國內數控機床（chuáng）發展回顧

    武漢嘉倍（bèi）德科技有（yǒu）限公（gōng）司是一家專業的數控切割機（jī）械研（yán）發生產企業（yè），公司主要經營數控（kòng）切割機、數（shù）控火焰切割機、數控等（děng）離子切割機、數控割（gē）、相貫線切割機、水下等離（lí）子數控切割機、激光切割機等加工設備。激光切（qiē）割機等加工設備（bèi）。產品主要應（yīng）用於機床（chuáng）機械、工程機（jī）械、汽車、船舶、機車、石油（yóu）機械、航空航（háng）天（tiān）、紡機、糧機、電（diàn）器、電梯等領域，包括鋼板專用切割機、鋼結構（gòu）專用切（qiē）割機、汽車專（zhuān）用切割機、船舶專用切割機、廣告與（yǔ）鈑金行業專用（yòng）切割機、航空（kōng）航天製造用切割機、環保壓（yā）力容器（qì）成套切割設備及其（qí）他相關焊接設備等（děng）。
    公司2006年成立至今，始終致力於國內數控切割機床產品的設計、研（yán）發、生產、製造和銷售工作，曾針對國內數控機床市場的相關（guān）焦點問題刊（kān）發多篇專題問題，引起行業關注和熱（rè）議（yì），公司技術部在2009年至2010年獨家刊發了的“我國機床產業轉（zhuǎn）型升級（jí）”專題，成為行業的關（guān）注熱點，得到了眾多專家、企業（yè）高管及業界同仁的認可，並與今年公布的十（shí）二（èr）五規劃的一（yī）些方針（zhēn）不（bú）謀而合，在一定程度上對行（háng）業發展起到了推波助瀾的作用。此次的“機床產品創新與設（shè）計（jì）”專（zhuān）題是公司技術部總（zǒng）工及（jí）總經理葉大襄先生又一傾心力作，編（biān）者預讀（dú）部分篇章後，感（gǎn）覺前瞻性與實（shí）用性兼備，頗有啟（qǐ）迪（dí）。此專（zhuān）題將分為機床基本構成的新概念、機床性能設計的新方法和創（chuàng）新的機床產品三大部分（fèn），現摘（zhāi）選部分章節以餐讀（dú）者。

一、引言
　　“機床產業轉型升級途徑”專題發表後，受到許（xǔ）多讀者的鼓勵和厚愛，希望葉（yè）先生再就產品創新寫些文章（zhāng），作更深一層次的探討。而在今年4月在北（běi）京舉辦的CIMT2014是全球機床製造商麵對世界經濟、社會和工業發展新需求，大力轉變發展方式、大力推進（jìn）產（chǎn）業和產品結構（gòu）調整和轉型升級的首輪成果展示，其主（zhǔ）題（tí）就（jiù）是“將（jiāng）以科技創新迎接後危機時代”。
　　展望“十二五”，產（chǎn）品創新無疑將是我國機床產業可持續發展和（hé）提（tí）升競爭力以及邁向機床強國的（de）頭等大事。新的（de）《機床產品創新與設計》專題將由16篇文章（zhāng）構成，分（fèn）別闡述機床創（chuàng）新和設計的新概（gài）念、新思路、新方法和新趨勢，旨在為我國（guó）機床企業迎接新的挑戰助一臂之力。
　　產（chǎn）品創新不僅是機床產業本身發展的（de）需要，還將為其他產業帶來直接（jiē）和間接的效益。例如，許多新興產業，像生物芯片（piàn）、量子光（guāng）電器（qì）件（jiàn）、複合材料等產業化所需新裝備都要先行開（kāi）發對應的新型（xíng）機床（chuáng）作為必要的生（shēng）產（chǎn）手段；其次，機床產品創新帶來的效率提升（shēng）直接讓所有用（yòng）戶企業得（dé）益（yì），也就是說一台機床（chuáng）提高生產效率，能降低所生產的工業品和（hé）消費品（pǐn）的（de）成本。在間接效益方麵，機床創新構思往（wǎng）往超越原先的應（yīng）用領域，“溢（yì）出（chū）”到用戶企業（yè），啟發用戶將（jiāng）創新構思移植到自身的新產品中，帶動進一步的創新和產業結（jié）構的轉（zhuǎn）型（xíng）升級。

