機(jī)床及其制造系統(tǒng)的柔性化將在可重組制造(Reconfigurable Manufacturing)技術(shù)的支持下，通過(guò)對(duì)制造系統(tǒng)的快速重組實(shí)現(xiàn)更敏捷和經(jīng)濟(jì)地適應(yīng)不確定市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品多變的要求；數(shù)控車、銑、磨等機(jī)床的工作精度正以平均每年提升8%-10%的幅度向納米級(jí)高精度邁進(jìn)，并不斷地拓展新穎的精密加工方法；機(jī)床的綠色設(shè)計(jì)與制造以重視環(huán)保的潔凈生產(chǎn)為重點(diǎn)，干切削或微量(≤100ml/h)切削液的高效加工技術(shù)日趨成熟。
數(shù)控機(jī)床的主軸轉(zhuǎn)速和功率的大幅度提高為高速切削的應(yīng)用提供了良好的條件。高速切削的界限，在不同的年代，隨著切削方法和被加工材料的不同，其數(shù)值也不盡相同，通常認(rèn)為的高速切削是指比傳統(tǒng)的切削速度和進(jìn)給速度高出5～8倍。高的進(jìn)給速度在切削鋼和鑄鐵時(shí)可達(dá)20～50m/min，相當(dāng)每個(gè)刀齒的進(jìn)給量為1.0-1.5mm。顯然應(yīng)用高速加工能增大單位時(shí)間材料被切除的體積(材料切除率Q)，但按目前機(jī)床的情況來(lái)看，要充分發(fā)揮先進(jìn)刀具的高速加工能力，還必須開(kāi)發(fā)有更高驅(qū)動(dòng)功率和結(jié)構(gòu)剛度的機(jī)床，因此當(dāng)前航空、汽車和模具等制造行業(yè)普遍地采用高速加工，并不是只限于提高切削效率，還著眼于用它在以下3方面獲得對(duì)加工品質(zhì)和經(jīng)濟(jì)效益的提升。
1、減小切削力，保證薄壁零件加工的形狀精度。通過(guò)提高切削速度(Vc)和降低進(jìn)給量(f)，在保持相同材料切除率Q的條件下，使每個(gè)刀齒的進(jìn)給量減小而使切削力降低。
2、提高加工表面質(zhì)量。在保持相同的切削效率(即相同Q值)下，提高切削速度可改善切屑形成過(guò)程和增加切削阻尼有利于抑制顫振，而相應(yīng)地減少每個(gè)刀齒的進(jìn)給量能降低切削表面軌跡形成的殘留高度，改善表面粗糙度，從而有利于精密零件和模具的加工。
3、減少被加工零件的溫升和熱變形。高的切削速度和低的進(jìn)給量所形成的連續(xù)切屑流將使更多的切削熱被切屑帶走，減少零件和刀具的熱變形，有利于保證批量生產(chǎn)的零件尺寸穩(wěn)定性。
因此，數(shù)控機(jī)床采取提高切削速度和切削進(jìn)給后，對(duì)改善加工質(zhì)量、縮短切削工時(shí)等有明顯的效果，但為了達(dá)到機(jī)床利用率進(jìn)一步提高的目標(biāo)，還需對(duì)數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)全面高速化。對(duì)現(xiàn)有數(shù)控機(jī)床使用情況統(tǒng)計(jì)得出：其有效切削時(shí)間與全部工時(shí)之比(機(jī)床利用率)僅為 25%～35%，其余的75%～65%均消耗在機(jī)床調(diào)整、程序運(yùn)行檢查、空行程、起制動(dòng)空運(yùn)轉(zhuǎn)、工件上下料和裝夾等輔助時(shí)間以及待工時(shí)間(由于技術(shù)準(zhǔn)備和調(diào)度不及時(shí)引起的非工作時(shí)間)與故障停機(jī)時(shí)間上。因此需通過(guò)提高各軸快移速度和加(減)速度、主軸變速的角加(減)速度、刀具(工件)自動(dòng)交換速度，改善數(shù)控系統(tǒng)的操作方便性和監(jiān)控功能以及加強(qiáng)信息管理才有可能全面壓縮輔助時(shí)間和減少待工時(shí)間，使數(shù)控機(jī)床的利用率達(dá)到60%以上。
