日本制造业内参套装(1-7)(txt+pdf+epub+mobi电子书下载)

作者：日本《日经制造》编辑部

出版社：东方出版社

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日本制造业内参套装(1-7)试读：

日本超精密加工技术

片山和也：船井综合研究所集团经理、首席顾问；中小企业诊断士生于日本冈山县。在大型专业商社的工作器械部门创造过一流业绩后，入职船井综合研究所。在生产资料领域拥有20多年的顾问咨询经历，主要面向以零部件加工业、组合制造商为代表的中小工厂及街头工厂，以及以机械工具商社为代表的地区密着型商店。以“中小企业在国内中胜出吧！”为方针，开展抑制日本国内制造业空洞化的活动。

第一节：支撑“日本制造”的超精密零部件加工技术

本节看点：

1.评价日本制造，除了要看“商品”，还要看“原材料”和“零部件”；

2.日本中小企业、小规模企业拥有世界第一的精细加工技术；

3.松下、索尼等大企业凭借零件、新材料生产扭亏为盈；

4.钻研“纳米技术”是做好零部件生产的关键。

日本以制造立国，制造业撑起了日本经济的中心。然而近年来，有关“日本制造（业）已经衰落”的声音不绝于耳。

事实果真如此吗？

日本制造衰落了？

例如，为美国波音公司（Boeing）提供最新客运飞机用炭纤维的东丽公司（TORAY INDUSTRIES.INC.）、为汽车轻量化提供超高强度钢（高强度钢板）等必要材料的日本钢铁生产商，在制造业的舞台上就鲜有竞争对手。图1：制造业的3大分类及其占日本出口总额的比例

日本尤其在“零部件”领域拥有较强的竞争力。比如，美国苹果公司（Apple）出品的苹果手机（iPhone）中，就有50%的电子零部件产自日本。再比如，松下的车载用零部件、索尼的移动设备用图像传感器等零部件非常畅销，两家公司竟由此恢复了自身业绩。

为什么日本生产的“零部件”如此强大？因为日本的“零部件加工技术”世界第一。尤其在物联网（Internet of Things, IoT）所必需的、被称作“精细加工”的高精密领域，日本的技术更是独占鳌头。

例如，为了制造出高性能的智能手机，用于组装的电子零部件必须实现小型化。于是接下来，处理精细电子零部件的喷头（nozzle）——在喷头上开一个又小又长的开口——就成了必须攻克的难点。想象起来很容易理解，但在实际操作中，开口越小越难开得长（图2）。

超硬喷头：开口直径Φ0.15mm±0.01mm；深1.5mm；细孔放电完成；前端镜面完成。

超硬弹簧夹头：开口直径Φ0.06mm±0.01mm；深1.5mm；细孔放电完成。图2：吸附电子零部件并进行处理的精细喷头（上面2个是CAD图，下面2个是照片）。

由于对耐久性要求较高，因此需采用超硬合金制作。前端有一个0.1mm左右的微细开口。近年来，电子零部件逐渐小型化，这种吸附喷头也需要利用具有更精细的开口及高长宽比（深孔）的加工技术。

当然，正因为拥有处理疑难问题的加工技术能力，才使日本掌握了iPhone电子零部件50%的市场占有率。

中小企业·小规模企业积累的精细加工技术

在日本，掌握这种精细加工技术的大都不是大企业，而是中小企业（资金在3亿日元以下或者职员在300人以下）或小规模企业（职员在20人以下）。

日本国内约有420万家公司企业。其中，大型企业有1.2万家，仅占总企业数的0.3%。也就是说，日本企业中的99.7%都是中小企业和小规模企业。

从职员和附加价值的角度来看，日本职员人数中的69%、制造业附加价值中的53%都出自中小企业和小规模企业（图3）。换句话说，日本是中小企业大国，这些中小企业、小规模企业主要承担“零部件”中的“加工技术”任务。图3：日本的中小企业

来源：中小企业厅《中小企业近况》

[PDF：http：//www. chusho.meti.go.jp/koukai/chousa/chushoKigyouZentai9wari.pdf

数据来源于日本经济产业省《工业统计表》（2006年）、日本总务省《事业所·企业统计调查》（2006年）]

以前发生过这样一段趣事：

美国一家飞机制造商开发了一款隐形战斗机，却遇到了一个无论如何都攻克不了的难题——给机体喷涂隐形性较高的涂料时，涂料的喷射喷头无论如何都坚持不到最后。当时，制造商使用的是钨制喷头，其硬度不够，需换成陶瓷制的喷头。然而，想在陶瓷喷头上开一个细微的口，难度非常之高，需要有相应的技术支持。

后来，这家美国飞机制造商将这项加工工作委托给了日本的大型企业。可惜的是，这家大型企业也满足不了美国飞机制造商的加工要求。美国飞机制造商寻遍了整个日本，才终于在一个职员只有5人的街头工厂完成了加工任务。

谷口纪男确立纳米技术

1974年，在日本东京召开的第一次生产技术国际会议（由精密工学会主办）上，当时的东京理科大学教授谷口纪男提出了“纳米技术（nanotechnology）”的概念，并展示了著名的《综合加工精度和实现年代预测表》（日文：到達限界予測）。由此，纳米技术的概念迅速传播，为世界瞩目。

谷口纪男把纳米技术定义为：生产加工精度在1nm的产品综合生产技术。20世纪80年代，美国麻省理工学院的K·埃里克·德雷克斯勒（Kim Eric Drexler）进一步发展了这一概念。