二、產品創新的（de）基本概念
　　眾多的研究表明，產品創新（xīn）不是（shì）孤立的事（shì）件，其形成機（jī）製和過程呈（chéng）現出（chū）與生物進化類（lèi）似的路徑依賴特征。在一個產業的發展過（guò）程中，業（yè）內對技術的應用範圍、實用價值（zhí）、未來發展路向等方麵的共識，會逐漸地形成（chéng）一套技術範式，表（biǎo）現為行業內奉（fèng）為典範的主流產品設計思路和引導行（háng）業創新路線的（de）技術軌跡。
　　基於技術軌跡概念，創新可分為是沿著既有技術（shù）軌跡向前（qián）推進，對主流設計進行模仿性（xìng）、維（wéi）持性、演進（jìn）性改良的連續創新，或另辟蹊徑、跳出技術軌跡以外，對既有市場格局和技術產生（shēng）突破（pò）性、顛（diān）覆性改變的不連續創新（xīn）兩（liǎng）種（zhǒng）模式（shì）。
　　連續創（chuàng）新和不連續創新除了在技術軌跡上不同（tóng）之外，在（zài）風險（xiǎn）、回（huí）報、實施（shī）方法等（děng）各個方麵都有所分別。開發不連續創新產品是實現自主（zhǔ）創新的重要一環，但開發不連續創新產品所需的技術較為陌生，可供借（jiè）鑒的知識和經驗不多；此外用（yòng）戶對不連續創新不熟悉，在推廣應用方麵需要投入的資源（yuán）較多，而且需要麵（miàn）對產品不為用戶接受的風險。
　　機床是複雜的工業產品，其開發周期和投資都遠比（bǐ）一般消費品為（wéi）高，企（qǐ）業在（zài）規劃創新路線之（zhī）前，有（yǒu）必要把握好新產（chǎn）品的創新度（dù），平衡連續創新與不連續創新構思所伴隨的風險和（hé）回報，以取得較好（hǎo）的創新績（jì）效。
　　金屬切削機床是機床（chuáng）產業的主體產品，它以高剛性金屬鑄（zhù）造或焊（hàn）接床身、笛卡爾坐標係運動學、電動機驅動主軸等（děng）作（zuò）為產（chǎn）品的主流設計概念，並以不斷提高機床的功率和定位精度作為（wéi）技術進步（bù）的評價標準，在（zài）這個（gè）基礎上持續不斷地出（chū）現各種以功能部件改進（jìn）為標誌的連（lián）續創新。
　　持續（xù）的創新（xīn）和不斷（duàn）的改進帶動機床產品（pǐn）性能的提升，以切削加工機床為例（lì），從上世紀40年代到現在，車削、銑削、磨削機床等的加工（gōng）精度都經曆了持續的、大幅度的提高。
　　在（zài）各類機床的（de）演進過程中，雖然（rán）部分機床引入了人造（zào）大理石床身、直接驅動等技術跨度（dù）較大的新技術；但總的來說（shuō），機床產業和用（yòng）戶仍然以主流設計為參照（zhào）係來理解和（hé）評價這些新技術的優劣。加以上述突破性創（chuàng）新構思具有共性，能應用在（zài）各類機床上，除了牛頭刨床、仿形機床等個別例子外，沒有出現整個機床類別被淘汰的（de）現象，而相反在原有機床（chuáng）類別中派生出諸如車銑複（fù）合等新的機床類別，令機床產品的技術範式在較長一段時間內（nèi）相對穩定和漸進發展，以連續創新為主。
　　連續創新雖然為機床產業和用（yòng）戶帶來很大的直接和間接的效益，技術範式的規範作（zuò）用也指引（yǐn）機（jī）床產業的技術發展方向（xiàng），降低創新所帶來的不（bú）確定性和風（fēng）險。但是，正如Moreau和（hé）Christinsen等學者指出，技術範式約束了企業和用戶的思維，降低了機床產（chǎn）業對當前社會經濟變化的敏（mǐn）感性，令即使領先的企業也可能會變得短視，不研究或不積極推（tuī）出脫離技術軌跡的創新產品（pǐn）。因此，當代表嶄新產品類別和使用模式的（de）創新構思進入（rù）市場時，積極采納新構思的企業將（jiāng）取（qǔ）得絕對優勢，顛覆當前市場（chǎng）領導者的控（kòng）製，並且創造新的周期（qī）。那些不能預見技術軌跡變化的企（qǐ）業，則隨著舊範（fàn）式的瓦解而逐漸衰亡。武（wǔ）漢嘉倍徳科技市場部認為，我們在製定長期發（fā）展戰（zhàn）略時（shí）固然應該重視不連續創（chuàng）新，但也不能偏廢（fèi）連續創新（xīn），處（chù）理好兩者的互（hù）動和互補關係。

