梁训 中国机床工具工业协会名誉理事长

所谓“质变”指：创新思维与传统的“量变”有根本的区别；所依托的物质载体与常规相比在原理上有本质的差异；在人类生产活动中所形成的效益与影响更为广泛而深远。近30年来，世界制造技术与装备领域经历了4大质变，中国机床制造业必须积极参与并对其进行研究，以跟上世界技术发展的步伐。

人类智能型生产工具的出现

生产工具的变革是推动历史发展最积极、最首要的因素。人类的生产工具由手动发展到具备动力，马克思称之为“工具机”（即机床），并认为这是一次人类生产工具的大革命。而当工具机（机床）具备数控控制功能后，人类智能型生产工具的雏型才有可能出现，这是人类生产工具的又一具有划时代意义发展。在中南海中共中央政策研究室的“战略产业选择”座谈会上，提出了“机床作为生产工具具备智能特性是人类生产工具具有划时代意义的发展，人类正在迎接智能型生产工具的时代”。智能型生产工具的发展是近30年来的重要发展动态。

图1  哈量并联机床-EXE700型

1952年第一台数控机床的出现，标志着机床向智能化发展的萌芽。特别是近几年，陆续出现的机床智能化功能标志着机床技术在发展道路上的质变。可以说，计算机控制技术、网络技术、软件功能拓展为机床智能化提供了物质基础。

智能型机床尚无全面确切定义，简单说，是能对影响加工过程的多种参数及功能作出自我判断并修正、能正确选择并作出决定方案的机床。即智能型机床能够监控、诊断、评价、补偿和修正在加工过程中出现的各类偏差（如刀具半径自动检测、刀具破损检测、多轴同步差异等），并能提供最优化的加工方案（如调整机床加工时间、工艺路线、选择最佳加工参数、主轴运行状况、位置补偿、精度修正、热变形补偿等）。最早出现的智能控制机床可以追溯到自适应控制电火花加工机床。

近几年，日本山崎马扎克公司陆续开发了智能主轴振动控制、智能热屏障、智能防撞屏障、语言提示；日本大隈公司开发了thinc智能数字控制系统等。随着技术的发展，机床这种生产工具智能化的功能会越来越高级，越来越增多。

加工方法逆向思维的突破

快速成型（Rapid prototyping）技术是近20年来出现的加工方法，与沿用至今的“去除材料”（切削、冲剪、切割、磨削）的方法不同，快速成型技术是反其道而行之的以“材料堆积成型”或称之为“材料累加”、“增材制造方法”来达到制造工件原型的方法，即将设计构思通过计算机二维或三维成象，计算机控制“材料添加”而快速制成实体，采用复合纸、高聚物质、金属粉末、高温合金、复合陶瓷、铸造型砂等作为加工原材料；利用电热、激光束、电子束作为能量源，按分层实体制造(LOM)、熔融沉积成型(FDM)、紫外线激光固化(SLA)及激光区域烧结(SLS)等方法来实现原型零件造型，以加速考核零件设计的正确性与可行性，缩短整机开发生产周期，除了应用于制造机械零件原型、型砂制芯，甚至也进入立体艺术品型体塑形和人体医学仿生件（如骨关节）制造等相关领域。这是计算机科学、新材料科学、新能源科学综合集成发展的最新产物。我国在这个领域中，有华中科技大学、清华大学、西安交通大学、同济大学、中科院及上海联泰、北京瑞科达、武汉滨湖机电技术产业有限公司等国有和民营科研单位及企业积极投入。

图2  并联机床的变形品种

机床结构的革命性变革

近20年来世界机床设计出现了“并联结构”机床。由于传统机床的“串联结构”是按笛卡尔坐标沿三个坐标线方向运动和绕这三个坐标转动依次串联叠加起来，形成所需刀具的相对运动轨迹的机床结构，其所有的结构几何精度误差、力的传递和刚度的损失，都会形成串联累积而成为致命的薄弱环节。

而并联结构机床，是通过多杆结构在空间同时运动来移动主轴头实现加工动作，具有更为简化、刚度更高、动态性能（包括精度保证及运动效率）更好等优点。20年来，全世界约有十几个国家二十多个团队在从事这方面的研发，其中瑞典TRICEPT公司已供应商品400余台，广泛应用于空客、波音及通用汽车公司和卡特彼勒大型工程机械企业，另外还有若干团队都曾经分别展出过试制品。据与其中某些团队（例如日本丰田工机、大隈、德国Index）接触，他们仍在努力提高性能，我国机床工具行业也有五、六个产学研结合体在进行这方面研发，其中哈尔滨量具刃具集团与哈尔滨工业大学合作研发的并联结构品种（六桿结构）已批量生产5台，成功应用于哈尔滨汽轮机厂叶片加工生产线中；齐齐哈尔第二机床集团与清华大学合作开发的龙门式“混联”结构（即串联与並联混合）机床，已成功用于哈尔滨电机厂的大型水电站设备制造中。

