摘要:從機床與過程的相互作用出發，闡述了機床產品創新的概念，指出刀具材料是機床發展的推動者，新需求是機床創新的拉動者。繼而從以人為中心的觀點探討了機床與人和環境的關系。最后描述了機床產品不連續創新的特征和案例，機床產品創新不是孤立的事件，其形成機制和過程呈現出與生物進化類似的路徑依賴特征。
關鍵詞：產品創新；機床；創新理念
（接上篇）
2 、機床與人和環境的關系
機床不是孤立的貨物，它是在車間運行的生產裝備，在把毛坯轉化為零件的同時消耗能源，排放固體、液體和氣體廢棄物，并與操作者、其他機器、車間環境和生態環境發生各式各樣的關系。機床與人和環境的關系是外部矛盾，其大部分影響都是負面的，處理不當會造成內部矛盾的激化，降低機床的加工效率，甚至導致對人的危害和對環境的破壞。
研究和理解機床與人和環境的關系，可以減少機床使用時所產生的負面影響，提高機床的使用效率，保護操作者的健康，改善車間環境，降低生產成本，從而獲得更強大的市場競爭力。例如，日本馬扎克公司最近的產品宣傳重點已經從機床的加工性能和生產效率，轉向宜人、生態友好和智能化方面。
2.1 宜人學：人機關系
宜人學，也稱為人機工程，是研究人與機器關系的科學。在工業革命初期，工人是機器的附屬物。在昏暗、嘈雜和擁擠的車間里，機器快節奏地運轉，工人不斷重復簡單而枯燥的動作，容易產生疲勞，損害健康，造成各種職業病。
隨著科學技術和社會的進步，人們開始發現，提高勞動生產率的途徑不僅是提高機器的效率，更重要的是人的能動性，機器是在人的指揮下工作的。何況現代生產需要的不僅是人的體力，更重要的是人的知識和智慧，人是生產中最寶貴的資源。保持人力資源的可用性和高效率，即勞動者的身體健康和良好的心理狀態，成為現代化生產面臨的新挑戰。數控機床實現了人與機在空間和時間上的可分離性。機床主要是在數控程序的指揮下完成加工任務的，人不再需要直接操作機床的動作。機床設計師的任務是使車間編程和仿真能夠有效地應用，使機床操作和維護更加方便，不僅要保證操作者的安全和健康，還能使工作更加輕松和愉快。
圖 10 所示的馬扎克 VARIAXIS i-700 加工中心是宜人學和環境友好設計的成功案例 [5]，其特點是：
1） 數控面板可轉動。操作者根據需要調整角度，操作直觀、方便。
2）加工空間的可達性。打開前門就是工作臺，裝卸工件極其方便。
3）寬大的前視窗。保證加工工況的全方位可視性。
4) 左側刀庫的易接近性。機床側面有門可以打開，方便刀具的更換。
圖10 基于宜人學和環境友好的設計
由于該機床兼備宜人學、環境友好和智能化的優點，獲得日刊工業新聞社日本機械工業設計獎和日本產業設計振興會優秀設計（GOOD DESIGN）獎。智能化是改善人機關系、加強人機協作的高級階段。機床不僅延伸了人的體力和腦力，而且越來越聰明。機床的智能化使數控機床的操作更加方便，進一步提高機床的性能，加強人機之間的交互
和通信，防止意外的發生。例如，馬扎克公司開發了下 列 7 種 機 床 智 能 化 功 能 ：
①主 動 振 動 抑 制（AVC），可減少刀具運動軌跡突然轉向時的振動；②智能溫度補償（ITS），可補償溫升引起的熱變形位移；③智能安全屏障（ISS），可防止運動部件之間碰撞和干涉；④語音警示（MVA），在可能發生事故時，提示操作者注意；⑤運動精度測量（IPS），監控定位精度的變化；⑥機床維護支持（IMS），提示需要維修部位并提供維護指南；⑦智能慣性平衡（IBA），消除高速轉動的不平衡度。
2.2 廢棄物：車間環境
在機床運行過程中不斷產生廢氣、廢液和切屑，它們污染車間的工作環境，消耗能源，危害人的健康。如何在機床設計時就考慮減少廢棄物的排放，節約能源，凈化車間環境，對廢棄物的回收和再利用是新的挑戰和發展趨勢。