數(shù)控機(jī)床高速化進(jìn)入工業(yè)應(yīng)用的關(guān)鍵因素除了刀具性能的提升之外，有賴于內(nèi)裝式電機(jī)主軸單元(簡(jiǎn)稱電主軸)和直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的發(fā)展。應(yīng)用于車、銑加工的高速?gòu)?qiáng)力電主軸在20世紀(jì)80年代已開(kāi)始在數(shù)控車床和加工中心上應(yīng)用，為推進(jìn)高速切削起到了重要作用。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)的研發(fā)開(kāi)辟了控制軸運(yùn)動(dòng)高速化的新領(lǐng)域。直線電機(jī)用于數(shù)控機(jī)床控制軸的驅(qū)動(dòng)上成為數(shù)控機(jī)床向高速化、精密化發(fā)展的一項(xiàng)重要技術(shù)支持，也引起了機(jī)床研究人員和機(jī)床制造廠對(duì)其應(yīng)用技術(shù)的關(guān)注，并已在一些高速數(shù)控機(jī)床產(chǎn)品上應(yīng)用。直線電機(jī)在機(jī)床上的應(yīng)用普及面不如電主軸，主要有下列一些問(wèn)題需進(jìn)一步研究解決。
1、研發(fā)快速制動(dòng)系統(tǒng)，防止由越程碰撞引起的過(guò)載損壞。
2、直接驅(qū)動(dòng)的直線電機(jī)對(duì)過(guò)載的敏感性以及對(duì)過(guò)載保護(hù)裝置的設(shè)置要求均高于應(yīng)用旋轉(zhuǎn)電機(jī)－滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)，故要發(fā)展制動(dòng)時(shí)間≤10ms的動(dòng)作靈敏的逆變反接制動(dòng)和機(jī)械制動(dòng)方法。
3、采用周密的有效防護(hù)措施。
4、為了防止鐵磁性切屑細(xì)末和臟物等積聚于直線電機(jī)的永磁體上，通常要采用高密封性的防護(hù)罩，并通入正壓外噴氣流，但橡膠密封件在運(yùn)動(dòng)換向時(shí)的摩擦力變化會(huì)影響輪廓加工的運(yùn)動(dòng)軌跡精度。
另一種措施是改進(jìn)機(jī)床的結(jié)構(gòu)，使直線電機(jī)位于切屑不易達(dá)到的部位。如立式加工中心結(jié)構(gòu)，它的3個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的直線電機(jī)均位于切削區(qū)的上方，且運(yùn)動(dòng)部件的質(zhì)量較輕，有良好的防護(hù)性和動(dòng)態(tài)性能。進(jìn)一步完善直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的整體性。通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化降低成本，獲得適宜的經(jīng)濟(jì)性。直線電機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置的成本目前還遠(yuǎn)高于伺服旋轉(zhuǎn)電機(jī)－滾珠絲杠副驅(qū)動(dòng)的費(fèi)用(約高5～10倍)。因此對(duì)直線電機(jī)需進(jìn)行價(jià)值分析，擴(kuò)大其性能價(jià)格比優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化提高其標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化程度，增加其定制生產(chǎn)的規(guī)模以提高其經(jīng)濟(jì)性，這樣將有可能使這項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)在加工中心等高速數(shù)控機(jī)床上得到較普遍的應(yīng)用。
高效柔性化加工技術(shù)是指它能及時(shí)地適應(yīng)市場(chǎng)多變的要求，迅速地制造出所需的產(chǎn)品，并在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，以良好的經(jīng)濟(jì)效益實(shí)現(xiàn)高生產(chǎn)率。其解決方案主要有：
1、提高機(jī)床的材料切除率以提高切削效率，并注意降低空程等輔助時(shí)間；
2、應(yīng)用復(fù)合加工縮短過(guò)程鏈以提高工效；
