中国机床能否打赢翻身仗?

中国国际机床展CIMT盛大开幕了。如此热闹的盛会,满心希望中国机床挺直腰杆的诸多灼念又回响心头。

现场转了一圈,感触良深。大家的感慨都是基础理论缺乏深耕,共性技术缺乏行动。但是,堂堂机床大国,对于“什么是一个好机床”这样的问题,各家却并无定论。对于中国机床而言,如果连精度、精度保持性、一致性和可靠性等这些最基本的概念都没有形成共识,如何能够搞好搞强机床。起点的桩子如果打歪了,后面再多钱搭出来的梁,也很难走正。

定义一台机床的好坏,中国的评定标准里有一个“平均无故障时间MTBF”概念。奇怪的是,在德国和意大利的机床设备中,研发人员并没有这种指标。当中国机床界跟德国、意大利等机床厂家交流这个概念时,欧洲人往往一脸的困惑。

机床平均无故障时间MTBF,最早是来自日本。这是一个从“全面质量管理”角度提出来的概念,后来也成为国际标准的一种。中国大概是2000年前后,也慢慢接受了这个概念,并且将这个指标作为机床考核的重要依据。

日本机床的发展,本身是通过实验加上理论分析。它跟用户有着非常紧密的联系。可以说,它是靠着一线反馈回来的数据,反复迭代从而完善起来的体系。而对于质量体系,日本自然更是有一套成熟的做法。

而德国的机床发展,则跟日本完全不一样。德国的产业界和学术界都是直接打通,大学教授一般都是在企业呆过一段时间,对机床的使用情况天生就非常了解。而德国亚琛工业大学和斯图加特大学,是德国机床工业的摇篮,简直就是一个机床工厂与实验的联动中心。它从基础理论出发,再加上很熟悉应用场合,于是就容易设计出高精度、高可靠性的机床。

如此看来,机床的发展路径对一个国家的机床工业体系的形成,有着非常大的影响。要了解当下机床的短板,看看历史走过的路径,很多病灶就会清清楚楚。

上世纪八九十年代,计算机控制系统CNC开始在机床领域逐渐渗透,日本就是在这个时候异军突起。实际上最早的控制系统是在麻省理工学院发明的,而第一代计算机控制机床系统,也是在美国机床厂Bendix诞生。但是,美国机床厂整体都沉醉在传统机械控制的大好河山之中。

日本则完全不同,彼时日本制造正在自信满满地全线复兴。政府大力发展机床,推行标准化并且坚决鼓励数控机床。在1970年的时候,就制定了未来五年数控机床比例占比一半的雄心。采购数控机床的用户,也会得到补贴。而且,它只扶持一家来自富士通自动化分离出来的公司,让所有企业都使用该公司的数控系统。

日本在本土掀起了数控机床热潮,正好也赶上日本汽车大发展的时候。因此,在日本市场得到历练的机床厂商,在美国市场也彻底击溃了分散零落的美国机床厂商。这些厂商往往各自为政,而数控系统厂商如通用电气罗克韦尔则热衷于专用控制系统。根本无法应对灵活好用、低成本的日本机床。在1980年初期,美国机床产量还是全球最大,占比超过20%。当时全球TOP10全部都是美国机床。然而只过了10年,美国机床就迅速衰落,产量只占全球比例的7%,而且开始大量进口日本和德国机床。

就在这次机床数控系统转型的大浪潮中,中国机床仍然停留在前苏联机床的机械控制时代。苏联的做法是以单轴为主,几个单轴做线性叠加,很适合简单运动的场景。即使是曲线轨迹,也采用仿形原理。这就像是用一个圆度板画半圆,刀具就像笔尖一样贴着既定的模板往前行走。而此时,精度要求较低,速度也并不高,对机床的动态特性要求不高。但进入数控系统时代,就彻底进入了多轴同步插补的时代。需要对刀具的行程做更加细致的运动分解。它采用了振型设计的原理,动态响应特性要求很高。否则无法保证多轴的同步。

很长时间,中国机床界一直停留在机械控制时代,对动态特性认识不足。研发工程师们往往先设计好机械部分,然后再配上数控系统。这种将机械与控制系统相互隔离的理念,完全无视数控系统对于机床设计的影响,严重地损害了一台机床作为一个系统的完整性。

可以说,当中国机床的腿已经迈进数控系统的时代大门,而大脑却还留在传统机床的空间里徘徊。中国在上个世纪九十年代,连一本像样的数控机床设计的教科书都没有,所有教科书的内容都是苏联机械传动时代的机床。一代人就在这样的机床理念下成长。而此时,打败了美国机床的日本、德国同行们,则早已进入加速奔跑的阶段。到了2012年前后,德国制定了动态特性的国际标准。然而,在国内很少有组织能够有能力对此进行研究。

逆向工程给中国制造的带来恶果影响正在逐渐显现。逆向工程就是按照实物测绘,然后照猫画虎进行仿制。这种方式,很容易导致知其然但不知其所以然。对于简单机床还可以轻松突破,但对于高尖端机床则很难奏效。以品质著称的瑞士机床的机构部件,有时候薄,有时候厚。肋条厚薄分布不均,这是有意为之还是偶然巧合。从逆向工程的角度看,很难搞得清楚。如果对这样的原理搞不清楚,就会导致“什么是一个好机床”成为一种玄学。

中国机床的研制,由于设计理念跟不上,对于很多参数的设计根本就无法考虑周全。对机床床身强度进行设计的时候,往往都是经验值直接估算,这种设计造成的机床精度不够往往是致命性的。

德国的机床采用了“轻质高刚”的策略,就是质量要轻,刚度要高。为什么是这种设定?因为每一个零件都有固有频率。当机床开始高速运转形成振动的时候,它必须小心地避开这些零部件的频率,以免形成共振。正如大部队过桥不能采用齐步走一样,这样才能避免引起大桥的共振。很好,这听上去像是一个轻量化的命题。于是,有些机床厂就想将床身轻量化。但在德国机床界看上去这毫无必要,因为只有运动的零部件,才需要轻薄以避开振动频率。对于固定件而言,并不需要轻量化。

这就是对于动态刚性的要求。如果不能理解这一点,那么在设计机床的时候,就会只是根据静态刚性的要求去设计,这些都是致命的隐患。它保证了一台机床的精度,如果有的话,也不会保持很久。

在生产过程中,由于操作规范的不同,很难保证每一台产品的一致性。不同的技工安装,会形成不同的产品性能。高端的机床数量,往往都并不高。行业里有这样的看法,“安装100台机床都是一样的好,这是很难做到的;但要安装100台机床都是一样的坏,那也是万万做不到的”。这个苦涩的笑话,其实正是中国制造的质量通病:“制造不一致性”。

这是一个质量问题,它在制造过程出现了偏差,也就是质量大师戴明在七十年前指导日本的时候所提出来的“变异”。然而,这种由于制造过程形成的质量变异,跟它在前端的设计理念形成的缺陷完全不同类。但当基本概念不明确的时候,两者造成的失误就混在一起了。豆腐掉到锅灰里,吹掸不得,豆腐自身的杂质也就无从考量了。这些不同原因叠加的结果,导致了机床在用户端形成故障的原因往往无法解释清楚。而用户,只能称其为“可靠性不足”而敬而远之,远离这些容易生病的机床。

质量是一致性地制造,是变异问题;而可靠性首先是系统性的设计,是认知问题。但在实际过程中,却没有人能区分出到底是什么原因。一把最小单位是厘米的尺子,是无法测量出毫米空间的多样性。不能识别真。

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