机床产品创新的概念和趋势
发布日期：2016-11-08 来源：《上海设备管理》
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一、新需求是创新的拉动者
随着科学技术的进步，制造业，特别是汽车、航空航天、微电子、模具等新兴产业的发展，新产品层出不穷，零件的形状越来越复杂，零件的材料更加难以加工，零件的几何精度和表面质量要求也越来越高。这些国民经济支柱产业的新需求不仅促使新的工艺、新的刀具材料和结构的出现，更需要能够满足这些加工要求的新一代机床。
据统计，数控机床的加工精度和切削速度每8～10 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，机床的精密化与高速化汇合而成新一代高性能数控机床。高性能数控机床是下一代汽车和航空制造需要的关键装备，是未来10 年数控机床的亮点。
制造技术的进步不仅是切削速度和加工精度的提高，还表现在加工工艺的变化。例如，1990～1995 年期间，数控车床主要用于加工回转体零件；从20 世纪90 年代中期开始，在数控车床上配置了自驱动的铣削刀具，可以加工具有回转表面的壳体零件；进入21 世纪，各种机器的性能日益提高，其能加工零件的结构和形状也越来越复杂，并且希望在一台机床上将一个复杂零件加工完毕，借助工序集中以缩短加工流程、提高效率和保证加工精度。工序集约化的需求导致车铣复合加工机床的出现，机床的总体配置、加工工艺和数控轴数，与传统的数控机床相比都发生了很大的变化。
二、机床与人和环境的关系
机床不是孤立的货物，它是在车间运行的生产装备，在把毛坯转化为零件的同时消耗能源，排放固体、液体和气体废弃物，并与操作者、其他机器、车间环境和生态环境发生各式各样的关系。机床与人和环境的关系是外部矛盾，其大部分影响都是负面的，处理不当会造成内部矛盾的激化，降低机床的加工效率，甚至导致对人的危害和对环境的破坏。
研究和理解机床与人和环境的关系，可以减少机床使用时所产生的负面影响，提高机床的使用效率，保护操作者的健康，改善车间环境，降低生产成本，从而获得更强大的市场竞争力。
1、宜人学：人机关系
宜人学，也称为人机工程，是研究人与机器关系的科学。在工业革命初期，工人是机器的附属物。在昏暗、嘈杂和拥挤的车间里，机器快节奏地运转，工人不断重复简单而枯燥的动作，容易产生疲劳，损害健康，造成各种职业病。
随着科学技术和社会的进步，人们开始发现，提高劳动生产率的途径不仅是提高机器的效率，更重要的是人的能动性，机器是在人的指挥下工作的。何况现代生产需要的不仅是人的体力，更重要的是人的知识和智慧，人是生产中最宝贵的资源。保持人力资源的可用性和高效率，即劳动者的身体健康和良好的心理状态，成为现代化生产面临的新挑战。数控机床实现了人与机在空间和时间上的可分离性。机床主要是在数控程序的指挥下完成加工任务的，人不再需要直接操作机床的动作。机床设计师的任务是使车间编程和仿真能够有效地应用，使机床操作和维护更加方便，不仅要保证操作者的安全和健康，还能使工作更加轻松和愉快。
智能化是改善人机关系、加强人机协作的高级阶段。机床不仅延伸了人的体力和脑力，而且越来越聪明。机床的智能化使数控机床的操作更加方便，进一步提高机床的性能，加强人机之间的交互和通信，防止意外的发生。例如，马扎克公司开发了下列7 种机床智能化功能：①主动振动抑制（AVC），可减少刀具运动轨迹突然转向时的振动；②智能温度补偿（ITS），可补偿温升引起的热变形位移；③智能安全屏障（ISS），可防止运动部件之间碰撞和干涉；④语音警示（MVA），在可能发生事故时，提示操作者注意；⑤运动精度测量（IPS），监控定位精度的变化；⑥机床维护支持（IMS），提示需要维修部位并提供维护指南；⑦智能惯性平衡（IBA），消除高速转动的不平衡度。
2、废弃物：车间环境
在机床运行过程中不断产生废气、废液和切屑，它们污染车间的工作环境，消耗能源，危害人的健康。如何在机床设计时就考虑减少废弃物的排放，节约能源，净化车间环境，对废弃物的回收和再利用是新的挑战和发展趋势。
例如，德国戴姆勒奔驰（Daimler Benz）汽车公司为改善车间工作环境和提高生产过程能效的措施主要从以下3 方面入手：
1）废气排放管理，保证车间的空气流通和温度适中。
2）冷却液和切屑处理，实现废弃物的回收和再利用。
3）废水处理，经过过滤和处理后再排放。
车间通风方式为层流通风，该方式通风面积率高，能耗较低。对切削加工产生的油雾可采取水淋法处理，空气净化再循环。对热加工设备，则可采用热交换能量回收系统，使加工过程中产生的废气所蕴含的能量得到利用。机械加工的冷却液回收和切屑分离由切削冷却液回收系统、切屑分离系统和温度可控的冷却液制备装置组成。冷却液和切屑的混合物经过过滤后借助离心机甩干后用压力机将切屑压成块状，以便回收再利用。而已经不含切屑的冷却液用泵输送到冷却液集中供给系统，进一步过滤和温度控制后循环再利用。