K·埃里克·德雷克斯勒在其著作《纳米技术创造的机器》中提出了一项技术。这项技术通过利用纳米自由控制原子或分子的排列来得到具有人们所期望的性质的材料、制造出具备人们所期望的功能的设备，并灵活运用于生产。此后，这一概念由美国克林顿总统的纳米技术倡议继承下来。

这里值得关注的是，领先世界、最早提出纳米技术概念的，是日本人。

谷口纪男在1974年提出的《综合加工精度和实现年代预测表》几乎对加工精度的每1位数进行了区分，将加工技术分成普通加工、精密加工、高精密加工和超精密加工4种。当时，超精密加工（纳米技术）的极限加工精度在5nm左右，谷口纪男预测：2000年将达到1nm的级别。但是，该预测是站在形状尺寸加工的立场来说的，前提是物质连续性的极限是原子晶格间隔0.3nm，而制造商无法完成比0.3nm还要细小的加工。

实际中的纳米技术

那么，实际的生产现场又如何呢？

在半导体制造流程的世界里，以纳米为单位的加工精度得以实现。而半导体制造过程，不过是成膜、蚀刻法（Etching）等所谓的限定形状的二次元加工。

在实际生产的三次元加工中，现在市场上出售的超精密加工机械（纳米加工机械）的尺度分辨能力大约在10nm左右。也就是说，实际的加工精度达到了100nm（0.1μm）的级别。此外，超精密加工的领域在用途上非常受限。前文提及的利用纳米加工机械制造的主要产品中，透镜、镜头用金属模具、镜片等光学系的金属模具和零部件占了大半。

与此相对，近几年来比超精密加工（纳米技术）略低一级的高精密加工（精细加工）领域的需求急速增加。这里所说的高精密加工，是指加工精度在1μm（微米）左右的加工技术。那么，加工精度为1μm左右又是什么概念呢？

用实际业务中的加工精度（加工公差）来讲，如果要进行0.05mm左右的加工，大部分加工厂商都能顺利完成加工任务。但如果是0.03mm，加工产商不同，质量方面会产生显著的优劣差异。将0.01mm再分割，即到达μm级别的话，一般的加工厂商将很难维持加工精度。

特别是在批量生产中，维持低于0.01mm（10μm）的加工精度是实际业务中最困难的。也就是说，0.01mm级别的世界和0.001mm级别的世界是完全不同的。并且，即使是0.001mm级别（1-9μm），根据加工精度处于微米级别的后半（0.005mm以上）还是微米级别的前半（0.005mm以下），难易程度的差别也相当大（图4）。图4：实际加工精度（公差）与难易度的关系“纳米技术”说起来容易，但在零部件加工的实际业务，尤其是实际操作中难度远比想象的要大。

第二节：智能手机、物联网带来的精细加工需求

本节看点：

1.制造业技术人员是做实务的，当下更应专注精细加工；

2.智能手机在全世界的迅速普及，导致“硅循环”说法消失匿迹；

3.目前制造业面临的课题是：对于精细加工的需求越来越多元化，而具有应对能力的精细加工技术的供应商却不知在哪里；

4.精细加工中常用的小直径立铣刀，市场前景巨大。“纳米技术”的概念因2000年美国总统克林顿发表的《国家纳米计划（NNI：National Nanotechnology Initiative）》而一举扩大了影响范围。

我们在第一节说过，1974年，东京理科大学教授（当时）谷口纪男提出“纳米技术”概念，并将其定义为：生产加工精度在1nm的产品综合生产技术。但是，1986年出版的K·埃里克·德雷克勒斯（Kim Eric Drexler）的著作《纳米技术创造的机器》又将纳米技术的定义提升至原子及分子级别的物质制造技术。也就是说，该书将纳米技术的概念进一步扩大，可以说从蛋白质分子机器到宇宙计划无所不包。

而最终确定提升后的纳米技术概念的，就是美国NNI计划。NNI的联邦预算，2000年为2.7亿美元（按1美元=6.7元人民币计算，约18.1亿人民币），2004年为9.6亿美元（约63.35亿人民币），扩大了3.5倍。

作为参考，与NNI有关的美国各省厅部门如下：

·农务省

·国防总省

·能源省

·国土安全保障省

·司法省

·环境保护局

·NASA（美国宇航局）

·国立标准技术局

·国立劳动安全保险研究所

·国立卫生研究所

·NSF（全美科学财团）

NNI所讲的纳米技术是一种非常广泛的概念，从农作物的转基因技术到生物燃料、宇宙航空、军事技术等，无所不包。

精细加工与“梦想”不同

得益于纳米技术概念，美国成功获得了巨额国家预算，并成功引发了纳米技术热潮。但是，能否与实际的商业化挂钩，这是另一个问题。据说在美国，投资家们多认为纳米技术的商业化道路还很远。就像《纳米技术创造的机械》一书中介绍的“去除毛细血管内脂肪的纳米机器”及“以100km/s的速度在宇宙空间移动的光帆”等，至今也没能实现。

说个题外话。美国的里根总统曾推行过战略防御倡议（SDI，亦称星球大战计划），计划在宇宙空间发动攻击来击落前苏联发射的导弹。但实际上，基本没有技术得以实用化。美国这个国家常常制造这种宏伟的“梦想”作为政治宣传的手段来利用。

我们是做实务的，理应专注能与商业挂钩的纳米技术，而不是天天造梦讲故事（图1）。“广义纳米技术”的范围非常之广，从生物到宇宙工学无所不包，我们必须将其与谷口纪男提倡的“狭义的纳米技术”（纳米加工）分开来进行考虑。图1：广义的纳米技术与狭义的纳米技术