三、機床產品的不連續創新
　　回顧曆史，機（jī）床產業（yè）經曆了幾次主要的技術範式更迭。100年來，機床產品在技術層麵依次出現了天軸皮帶傳動、交（jiāo）流電動機驅動、計算機數控、加工中心和多軸（zhóu）複合加工5類不連續（xù）創新。

　　3.1 天軸皮帶傳動
　　天軸皮帶傳動將機床從手工業（yè）的工具（jù）提升為工業化機械裝（zhuāng）備的主角。蒸汽機和大型直流電動機的外部動力（lì）通過車間上方的（de）天軸和皮帶傳送至每台機床，並且借助塔輪機構實現主軸3～5種速度的變換（變速範圍小於10）。雖然從（cóng）結（jié）構而言，天軸皮帶傳動機床和其前（qián）身人力驅（qū）動機床沒有（yǒu）重大分別（bié），但（dàn）由於穩定的機械動（dòng）力代替人力，降低對工（gōng）人（rén）的體力和技藝要求，延伸了人的體力，使“工具”轉變為“工具機”，大大促進工廠這一現代製造組織形態的形成。

　　3.2 交流電動機驅動
　　交（jiāo）流電動機的出現使集中驅動方式轉變為分散驅動，使動力提供和加工功能集成為一體。交流電動機取代了皮帶，通（tōng）過齒輪（lún）變速（sù）箱傳動（dòng）來驅動機床主軸，實現12～24種速（sù）度的（de）變換，變（biàn）速範圍可達100以上。由於機床主軸（zhóu）轉速、功率和扭矩大幅度提高，大大提高了機（jī）床加工效率和加工範圍。雖然機床仍（réng）然由人工操作，一人一機、完成一道工序，但車間（jiān）不再顯得那麽擁擠和嘈雜，可（kě）以營造明亮和整潔的工作環境，工人勞動條件有了明顯的（de）改善，成為（wéi）現代化生產的一種象征。
    交流電動機驅動的出現使機床（chuáng）不斷（duàn）向大型化、精密化（huà）和自動化（huà）發（fā）展（zhǎn），可采用多台電動機驅動機床的不同部件，以簡化傳動（dòng）鏈和提高自動化（huà）程度，並進一步與外圍輔助裝置和物料輸送裝置集成（chéng），構成自動化單元或自（zì）動（dòng）線。
　　直到今（jīn）天（tiān）為（wéi）止，交流電動機驅動的機床，即普（pǔ）通機床仍然在我國製造業中廣泛使用（yòng），是一般（bān）工廠加工設備的主體。

