)新產(chǎn)品的效益

數(shù)控等離子噴焊機在技術上實現(xiàn)了數(shù)控技術與等離子焊接技術的集成化，完成了數(shù)字控制焊接技術研制工作，尤其是控制軟件在國內(nèi)獨創(chuàng)，因此該項技術獲得了2項國家專利，其中發(fā)明專利1項。

數(shù)控等離子噴焊機為國內(nèi)玻璃瓶模具產(chǎn)品的升級換代、走向國際市場創(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)控等離子噴焊機的研制成功完全替代了進口產(chǎn)品。其價格僅為進口機床價格的25%左右。與手工焊機相比，數(shù)控等離子噴焊機可節(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，可節(jié)省合金焊粉15t，價值500萬元。每臺噴焊機節(jié)約工時8500h，相當于4個人1年的工作量。

本項技術已移植到復雜表面的激光焊接、激光表面處理等設備，應用前景廣闊。

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鍵技術，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個冷卻孔，孔徑大小約φ4.5～8mm，孔深為L=280～500mm，如圖4所示。

長期以來，國內(nèi)模具廠都在立式鉆床上配以鉆模，從兩端鉆孔。其缺點是勞動強度大，效率低，每副模具耗時約3～4 h。而且從兩端鉆孔，中間接頭部分無法對準，位置偏差較大，當模具用壓縮空氣冷卻時噪聲就很大。

據(jù)了解，國外大多使用改裝過的“槍鉆機床”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：

（1）加工效率仍然較低，每件模具耗時約2.5 h。

（2）機床價格昂貴，國內(nèi)模具廠大多難以承受。

（3）由于鉆頭太長，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)特點的基礎上，又開發(fā)了高效專用數(shù)控鉆孔機床，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。

機床具有4個直線運動控制軸。2個高精度鉆削動力頭在機床兩側(cè)的水平滑座上可相向運動（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，兩動力頭上均帶有跟隨主軸中心的導向鉆模。

安裝工件的工作臺作橫向進給運動，并跟隨升降臺作垂向運動，令工件完成在X-Y平面內(nèi)移動和定位。機床的工作循環(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和經(jīng)濟效益，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臺以上。玻璃模具生產(chǎn)廠使用該機床以后，有效地提高了工廠的效率和效益，平均1人操作3臺。與采用進口槍鉆機床比較，模具制造成本降低35%以上。

?

三、專機成就偉業(yè)

法因數(shù)控機械有限公司是我國最大的鋼結構數(shù)控加工設備生產(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。法因數(shù)控在模塊化、組合化的基礎上，讓一臺臺專機成為常規(guī)產(chǎn)品，在專用的基礎上進行批量生產(chǎn)，從專業(yè)化到產(chǎn)業(yè)化，先后為鋼結構制造產(chǎn)業(yè)提供了大量實用、高效的新型數(shù)控加工裝備，促進了現(xiàn)代鋼結構制造產(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“國內(nèi)首臺”技術裝備認定。該機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，最長可達6.2m，其外觀如圖7所示。

從圖中可見，工作臺為固定式，有效面積5000mm×1750mm；雙龍門架縱向移動（X軸），最大行程2×2500mm；鏜削頭垂直上下移動（Y軸），最大行程1000mm；鏜削頭水平軸向移動（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械化工作面的主體設備，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。

國內(nèi)目前在生產(chǎn)液壓支架時仍多沿用傳統(tǒng)的加工工藝和生產(chǎn)方式，靠人工劃線、用通用設備鏜孔，質(zhì)量差、勞動強度大、生產(chǎn)周期長、安全隱患多，不適應提高液壓支架質(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備，采用Fagor8055/2數(shù)控系統(tǒng)。自主開發(fā)了自動雙面鏜孔的智能化、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位置、鏜孔長度、鏜孔轉(zhuǎn)速、進給速度，即可實現(xiàn)自動雙面鏜孔，具有CAD/CAM自動轉(zhuǎn)換、故障診斷、報警、通訊、存儲等功能，解決了煤礦液壓支架生產(chǎn)廠家的加工技術難題，提高生產(chǎn)效率4～5倍，價格僅是國外同類設備的1/2～1/3，經(jīng)濟效益顯著。

四、趨勢與展望

自主創(chuàng)新是企業(yè)轉(zhuǎn)型升級和可持續(xù)發(fā)展的永恒主題。專用數(shù)控機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，是機床企業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要途徑之一。專用數(shù)控機床是把專用機床的高生產(chǎn)率和數(shù)控機床的高柔性結合起來，適合產(chǎn)品更新?lián)Q代的大趨勢，有較大的市場空間和利潤空間。

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

我們應該認識到，自主創(chuàng)新的真正緊迫感源自我國機床產(chǎn)業(yè)的前途，事關產(chǎn)業(yè)和企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。但面對中國裝備市場的全球化，某些“崇洋思潮”嚴重威脅著自主創(chuàng)新的生存空間，使模仿創(chuàng)新輕易霸占了地盤。這就要求中國企業(yè)家勤于思考、自強不息，認真研究客戶的需求，從中吸取靈感，與客戶結為戰(zhàn)略伙伴，當好客戶的工藝師，一起開發(fā)新一代數(shù)控機床，共同實現(xiàn)利潤最大化和可持續(xù)發(fā)展。

附錄

他山之石可以攻玉。自主創(chuàng)新也要善于借鑒國外的經(jīng)驗。本文特此介紹美國考夫曼公司（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個工位的回轉(zhuǎn)工作臺和3軸數(shù)控加工單元兩種基本模塊組成不同配置的自動線。數(shù)控加工單元可配置6位轉(zhuǎn)塔刀架或換刀機構?？杉庸?00mm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出油孔。它由4臺數(shù)控加工單元和5工位回轉(zhuǎn)工作臺組成，20軸數(shù)控，伺服電動機滾珠絲杠驅(qū)動，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。整個系統(tǒng)由2臺多工位回轉(zhuǎn)工作臺機床組成。20軸數(shù)控，伺服電動機滾珠絲杠驅(qū)動，加上托板B軸回轉(zhuǎn)，可加工左右懸架轉(zhuǎn)向節(jié)，借助機器手上下料和機床之間的工件傳輸。

主要作者簡介：

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。任同濟大學教授、博士生導師、現(xiàn)代制造技術研究所名譽所長、哈爾濱工業(yè)大學管理學院兼職教授、香港理工大學客座教授、江蘇省如皋市人民政府顧問、中國機械工程學會榮譽理事。

張曙致力于先進制造技術及其發(fā)展戰(zhàn)略，包括獨立制造島、分散網(wǎng)絡化制造等先進生產(chǎn)模式以及產(chǎn)品創(chuàng)新和快速開發(fā)、并聯(lián)運動機床等先進制造技術的研究。對產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略和企業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略有獨到的見解，是我國制造戰(zhàn)略研究和先進制造技術的倡導者和先驅(qū)者之一。

如果您想發(fā)表對本文的看法，請將文章編號填入讀者意見調(diào)查表中的相應位置。

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）

10701