3、從系統(tǒng)角度發(fā)展可重組制造系統(tǒng)、通過(guò)快速、低成本的重構(gòu)，以優(yōu)化的工藝流程和適配的裝備達(dá)到產(chǎn)品迅速上市和經(jīng)濟(jì)性高的綜合效果。
增加數(shù)控機(jī)床的復(fù)合加工功能將進(jìn)一步提高其工序集中度，不僅可減少多工序加工零件的上下料時(shí)間，而且更主要地可避免零件在不同機(jī)床上進(jìn)行工序轉(zhuǎn)換而增加的工序間輸送和等待的時(shí)間，尤其在未組成有效的生產(chǎn)線的條件下，這種工序間的等待時(shí)間將遠(yuǎn)遠(yuǎn)地超過(guò)零件在機(jī)床上的工作時(shí)間，從而延長(zhǎng)了零件的生產(chǎn)周期。復(fù)合數(shù)控機(jī)床的高效化可用數(shù)控五面加工龍門銑床(加工中心)說(shuō)明，它使零件的生產(chǎn)周期縮短至工序分散的非數(shù)控機(jī)床的16%，同時(shí)又使加工過(guò)程中的切削時(shí)間比率由17%增至70%，大大提高了機(jī)床的利用率，同時(shí)由于減少多次安裝零件引起的誤差，易于保證加工精度。由于復(fù)合數(shù)控機(jī)床具有良好的工藝適用性，避免了在制品的儲(chǔ)存和傳輸?shù)拳h(huán)節(jié)，有力地支持了準(zhǔn)時(shí)制(JIT)，因此對(duì)它的研發(fā)已被給予了極大的關(guān)注。盡管就功能來(lái)講各種復(fù)合數(shù)控機(jī)床的界限會(huì)漸現(xiàn)淡化，但各機(jī)床制造廠仍保留了各自的特點(diǎn)和側(cè)重點(diǎn)，使復(fù)合數(shù)控機(jī)床呈現(xiàn)出多樣性的創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。
用生產(chǎn)線或自動(dòng)線組成的制造系統(tǒng)，由于其工藝流程和物流路徑的優(yōu)化以及生產(chǎn)規(guī)劃、技術(shù)準(zhǔn)備、質(zhì)量管理和過(guò)程調(diào)度及時(shí)，使機(jī)床的利用率遠(yuǎn)比單機(jī)或機(jī)群組合為高。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)加劇，產(chǎn)品更迭頻度加快，使其經(jīng)濟(jì)壽命期大大縮短，以專用機(jī)床和組合機(jī)床為主組成的自動(dòng)線由于其調(diào)試投入期較長(zhǎng)，當(dāng)衰退期來(lái)臨較早時(shí)，必然導(dǎo)致平均利用率降低，歐美對(duì)汽車等行業(yè)統(tǒng)計(jì)利用率為53%，我國(guó)約為45%～50%。
采用數(shù)控機(jī)床組成的柔性生產(chǎn)線FMS/FML，具有較好的柔性，可適應(yīng)一定范圍內(nèi)的零件品種的變化，因而其機(jī)床利用率可達(dá)70%以上。但是它仍然在敏捷性和經(jīng)濟(jì)性方面存在著一些問(wèn)題：首先，當(dāng)加工零件的品種超出所設(shè)計(jì)的FMS/FML加工的零件族組時(shí)，就需對(duì)其硬軟件配置作較長(zhǎng)時(shí)間的調(diào)整，不能使新產(chǎn)品迅速上市；即使應(yīng)用通用的數(shù)控機(jī)床組成中、大批量的生產(chǎn)線，也往往存在功能冗余的問(wèn)題。德國(guó)H.Schulz教授統(tǒng)計(jì)歐、美和亞洲22個(gè)國(guó)家370家批量生產(chǎn)廠，得出近乎80%的加工中心只利用了機(jī)床的20% 功能。顯然這種用擴(kuò)大功能儲(chǔ)備以備不時(shí)之需的做法，既是對(duì)資源的浪費(fèi)，也是增大投資的不經(jīng)濟(jì)之舉。