对于不是大量生产的车间需要考虑机床本身的冷却液循环、工作空间温度的控制以及切屑分离。对于采用干切削、微量润滑（MQL）和高速加工的机床，切屑往往带有大量热量，如何保证切屑快速从机床移除是保证机床工作精度的重要环节。
三、机床产品的创新理念
产品创新不仅是机床产业本身发展的需要，还将为其他产业带来直接和间接的效益。在直接效益方面，首先许多新兴产业（如生物芯片、量子光电器件、复合材料等）的产业化所需的新装备，都要先行开发相应的新型机床作为必要的生产手段；其次，机床产品创新带来的效率提升，直接让所有用户企业得益，也就是说一台机床提高生产效率，就能降低所生产的工业品和消费品的成本。在间接效益方面，机床创新构思往往超越原先的应用领域，“溢出”到机床用户企业，启发用户将创新构思移植到自身的新产品中，带动进一步的创新和产业结构升级。
1、产品创新的基本概念
众多的研究表明，产品创新不是孤立的事件，其形成机制和过程呈现出与生物进化类似的路径依赖特征。在一个产业的发展过程中，业内对技术的应用范围、实用价值、未来发展方向等方面的共识，会逐渐地形成一套技术范式，表现为行业内奉为典范的主流产品设计思路和引导行业创新路线的技术轨迹。
基于技术轨迹概念，创新可分为2 种模式：1）沿着既有技术轨迹向前推进，对主流设计进行模仿性、维持性、演进性改良的连续创新；2）另辟蹊径、跳出原来的技术轨迹，对既有市场格局和技术产生突破性、颠覆性改变的不连续创新。
连续创新和不连续创新除了在技术轨迹上不同之外，在风险、回报、实施方法等各个方面都有所区别。开发不连续创新产品是实现自主创新的重要一环，但开发不连续创新产品所需的技术较为陌生，可供借鉴的知识和经验不多。此外，用户对不连续创新不熟悉，在推广应用方面需要投入的资源较多，而且需要面对产品不为用户接受的风险。
机床是复杂的工业产品，其开发周期和投资都远比一般消费品要高，企业在规划机床创新路线之前，有必要把握好新产品的创新度，平衡连续创新与不连续创新构思所伴随的风险和回报，以取得较好的创新绩效。
金属切削机床是机床产业的主体产品。它以高刚性金属铸造或焊接床身、笛卡儿坐标系运动学、电动机驱动主轴等作为产品的主流设计概念，并以不断提高机床的功率和定位精度作为技术进步的评价标准。在这个基础上，持续不断地出现各种以功能部件改进为标志的连续创新。
持续的创新和不断的改进，带动机床产品性能的不断提升。以金属切削加工机床为例，从20 世纪40 年代到现在，车削、铣削、磨削机床等的加工精度都经历了持续的、大幅度的提高。
在各类机床的演进过程中，虽然部分机床引入了人造大理石（矿物铸件）床身、无机械传动的直接驱动等技术跨度较大的新技术，但总的来说，机床产业和用户仍然以主流设计为参照系来理解和评价这些新技术的优劣。加以上述突破性创新构思具有共性，能应用在各类机床上，除了牛头刨床、仿形机床等个别情况外，没有出现整个机床类别被淘汰的现象，反而在原有机床类别中派生出诸如车铣复合机床等新的机床类别，令机床产品的技术范式在较长一段时间内相对稳定和渐进发展，并以连续创新为主。
连续创新虽然为机床产业和用户带来很大的直接和间接的效益，技术范式的规范作用也指引着机床产业的技术发展方向，降低创新所带来的不确定性和风险。但是，技术范式约束了企业和用户的思维，降低了机床产业对当前社会经济变化的敏感性，令即使领先的企业也可能会变得短视，不研究或不积极推出脱离技术轨迹的创新产品。因此，当代表崭新产品类别和使用模式的创新构思进入市场时，积极采纳新构思的企业将取得绝对优势，颠覆当前市场领导者的控制，并且创造新的周期。那些不能预见技术轨迹变化的企业，则随着旧范式的瓦解而逐渐衰亡。作者认为，在制定企业长期发展战略时固然应该重视不连续创新，但也不能偏废连续创新，必须处理好两者的互动和互补关系。
2、机床产品的不连续创新
回顾历史，机床产业经历了几次主要的技术范式更迭。100 多年来，机床产品在技术层面依次出现了天轴皮带传动、交流电动机驱动、计算机数控、加工中心和多轴复合加工5 类不连续创新。
以上列举的机床不连续创新，并没有改变机床的基本工作原理，其不连续性主要体现在大幅度提高了机床的性能和用户价值。它的深远影响在于触发了用户企业改变既有的生产模式、生产流程和产品结构，而新的生产模式和新的产品又促进了对新机床的需求。
3、机床不连续创新的启示
