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極端制造，說得通俗一點(diǎn)呢，就是可以極端“大”也可以極端小，比如我國研發(fā)成功的一種挖掘機(jī)，斗容量有55立方米，是全世界最大的挖斗，可以容納一個(gè)樂隊(duì)在里面演奏。那小的有多小呢？現(xiàn)在做集成電路制版用的裝備，都是納米級(jí)的，只有90納米。極端大與極端小，是對科技實(shí)力的綜合考量，那么，這些讓人驚嘆的極端制造，到底是如何制造出來的？

新界限

北京機(jī)床研究所所長劉炳業(yè)說，加工精度始終是衡量現(xiàn)代數(shù)控機(jī)床技術(shù)發(fā)展水平的重要指標(biāo)，但體現(xiàn)加工精度的效果如今已經(jīng)不局限于尺寸精度、形狀精度以及表面粗糙度等方面，更體現(xiàn)在微結(jié)構(gòu)的加工技術(shù)方面。

而加工技術(shù)的發(fā)展趨勢，現(xiàn)在可以明顯感知到的是，一方面局部加工的形狀尺度特征向精微方向發(fā)展，另一方面加工的整體形狀向大尺寸方向發(fā)展。

實(shí)際上，在科技創(chuàng)新的驅(qū)動(dòng)下，微結(jié)構(gòu)零件的應(yīng)用非常廣泛，比如太陽能發(fā)電元件、手機(jī)導(dǎo)光板、液晶顯示器增亮膜、高速公路顯示板、復(fù)眼透鏡、衍射光柵、傳感器元件、二元光學(xué)元件、微型透鏡等。

“很多源于身邊事物的啟發(fā)。”劉炳業(yè)舉例說，比如有人發(fā)現(xiàn)水滴在荷葉上，總是會(huì)自覺呈現(xiàn)特定的形狀，這與荷葉的微型構(gòu)造有關(guān)，那么就有發(fā)明家嘗試研制類似的平臺(tái)，來進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)用，這就需要加工技術(shù)的跟進(jìn)。

因此，大量帶有微結(jié)構(gòu)的零件加工成為當(dāng)前精密機(jī)床發(fā)展面臨的重要任務(wù)，而微結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)也使得機(jī)床的加工進(jìn)入新的領(lǐng)域。

微結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)對機(jī)床加工提出了新挑戰(zhàn)，因?yàn)槲⒔Y(jié)構(gòu)尺寸的變化從幾百微米到幾微米不同，帶有微結(jié)構(gòu)的整體零件的尺寸從毫米級(jí)到數(shù)米不同。但微結(jié)構(gòu)的加工表面的質(zhì)量都在納米級(jí)。這對機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度、運(yùn)動(dòng)的平滑性、阻尼特性都有新的要求，此外加工工藝、機(jī)床刀具、機(jī)床附件也都要發(fā)生新的變化。

而新的光學(xué)加工技術(shù)，如快刀伺服（FTS）、刨削加工、鑿削加工、確定性磨削等也在微加工技術(shù)發(fā)展中產(chǎn)生。現(xiàn)今用于加工大型圓柱面、圓端面、平面的微結(jié)構(gòu)機(jī)床成為市場競爭的產(chǎn)品，此外納米壓印復(fù)制工藝技術(shù)相應(yīng)也得到發(fā)展應(yīng)用。

據(jù)劉炳業(yè)介紹，在微結(jié)構(gòu)的制造設(shè)備領(lǐng)域，日本、德國、美國發(fā)展迅速，出現(xiàn)了很多新機(jī)床產(chǎn)品。典型的公司包括：東芝機(jī)械、發(fā)那科、不二越、庫格勒等。

他提到，近期微孔精密切削加工在此期間也得到了快速的發(fā)展，德國科恩公司的金字塔超精密機(jī)床，可以用同一把刀具在半導(dǎo)體陶瓷材料上加工上萬個(gè)直徑不超過0.1mm的微孔。

智能化要求高可靠性

與極限制造一樣，智能制造已經(jīng)成為國際制造領(lǐng)域一種新的趨勢。自2011年德國在漢諾威博覽會(huì)提出“第四次工業(yè)革命”(工業(yè)4.0)以來，如今已經(jīng)進(jìn)入實(shí)施階段。