　　3.3 數控機床
　　如果說，普通機床是（shì）電（diàn）氣時代的象征，那麽數控機床就是電子時代的產物，它延伸了人的腦力。借助數字控製的步進或伺服電（diàn）動機驅動機床部件，使刀具在數控程序指揮下（xià）走出空間運動軌跡，以加工複雜曲麵。因此，創新的主體是進給（gěi）運動而不是主運動。
　　數控機床的出現使機床從一種（zhǒng）機械（xiè）產品轉變為機電一（yī）體化產品，隨著微電子技術的發展，伴隨著許多第二層次的連續和不連續的創新，諸如進給驅動方式從步進電動機、電液伺服（fú）進化為直流（liú）伺服、交流伺服，直到直接驅（qū）動（dòng）。數（shù）控係統從數字控製（zhì）進（jìn）化為直接數控、計算（suàn）機數控等（děng）。
    數控機床除了大大提高了生產效率，淘汰了仿形機床外，還對工廠（chǎng）運作和管理（lǐ）產生了根本性的改變。例如每台普通機床需要一（yī）名工（gōng）人操作，加工質量取決於工人的技藝，而數控機床可以實現人機在空間和時間上的分離，加工的質（zhì）量和效（xiào）率主要取決於數控編（biān）程和刀具預調，即知識而並非技能，促進了勞動知識化，跨入（rù）了知識型（xíng）製（zhì）造的時代。

　　3.4 加工中心
　　加工中心與一般數（shù）控（kòng）機床的區（qū）別在（zài）於增加了換刀機構和刀庫，並將主軸（zhóu）傳動從變頻調速改為（wéi）伺服調速，以實現主軸定向停，以便（biàn）進行刀具交換。將（jiāng）加工中心歸為不連續創新的更重要原因在於機床從人工更換刀（dāo）具變為自動更換刀具後，生產組織將從（cóng）一台機床隻完成一道（dào）工序轉變為可以完成多道工（gōng）序，單台機床可以替代多台機床完（wán）成（chéng）一個工件的加工任務，提高（gāo）了生產柔性（xìng），簡化了物料流，改變了生產（chǎn）車間（jiān）的布局和管理模式。

　　3.5 複合加工機床
　　複合加工機床將車、銑、磨等多種不同類型的加工工序整合到同一台機床上，借助高檔（dàng）數控係（xì）統控製不同的主軸和進（jìn）給部件對工件進行多軸聯動加工，實現一個複雜（zá）工件在一台機床上加工完畢。一台車銑複（fù）合加工機床與車削或銑削加工（gōng）中心相比，複（fù）合加工機床並不在於（yú）主軸（zhóu）功率和定位精度方麵的優勢，而是由於工件隻需要一次裝夾，因此在多次加工後的累計誤差較小，可明顯提高（gāo）複雜工件的加工精度，減少了所需機床的（de）台數和占地麵積（jī），簡化了物（wù）料流，縮（suō）短了整個工藝（yì）流（liú）程，降低工藝局限對產品設計的製約。

　　以上列舉的（de）機床不連續創新（xīn），雖然沒有改變機床的基本（běn）工作原理，其不連續性是體現在大幅度地提高了機床的性能和用戶價值。它（tā）的深遠影響在於觸發了用戶企業（yè）改變（biàn）既有的生產（chǎn）模式和產品設計，而新（xīn）的生（shēng）產模式和新的產品又促進了（le）對新機床的需求。

四、機床不連續創新的啟示
　　回顧（gù）機（jī）床（chuáng）創新的曆（lì）史，毫無疑問連續創新（xīn）是機床創新的主流，而且通過不斷推出連續創新，領先的機（jī）床企業可在一定時間內有效地（dì）鞏固自身的領導地位。但是，在很多情況（kuàng）下不連（lián）續（xù）創（chuàng）新才是根本性地改變機床產業格局（jú）的決定性因素。目前世界機床產業是否處於技術軌跡轉軌的（de）關鍵時刻，最（zuì）近國外機床製造商推出的某些新產品的（de）出發點（diǎn）與以前（qián）大不（bú）相同，是否正在（zài）孕育著重大變革？我們必須密切加（jiā）以關注。
　　因此，有必要進一步分析哪些因素促成不連續創新？在（zài）什麽情況下會再出現？

