中国机床能否打赢翻身仗？

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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。


中国机床能翻身吗？


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。

一、好机床是咋来的


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。


二、历史的裂痕


中国大陆机床的水平，现在是远远落后于日本、德国、韩国。


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。


错过了数控系统，对用户需求响应不足是美国机床产业大败而退的重要原因。


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。


二者是完全不同的方式。


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。


中国机床设计师的大脑，一直没有进入指定阵地。


三、搞不清楚是设计问题，还是质量问题


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。


然而雪上加霜的是，设计师留下的系统性漏洞，与另外一种缺陷进行了叠加。


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。不能识别真相，就无法解决困境。