机械专业前沿讲座
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专 业：机械设计制造及其自动化
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数控机床产品的创新策略
摘 要：近年国产加工中心产业尽管在产量和销售额上取得巨大的进展，但由于过分依赖模块化设计、功能参数选择单一化所引起的产品趋同的现象导致低价竞争，严重腐蚀国产机床企业的竞争力。反观加工中心国际市场的领先企业在竞争时采取的是非对称的技术对抗战略，力求以差异化创造和保护自身的核心价值。对比显示我国机床产业有必要加强产品差异化的规划。 关键词：产品创新；数控机床
CNC machine tool product innovation strategy Abstract:In recent years,domestic proceing center industry in spite of production and sales,has made great progre,But as a result of exceive reliance on modular design,function parameters choice for a single the product homogenization phenomenon leads to low price competition,Serious corrosion of domestic machine tool enterprise competitivene.Strive to create differentiation and protect its core value.Comparison of China`s machine tool industry it is neceary to strengthen the planning of product differentiation.Key words:Product innovation;CNC machine tool
前言
机床是一个国家制造业发展的基础。我国在第十一个五年规划中订下振兴装备制造业的目标，明确提出 “全面贯彻落实科学发展观必须提高自主创新能力”并重点表明 “要提高大型、精密、高速数控装备和数控系统及功能部件的水平”，以支持能源、运输、信息、材料等战略性产业的发展〔１〕。为此，我们必须对机床产品创新进行研究，以摆脱我们只能制造基础装备，“大型、高精度数控机床大部分依赖进口的现状” 〔２〕。本文以机床产品中具有代表性的品种—加工中心为研究对象，研究加工中心的创新现状，可以反映出整体机床产业的情况。
1国产机床产业现状
目前我国进口立式加工中心以高端产品为主，２００６年我国进口立式加工中心 ９９７８台，总值 ８．１４亿美元〔３〕，以此推算每台平均价 ８．１６万美元，比同类国产机床的平均售价高 １００￣２００％。我国的立式加工中心的商品化在上世纪 ８０年代起步，步入 ２１世纪开始随着国内市场需求上升以较高速度增长，见图 １，市场占有率和进口产品保持均势，占全总销售量的 ２０￣３０％，占据国内市场的中、低端。在我国生产的各种加工中心当中，立式加工中心产量最大，占全部加工中心产量的 ３／４，同时也是发展最快、新产品最多的加工中心品种，２００４年已取代数控车床成为年新产品开发数的首位，其中工作台宽度小于６００ｍｍ的占立式加工中心生产量的 ７０％左右，工作台宽度在大于 ６００ｍｍ小于 １０００ｍｍ和工作台宽度大于１０００ｍｍ的各占立式加工中心生产量的 １５％左右〔４〕。（１） 产品趋同。国产立式加工中心产品最明显的一个特点是总体方案非常相似， ＸＨ７１５是较多企业模仿的机体设计，见图 ２，此方案采用单立柱结构，垂直运动由主轴沿立柱运动实现，水平运动由工作台移动实现。高速化方面国产的大部分是在现有的 ＸＨ７１５机体上增添高速电主轴，与国外专门为高速加工研制的机体相比性能差距明显。国产立式加工中心制造企业很少进行加工活动，机体铸造和加工主要委托外包生产商按设计供应，而大部分其它子系统和零部件均通过对外采购取得，企业在生产场地进行的主要是样机试制和产品装配、检验工作。国产立式加工中心的结构单一性造成了一个机床产业的独特现象：出现了专门供应标准机体的供应商，让部分立式加工中心的生产企业可以放弃机床设计环节，外购所有子系统，完全把精力集中在组装环节上。（２）低价竞争。对Ｘ、Ｙ、Ｚ轴行程为８００、５００、５００ｍｍ的两种档次的立式加工中心进行直接材料成本估算，图３显示生产企业付出的直接材料费用约１８万元左右，是组装成本的１３倍。在直接材料成本不断上升的同时，国产立式加工中心在市场上的价格下限却在逐年下降，现时上述规格的国内品牌加工中心价格低端在２０万元左右，这类立式加工中心，已形成一定的生产批量。与国外同类产品相比，有一定性价比优势，在质量的稳定性、可靠性和交货期上还有差距。然而，国产加工中心的性价比优势是由价格竞争所换取的，从使用制造装备的角度看，用户的普遍需求是 “快挣钱、多挣钱、少花钱”，追求的是投资回报，需要的是能够帮助他们实现这一切的产品。由于国产加工中心结构设计趋同，其性能和投资回报也会相近，用户的选择标准因此就转向降低价格、降低付款条件等，以期减少投资成本或降低投资风险。从图 ３可见，数控系统在成本中占的比例最大，国内外产品的价格差也最高，价格下调的空间最大，但是由于数控系统的国产化进展缓慢，市场仍然由少数国外品牌占据，因此在加工中心价格下调的趋势中，国外数控系统品牌仍然有强大的议价能力，加工中心制造企业在无法裁减功能部件成本的情况下，只能降低组装成本、固定成本和利润。 2趋同现象的分析
