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国内数控机床发展回顾

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国内数控机床发展回顾来源:中国五金商机日期:武汉嘉倍德科技有限公司是一家专业的数控切割机械研发生产企业，公司主要经营数控切割机、数控火焰切割机、数控等离子切割机、数控割、相贯线切割机、水下等离子数控切割机、激光切割机等加工设备

武汉嘉倍德科技有限公司是一家专业的数控切割机械研发生产企业，公司主要经营数控切割机、数控火焰切割机、数控等离子切割机、数控割、相贯线切割机、水下等离子数控切割机、激光切割机等加工设备

国内数控机床发展回顾

    武汉嘉倍德科技有限公司是一家专业的数控切割机械研发生产企业，公司主要经营数控切割机、数控火焰切割机、数控等离子切割机、数控割、相贯线切割机、水下等离子数控切割机、激光切割机等加工设备。激光切割机等加工设备。产品主要应用于机床机械、工程机械、汽车、船舶、机车、石油机械、航空航天、纺机、粮机、电器、电梯等领域，包括钢板专用切割机、钢结构专用切割机、汽车专用切割机、船舶专用切割机、广告与钣金行业专用切割机、航空航天制造用切割机、环保压力容器成套切割设备及其他相关焊接设备等。

    公司2006年成立至今，始终致力于国内数控切割机床产品的设计、研发、生产、制造和销售工作，曾针对国内数控机床市场的相关焦点问题刊发多篇专题问题，引起行业关注和热议，公司技术部在2009年至2010年独家刊发了的“我国机床并为实现业务在大中华区延续增长而不断努力产业转型升级”专题，成为行业的关注热点，得到了众多专家、企业高管及业界同仁的认可，并与今年公布的十二五规划的一些方针不谋而合，在一定程度上对行业发展起到了推波助澜的作用。此次的“机床产品创新与设计”专题是公司技术部总工及总经理叶大襄先生又一倾心力作，编者预读部分篇章后，感觉前瞻性与实用性兼备，颇有启迪。此专题将分为机床基本构成的新概念、机床性能设计的新方法和创新的机床产品三大部分，现摘选部分章节以餐读者。

一、引言

“机床产业转型升级途径”专题发表后，受到许多读者的鼓励和厚爱，希望叶先生再就产品创新写些文章，作更深一层次的探讨。而在今年4月在北京举办的CIMT2014是全球机床制造商面对世界经济、社会和工业发展新需求，大力转变发展方式、大力推进产业和产品结构调整和转型升级的首轮成果展示，其主题就是“将以科技创新迎接后危机时代”。

展望“十二五”，产品创新无疑将是我国机床产业可持续发展和提升竞争力以及迈向机床强国的头等大事。新的《机床产品创新与设计》专题将由16篇文章构成，分别阐述机床创新和设计的新概念、新思路、新方法和新趋势，旨在为我国机床企业迎接新的挑战助一臂之力。

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。例如，许多新兴产业，像生物芯片、量子光电器件、复合材料等产业化所需新装备都要先行开发对应的新型机床拨号器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，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的转型升级。

二、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、未来发展路向等方面的共识，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。

周转车

基于技术轨迹概念，创新可分为是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，或另辟蹊径、跳出技术轨迹以外，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两种模式。

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分别。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为高，企业在规划创新路线之前，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、笛卡尔坐标系运动学、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提升，以切削加工机床为例，从上世纪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床身、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、仿形机床等个别例子外，没有出现整个机床类别被淘汰的现象，而相反在原有机床类别中派生出诸如车铣复合等新的机床类别，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，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，正如Moreau和Christinsen等学者指出，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除地方不断加码的环保要求外势，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。武汉嘉倍徳科技市场部认为，我们在制定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，处理好两者的互动和互补关系。

三、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。

3.1 天轴皮带传动

天轴皮带传动将机床从手工业的工具提升为工业化机械装备的主角。蒸汽机和大型直流电动机的外部动力通过车间上方的天轴和皮带传送至每台机床，并且借助塔轮机构实现主轴3～5种速度的变换（变速范围小于10）。虽然从结构而言，天轴皮带传动机床和其前身人力驱动机床没有重大分别因此减少船只保护周期并更进1步下降运营本钱，但由于稳定的机械动力代替人力，降低对工人的体力和技艺要求，延伸了人的体力，使“工具”转变为“工具机”，大大促进工厂这一现代制造组织形态的形成。

3.2 交流电动机驱动

交流电动机的出现使集中驱动方式转变为分散驱动，使动力提供和加工功能集成为一体。交流电动机取代了皮带，通过齿轮变速箱传动来驱动机床主轴，实现12～24种速度的变换，变速范围可达100以上。由于机床主轴转速、功率和扭矩大幅度提高，大大提高了机床加工效率和加工范围。虽然机床仍然由人工操作，一人一机、完成一道工序，但车间不再显得那么拥挤和嘈杂，可以营造明亮和整洁的工作环境，工人劳动条件有了明显的改善，成为现代化生产的一种象征。

    交流电动机驱动的出现使机床不断向大型化、精密化和自动化发展，可采用多台电动机驱动机床的不同部件，以简化传动链和提高自动化程度，并进一步与外围辅助装置和物料输送装置集成，构成自动化单元或自动线。

直到今天为止，交流电动机驱动的机床，即普通机床仍然在我国制造业中广泛使用，是一般工厂加工设备的主体。

3.3 数控机床

如果说，普通机床是电气时代的象征，那么数控机床就是电子时代的产物，它延伸了人的脑力。借助数字控制的步进或伺服电动机驱动机床部件，使刀具在数控程序指挥下走出空间运动轨迹，以加工复杂曲面。因此，创新的主体是进给运动而不是主运动。