狭义的纳米技术（纳米加工）一般指制造加工精度为1nm的产品综合生产技术。

纳米加工与精细加工的区别

为便于区分，我们将谷口纪男提倡的狭义的纳米技术简称为“纳米加工”。关于纳米加工与精细加工的区别，可参考它们的定义：

纳米技术是指精度为nm级别的加工技术；

精细加工是指加工精度为1μm～10μm的加工技术，或者肉眼不可见的尺寸（0.3mm以下）的加工技术（表1）。

此外，从制造业的3M（Man, Machine, Material）观点来比较纳米加工与精细加工的结果，如表2所示。纳米加工用于半导体或镜片、镜子等光学系制造，精细加工则以利用机床来加工的各种3次元形状的零部件制作为对象。由此可见，纳米加工与精细加工不仅在精度方面存在差异，从制造业的3M观点来看，也存在巨大差异。

加工技术领域经常讲“今后是纳米加工的时代！”但实际上，纳米加工在用途、形状方面仍然备受局限。当然，在半导体制造过程中，纳米加工是必不可少的，半导体制造过程本身的市场规模也非常大。但从实务上来讲，我们应当将纳米加工与一般的加工技术区别开来，进行考虑。

当下，我们更应关注精细加工。

社会变化带来新的需求

精细加工与一般加工、精密加工一样，利用市场上销售的机床及各种加工设备就能实现。此外，与一般加工、精密加工一样，承担精细加工的供应商也以小企业、中小规模的企业为主。

但是，精细加工技术并不是一般加工技术和精密加工技术的延展。其保有设备（机器·工具）、保有技术全都不同。因此，如果向一般加工供应商或精密加工供应商进行产品精细加工的委托，将很难维持稳定的精度。再加上小规模、中小企业的营销能力不足，从委托方来看，很难掌握哪儿的供应商、能完成什么程度的精细加工。

另一方面，自2007年1月美国苹果（Apple）公司发售最初的iPhone以来，随着智能手机的普及和物联网（IoT-Internet of Things）技术的发展，人们对于以往被认为不可能的精细加工的需求也急剧增多。对于精细加工的需求越来越多元化，而具有应对能力的精细加工技术的供应商却不知在哪里，这是业界目前面临的一大课题。

需要大量高性能的小型零部件

智能手机成为人们的生活必需品后，制造业所处的环境发生了怎样的变化呢？首先，以往业界所说的“硅循环”已经不见了。硅循环是指半导体业界的经济周期，在过去近40年间，每4年循环一次的经济状况，源于技术革新与电脑或服务器等的换新需要。

然而，智能手机的普及导致曾经“一家一台”的电脑成了“一人一台”。而现在，智能手机岂止人手一部，手里有2-3台智能手机的人随处可见。智能手机的换新周期也远比电脑要短，iPhone更是每1～1.5年发表一次新机型。而每次出新机，相关供应商便会收到大量的工作委托。

当然，智能手机的生产商不止美国苹果公司一家。韩国的三星公司（Samsung Electronics）以及中国台湾的华硕公司（ASUS）的机种在日本也很畅销。此外，还有中国大陆的华为公司（Huawei Technologies）公司，以及中国广东的OPPO公司（Oppo Mobile Telecommunications）等，拥有世界级高市场占有率的智能机生产商。

智能手机在全世界的迅速普及，导致“硅循环”说法消失匿迹。而每次智能手机更新，都会带来激烈的追求“更高性能”“更高功能”“更轻便”的技术革新竞争。电子零部件、传感器、相机组件等越来越小型化，越来越追求高实装密度。

自动驾驶的技术开发成为助力

我们在第一节中讲过，iPhone里使用的零部件，50%左右是日本生产的。日本的主要供应商如下：

·村田制作所

·太阳诱电

·TDK

·罗姆电子

·索尼

·三美电机

·阿尔卑斯电气

·美蓓亚（MinebeaMitsumi）

·日东电工

·日本航空电子工业

·瑞萨电子（Renesas Electronics）

·日本显示器（Japan Display Inc.）

·夏普

·其他

这些供应商的零部件制造工作中均有需要借助精细加工技术完成的加工作业。实际上，我在生产现场能切实感受到，这3年来人们对于精细加工技术的需求是急剧增加的。例如，精细加工中常用的小直径立铣刀的专门生产商日进工具公司，近3年的营业额增长了120%，而同时期业内最大生产商的营业额增长幅度为105%。此外，日进工具的销售利润率也达到了22.8%的高水平，同样超出了业内最大的生产商。

当然，精细加工技术的需求不断增加，因素不只有智能手机。随着智能手机、物联网（IoT）等相关服务的普及，以及汽车的IT化、AI化，自动驾驶功能的搭载所带来的传感器及电子零部件需求的增加等都是影响精细加工需求的因素。

总之，社会的IoT化、AI化、大数据化越发展，对精细加工技术的需求就越高。

第三节：代工企业如何提高经营能力和市场营销能力？

本节看点：

1.在零件加工问题上，日本零件供应商普遍采用了“委托小规模、中小企业进行零件加工”的策略；

2.自家公司开发的企业内部设备，是一个企业竞争力的源泉；

3.代工企业普遍缺乏经营能力，尤其是市场营销能力；

4.日本“街头工厂”凭借世界一流的技术水平，向人工费或附加价值比日本高的国家进军；

5.制造=开发设计·详细设计+制造+生产过程，一家优秀的制造企业会在某一过程进行深造；

6.制造，就是加工技术本身。

随着智能手机的普及和物联网技术的发展，需要进行精细加工的零件需求不断增加。这些零件的供应商（尤其是具有较高竞争力的供应商）不会从外部购买生产设备，而会选择公司内部自主研发、设计和生产。然而，在零件加工问题上，这些零件供应商又普遍采用了“委托小规模、中小企业进行零件加工”的策略。这是为什么呢？