图3  TRANSFLEX机床外观图

在最近一次北京举办的中国数控机床展览会（CCMT2008）上，我国哈尔滨量具刃具集团数控设备厂展出了一种并联结构机床LINKS-EXE700，是由瑞典TRICEPT发明人新创办的EXECHON新开发的，如图1。哈量集团在中国独家引进该项技术进行生产，并继续合作开拓应用领域的企业，新开发的LINKS-EXE700并联结构机床的特点包括：结构简化为三杆结构，加工范围增大。EXECHON并联结构机床有多种规格尺寸，以EXE700这种中型规格机床为例；其加工覆盖空间X轴方向2m、Y轴方向1m、Z轴方向0.5m。动作快速：X、Y轴的快速进给分别达到125m/min（这是目前世界范围最高纪录）、加速度3g（也是世界最高纪录）、Z轴方向45m/min、加速度1g，刚性和精度显著提高，五轴联动数控编程进一步改进便于掌握，可加工空间曲面和五面体，在工件特别装夹的情况下，还可作六面加工，如图2。进行不同功能配置后，可广泛应用于航天、航空、机车、汽车、工程机械、模具工业作銑镗、钻削、磨削、焊接、铆接、打毛刺和装配之用，可以单机使用，也可以多台配置成生产线。对于超长机翼或巨大的机车、坦克的车架加工，还可以将“并联机构”架在轨道上的或龙门框架上的移动底座上使用（加工时长距离可以分段移位，然后分段自动精确再定位），来实现大尺寸工件加工。因此，为了迅速扩大使用领域，除了供应“并联结构通用性机床”产品（与某些加工中心品种竞争）外，还应当把“并联结构的制造厂”（如哈量）提供的“并联结构部份”与用户行业装备制造厂（如汽车、机车、工程机械、航空行业专业工艺装备厂）提供不同类型基座或移动框架，以及和有意愿开发专用装备的机床厂结合起来，有针对性地扩大这类机床产品的使用范围扩大销售领域。

工具概念的变异

传统的机械加工工艺体系一般是由机床—工具—（夹具）—工件组成，而工具环节按传统的分类无非是车刀、铣刀、镗刀、钻头、拉刀、砂轮、冲模、压模之类。所有这些工具（又可称之为执行加工功能的载体）无非都是具有一定硬度的实体，如高速钢、工具钢、硬质合金、立方氮化硼、单晶及聚晶金刚石、陶瓷等材料制成的工具（用来达到所谓以“硬”克“硬”）。后来陆续出现了氧炔高温切割方法，电能源的放电加工方法（电火花加工、线电极切割）、电化学加工、激光加工方法、电子束加工法、离子注入法、光刻法等。直到近年，属于“冷能源”、“软介质”的高压水射流（俗称“水刀”）加工方法以崭新姿态登场（用于金属钣材、塑料、橡胶切割加工），配合多座标数控技术在汽车工业新产品试制（如复盖件、内饰件切边）中，可缩短周期，小型件切割用途更为广泛。我国已有南京水刀有限公司和南京工艺装备制造有限公司等向市场提供产品。高压水射流（水刀）加工在其他应用领域（管道空间联结部位加工等）正在迅速拓展。

图4  TRANSFLEX机床正在加工中

机械加工领域的进步属于“量变”或称“渐变”的还有很多：加工精度的提升，几乎每10年就提升一个数量级，亚微米、纳米加工不断升级等。笔者从瑞典向国内引进技术的“TransFlex”型机床是另一类“渐变”跨度比较大的新机床品种（如图3）。TransFlex包含Transferline,（刚性传送生产线）和Flexible line（柔性生产线）两种涵义，由多种动力头，仍按生产线布局，但执行加工的出场先后或动作，由数控系统控制，而夹持工件则由悬掛式机械手执行。比较新奇的是其机械手在动力头上方，朝下夹持工件沿桥式导轨及垂直滑枕作三座标移动和两个旋转座标转动（如图4），这种机械手比传统的多关节机械手夹持工件，刚性更好、精度更高，除了替代传送生产线的步进式传送机构（其递送速度较慢、可调性较差），并增添具备步进传送机构所不具备的两个旋转座标动作，机械手由数控系统指挥“喂送”工件（这就是突出特点）到不同工位的动力头，与动力头上所装刀具动作配合，完成每道工序。该Transflex机床结构紧凑，占地面积小，节省辅助时间，排屑方便、可适应加工部位更为复杂的工件，是值得关注的机床“另类”。

我国一直都积极参与近30年来世界制造技术与装备领域4大质变，并作出了重要推动与贡献。下一步，将继续深入参与，为打造制造技术与装备领域的民族品牌而不断努力。