回顾机床创新的历史，毫无疑问连续创新是机床创新的主流。通过不断推出连续创新，领先的机床企业可在一定时间内有效地巩固自身的市场领导地位，但是在很多情况下不连续创新才是根本性地改变机床产业格局的决定性因素。目前世界机床产业是否处于技术轨迹转轨的关键时刻，最近国外机床制造商推出的某些新产品的出发点与以前大不相同，是否正在孕育着重大变革？应密切加以关注。
因此，有必要进一步分析哪些因素促成不连续创新？在什么情况下会再出现？
（1）技术革命的推动。工业革命导致天轴皮带传动机床的出现，电气革命使交流电动机驱动获得普遍应用，微电子革命推动数控机床功能不断完善。进入互联网和物联网时代，机床将不仅是一台设备，而且是网络中的一个节点，这对机床的产品创新将会产生什么影响？能够借助网络扩大机床功能范围和提高其创造价值能力的将不是硬件，而是网络和软件，软硬结合、虚实结合将成为下一代智能机床的重要特征，是机床产品不连续创新的方向。
（2）用户需求的拉动。不断提高生产效率是永恒的主题。交流电动机驱动与天轴皮带传动相比，大幅度提高了机床的切削速度和功率，而数控机床进一步解决了复杂形状工件加工的难题，加工精度不断提高。用户的新需求在哪里？作者认为，首先是新材料（例如复合材料和难加工材料）存在许多加工难题，需要新机床和新刀具去加以解决。其次是极限制造，超大、超重和细微加工已经进入机床产品创新者的视野。
（3）社会环境的影响。回顾历史，机床是生产设备，是构成工厂的重要组成部分，不断改善人机关系和机床与环境的关系将成为可持续发展的关键。首先机床是用电产品，我国大约有近千万台机床在运行，仅2010 年就生产金属切削机床75 万台、成形加工机床26 万台，节能和环保是大问题。何况欧盟2013 年已将机床能效列为新标准制定项目之一，在机床产品创新时不考虑节能和环保将导致重大失误。
（4）知识供应链。机床产业的技术进步和发展离不开科学研究。百年来机床列强都是以强大的科研为支撑的。例如，20 世纪初德国柏林工业大学机床研究所所长Schesinger 教授领导下制定的机床检验标准原则一直沿用至今。亚琛工业大学机床实验室主任Opitz 教授在20 世纪60 年代提出的成组技术编码系统对成组技术的发展产生重大的影响。20 世纪80 年代塔姆斯特工业大学生产技术与机床研究所在高速加工机床和工艺以及斯图加特大学机床控制研究所在开放式数控系统领域的研究，对德国机床工业的发展和不连续创新都起到了很大的推动作用。
4、机床创新的未来趋势
从社会、经济发展的大趋势来看，机床作为生产工具和用能产品，其产品创新今后若干年的焦点可以概括为以下4 个方面：
（1）生态机床。绿色制造是可持续发展的前提，机床作为制造装备必须体现节能减排、以整体效益为本的评价标准。多年来，精度、速度、功率等测度的机床能力指标是机床产品的主要追求目标。当前在生态环境不断恶化的压力下，工业生产需要全方位地降低对环境的负面影响，机床的发展方向也应该从提高能力指标转变为提高效益指标，以更少的资源投入获得更多产出。例如，通过移动部件轻量化可以减少驱动功率的消耗，配合先进刀具、工艺过程和切削液可以减少废弃物的排放。
（2）智能机床。基于互联网和计算机技术的智能化是机床进一步延伸人的脑力的体现。智能化可以提高机床工作的稳定性和可靠性。聪明机床能借助各种传感器对自己的状态进行监控，自行分析与机床状态、加工过程以及周边环境有关的信息，然后自行采取应对措施来保证最优化的加工。换句话说，机床已经进化为可感知当前状态、自行进行思考决策和控制调节的智能机器。例如，按照加工要求帮助操作者选择切削参数，将机床状态以短信方式发送给有关人员等。
（3）客户化。从大批量生产向大规模定制转变是制造业发展的总趋势，机床产业也不例外。为用户创造价值不是一句空话。用户生产的产品是不同的，对机床设备的要求也当然各异。例如，复合加工机床的目标是一个复杂工件在一台机床上就能加工完毕，而不同工件对应不同的工艺过程和加工方法，那么复合机床的配置就应该有所不同。可以预见，相当一部分只专注生产和销售传统通用机床的企业将被为用户提供模块化、可重构、柔性化的全面解决方案的竞争者所取代。
（4）软硬结合。已经是互联网＋物联网时代的今天，机床越来越与信息化和软件有关。机床不仅是一台生产设备，更是工厂网络、甚至全球供应链网络中的一个节点。在网络中，机床能够与生产管理系统、刀具和物料管理系统，甚至机床制造商、刀具供应商建立联系，自动处理生产中出现的问题。在即将到来的新一轮的工业革命中，不同企业的机床将处于网络化的信息物理融合系统（cyberphysical system）中，与人和其他设备连成一体，进行运算、通信和控制。
作者：1、张曙 同济大学现代制造技术研究所 2、卫汉华 香港理工大学工业中心 3、张柄生 上海纳侬精密机械公司