数控机床的出现使机床从一种机械产品转变为机电一体化产品，随着微电子技术的发展，伴随着许多第二层次的连续和不连续的创新，诸如进给驱动方式从步进电动机、电液伺服进化为直流伺服、交流伺服，直到直接驱动。数控系统从数字控制进化为直接数控、计算机数控等。乃至有的小机器

    数控机床除了大大提高了生产效率，淘汰了仿形机床外，还对工厂运作和管理产生了根本性的改变。例如每台普通机床需要一名工人操作，加工质量取决于工人的技艺，而数控机床可以实现人机在空间和时间上的分离，加工的质量和效率主要取决于数控编程和刀具预调，即知识而并非技能，促进了劳动知识化，跨入了知识型制造的时代。

3.4 加工中心

加工中心与一般数控机床的区别在于增加了换刀机构和刀库，并将主轴传动从变频调速改为伺服调速，以实现主轴定向停，以便进行刀具交换。将加工中心归为不连续创新的更重要原因在于机床从人工更换刀具变为自动更换刀具后，生产组织将从一台机床只完成一道工序转变为可以完成多道工序，单台机床可以替代多台机床完成一个工件的加工任务，提高了生产柔性，简化了物料流，改变了生产车间的布局和管理模式。

3.5 复合加工机床

复合加工机床将车、铣、磨等多种不同类型的加工工序整合到同一台机床上，借助高档数控系统控制不同的主轴和进给部件对工件进行多轴联动加工，实现一个复杂工件在一台机床上加工完毕。一台车铣复合加工机床与车削或铣削加工中心相比，复合加工机床并不在于主轴功率和定位精度方面的优势，而是由于工件只需要一次装夹，因此在多次加工后的累计误差较小，可明显提高复杂工件的加工精度，减少了所需机床的台数和占地面积，简化了物料流，缩短了整个工艺流程，降低工艺局限对产品设计的制约。

以上列举的机床不连续创新，虽然没有改变机床的基本工作原理，其不连续性是体现在大幅度地提高了机床的性能和用户价值。它的深远影响在于陀螺测斜仪触发了用户企业改变既有的生产模式和产品设计，而新的生产模式和新的产品又促进了对新机床的需求。

四、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，而且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？我们必须密切加以关注。

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？

    4.1 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。进入互联和物联时代，机床将不仅是一台设备，而且是络中的一个节点，这对机床的产品创新将会产生什么影响？嘉倍徳科技认为，能够借助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，而是软件，软硬结合将成为下一代机床的重要特征，是未来机床产品创新的方向。

    4.2 用户需求的拉动

    不断提高生产效率是一个永恒的主题。交流电动机驱动与天轴皮带传动相较，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？嘉倍徳科技认为，首先是新材料，例如复合材料和难加工材料，都存在加工难题，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、细微加喷丝板工机床已经进入机床产品创新者的视野。

    4.3 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年就生产金切机床75万台、成形机床26万台，节能和环保是大问题；何况欧盟2012年将出台机床能效标准，在机床新产品开发时不考虑节能和环保将导致重大失误。其次，不断提高劳动者的素质、改善劳动条件和工作环境也是社会发展的需要。

    4.4 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教授在上世纪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影响。上世纪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都起到了很大的推动作用。

五、结语与展望

曾经错误地认为，不连续创新产品在带来产品优势的同时，也会降低产品的客户熟悉度，抵消产品优势提升对创新绩效的贡献。然而，随着对创新实质的了解加深，发现连续和不连续创新构思并非对立，一款新产品可以同时包含连续和不连续创新构思，新产品中的连续创新，可以帮助吸引用户、降低用户对不连续创新的抗拒。考虑到连续创新和不连续创新的叠加效应以及产品创新和生产系统创新两方面的结合，机床产品创新的未来趋势有以下三个方面：

    5.1 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。当前在阻止环境恶化的压力下，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，以更少投入获得更多产出。例如，通过移动部件轻量化可以达到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排放。

5.2 聪明机床

    基于互联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，机床已经进化到可发出信息和自行进行思考及调节。例如，能减小振动的主动振动抑制，能控制热位移的智能热屏障，能防止部件碰撞的智能安全屏障，语音提示和短信通知以及按照加工要求帮助选择切削参数等。

    5.3 客户化

    从大批量生产向大规模定制转变是制造业总趋势，机床产业也不例外。当好用户的工艺师不是一句空话，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加工完毕，不同工件有不同的工艺过程和加工方法，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逐步取代。

叶先生原文将围绕机床与计算机的结合、与应用的配合、与环境的协调等愿景，分三大部分（1. 机床的构成、2. 机床的性能设计、3. 创新的机床产品）来探讨，包括机床结构配置、主轴设计、进给驱动和工作台设计、机床的数字控制及其智能化、机床静态精度和动态性能设计、热性能设计、机床的节能和生态设计、人机工程设计、微加工机床与桌面工厂、精密与超精密机床、并联运动机床等机床产品创新的最新进展，和读者一起探讨创新机床产品的的现状和未来发展趋势，敬请关注和赐教。

    武汉嘉倍德科技有限公司是一家专业生产数控切割机，数控激光切割机，数控火焰切割机，数控等离子切割机，数控火焰等离子两用切割机，广告数控切割机，数控相贯线切割机，等数控产品为一体的高新企业，公司始终奉行“以质取胜，以诚为本”，的经营理念，坚持“以服务为主导，以性价赢市场”的指导方针。本着客户第一的原则，追求完善的服务。24小时提供主机展示、销售、送货上门、安装调试、技术维修等服务。最大限度的为用户提供服务。

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