劉炳業(yè)說，“第四次工業(yè)革命”的目標(biāo)是工廠智能化。2013年美國以制造業(yè)回流為主題，開啟智能時(shí)代的再工業(yè)化。日本在柔性制造的基礎(chǔ)上，形成了當(dāng)今比較成熟的智能化制造技術(shù)。中國目前制造業(yè)勞動(dòng)力成本的不斷上升，一些地區(qū)出現(xiàn)的“用工荒”也迫使制造企業(yè)向智能化方面轉(zhuǎn)型。

智能化制造技術(shù)的大趨勢，要求機(jī)床必須適應(yīng)其使用要求，最典型的應(yīng)用特征是要求各種配置的高可靠性，作為智能制造最基本的組成部分，機(jī)床設(shè)備的可靠性成為最主要的考核指標(biāo)。

他表示，現(xiàn)今的智能制造技術(shù)可以看作是在前兩代柔性制造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù)。第一代柔性制造系統(tǒng)產(chǎn)生于上世紀(jì)80年代，它的可靠性衡量特征是可連續(xù)24小時(shí)運(yùn)行，第二代產(chǎn)生于上世紀(jì)90年代，可連續(xù)72小時(shí)運(yùn)行。當(dāng)今的智能制造系統(tǒng)，它要求可以連續(xù)720小時(shí)運(yùn)行。因此，能夠長時(shí)間不間斷高可靠性運(yùn)行的機(jī)床設(shè)備成為另外一個(gè)發(fā)展趨勢。

智能制造三代發(fā)展中，人力成本不斷下降，智能化制造中人的參與很少，但機(jī)器人的復(fù)雜程度明顯提升。比如第二代發(fā)展中，機(jī)器人只能從事固定路徑的搬運(yùn)，但第三代機(jī)器人不僅可以通過視覺傳感器感知無序擺放的工件，通過判斷做出不同路徑的抓取動(dòng)作，還可以感知裝配過程的零件對中狀態(tài)，并配合智能夾具代替過去只能由人才能完成的工作。

此外，智能制造同樣對機(jī)床適應(yīng)性的其他方面提出了要求，比如：能夠配合帶傳感器及感知對位裝配的機(jī)器人協(xié)同工作、能夠遠(yuǎn)程通訊等。

劉炳業(yè)說，雖然機(jī)床的發(fā)展趨勢還有很多，比如多功能復(fù)合化趨勢、可重構(gòu)趨勢、低能耗環(huán)保趨勢等。但極限制造和智能化制造這兩大趨勢呈現(xiàn)了不同技術(shù)特色，第一大趨勢主要的突出特色是技術(shù)的前沿性和創(chuàng)新性，重點(diǎn)體現(xiàn)技術(shù)的高精尖；第二大趨勢主要特色是技術(shù)的成熟性、體現(xiàn)一個(gè)國家制造業(yè)的基礎(chǔ)。

“這兩大特色都能比較充分反映國家制造業(yè)的強(qiáng)大程度。如果缺乏第一大趨勢所涉及的技術(shù)，一個(gè)國家就會(huì)面臨壟斷的威脅；第二大趨勢考驗(yàn)和衡量的是一個(gè)國家制造基礎(chǔ)強(qiáng)弱和好壞的問題，涉及的技術(shù)層面范圍更廣。”

劉炳業(yè)認(rèn)為，面對第一大趨勢的挑戰(zhàn)，行業(yè)同仁必須發(fā)展以精度與尺度為特征的技術(shù)，研究開發(fā)尖端設(shè)備與工藝。

歐盟委員會(huì)宣布的“地平線2020”科研和創(chuàng)新計(jì)劃中，其中三個(gè)主要目標(biāo)之一“做產(chǎn)業(yè)界領(lǐng)袖”,其中重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域是“納米技術(shù)”，也正體現(xiàn)了這一發(fā)展的要求。在精密制造機(jī)床設(shè)備領(lǐng)域中，持之以恒地重視工作母機(jī)、超精密機(jī)床的發(fā)展，才能在國家的高技術(shù)領(lǐng)域占有一席之地。

而面對第二大趨勢，要求中國機(jī)床工具行業(yè)必須配套地解決制造領(lǐng)域的高可靠性等涉及產(chǎn)品質(zhì)量性能的問題。

因?yàn)橹悄芑圃熳畲蟮奶厣侵v求集成，如果智能化制造的生產(chǎn)線元器件、部件的質(zhì)量有問題，集成度越高，問題就越大。