在大型企业中，“用于批量生产自家公司产品的零件加工”一般也是由内部生产、进行技术积累的。但大多数情况下，大型企业也要将“用于生产企业内部设备的超多品种少量生产的零件加工”外包出去。因为加工零件首先要购入机床，而这需要大量的设备投资。

此外，企业还必须具备拥有加工技术的专业人员（加工技术人员）。从收支角度来看，只是为了构建企业内部设备而配置加工设备和人员，是极不划算的。因此，即便是以“企业内部设备由内部制造”为宗旨的国际性超优良企业也会选择将零件加工委托给专门从事零件加工的小规模、中小型代工企业（图1）。图1：为什么大型企业会将零件加工外包出去？

不对外公开的精细加工的信息

自主研发的企业内部设备，是一个企业竞争力的源泉。因此，企业内部设备的设计绝对是机密中的机密。大企业一般都会要求和接收零件加工业务的小规模、中小型代工企业签订保密协议（NDA），以加强保密工作。也就是说，这些与精细加工相关的信息是不会对外公开的。

此外，与精细加工相关的信息不容易对外公开还有一个原因，那就是在小规模、中小企业中占大多数的代工企业普遍缺乏经营能力，尤其是市场营销能力。打个比方说，代工的工件或许出于保密协议的限制而无法对外公开，但应该还有很多其他的、能够展现自家企业技术的方法。

在日本埼玉县入间市有一家名为入曾精密的零件加工企业。作为一家拥有高技术水准的专业加工MC（Machining center，多工序自动数学控制机床）的加工企业，入曾精密虽然只有14名员工，却与丰田汽车、佳能、日产汽车、TDK等大企业一同获得了“日经制造大奖”。而为了有效展示自己的精细加工技术，入曾精密用金属切削出了世界上最小的“100μm角的骰子”，并展示在自家企业的网站上，充分显示了其技能之高（图2）。这个世界上最小的骰子打破了吉尼斯世界纪录，由于重心良好，还被收录到了日本高校物理教科书中。图2：世界上最小的骰子（入曾精密）

像入曾精密这样能够将自己的优势可视化并有效展出的企业非常少。虽然大部分小规模、中小企业的代工企业拥有世界级高超技术能力，却不擅长经营，更不擅长营销。这一点，是今后发展亟待解决的重大课题。

能够进军人工费高的国家的中小企业

毫无疑问，日本代工企业的制造加工技术是世界一流的。理由是，从世界范围内来看，日本的小规模企业/中小企业向人均GDP比日本高的国家，也就是人工费比日本高的国家进军的事例是最多的。

例如：日本神奈川县茅崎市有一家名为由纪精密的零件加工企业，虽然只有33名员工，却在法国拥有当地法人；日本茨城县常陆那珂市的零件加工企业M-Tec株式会社也只有30名员工，却在德国拥有当地法人。

这两家企业都是拥有自己独特的精细加工技术的高水平代工企业。说到底，都是日本的“街头工厂（町工厂）”。但重点是，它们没有向人工费比日本便宜的国家，而是向人工费或附加价值（人均GDP）比日本高的国家进军。做到这一点，只能靠世界一流的技术水平。在日本，这样的街头工厂并不少。

奇特的是，日本从未出现过相反的模式，也就是海外的街头工厂渗入日本或试图打入日本市场的案例。实际上，视察一下德国或者美国的中小加工企业就能明白，海外的外包企业公司为了降低成本而使用陈旧的设备，工厂也不干净，一般连5S（整理、整顿、清扫、清洁、素养）中的入门步骤——清扫都做不到。而在日本，即便是外包型企业也会定期引进最新设备，即便是街头工厂也会按照5S来彻底地管理工厂。在这一点上，日本和欧美完全相反。

生产的定义与生产的7大分类

加工技术在制造业整体中处于什么位置呢？船井研究所工厂企业认为，制造大致分为以下3个过程：

制造=开发设计·详细设计

+制造

+生产过程

例如，美国苹果公司在“开发设计·详细设计”方面极具优势，但“制造”全部委托给了中国台湾的鸿海精密工业等企业。从全球范围来看，日本多数制造企业的弱点在于“开发设计·详细设计”方面。经常有评论称“日本的制造业已经衰退”，但其实这里所说的“衰退”，大多指的是制造中的“开发设计·详细设计”部分。

另一方面，丰田生产系统（TPS）绝对是“生产过程”方面的代表。TPS是一种利用“看板”等工具的、以实现“一个流生产”为目标的“生产过程”。作为制造型企业，丰田汽车在制造的三大过程中充分发挥了“生产过程”方面的优势。“生产过程”的著名案例，有利用阿米巴管理单位使收支可视化的、能提高整体生产效率的“京瓷阿米巴生产”（京瓷）及曾经风靡一时的“戴尔直销模式”（美国戴尔公司）。