例如，德國戴姆勒奔馳（Daimler Benz）汽車公司為改善車間工作環境和提高生產過程能效的措施主要從以下 3 方面入手：
1）廢氣排放管理，保證車間的空氣流通和溫度適中。
2）冷卻液和切屑處理，實現廢棄物的回收和再利用。
3）廢水處理，經過過濾和處理后再排放。
車間通風方式為層流通風，該方式通風面積率高，能耗較低。對切削加工產生的油霧可采取水淋法處理，空氣凈化再循環。對熱加工設備，則可采用熱交換能量回收系統，使加工過程中產生的廢氣所蘊含的能量得到利用，如圖 11 所示[6]。
圖11 改善車間環境和提高能效的措施
1）廢氣排放管理，保證車間的空氣流通和溫度適中。
2）冷卻液和切屑處理，實現廢棄物的回收和再利用。
3）廢水處理，經過過濾和處理后再排放。
車間通風方式為層流通風，該方式通風面積率高，能耗較低。對切削加工產生的油霧可采取水淋法處理，空氣凈化再循環。對熱加工設備，則可采用熱交換能量回收系統，使加工過程中產生的廢氣所蘊含的能量得到利用，如圖 11 所示[6]。從圖中可見，機械加工的冷卻液回收和切屑分離由切削冷卻液回收系統、切屑分離系統和溫度可控的冷卻液制備裝置組成。冷卻液和切屑的混合物經過過濾后借助離心機甩干后用壓力機將切屑壓成塊狀，以便回收再利用。而已經不含切屑的冷卻液用泵輸送到冷卻液集中供給系統，進一步過濾和溫度控制后循環再利用。
對于不是大量生產的車間需要考慮機床本身的冷卻液循環，工作空間溫度的控制以及切屑分離。對于采用干切削、微量潤滑（MQL）和高速加工的機床，切屑往往帶有大量熱量，如何保證切屑快速從機床移除是保證機床工作精度的重要環節。
3 、機床產品的創新理念
產品創新不僅是機床產業本身發展的需要，還將為其他產業帶來直接和間接的效益。在直接效益方面，首先許多新興產業（如生物芯片、量子光電器件、復合材料等）的產業化所需的新裝備，都要先行開發相應的新型機床作為必要的生產手段；其次，機床產品創新帶來的效率提升，直接讓所有用戶企業得益，也就是說一臺機床提高生產效率，就能降低所生產的工業品和消費品的成本。在間接效益方面，機床創新構思往往超越原先的應用領域，“溢出”到機床用戶企業，啟發用戶將創新構思移植到自身的新產品中，帶動進一步的創新和產業結構升級。
3.1 產品創新的基本概念[7]
眾多的研究表明，產品創新不是孤立的事件，其形成機制和過程呈現出與生物進化類似的路徑依賴特征。在一個產業的發展過程中，業內對技術的應用范圍、實用價值、未來發展方向等方面的共識，會逐漸地形成一套技術范式，表現為行業內奉為典范的主流產品設計思路和引導行業創新路線的技術軌跡。
基于技術軌跡概念，創新可分為 2 種模式：1）沿著既有技術軌跡向前推進，對主流設計進行模仿性、維持性、演進性改良的連續創新；2）另辟蹊徑、跳出原來的技術軌跡，對既有市場格局和技術產生突破性、顛覆性改變的不連續創新。
連續創新和不連續創新除了在技術軌跡上不同之外，在風險、回報、實施方法等各個方面都有所區別。開發不連續創新產品是實現自主創新的重要一環，但開發不連續創新產品所需的技術較為陌生，可供借鑒的知識和經驗不多。此外，用戶對不連續創新不熟悉，在推廣應用方面需要投入的資源較多，而且需要面對產品不為用戶接受的風險。機床是復雜的工業產品，其開發周期和投資都遠比一般消費品要高，企業在規劃機床創新路線之前，有必要把握好新產品的創新度，平衡連續創新與不連續創新構思所伴隨的風險和回報，以取得較好的創新績效。