    4.1 技術革命（mìng）的推動
    工業革命導致（zhì）天軸皮帶傳動機床的出現，電（diàn）氣革命使交流電動機驅動獲得普遍應用，微（wēi）電子革命推動數控機（jī）床功能不斷完善。進入互聯網和物聯網時代，機床將不僅（jǐn）是一台設備，而且是網絡中的一個節點（diǎn），這對機床的產品創新將會（huì）產生什麽（me）影響？嘉（jiā）倍徳科技認為，能夠（gòu）借助網絡擴大機床（chuáng）功（gōng）能範圍和（hé）提高其創（chuàng）造價值能（néng）力的將不是硬件，而是（shì）軟件，軟硬結合將成（chéng）為下一代機床的（de）重要（yào）特征，是未來機床產品創新的方向。

    4.2 用戶需求的拉動
    不斷提高生（shēng）產（chǎn）效率是一個永恒的主題。交流電動機驅動與天（tiān）軸皮（pí）帶傳動相較，大（dà）幅度提高了機床的切削速度（dù）和功率，而數控機床進一步解決了複雜形狀工（gōng）件加工（gōng）的難（nán）題，加工精度不斷提高（gāo）。用（yòng）戶的新需求在哪（nǎ）裏？嘉倍（bèi）徳科技認為，首先是新材料，例如複合材料和難加（jiā）工材料，都存在加（jiā）工難題，需要新機床和新（xīn）刀（dāo）具去加以解決；其次是極限製造，超大、超重、細（xì）微加工機（jī）床已經進入機床產（chǎn）品創新者的視野。

    4.3 社會環境的影響
    回顧曆史，機床是生產設備，是構成工廠的（de）重要組成部分，不斷改善人機關係（xì）和機床與環境的關係將成為可持續發（fā）展的關鍵。首先機床是用電產（chǎn）品，我國大約有近千萬台機床在運行，僅2010年就生產金切機床75萬台、成形機床26萬台，節能和環保是大問題；何況歐盟2012年將出（chū）台機床能效標準，在機床新產品（pǐn）開發時不考慮節能和環保將導致重大失（shī）誤。其次（cì），不斷提高勞動者的素質、改善勞動條件和工作環境也是社會發展的需（xū）要。

    4.4 知識供應鏈
    機（jī）床產業（yè）的技術進步和（hé）發展離不開科學研究（jiū）。百年來機床列（liè）強都是以強大的科（kē）研為支撐的。例如，20世紀初德（dé）國柏林工業大學機床研究所所長Schesinger教授領導（dǎo）下製定的機床檢驗標（biāo）準原則一（yī）直（zhí）沿用至今。亞琛工業（yè）大學機床（chuáng）實驗室主任Opitz教（jiāo）授在上（shàng）世紀（jì）60年（nián）代提出的成組（zǔ）技術（shù）編碼係統對成組（zǔ）技術的（de）發展產生重大影響。上世紀80年代塔姆斯特工業大學生產（chǎn）技術與機床研究所在高速（sù）加工（gōng）機床和工藝以及斯圖加特大學機床控製（zhì）研究所在開放式數控係統領域的研究（jiū）對德國機床工業的發展都起到了很大的推動作用。

五、結語與展（zhǎn）望
　　曾經錯誤地認為，不連（lián）續創（chuàng）新產品在帶來產品優（yōu）勢的同時，也會降低產品（pǐn）的客戶熟悉度，抵消產品優勢（shì）提升對創新績效的貢獻。然而（ér），隨（suí）著對創新實質的了解加深（shēn），發現連續和不連續創新構思（sī）並非對立，一款新產品可以同時包含（hán）連續和不連續創新構（gòu）思，新產品中的連續創新，可以幫助吸引用戶、降低用戶對不連續創新的抗拒。考慮（lǜ）到連續創新和不連續創新的疊加效應以及產品創新和生產（chǎn）係統創新兩方麵的（de）結合（hé），機（jī）床產品創新的未來趨勢有以下三個方麵：