為此，在20世紀(jì)90年代后期發(fā)展了一種新的制造系統(tǒng)模式，稱之為快速重組制造系統(tǒng)(RRMS)，也稱可重組(或可重構(gòu))制造系統(tǒng)(RMS)。該系統(tǒng)配置適用功能的機(jī)床和易于調(diào)整的布局方式，具有系統(tǒng)隨機(jī)過(guò)程優(yōu)化規(guī)劃、開(kāi)放式控制系統(tǒng)、規(guī)范化接口、易重構(gòu)的組態(tài)控制軟件和快速提升制造質(zhì)量的診斷系統(tǒng)等。一旦需對(duì)加工的零件品種和批量作出變化時(shí)，可以在充分利用原有資源的基礎(chǔ)上，通過(guò)適當(dāng)?shù)恼{(diào)整、改變和更新機(jī)床和機(jī)床上的功能模塊，很快地形成新的制造系統(tǒng)。它在全球化經(jīng)濟(jì)和不確定性市場(chǎng)的環(huán)境下具有明顯的適應(yīng)性，因此美國(guó)國(guó)家研究院(NRC)于1998年提出的《2020年制造業(yè)挑戰(zhàn)預(yù)測(cè)》中把可重組制造系統(tǒng)列為2020年前制造業(yè)面臨的十大關(guān)鍵技術(shù)之首。RRMS的主要特性為：可重構(gòu)性(Reconfigarability)、可重用性(Reusability)、可變動(dòng)性(Mobility)和可縮放性(Scalability)。這4個(gè)特征可用如下12個(gè)要素來(lái)表達(dá)，每個(gè)特征分別包含3個(gè)要素，即：
可重構(gòu)性為：模塊化、定制化、組態(tài)化；
可重用性為：可診斷、可升級(jí)、可分解；
可變動(dòng)性為：易變化、易調(diào)整、易移動(dòng)；
可縮放性為：集成化、單元化、自治化。
為了使制造系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)上述特性，可以從系統(tǒng)、單元和設(shè)備等3個(gè)層次進(jìn)行重構(gòu)，從單元和系統(tǒng)的角度來(lái)講，它的規(guī)劃、布局和控制應(yīng)能便于調(diào)整重組，并通過(guò)診斷技術(shù)快速提升制造能力以縮短試運(yùn)行周期，并已取得初步應(yīng)用成果。從設(shè)備角度來(lái)講，應(yīng)發(fā)展可重構(gòu)機(jī)床(Reconfigurable Machine Tools，RMT)，要進(jìn)行機(jī)床設(shè)計(jì)方法的創(chuàng)新，發(fā)展在用戶應(yīng)用環(huán)境下對(duì)其部件、元件及軟件功能模塊進(jìn)行重組的機(jī)床結(jié)構(gòu)技術(shù)，以降低機(jī)床功能變換的成本和延長(zhǎng)機(jī)床的應(yīng)用壽命。預(yù)期在最近的5～10年內(nèi)，RMT技術(shù)在新一代機(jī)床開(kāi)發(fā)中將會(huì)取得重要的進(jìn)展。
機(jī)床既是實(shí)施先進(jìn)制造技術(shù)的重要裝備，也是制造信息集成的一個(gè)重要載體，因此，機(jī)床的發(fā)展和創(chuàng)新在一定程度上映射出加工技術(shù)的主要趨向。在20世紀(jì)后期形成的以數(shù)控技術(shù)為中心的柔性制造技術(shù)，預(yù)期在未來(lái)仍將延續(xù)進(jìn)展并成為加工技術(shù)發(fā)展的主流。它的特征可以歸結(jié)為3F，3I和3S，即：
3F表示柔性化(Flexibility)、聯(lián)盟化(Federalization)和新穎化(Fashion)；
3I表示集成化(Integration)、信息化(Information)和智能化(Intelligence)；
3S表示系統(tǒng)化(System)軟件化(Softwar)和個(gè)性化(Speciality)。
這些特征表明了將進(jìn)一步深化發(fā)展適應(yīng)多品種變批量生產(chǎn)的柔性自動(dòng)化技術(shù)；基于先進(jìn)工藝和結(jié)構(gòu)原理發(fā)展新穎裝備來(lái)優(yōu)化制造過(guò)程；推進(jìn)機(jī)床創(chuàng)新設(shè)計(jì)，經(jīng)濟(jì)地滿足用戶對(duì)產(chǎn)品個(gè)性化的加工要求；構(gòu)建靈捷的制造系統(tǒng)，快速響應(yīng)市場(chǎng)需求，以高質(zhì)量產(chǎn)品迅速地批量上市；有效地發(fā)揮信息技術(shù)和軟件技術(shù)在制造過(guò)程中提高技術(shù)水平和管理水平的作用；探求在網(wǎng)絡(luò)化分布制造的協(xié)作聯(lián)盟環(huán)境下的數(shù)控技術(shù)等。