＜制造的定义＞

我们可以这样说：所谓制造，就是加工技术本身。而制造，可以进一步分为图3所示的“制造的7大分类”。图3：制造的7大分类

加工技术的分类方法有很多。船井综合研究所工厂企业在面向代工企业的咨询中发现，这种“制造的7大分类”是最容易运用到实务中的。此外，在以商务为主的市场上，这是最合适的分类方法。所以接下来，我将在这一分类方法的基础上进行讲解。

加工技术就是组合技术

加工技术无法按照“制造的7大分类”中的某一项来完成。例如，切削是以铣床加工、车床加工为代表的加工技术。但根据加工对象的原材料是钢、特殊钢还是树脂，运用到的技术和专业知识是不同的。

而且，很多情况下，除了切削，还伴随着原材料中的“热处理”或“表面处理”作业。在提高零件的持久性和强度方面，原材料切削知识和表面处理知识必不可少。

可塑性方面也一样。塑性加工与切削不同，它是不产生碎屑的、非去除加工之一。但如果加工对象的原材料是钢制薄板，则要进行板金加工、冲压加工。板金加工是以薄板的切断、弯曲、冲切为主的加工方法，经常配合使用接合中的焊接技术。当然，表面处理也是如此。

钢块材料则多适用热间锻造、冷间锻造。例如，多数情况下，冷间锻造同时伴随着二次加工的切削加工，甚至还有原材料分类中的热处理或表面处理作业。因此，一般情况下，制造一个零件也需要多个工序。

据了解，日本国内约有40万家制造型企业。其中，代工企业数量占了一半，约有20万家，且大多提供多种加工技术。可以说，范围广且精细化的庞大供应链的存在，正是日本制造的最大优势。

第四节：医疗器械的精细加工：“无痛注射器”为什么不痛？

本节看点：

1.无痛注射器，经由“塑性”冲压加工制造；

2.塑性加工的优点之一，是能够轻松处理锥形构造；

3.在隐形眼镜中添加各种功能的智能隐形眼镜，成为今后发展的重点；

4.医疗器械领域前景大好，其需要小型化的产品之一，是“胶囊内视镜”。

在我们周围，精细加工技术具体发挥着怎样的作用？最容易理解的例子，就是“无痛注射器”。它用于糖尿病患者给自己注射胰岛素，是为了减轻自己注射的负担而研发出来的。

比痛点间隔还小的注射器

这种注射器为什么不会痛？

原本，注射器扎入人体后人会感到疼痛，是因为皮肤表面分布着感知疼痛的感觉点，即“痛点”。一旦注射器扎在了痛点上，人就会产生痛觉。这些“痛点”高密度地分布在皮肤表面，每1平方厘米约有100～200个。所以，只要制造一种能够尽可能避开痛点的更细微的注射器就能解决问题了。这就是无痛注射器——“纳米注射器”（日本泰尔茂公司）的机制（图1）。图1：无痛注射器（来源：泰尔茂公司官网）

科学证实，人的眼睛最低可识别大小为0.3mm的物体。因此，相关人员将加工小于0.3mm的形状的技术定义为“形状的精细加工技术”。

生产无痛注射器的街头工厂

这种无痛注射器是由第3节中介绍的“制造的7大分类“中的“塑性”冲压加工制造的。

请看图2，薄板逐渐变圆，最后成为注射器的形状。这种冲压加工又被称作顺送冲压——先将由多个工序完成的金属模具依次排列，再将用线圈材料连接起来的工件向前输送到金属模具中，通往各工序进行冲压加工，最后得到成品工件。

这款注射器采用了锥形结构，能够顺利克服针头越细阻力越大、药剂越难从针孔流出的问题。塑性加工的优点之一，就是能够轻松处理这种锥形构造。图2：无痛注射器的生产过程（来源：泰尔茂公司官网）

研发时，泰尔茂公司的开发工程师走访了100多家公司的加工人员，最终找到了位于东京都墨田区只有6名员工的街头工厂——冈野工业。花费了五年时间，终于掌握了由顺送金属模具慢慢地将薄板弯曲做成注射器的加工技术。

隐形眼镜中加入照相机

不仅“无痛注射器”，医疗器械领域也需要多种精细加工技术。其中，添加各种功能的智能隐形眼镜，被认为是今后发展的新机遇。其追求高度的细密化和小型化，正是需要精细加工技术发挥作用的领域。

例如，在隐形眼镜中添加照相机功能的“智能隐形眼镜”正在开发中。2016年，索尼申请专利的智能隐形眼镜就在其内部添加了极小的照相机组件，并搭载了存储、影像传感器、摄像镜头、无线通信元件等（图3）。拍照时，可通过眨眼来按快门，也可完成调节光圈、缩放、焦点等操作，甚至载有防止眼球活动造成影像抖动的功能。图3：索尼公司申请专利的智能隐形眼镜（来源：美国专利申请书US2016/0097940　A1）

这种智能隐形眼镜中还添加了圆圈天线及MEMS传感器（微机电系统，Microelectro Mechanical Systems）。韩国三星公司（Samsung Electronics）也申请了同样构造的专利。

谷歌的智能隐形眼镜

智能隐形眼镜不只有内置摄像机的类型。2014年1月，美国谷歌公司（Google）在其官网上公开宣称“完成了供糖尿病患者佩戴的智能隐形眼镜的样品”（图4）。图4：谷歌公司开发的医疗用智能隐形眼镜