    5.1 生（shēng）態（tài）機床
    綠色（sè）製造是（shì）可持續發展的前提，機（jī）床作為製造裝備必須體現節能減排、以整體效益為本的評價標準。多年來，精度、速度、功率等測度的機床（chuáng）能（néng）力（lì）指標是機床產（chǎn）品的（de）主（zhǔ）要追求目標。當前（qián）在（zài）阻（zǔ）止環境惡化的壓力下，工業生（shēng）產需要（yào）全方位地降低對環境的負（fù）麵影響，機床（chuáng）的發展方向也應該從提高能力指（zhǐ）標轉變為提高效益指標（biāo），以（yǐ）更（gèng）少投入獲得更多產出。例如，通過（guò）移動部件輕量化可以達（dá）到減少驅動（dòng）功（gōng）率（lǜ）的消耗，配合先（xiān）進刀具、工藝過程和（hé）切削液可以減少（shǎo）廢棄物排放。

　　5.2 聰明機床
    基於互聯網和計算機技術的智能化是機床進一步延伸人的腦力的體現。智能化可以提高機床工作的穩定性和可靠性。聰明機床能借助各種傳感器對自己的狀態進行監控，自行分析與機床狀態、加工過程以及周邊環（huán）境有關的信息，然後自行采取應對措施來保證最優化的加工。換句話說，機床已經進化到可發出信息和自行進行思（sī）考及調節。例如，能（néng）減小振動的主動振動抑製，能控製（zhì）熱位移的智能熱（rè）屏障，能防止部件碰撞的智能安全屏障（zhàng），語音提示和短信通知以及按照加工要求幫助選擇切削參數等。

    5.3 客戶化（huà）
    從大批量（liàng）生產（chǎn）向大規模定製轉變是製造業總趨勢，機床產業也不例外。當好用戶的工藝師不是一句空話，用戶生產的產品是不同的，對機床設備的要求也當然各異。例如，複合加（jiā）工機床的目標是一個複雜工件在一台機床上加工完畢，不同（tóng）工件有不同的工藝過程（chéng）和加（jiā）工方法（fǎ），複合機床的配置就應該有所不同（tóng）。可以預見，相當一部分隻專注生產和銷（xiāo）售傳統通用機床的企業（yè）將被為用戶提供模塊化、可重構、柔性（xìng）化的全麵解決（jué）方案的競爭者（zhě）所逐步取代。

　　葉先生原文將圍繞機床與計算機的結合、與應用的配合、與環境的協調等願景，分（fèn）三（sān）大部分（1. 機（jī）床的構成、2. 機床的性能（néng）設計、3. 創新的機床產品）來探討，包括機（jī）床結構配置、主軸設計、進給驅動和工作（zuò）台設計、機床的數字控製及其智能（néng）化、機床（chuáng）靜態精度和（hé）動態性能設計、熱性能設計、機床的節能和生態設計、人機工程設計（jì）、微加工機床與桌麵工廠、精（jīng）密與（yǔ）超精密機床、並聯運動機床等機床產品創新的最新進（jìn）展，和讀（dú）者一起探討創新機床產品的的現狀和未來發（fā）展趨勢，敬請關注和賜教。

    武漢嘉倍德科（kē）技有限公司是一家專業生產數控切割機，數（shù）控（kòng）激光切割機，數控（kòng）火焰切割機，數控等離子（zǐ）切割機，數控火焰等離子（zǐ）兩（liǎng）用（yòng）切割機，廣告數控切（qiē）割機，數控相貫線切割（gē）機，等數控產品為一體的高（gāo）新企業，公司始終奉行“以質取勝，以（yǐ）誠為本”，的經營理（lǐ）念，堅持“以服務（wù）為主導，以性價贏（yíng）市場”的指導方針。本著客戶第（dì）一的原則，追求完善的服務（wù）。24小時提供主機（jī）展示、銷售、送貨上門、安裝調試、技術維修等服務。最大限度的為用戶提供服務。
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