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数控技术和装备发展分析论文
数控技术和装备发展分析论文 摘要：简要介绍数控装备技术发展和产业化的现状，在此基础上讨论了在 我国加入WTO和对外开放进一步深化的新环境下，发展我国数控技术及装备、 提高我国制造业信息化水平和国际竞争能力的重要性，并从战略和应用两个层面 提出了发展数控技术看法。关键词：数控技术发展应用 装备工业的技术水平和现代化程度决定着整个国民经济的水平和现代化 程度，数控技术及装备是发展新兴高新技术产业和尖端工业（如信息技术及其产 业、生物技术及其产业、航空、航天等国防工业产业）的使能技术和最基本的装 备。马克思曾经说过“各种经济时代的区别，不在于生产什么，而在于怎样生产， 用什么劳动资料生产”。制造技术和装备就是人类生产活动的最基本的生产资料， 而数控技术又是当今先进制造技术和装备最核心的技术。当今世界各国制造业广 泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞 争能力。此外世界上各工业发达国家还将数控技术及数控装备列为国家的战略物 资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关 键技术和装备方面对我国实行封锁和限制政策。总之，大力发展以数控技术为核 心的先进制造技术已成为世界各发达国家加速经济发展、提高综合国力和国家地 位的重要途径。
数控技术是用数字信息对机械运动和工作过程进行控制的技术，数控装备 是以数控技术为代表的新技术对传统制造产业和新兴制造业的渗透形成的机电 一体化产品，即所谓的数字化装备，其技术范围覆盖很多领域：(1)机械制造技 术；
(2)信息处理、加工、传输技术；
(3)自动控制技术；
(4)伺服驱动技术；
(5)传 感器技术；
(6)软件技术等。
一、数控技术的发展趋势 数控技术的应用不但给传统制造业带来了革命性的变化，使制造业成为工 业化的象征，而且随着数控技术的不断发展和应用领域的扩大，他对国计民生的 一些重要行业（IT、汽车、轻工、医疗等）的发展起着越来越重要的作用，因为 这些行业所需装备的数字化已是现代发展的大趋势。从目前世界上数控技术及其 装备发展的趋势来看，其主要研究热点有以下几个方面［1～4］。1、高速、高精加工技术及装备的新趋势 效率、质量是先进制造技术的主体。高速、高精加工技术可极大地提高效 率，提高产品的质量和档次，缩短生产周期和提高市场竞争能力。为此日本先端 技术研究会将其列为5大现代制造技术之一，国际生产工程学会（CIRP）将其确 定为21世纪的中心研究方向之一。
在轿车工业领域，年产30万辆的生产节拍是40秒/辆，而且多品种加工是 轿车装备必须解决的重点问题之一；
在航空和宇航工业领域，其加工的零部件多 为薄壁和薄筋，刚度很差，材料为铝或铝合金，只有在高切削速度和切削力很小 的情况下，才能对这些筋、壁进行加工。近来采用大型整体铝合金坯料“掏空” 的方法来制造机翼、机身等大型零件来替代多个零件通过众多的铆钉、螺钉和其 他联结方式拼装，使构件的强度、刚度和可靠性得到提高。这些都对加工装备提 出了高速、高精和高柔性的要求。
从EMO2001展会情况来看，高速加工中心进给速度可达80m/min，甚至更 高，空运行速度可达100m/min左右。目前世界上许多汽车厂，包括我国的上海通 用汽车公司，已经采用以高速加工中心组成的生产线部分替代组合机床。美国 CINCINNATI公司的HyperMach机床进给速度最大达60m/min，快速为100m/min， 加速度达2g，主轴转速已达60000r/min。加工一薄壁飞机零件，只用30min，而 同样的零件在一般高速铣床加工需3h，在普通铣床加工需8h；
德国DMG公司的 双主轴车床的主轴速度及加速度分别达12*!000r/mm和1g。
