數控機床極端智能成當下兩大發(fā)展趨勢

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極端制造，說得通俗一點呢，就是可以極端“大”也可以極端小，比如我國研發(fā)成功的一種挖掘機，斗容量有55立方米，是全世界最大的挖斗，可以容納一個樂隊在里面演奏。那小的有多小呢？現在做集成電路制版用的裝備，都是納米級的，只有90納米。極端大與極端小，是對科技實力的綜合考量，那么，這些讓人驚嘆的極端制造，到底是如何制造出來的？

新界限

北京機床研究所所長劉炳業(yè)說，加工精度始終是衡量現代數控機床技術發(fā)展水平的重要指標，但體現加工精度的效果如今已經不局限于尺寸精度、形狀精度以及表面粗糙度等方面，更體現在微結構的加工技術方面。

而加工技術的發(fā)展趨勢，現在可以明顯感知到的是，一方面局部加工的形狀尺度特征向精微方向發(fā)展，另一方面加工的整體形狀向大尺寸方向發(fā)展。

實際上，在科技創(chuàng)新的驅動下，微結構零件的應用非常廣泛，比如太陽能發(fā)電元件、手機導光板、液晶顯示器增亮膜、高速公路顯示板、復眼透鏡、衍射光柵、傳感器元件、二元光學元件、微型透鏡等。

“很多源于身邊事物的啟發(fā)。”劉炳業(yè)舉例說，比如有人發(fā)現水滴在荷葉上，總是會自覺呈現特定的形狀，這與荷葉的微型構造有關，那么就有發(fā)明家嘗試研制類似的平臺，來進行相應的運用，這就需要加工技術的跟進。

因此，大量帶有微結構的零件加工成為當前精密機床發(fā)展面臨的重要任務，而微結構的出現也使得機床的加工進入新的領域。

微結構的出現對機床加工提出了新挑戰(zhàn)，因為微結構尺寸的變化從幾百微米到幾微米不同，帶有微結構的整體零件的尺寸從毫米級到數米不同。但微結構的加工表面的質量都在納米級。這對機床的運動精度、運動的平滑性、阻尼特性都有新的要求，此外加工工藝、機床刀具、機床附件也都要發(fā)生新的變化。

而新的光學加工技術，如快刀伺服（FTS）、刨削加工、鑿削加工、確定性磨削等也在微加工技術發(fā)展中產生。現今用于加工大型圓柱面、圓端面、平面的微結構機床成為市場競爭的產品，此外納米壓印復制工藝技術相應也得到發(fā)展應用。

據劉炳業(yè)介紹，在微結構的制造設備領域，日本、德國、美國發(fā)展迅速，出現了很多新機床產品。典型的公司包括：東芝機械、發(fā)那科、不二越、庫格勒等。

他提到，近期微孔精密切削加工在此期間也得到了快速的發(fā)展，德國科恩公司的金字塔超精密機床，可以用同一把刀具在半導體陶瓷材料上加工上萬個直徑不超過0.1mm的微孔。

智能化要求高可靠性

與極限制造一樣，智能制造已經成為國際制造領域一種新的趨勢。自2011年德國在漢諾威博覽會提出“第四次工業(yè)革命”(工業(yè)4.0)以來，如今已經進入實施階段。

劉炳業(yè)說，“第四次工業(yè)革命”的目標是工廠智能化。2013年美國以制造業(yè)回流為主題，開啟智能時代的再工業(yè)化。日本在柔性制造的基礎上，形成了當今比較成熟的智能化制造技術。中國目前制造業(yè)勞動力成本的不斷上升，一些地區(qū)出現的“用工荒”也迫使制造企業(yè)向智能化方面轉型。

智能化制造技術的大趨勢，要求機床必須適應其使用要求，最典型的應用特征是要求各種配置的高可靠性，作為智能制造最基本的組成部分，機床設備的可靠性成為最主要的考核指標。

他表示，現今的智能制造技術可以看作是在前兩代柔性制造技術基礎上發(fā)展起來的技術。第一代柔性制造系統產生于上世紀80年代，它的可靠性衡量特征是可連續(xù)24小時運行，第二代產生于上世紀90年代，可連續(xù)72小時運行。當今的智能制造系統，它要求可以連續(xù)720小時運行。因此，能夠長時間不間斷高可靠性運行的機床設備成為另外一個發(fā)展趨勢。

智能制造三代發(fā)展中，人力成本不斷下降，智能化制造中人的參與很少，但機器人的復雜程度明顯提升。比如第二代發(fā)展中，機器人只能從事固定路徑的搬運，但第三代機器人不僅可以通過視覺傳感器感知無序擺放的工件，通過判斷做出不同路徑的抓取動作，還可以感知裝配過程的零件對中狀態(tài)，并配合智能夾具代替過去只能由人才能完成的工作。

此外，智能制造同樣對機床適應性的其他方面提出了要求，比如：能夠配合帶傳感器及感知對位裝配的機器人協同工作、能夠遠程通訊等。

劉炳業(yè)說，雖然機床的發(fā)展趨勢還有很多，比如多功能復合化趨勢、可重構趨勢、低能耗環(huán)保趨勢等。但極限制造和智能化制造這兩大趨勢呈現了不同技術特色，第一大趨勢主要的突出特色是技術的前沿性和創(chuàng)新性，重點體現技術的高精尖；第二大趨勢主要特色是技術的成熟性、體現一個國家制造業(yè)的基礎。

“這兩大特色都能比較充分反映國家制造業(yè)的強大程度。如果缺乏第一大趨勢所涉及的技術，一個國家就會面臨壟斷的威脅；第二大趨勢考驗和衡量的是一個國家制造基礎強弱和好壞的問題，涉及的技術層面范圍更廣。”

劉炳業(yè)認為，面對第一大趨勢的挑戰(zhàn)，行業(yè)同仁必須發(fā)展以精度與尺度為特征的技術，研究開發(fā)尖端設備與工藝。

歐盟委員會宣布的“地平線2020”科研和創(chuàng)新計劃中，其中三個主要目標之一“做產業(yè)界領袖”,其中重點發(fā)展領域是“納米技術”，也正體現了這一發(fā)展的要求。在精密制造機床設備領域中，持之以恒地重視工作母機、超精密機床的發(fā)展，才能在國家的高技術領域占有一席之地。

而面對第二大趨勢，要求中國機床工具行業(yè)必須配套地解決制造領域的高可靠性等涉及產品質量性能的問題。

因為智能化制造最大的特色是講求集成，如果智能化制造的生產線元器件、部件的質量有問題，集成度越高，問題就越大。