2014年1月16日，美国谷歌公司在官方网站上公布了该产品。

这是一项不用针就能连续检测血糖值的划时代科技，可每秒测定一次眼泪中所含的葡萄糖（glucose）。谷歌公司将这一技术授权给了瑞士全球性药品生产商——诺华公司（Novartis）。诺华公司旗下从事隐形眼镜业务的瑞士爱尔康公司（Alcon）正在推进“可时时分析眼泪成分并将信息传递给外部器械的医疗用传感器内置隐形眼镜”“老花眼用可变度数的隐形眼镜”，以及“人工晶体”的开发与商品化。

实现AR技术的智能隐形眼镜

现在，智能隐形眼镜也活用在备受关注的AR技术（增强现实技术）领域。很早之前，隐形眼镜型显示器的开发就在不断发展了。2009年，还曾有过公开发表。

获得公开发表的，是一种载有比1美分硬币还要小的镜片的64像素的显示器。现实中，能够经由人眼安全活动并加以控制。将内置这种显示器的隐形眼镜作为终极的AR平台，这个趋势发展备受期待。

当然，这一系列的智能隐形眼镜还有很大的开发余地。今后的市场成长，很可能需要几十年的时间来发展。但是，继2009年以实现AR技术的隐形眼镜型显示器发表之后，2014年谷歌公司发表了医疗用隐形眼镜，2017年索尼公司和三星公司又申请了内置相机隐形眼镜的专利。智能隐形眼镜的技术将得到进一步发展，重点也将逐渐转移到普及产品的开发上，这一点毋庸置疑。谷歌公司和索尼公司这种全球性的大型企业纷纷加入，这本身就表明了其潜在的市场规模。

实际上，日本的委托加工公司也收到了从美国发过来的非常精细的零部件设计图纸，它们小到用肉眼很难识别。由于图纸本身是虚拟图纸，因此无法判断其真实用途。有一些交易很隐蔽，只知道是用于放入眼中的医疗器械。而这一领域，正需要精细加工技术。

片剂型胃用相机

医疗器械领域的发展，未来可期。有小型化需求的领域之一，是“胶囊内视镜”（图5）。以往的内视镜无法检查小肠，胶囊内视镜是应对这一医疗需求而产生的。1997年，“胶囊内视镜”在美国获得专利，以色列基文影像公司（Given Imaging）成立，从事胶囊内视镜的开发、生产和销售。图5：基文影像公司研发的胶囊内视镜（照片：柯惠医疗日本公司）

现在，它被用于全球80多个国家、超过170万人的患者检查中。基文影像公司在销售额达到1.8亿美元时，以高达8.6亿美元（约57亿人民币）的价格被当时的爱尔兰厂商——柯惠医疗公司（后被美敦力公司合并）收购。

在日本，奥林巴斯公司于1990年初投入开发，2005年在欧洲开始发售小肠用胶囊内视镜（图6）。此外，长野县的小型相机厂商——RF公司在2001年12月开始开发名为“Sayaka”的小肠用胶囊内视镜。图6：日本的胶囊内视镜

照片：RF公司（左），奥林巴斯公司（右，实际的胶囊没有公司标志）。

这款胶囊内视镜在长23mm～26mm、直径9mm～11mm的超小型胶囊中内置了超小型相机，具备无线发送影像的功能。8小时左右可拍摄5万～6万张影像，可无线发送到外部的接收设备（传感器阵列）上。影像由安装了专用软件的电脑进行解析，用于医师的诊断。

日本医科大学附属医院消化器内科医生藤森俊二评价胶囊内视镜时称：“对消化器官内科医生来说，这是梦寐以求的工具。”（来自柯惠医疗日本公司网站“只需吞下胶囊内视镜.com”）小肠曾经是最难检查的消化器官。而现在，无论是患者还是医生，都能轻松进行检查了。

胶囊内视镜的精细加工技术

这种追求更细密化、小型化的领域也是需要精细加工技术领域。胶囊内视镜生产企业RF公司为了实现胶囊内视镜的量产，正在门户网页公开募集开发合作伙伴（图7）。

征集信息：

·胶囊外衣的成型加工；

·胶囊外衣的熔敷；

·树脂零件的成型。

同“无痛注射器”一样，在最先进的医疗技术领域，医疗器械生产企业和委托加工公司的合作也是必不可少的。图7：RF公司追求的精密树脂成型品的示意图（照片：RF公司）

第五节：赋予医疗机器人生命的神奇数字“2μm”

本节看点：

1.医疗机器人领域一片光明。美国研发的“芬奇外科手术系统”的市场份额，正在逐年攀升。

2.达芬奇外科手术系统具备五大优势：1，手术中出血量少；2，创面小；3，术后痛感轻；4，术后愈合快；5，能够延续功能。

3.跳动精度在2μm以下的加工技术，是支撑医疗机器人走向辉煌的核心力量。4.中国幅员辽阔，对医生远程操作手术的需求很大。

近年来，医疗机器人可谓赚足了社会各界和媒体的眼球。大家普遍认为：医疗机器人的市场前景一片光明。截至2015年，医疗机器人的全球市场份额虽然只有42亿美元（约286亿人民币），但年均增速却高达22.2%。

据预测，到2020年，医疗机器人的市场总值可达114亿美元（约777亿人民币）。

价值3亿日元的医疗机器人系统

医疗机器人当中，最有名的要数da Vinci（达芬奇），即“da Vinci Surgical System”（达芬奇外科手术系统，图1）。这是一款运用于肿瘤内窥镜手术等范围的“主从型内窥镜手术用机器人”，由美国直觉外科公司（Intuitive Surgical）研发。这款机器人取名达芬奇，正是为了纪念万能的天才——莱昂纳多·达芬奇。图1：达芬奇外科手术系统

