堅持自主創新發展專用數控機床——機床產業轉型升級途徑之八

張 曙 衛美紅 張炳生

堅持自主創新發展專用數控機床
——機床產業轉型升級途徑之八

張 曙 衛美紅 張炳生

在經濟全球化的背景下，不少人認為通過合資和兼并外國企業帶來的技術溢出可以有效地提升我國的技術創新能力。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，除了企業之間的利益沖突和文化差異外，發達國家基于國家和產業安全的考慮，制定了許多限制技術輸出的法律法規，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，如果沒有自主創新和新產品開發能力，必將永遠受制于人。因此，自主創新是我國機床工業可持續發展的基石。

自主創新已經是眾口皆云，絕沒有人反對，但形成每個人的內心共識和企業經營戰略就不那么簡單。通常技術創新是將科研成果轉化為商業利潤的過程，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新成為口號和標簽，而并沒有真正為客戶創造價值和為自身開拓利潤空間。

本文僅從發展專用和專門化數控機床的側面來討論如何通過產品自主創新來滿足客戶當前的和潛在的需求，以最佳方案為客戶創造最大的價值，促進客戶技術進步和企業本身的可持續發展。

一、通過技術集成發展新產品

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常可觀。常熟市中恒數控設備制造有限公司承接了為模具行業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生熔蝕現象，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—滾珠絲杠驅動。移動速度可在0.1mm/min至30m/min范圍內調節。

工件安裝在前床身的兩個回轉軸（A軸和B軸）上，這兩個回轉軸均可作±90°的連續分度回轉，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軸聯動，2個附加擺動軸。

3.機床的控制

VHK320型數控等離子噴焊機的控制系統是由微機、CNC和PLC以及觸摸屏組成，以實現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數控系統控制噴焊機的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個相垂直的旋轉軸（A/B）帶動工件實現任意角度旋轉，使模具處于最佳的焊接姿態。焊接系統主體為等離子焊機，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。當需改變焊機電流和送粉量時，CNC輸出對應16種參數的信號到焊接過程PLC，根據存儲在PLC中的電流和送粉量參數，調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整輸出電流；同時調整輸出到送粉電動機驅動的模擬電壓信號，控制送粉電動機的轉速，以達到調整送粉量的目的。

該系統的特色是借助軟件將7軸數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，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、擺幅參數信號、方向信號及啟動信號，焊槍擺動PLC根據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.創新產品的效益

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

數控等離子噴焊機為國內玻璃瓶模具產品的升級換代、走向國際市場創造了必要條件。玻璃瓶模具的吹制壽命從3萬件提高到10萬件以上。

數控等離子噴焊機的研制成功完全替代了進口產品。其價格僅為進口機床價格的25%左右。與手工焊機相比，數控等離子噴焊機可節省30%的焊粉，以中等規模模具廠年產5萬套玻璃瓶模具計，可節省合金焊粉15t，價值500萬元。每臺噴焊機節約工時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效率和質量。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特點的基礎上，又開發了高效專用數控鉆孔機床，以滿足全面提高模具生產水平的需要。

2.ZK4050數控深孔鉆床

ZK4050數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的水平滑座上可相向運動（Z軸和W軸），主軸回轉精度為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平面內移動和定位。機床的工作循環控制框圖如圖6所示。

3.創新產品的效益

ZK4050數控專用鉆床具有明顯的社會和經濟效益，與原有工藝方案的比較見表1。

ZK4050型數控深孔鉆自開發成功以來，平均每年銷售10臺以上。玻璃模具生產廠使用該機床以后，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。

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三、專機成就偉業

法因數控機械有限公司是我國最大的鋼結構數控加工設備生產基地，2008年上市以來，完成了從求生存到求發展的轉型升級。法因數控在模塊化、組合化的基礎上，讓一臺臺專機成為常規產品，在專用的基礎上進行批量生產，從專業化到產業化，先后為鋼結構制造產業提供了大量實用、高效的新型數控加工裝備，促進了現代鋼結構制造產業的快速發展，提出“從向客戶提供產品到向客戶提供整體解決方案”的轉變，致力于專用設備成套化。

例如，該公司最近研發成功的“UB100B/4雙龍門4軸數控組合鏜床”獲得了2009年度“國內首臺”技術裝備認定。該機床主要用于煤礦企業中各種規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，保持安全的地下作業空間，如圖8所示。

國內目前在生產液壓支架時仍多沿用傳統的加工工藝和生產方式，靠人工劃線、用通用設備鏜孔，質量差、勞動強度大、生產周期長、安全隱患多，不適應提高液壓支架質量和可靠性的要求。

UB100B/4雙龍門4軸數控組合鏜床是專用加工設備，采用Fagor8055/2數控系統。自主開發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、鏜孔轉速、進給速度，即可實現自動雙面鏜孔，具有CAD/CAM自動轉換、故障診斷、報警、通訊、存儲等功能，解決了煤礦液壓支架生產廠家的加工技術難題，提高生產效率4～5倍，價格僅是國外同類設備的1/2～1/3，經濟效益顯著。

四、趨勢與展望

自主創新是企業轉型升級和可持續發展的永恒主題。專用數控機床可以大幅度提高生產效率和降低成本，節約各種資源，是機床企業轉型升級的重要途徑之一。專用數控機床是把專用機床的高生產率和數控機床的高柔性結合起來，適合產品更新換代的大趨勢，有較大的市場空間和利潤空間。

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

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

附錄

他山之石可以攻玉。自主創新也要善于借鑒國外的經驗。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是組合化的系列產品，由3~8個工位的回轉工作臺和3軸數控加工單元兩種基本模塊組成不同配置的自動線。數控加工單元可配置6位轉塔刀架或換刀機構。可加工500mm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。

1.加工液壓泵體的柔性制造系統

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臺數控加工單元和5工位回轉工作臺組成，20軸數控，伺服電動機滾珠絲杠驅動，且托板可B軸回轉。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，生產率為95件/h。

2.加工懸架轉向節的柔性制造系統

加工鑄鐵懸架轉向節的KAUFMANflex系統外觀及零件如附圖2所示。

該系統用于加工懸架轉向節的所有特征表面，包括上支撐軸承孔、控制臂、下球鉸面、安裝平面和安裝孔等。加工節拍為35s。整個系統由2臺多工位回轉工作臺機床組成。20軸數控，伺服電動機滾珠絲杠驅動，加上托板B軸回轉，可加工左右懸架轉向節，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年畢業于哈爾濱工業大學。任同濟大學教授、博士生導師、現代制造技術研究所名譽所長、哈爾濱工業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展戰略，包括獨立制造島、分散網絡化制造等先進生產模式以及產品創新和快速開發、并聯運動機床等先進制造技術的研究。對產業發展戰略和企業發展戰略有獨到的見解，是我國制造戰略研究和先進制造技術的倡導者和先驅者之一。

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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）

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