在加工精度方面，近10年来，普通级数控机床的加工精度已由10μm提高 到5μm，精密级加工中心则从3～5μm，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度 已开始进入纳米级(0.01μm)。
在可靠性方面，国外数控装置的MTBF值已达6000h以上，伺服系统的 MTBF值达到30000h以上，表现出非常高的可靠性。
为了实现高速、高精加工，与之配套的功能部件如电主轴、直线电机得到 了快速的发展，应用领域进一步扩大。
2、轴联动加工和复合加工机床快速发展 采用5轴联动对三维曲面零件的加工，可用刀具最佳几何形状进行切削， 不仅光洁度高，而且效率也大幅度提高。一般认为，1台5轴联动机床的效率可以等于2台3轴联动机床，特别是使用立方氮化硼等超硬材料铣刀进行高速铣削淬硬 钢零件时，5轴联动加工可比3轴联动加工发挥更高的效益。但过去因5轴联动数 控系统、主机结构复杂等原因，其价格要比3轴联动数控机床高出数倍，加之编 程技术难度较大，制约了5轴联动机床的发展。
当前由于电主轴的出现，使得实现5轴联动加工的复合主轴头结构大为简 化，其制造难度和成本大幅度降低，数控系统的价格差距缩小。因此促进了复合 主轴头类型5轴联动机床和复合加工机床（含5面加工机床）的发展。
在EMO2001展会上，新日本工机的5面加工机床采用复合主轴头，可实现 4个垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5轴加工可在同一台机床 上实现，还可实现倾斜面和倒锥孔的加工。德国DMG公司展出DMUVoution系列 加工中心，可在一次装夹下5面加工和5轴联动加工，可由CNC系统控制或 CAD/CAM直接或间接控制。
3、智能化、开放式、网络化成为当代数控系统发展的主要趋势 21世纪的数控装备将是具有一定智能化的系统，智能化的内容包括在数控 系统中的各个方面：为追求加工效率和加工质量方面的智能化，如加工过程的自 适应控制，工艺参数自动生成；
为提高驱动性能及使用连接方便的智能化，如前 馈控制、电机参数的自适应运算、自动识别负载自动选定模型、自整定等；
简化 编程、简化操作方面的智能化，如智能化的自动编程、智能化的人机界面等；
还 有智能诊断、智能监控方面的内容、方便系统的诊断及维修等。
为解决传统的数控系统封闭性和数控应用软件的产业化生产存在的问题。
目前许多国家对开放式数控系统进行研究，如美国的 NGC(TheNextGenerationWork-Station/MachineControl)、欧共体的 OSACA(OpenSystemArchitectureforControlwithinAutomationSystems)、日本的 OSEC(OpenSystemEnvironmentforController)，中国的 ONC(OpenNumericalControlSystem)等。数控系统开放化已经成为数控系统的未 来之路。所谓开放式数控系统就是数控系统的开发可以在统一的运行平台上，面 向机床厂家和最终用户，通过改变、增加或剪裁结构对象（数控功能），形成系 列化，并可方便地将用户的特殊应用和技术诀窍集成到控制系统中，快速实现不 同品种、不同档次的开放式数控系统，形成具有鲜明个性的名牌产品。目前开放 式数控系统的体系结构规范、通信规范、配置规范、运行平台、数控系统功能库 以及数控系统功能软件开发工具等是当前研究的核心。网络化数控装备是近两年国际著名机床博览会的一个新亮点。数控装备的 网络化将极大地满足生产线、制造系统、制造企业对信息集成的需求，也是实现 新的制造模式如敏捷制造、虚拟企业、全球制造的基础单元。国内外一些著名数 控机床和数控系统制造公司都在近两年推出了相关的新概念和样机，如在 EMO2001展中，日本山崎马扎克（Mazak)公司展出的“CyberProductionCenter”（智 能生产控制中心，简称CPC)；