东京医科大学附属医院的达芬奇外科手术系统主要用于前列腺癌、膀胱癌、子宫癌、子宫良性肿瘤、直肠癌、食道癌、咽癌及喉癌等手术。（照片出处：东京医科大学附属医院）

达芬奇外科手术系统的开发，主要发源于20世纪80年代末期的美国国防高级研究计划局（Defense Advanced Research Projects Agency，简称DARPA）的订单。目的，是让战场上负伤的战士，可以及时得到远在美国或者航空母舰上的医生的救治。也就是说，这套系统，原本是为了让医生及时进行远程手术而特意开发的。

如今，原本用于军事的技术正被逐渐民用化。日本的医疗机构也在不断拓展医疗机器人的使用范围。截至2016年9月末，以大学附属医院为核心，日本各大医疗机构采购了共计237台这样的设备。

东京医科大学附属医院的主页显示，用达芬奇外科手术系统给患者进行手术主要具备五大优势：

优势1：手术中的出血量较少；

优势2：创面小；

优势3：术后痛感轻；

优势4：术后愈合快；

优势5：能够延续功能。

由于机器人操作的手术创口小，所以相比普通开腹手术，病人的住院时间可以缩短一周以上。再加上镊子的操作性强，可以充分发挥其缜密的手法让侵袭（对身体的伤害程度）变得更小，因此不会过多地伤害到病灶周围健康的身体组织。

同时，达芬奇外科手术系统还可以减轻医生的负担。医生只需坐在机器前，而不必维持长时间、不合理的站立姿势。对医生而言，这样做不仅可以防止手部颤抖，还可以中止流程外的突发动作，能最大限度地保证手术的安全。

2013年9月，日本某杂志曾刊登过一则消息，说达芬奇系统的价格约为3亿日元（约1837万元人民币），日本引进了大约130套这样的系统。尽管达芬奇系统的身价较高，日本的医院仍旧愿意争相引进，数量在3年内竟涨了1倍。毫无疑问，达芬奇系统的市场份额确实在急速攀升。

发挥日本加工技术的长处

其实，医疗机器人的制造商不仅集中在美国，中国和欧洲也有。例如，中国北京市的近郊就是众所周知的医疗产业基地。我曾在日本一家机械加工企业（员工人数为35人）担任顾问。这家企业接到了生产医疗机器人的中国企业发来的交易询单，订单总额约为150万日元（约9万人民币）。这家加工企业的主页有日语·英语·中文三个版面，在北京也成立了当地法人组织，这样才让北京的企业发现自己，让自己顺利接到了订单。通过询问这家北京企业，日本企业得到了一条重要信息：“中国幅员辽阔，对医生远程操作手术的需求很大”。基于这个原因，日本企业开始研发“类似达芬奇系统的医疗机器人”。

看过零件图样后，日本企业发现这种零件的精度在4μm～6μm，由数个驱动零部件构成，是一款精密零部件。中方企业代表表示：“中国国内加工的零件无法顺利组装起来”。医疗机器人要比人类的手指操作起来更灵巧，即便每个零部件都看似符合了高精度的要求，一旦误差累计起来还是会发生跳动，很难实用化。

于是，日本的医生们提出了意见，表示“希望改良达芬奇的镊子部位，让系统更精细”。听到需求后，我担任咨询顾问的这家加工企业开始寻找解决对策。事实上，医疗机器人全凭日本的高精度加工技术在支撑。

采用跳动精度为2μm的加工技术

为了让医疗机器人按照设计方案顺利工作，必须要应用各种高精度加工技术。例如，图2就是外径为⌀0.08mm、突出部分长度约为0.8mm的高精度长尺寸样品，是用车床加工生产出的零件，这种技术也被广泛应用于医疗机器人的驱动零件加工。图2：高精度长尺寸的型材加工实例（出处：M-TEC）

开发此项加工技术的，是日本M-TEC公司（总部位于茨城县常陸那珂市），企业员工仅有30人。M-TEC公司通过日本政府的产业支持项目（日本经济产业省的“战略基础技术高端化支持项目”，简称“产业支持项目”）成功开发出了微型数控（NC）机床。

图2中的样品就使用了这种新型数控机床。机床中搭载了CCD摄像头，可精准测量刀尖和工件的距离，并测定加工后工件的形状，且这些数据的测量都是实时动态的。此外，如果图纸设计和实际加工有所出入，还可以应用机床内的反馈修正机制及时调整刀尖的动作（图3）。当然，当直径细到一定程度时，适当保持一定的切削阻力就会变得尤为重要，因为不恰当的切削阻力有可能会折断工件（同时，切割造成的粉尘飞溅也可能会折断工件，所以切削粉尘的排除控制也非常重要）。图3：M-TEC公司开发的微型数控机床

M-TEC公司在活用微型数控机床方面积累了丰富的经验，并与大型数控机床企业携手研发，实现了更高精度的机械加工。同时，医疗机器人等使用的驱动零件中必须安装引动器，引动器的加工就是靠这样的高精度数控机床完成的。

此外，医疗机器人等设备的驱动零部件是通过轴承带动马达转动，进而联动引动器的。如果轴承的跳动精度不足，在带动马达时就会产生震动，影响机器人的正常发挥。加工直径为几百μm、长度不足1mm的精细轴承时，如果用普通的数控机床加工，跳动幅度往往会高达10μm～20μm。而如果采用M-TEC公司的加工设备，跳动精度就可以控制在2μm以下。也就是说，这种加工技术，才是支撑医疗机器人走向辉煌的核心力量。