金屬切削機床是機床產業的主體產品。它以高剛性金屬鑄造或焊接床身、笛卡兒坐標系運動學、電動機驅動主軸等作為產品的主流設計概念，并以不斷提高機床的功率和定位精度作為技術進步的評價標準。在這個基礎上，持續不斷地出現各種以功能部件改進為標志的連續創新。持續的創新和不斷的改進，帶動機床產品性能的不斷提升。以金屬切削加工機床為例，從 20 世紀40 年代到現在，車削、銑削、磨削機床等的加工精度都經歷了持續的、大幅度的提高[10]，如圖 12 所示。
圖12 機床加工精度的進展
在各類機床的演進過程中，雖然部分機床引入了人造大理石（礦物鑄件）床身、無機械傳動的直接驅動等技術跨度較大的新技術，但總的來說，機床產業和用戶仍然以主流設計為參照系來理解和評價這些新技術的優劣。加以上述突破性創新構思具有共性，能應用在各類機床上，除了牛頭刨床、仿形機床等個別情況外，沒有出現整個機床類別被淘汰
的現象，反而在原有機床類別中派生出諸如車銑復合機床等新的機床類別，令機床產品的技術范式在較長一段時間內相對穩定和漸進發展，并以連續創新為主。
連續創新雖然為機床產業和用戶帶來很大的直接和間接的效益，技術范式的規范作用也指引著機床產業的技術發展方向，降低創新所帶來的不確定性和風險。但是，技術范式約束了企業和用戶的思維，降低了機床產業對當前社會經濟變化的敏感性，令即使領先的企業也可能會變得短視，不研究或不積極推出脫離技術軌跡的創新產品。因此，當代表嶄新產品類別和使用模式的創新構思進入市場時，積極采納新構思的企業將取得絕對優勢，顛覆當前市場領導者的控制，并且創造新的周期。那些不能預見技術軌跡變化的企業，則隨著舊范式的瓦解而逐漸衰亡。作者認為，在制定企業長期發展戰略時固然應該重視不連續創新，但也不能偏廢連續創新，必須處理好兩者的互動和互補關系。
3.2 機床產品的不連續創新
回顧歷史，機床產業經歷了幾次主要的技術范式更迭。100 多年來，機床產品在技術層面依次出現了天軸皮帶傳動、交流電動機驅動、計算機數控、加工中心和多軸復合加工 5 類不連續創新。
1）天軸皮帶傳動機床。
天軸皮帶傳動將機床從手工業的工具提升為工業化機械裝備的主角。蒸汽機和大型直流電動機的外部動力通過車間上方的天軸和皮帶傳送至每臺機床，并且借助塔輪機構實現主軸 3~5 種速度的變換。雖然從結構而言，天軸皮帶傳動機床和其前身人力驅動機床沒有重大區別，但由于穩定的機械動力代替人力，降低了對工人體力和技藝的要求，延伸了人的體力，使“工具”轉變為“工具機”，大大促進“工廠”這一現代制造組織形態的形成。圖 13所示為 1949 年以前上海某機械廠的天軸皮帶傳動加工車間。
圖 13 1949 年以前上海某機械廠的加工車間
2）交流電動機驅動機床。
交流電動機的出現使機床的集中驅動方式轉變為分散驅動，將動力提供和機床加工功能集成為一體。交流電動機取代了天軸和皮帶，通過齒輪變速箱傳動來驅動機床主軸，可實現 12~24 種速度的變換，最高和最低轉速比可達 100 以上。由于機床主軸的轉速、功率和扭矩大幅度提高，大大提高了機床的加工效率和加工范圍。盡管機床仍然由人工
操作，一人一機完成一道工序，但車間不再顯得那么擁擠和嘈雜。由此可以營造明亮和整潔的工作環境，工人勞動條件有了明顯改善，成為現代化生產的一種象征，如圖 14 所示。
交流電動機驅動的出現使機床不斷向大型化、精密化和自動化發展。采用交流電動機驅動的機床可采用多臺電動機驅動機床的不同部件，以簡化傳動鏈和提高自動化程度，并進一步與外圍輔助裝置和物料輸送裝置集成，構成自動化單元或自動線。直到今天為止，交流電動機驅動的機床，即普通機床仍然在我國制造業中廣泛使用，是多數工廠的加
工設備主體。
圖 14 某工廠的機械加工車間
3）數控機床。