（１）模块化设计。产品开发是具有排他性的活动，企业为了保护核心能力，会阻止竞争对手得到推出相似产品的能力。如果趋同现象出现，就代表了生产该种产品的所有能力都可以在市场上自由取得，某个企业无法独占。加工中心的技术现状正是如此，而模块化设计则是加工中心技术市场化的基础。模块化设计 （ＭｏｄｕｌａｒＤｅｓｉｇｎ）的基本原理是将复杂的产品和系统分解为简单、独立、功能单一的部分，再把各部分搭配出各种复杂的产品〔５〕。模块化设计思想强调部件的互换性，因此模块化的产品比较容易单独对其中某一个部件进行技术革新而不影响产品的其它部分，达到降低开发成本，加快开发速度的效果。过去对模块化设计的研究证明，模块化产品设计带来的负面效果，是降低出现突破性创新的机会。据文献 〔６〕分析，美国过去２００年专利发明的关联性发现，虽然模块化可以降低产品功能部分的互相影响，令功能部分的创新更加容易、频繁，但产品存在功能部分的依赖性有助于促发突破性创新，产品模块化的同时，出现突破的、根本的创新可能性将受到影响。（２）参数化设计。自然淘汰是市场经济的基石，当市场上出现相同用途的产品时，性价比最高的产品必然会把稍差的产品淘汰。为了容易理解和比较，客户会将产品的总体分解和简化为少数直观的、可量化的功能参数。市场上普遍采用的功能参数会压倒其它性能成为加工中心制造企业的主要努力对象，加工中心制造企业
没推出相异产品的意欲，其主要原因是市场上加工中心评价参数的片面性。从我国传统机床设计界的角度看，客户选购产品的主要考虑点是产品功能与客户的典型加工任务匹配，次要考虑是价格，在满足加工任务的前提下，尽量节约投资。在这种思想指导下，处于国际上金属切削工艺研究前沿的课题，因为使用了诸如切削效率〔７〕、动态精度、热稳定度、精度保持性等，较为抽象、难于检测或未有公认量化标准的功能参数，因此未被国内加工中心制造企业用作开发新产品的标杆。企业对如何更有效帮助客户 “快挣钱、多挣钱、少花钱”的努力只是限于提升个别部件的技术参数，这种以部件技术参数为本的观点，令企业无法发掘产品开发机遇。 3产品差异化的案例
设计模块化、技术市场化已经在加工中心制造领略实行多年，从国外成功的例子可以看到，在保留模块化设计思想的同时，通过针对特定市场区间，提供独一无二的产品是规避趋同竞争，保持价值的有效办法。利用产品差异化 （ＰｒｏｄｕｃｔＤｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｔｉｏｎ）是达到这种效果的产品开发策略。德国 ＤＭＧ公司的机床设计采取一体化机体策略，以单体式 （ＭｏｎｏＢＬＯＣＫ）或双体式 （ＤｕｏＢＬＯＣＫ）结构取代传统的机床大件结合方式，达到提高机体刚性、减少组装步骤、降低组装误差的效果〔８〕。ＤＭＧ的另一项技术革新是采用直线电机驱动运动系统，和传统伺服电动机加滚珠轴承的方案相比，直线电机驱动能提供更高的加速度，同时简化机体结构。图３国产中、低档加工中心产品的直接材料成本构成的估算瑞士米克朗公司的机床设计特色之一是使用人造大理石材料，浇注成封闭型单体床身，该材料的震动阻尼特性和热稳定性较铸铁为佳，此外采用冷浇注的人造大理石大大降低生产成本和简化组装。森精机制作所的机床总体设计侧重平衡作用在机床上的力矩。在机体设计上，森精机独特的双跨孔龙门布局令龙门置于 Ｙ轴导轨的中间位置，缩短主轴箱的悬空从而减少其翻转力矩。此外，森精机机床的运动系统采用了独特的重心驱动，重心驱动技术从根本上消除了加工点的移动方向改变后立即出现了切削痕迹不规则和紊乱的现象，达到提高加工精度和延长刀具寿命的效果。从以上 ３家立式加工中心企业的近期产品可以看出，各家企业都谨守 ９０年代沿用至今的制造战略，大量使用外部提供的通用子系统和功能部件，并在总体方案设计上力求与众不同。 4小结
一款加工中心在市场中的竞争力，很大程度在总体方案阶段就已经决定了，机体结构和运动系统的布局如果没有特色，不能对独特的客户群带来无可代替的优点，哪怕是选配最好的功能部件，都不会对机床的生产者带来更多的利润。决定产品总体方案的产品计划和产品定义设计环节，以及更早的模糊前期 （Ｆｕｓｓｙｆｒｏｎｔ－ｅｎｄ）对机床开发的最终效益影响最大，但相关的理论研究较少。现时国内机床制造企业对如何组织参与发掘产品机遇的部门、客户需求、内部限制和中、长期目标如何反映到产品定义上、如何监控产品定义不会在开发过程中偏离原意等问题，均没有深入的思考。对以上问题的探索，必然有助提升机床企业的核心竞争力。
参考文献：
〔１〕艾兴．高速切削加工技术〔Ｍ〕．北京：国防工业出版社，2003． 〔２〕张伯霖．高速切削技术及应用〔Ｍ〕．北京：机械工业出版社，2002． 〔３〕席俊杰．高速切削的关键技术及应用〔Ｊ〕．润滑与密封，2008，5．
〔４〕张曙.数控机床发展的新趋势〔Ｊ〕．全国数字化设计与快速制造技术研讨会，2005,3 〔５〕聂福全．现代高速加工的特点及要求〔Ｊ〕．现代零部件，2005,1.