在生产医疗机器人时，只确保单个零件的精确度是不够的，因为组装后的累计误差、累计精度更重要。另一方面，驱动部位的零件光外形符合设计要求也是不够的，因为如果不把运转时的跳动精度控制在一定范围内，操作时就会产生振动、引发事故，如此一来，医疗机器人原本的存在目的也就不成立了。这家仅有30人的企业自主研发了这样的设备，确立了自身高精度加工的地位，并对医疗机器人的核心零部件倾注了自己全部的努力和智慧。

M-TEC公司的案例，展现了让世界惊叹的日本精细加工技术的看家本领，这是我们都需要学习的。

第六节：利用肉眼不可见的钻头完成终极打孔加工

本节看点：

1.智能手机、手环等物联网设备中安装的电子零件越小型化，电子电路越精密，越需要更精细的打孔加工作业。

2.在日本，能提供尖端技术支持的，大都是只有数十名员工的地方性代工企业。3.日本爱工舍公司确立了前端直径为φ0.03mm的加工技术，并坚定推进接触式探测器更加精细化的技术开发。

4.仅有40名员工的中川制作所专精于精细打孔作业。

智能手机已然成为我们生活中的必需品。而在生产智能手机时，精细加工技术发挥着非常重要的作用。据悉，智能手机的零件大约有1000件，其中大都是电子零件及由电子零件构成的复杂的电子电路。这些电子零件和电子电路在出厂前都会经过严格的质检，以确保能够正常运作。检查用的夹具，就离不开精细加工。

对通电检查用探测器进行精细加工

通电检查是智能手机出厂时的必检项目。检查时，会用到通电检查用接触式探测器。检查夹具负责将接触式探测器适配到检查对象——电子零件或电子电路基板模块中，将其紧紧地组装起来。这种接触式探测器，看上去就像插花时使用的“剑山”（亦称花插）。把接触式探测器贴在电子电路上，即可进行通电检查。当然，除了智能手机，各种物联网（Internet of Things, IoT）机器都要经受这种通电检查。

根据摩尔定律，半导体上可容纳的元器件的数目，2年间会增加1倍，密度呈指数增长。也就是说，这种接触式探测器需要特别高水准的精细加工技术。

爱工舍公司总部位于名古屋市，共有51名员工，负责加工接触式探测器的零件，以能够实现尖端直径为φ0.03mm（30μm）的极精细CNC车床加工技术为核心。对比一下自动铅笔芯或米粒，能够直观感受到其非同一般的精细度（图1）。图1：CNC车床的精细加工事例（图片来源：爱工舍）

当然，只完成精细的机床加工（轴类零件加工）是造不出接触式探测器的。接触式探测器呈排列着针的剑山状，并会以这种状态接触检测对象（即电子电路）。所以，每根接触式探测器上都装有弹簧，以在接触检测对象的表面时能够像减震器一样消除表面凹凸带来的影响。

如图2所示，接触式探测器由精细的探针、精细的弹簧和精细的零件组成。只有每个零件都达到了设计要求的精度，并能精密地组装起来，才能生产出通电用接触式探测器。当然，组装作业需要在净化室内借助显微镜来完成。图2：使通电检查用接触式探测器成为可能的组装技术（图片来源：爱工舍）

将挂钟的技术应用于探测器

全部电子零件或电子电路都要进行通电检查。而通电检查用接触式探测器在反复检查的操作过程中，接触部位很容易产生磨损，必须定期更换。因此，要想稳定进行精细零件的大批量生产，就必须运用高度的品质保障技术。

接触式探测器前端直径，通常为φ0.07～0.15mm。目前世界上最小的前端直径，为φ0.05mm。从技术和质量层面来看，探测器的直径越小，日本生产的产品越占优势。而爱工舍已经确立了前端直径为φ0.03mm的加工技术，并坚定推进接触式探测器更加精细化的技术开发。

爱工舍原本以生产挂钟和零件加工为主。然而，随着日本国内市场的缩小以及日元升值带来的不良影响，其不得不转业，开始制造接触式探测器。如今，爱工舍凭借技术磨练，已经可以完成精细加工了。

顺应时代变化顽强生存下来的中小制造企业支撑着智能手机及物联网机器所必需的电子零件及电子电路的检查工作，这件事儿非常有意思。

肉眼不可见的φ0.02mm钻头

要想将通电检查用接触式探测器安装到检查夹具上，除了要制造出精细直径外，还需要在检查夹具上打一个个精细的孔。图3是在0.1mm厚的可加工陶瓷上，按照0.05mm的间距来打孔的加工案例。细孔的直径，为φ0.02mm。可加工陶瓷利用了日本Ferrotec株式会社（Ferrotec Ceramics Corporation，总部位于东京）的“Photoveel II-S”。将接触式探测器安装到这些精细的孔里，就能得到对电子零件及电子电路进行通电检查的夹具。图3：直径φ0.02毫米的精细孔加工事例

材料厚0.1毫米，间距为0.05毫米。材料方面利用了可加工陶瓷“Photoveel II-S”（日本Ferrotec株式会社）。（来源：中川制作所）

开这些精细的孔，势必会用到直径为φ0.02mm的钻头。而这个精细度，人的肉眼很难识别。因此，单是将钻头安装到工具上就需要很高的技术。而利用肉眼不可见的钻头打开高精度的孔，更是难上加难。

试读结束[说明：试读内容隐藏了图片]

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