如果說，普通機床是電氣時代的象征，那么數控機床就是電子時代的產物，它延伸了人的腦力。借助數字控制的步進或伺服電動機驅動機床部件，使刀具在數控程序指揮下走出空間運動軌跡，以加工復雜曲面。因此，機床創新的主體是進給運動而不是主運動。圖 15 所示為 1954 年美國麻省理工學院（MIT）研制的第一臺數控機床
圖 15 MIT 研制的第一臺數控機床
數控機床的出現使機床從一種純機械產品轉變為機電一體化產品。隨著微電子技術的發展，伴隨著許多第二層次的連續和不連續的創新。諸如進給驅動方式從步進電動機、電液伺服進化為直流伺服、交流伺服，直到直接驅動。數控系統從數字控制進化為直接數控、計算機數控等。數控機床除了大大提高生產效率和淘汰了仿形機床外，還對工廠運
作和管理產生了根本性的改變。例如，每臺普通機床需要一名工人操作，加工質量取決于工人的技藝，而數控機床可以實現人與機在空間和時間上的分離，加工的質量和效率主要取決于數控編程和刀具預調，即主要取決于知識而并非技能，促進了勞動知識化，跨入了知識型智能化制造的新時代。
4）數控加工中心。
數控加工中心與一般數控機床的區別在于增加了換刀機構和刀庫，并將主軸傳動從變頻調速改為伺服調速，以實現主軸定向準停，以便進行刀具交換。將加工中心歸為不連續創新的更重要原因在于，機床從人工更換刀具變為自動更換刀具后，生產組織將從一臺機床只完成一道工序轉變為可以完成多道工序。單臺機床可以替代多臺機床完成一個工件的加工任務，提高了生產柔性，簡化了物料流，改變了生產車間的布局和管理模式。
5）復合加工機床。
復合加工機床將車、銑、磨等多種不同類型的加工工序整合到同一臺機床上，借助高端數控系統控制不同的主軸和進給部件對工件進行多軸聯動加工，實現一個復雜工件在一臺機床上加工完畢。圖 16 所示為一臺車銑復合加工機床。與車削或銑削加工中心相比，復合加工機床并不在于主軸功率和定位精度方面的優勢，而是由于工件只需要一次
裝夾，在多道工序加工后的累計誤差較小，明顯提高復雜工件的加工精度，減少機床的臺數和占地面積，簡化物料流，縮短整個工藝流程，降低工藝局限對產品設計的制約。
圖 16 車銑復合加工機床
以上列舉的機床不連續創新，并沒有改變機床的基本工作原理，其不連續性主要體現在大幅度提高了機床的性能和用戶價值。它的深遠影響在于觸發了用戶企業改變既有的生產模式、生產流程和產品結構，而新的生產模式和新的產品又促進了對新機床的需求。
3.3 機床不連續創新的啟示
回顧機床創新的歷史，毫無疑問連續創新是機床創新的主流。通過不斷推出連續創新，領先的機床企業可在一定時間內有效地鞏固自身的市場領導地位，但是在很多情況下不連續創新才是根本性地改變機床產業格局的決定性因素。目前世界機床產業是否處于技術軌跡轉軌的關鍵時刻，最近國外機床制造商推出的某些新產品的出發點與以前大不相
同，是否正在孕育著重大變革？應密切加以關注。因此，有必要進一步分析哪些因素促成不連續創新？在什么情況下會再出現？
1）技術革命的推動。工業革命導致天軸皮帶傳動機床的出現，電氣革命使交流電動機驅動獲得普遍應用，微電子革命推動數控機床功能不斷完善。進入互聯網和物聯網時代，機床將不僅是一臺設備，而且是網絡中的一個節點，這對機床的產品創新將會產生什么影響？能夠借助網絡擴大機床功能范圍和提高其創造價值能力的將不是硬件，而是網絡和軟件，軟硬結合、虛實結合將成為下一代智能機床的重要特征，是機床產品不連續創新的方向。
2）用戶需求的拉動。不斷提高生產效率是永恒的主題。交流電動機驅動與天軸皮帶傳動相比，大幅度提高了機床的切削速度和功率，而數控機床進一步解決了復雜形狀工件加工的難題，加工精度不斷提高。用戶的新需求在哪里？作者認為，首先是新材料（例如復合材料和難加工材料）存在許多加工難題，需要新機床和新刀具去加以解決。其次是極限制造，超大、超重和細微加工已經進入機床產品創新者的視野。
3）社會環境的影響。回顧歷史，機床是生產設備，是構成工廠的重要組成部分，不斷改善人機關系和機床與環境的關系將成為可持續發展的關鍵。首先機床是用電產品，我國大約有近千萬臺機床在運行，僅 2010 年就生產金屬切削機床 75 萬臺、成形加工機床 26 萬臺，節能和環保是大問題。何況歐盟 2013 年已將機床能效列為新標準制定項目之一，在機床產品創新時不考慮節能和環保將導致重大失誤。
4）知識供應鏈[9]。機床產業的技術進步和發展離不開科學研究。百年來機床列強都是以強大的科研為支撐的。例如，20 世紀初德國柏林工業大學機床研究所所長 Schesinger 教授領導下制定的機床檢驗標準原則一直沿用至今。亞琛工業大學機床實驗室主任 Opitz 教授在 20 世紀 60 年代提出的成組技術編碼系統對成組技術的發展產生重大的影響。20 世紀 80 年代塔姆斯特工業大學生產技術與機床研究所在高速加工機床和工藝以及斯圖加特大學機床控制研究所在開放式數控系統領域的研究，對德國機床工業的發展和不連續創新都起到了很大的推動作用。
3.4 機床創新的未來趨勢
從社會、經濟發展的大趨勢來看，機床作為生產工具和用能產品，其產品創新今后若干年的焦點可以概括為以下 4 個方面：
1）生態機床[10]。綠色制造是可持續發展的前提，機床作為制造裝備必須體現節能減排、以整體效益為本的評價標準。多年來，精度、速度、功率等測度的機床能力指標是機床產品的主要追求目標。當前在生態環境不斷惡化的壓力下，工業生產需要全方位地降低對環境的負面影響，機床的發展方向也應該從提高能力指標轉變為提高效益指標，以更少的資源投入獲得更多產出。例如，通過移動部件輕量化可以減少驅動功率的消耗，配合先進刀具、工藝過程和切削液可以減少廢棄物的排放。
2）智能機床[8]。基于互聯網和計算機技術的智能化是機床進一步延伸人的腦力的體現。智能化可以提高機床工作的穩定性和可靠性。聰明機床能借助各種傳感器對自己的狀態進行監控，自行分析與機床狀態、加工過程以及周邊環境有關的信息，然后自行采取應對措施來保證最優化的加工。換句話說，機床已經進化為可感知當前狀態、自行進行思考決策和控制調節的智能機器。例如，按照加工要求幫助操作者選擇切削參數，將機床狀態以短信方式發送給有關人員等。
3）客戶化[8]。從大批量生產向大規模定制轉變是制造業發展的總趨勢，機床產業也不例外。為用戶創造價值不是一句空話。用戶生產的產品是不同的，對機床設備的要求也當然各異。例如，復合加工機床的目標是一個復雜工件在一臺機床上就能加工完畢，而不同工件對應不同的工藝過程和加工方法，那么復合機床的配置就應該有所不同。可以見，相當一部分只專注生產和銷售傳統通用機床的企業將被為用戶提供模塊化、可重構、柔性化的全面解決方案的競爭者所取代。
4）軟硬結合[11]。已經是互聯網+物聯網時代的今天，機床越來越與信息化和軟件有關。機床不僅是一臺生產設備，更是工廠網絡、甚至全球供應鏈網絡中的一個節點。在網絡中，機床能夠與生產管理系統、刀具和物料管理系統，甚至機床制造商、刀具供應商建立聯系，自動處理生產中出現的問題。在即將到來的新一輪的工業革命中，不同企業的機床將處于網絡化的信息物理融合系統（cyberphysi－cal system）中，與人和其他設備連成一體，進行運算、通信和控制。
來源：同濟大學現代制造技術研究所 香港理工大學工業中心 上海納儂精密機械公司
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