日本大隈（Okuma）机床公司展出“ITplaza”（信息 技术广场，简称IT广场)；
德国西门子(Siemens)公司展出的 OpenManufacturingEnvironment（开放制造环境，简称OME）等，反映了数控机 床加工向网络化方向发展的趋势。
二、对我国数控技术及其产业发展的基本估计 我国数控技术起步于1958年，近50年的发展历程大致可分为3个阶段：第 一阶段从1958年到1979年，即封闭式发展阶段。在此阶段，由于国外的技术封锁 和我国的基础条件的限制，数控技术的发展较为缓慢。第二阶段是在国家的“六 五”、“七五”期间以及“八五”的前期，即引进技术，消化吸收，初步建立起国产 化体系阶段。在此阶段，由于改革开放和国家的重视，以及研究开发环境和国际 环境的改善，我国数控技术的研究、开发以及在产品的国产化方面都取得了长足 的进步。第三阶段是在国家的“八五”的后期和“九五”期间，即实施产业化的研究， 进入市场竞争阶段。在此阶段，我国国产数控装备的产业化取得了实质性进步。
在“九五”末期，国产数控机床的国内市场占有率达50％，配国产数控系统（普及 型）也达到了10％。
纵观我国数控技术近50年的发展历程，特别是经过4个5年计划的攻关，总 体来看取得了以下成绩。
1、奠定了数控技术发展的基础，基本掌握了现代数控技术。我国现在已 基本掌握了从数控系统、伺服驱动、数控主机、专机及其配套件的基础技术，其 中大部分技术已具备进行商品化开发的基础，部分技术已商品化、产业化。
2、初步形成了数控产业基地。在攻关成果和部分技术商品化的基础上， 建立了诸如华中数控、航天数控等具有批量生产能力的数控系统生产厂。兰州电 机厂、华中数控等一批伺服系统和伺服电机生产厂以及北京第一机床厂、济南第 一机床厂等若干数控主机生产厂。这些生产厂基本形成了我国的数控产业基地。3、建立了一支数控研究、开发、管理人才的基本队伍。
虽然在数控技术的研究开发以及产业化方面取得了长足的进步，但我们也 要清醒地认识到，我国高端数控技术的研究开发，尤其是在产业化方面的技术水 平现状与我国的现实需求还有较大的差距。虽然从纵向看我国的发展速度很快， 但横向比（与国外对比）不仅技术水平有差距，在某些方面发展速度也有差距， 即一些高精尖的数控装备的技术水平差距有扩大趋势。从国际上来看，对我国数 控技术水平和产业化水平估计大致如下。
a.技术水平上，与国外先进水平大约落后10～15年，在高精尖技术方面则 更大。
b.产业化水平上，市场占有率低，品种覆盖率小，还没有形成规模生产；
功能部件专业化生产水平及成套能力较低；
外观质量相对差；
可靠性不高，商品 化程度不足；
国产数控系统尚未建立自己的品牌效应，用户信心不足。
c.可持续发展的能力上，对竞争前数控技术的研究开发、工程化能力较 弱；
数控技术应用领域拓展力度不强；
相关标准规范的研究、制定滞后。
分析存在上述差距的主要原因有以下几个方面。
a.认识方面。对国产数控产业进程艰巨性、复杂性和长期性的特点认识不 足；
对市场的不规范、国外的封锁加扼杀、体制等困难估计不足；
对我国数控技 术应用水平及能力分析不够。
b.体系方面。从技术的角度关注数控产业化问题的时候多，从系统的、产 业链的角度综合考虑数控产业化问题的时候少；
没有建立完整的高质量的配套体 系、完善的培训、服务网络等支撑体系。
c.机制方面。不良机制造成人才流失，又制约了技术及技术路线创新、产 品创新，且制约了规划的有效实施，往往规划理想，实施困难。
d.技术方面。企业在技术方面自主创新能力不强，核心技术的工程化能力 不强。机床标准落后，水平较低，数控系统新标准研究不够。
三、对我国数控技术和产业化发展的战略思考 1、战略考虑我国是制造大国，在世界产业转移中要尽量接受前端而不是后端的转移， 即要掌握先进制造核心技术，否则在新一轮国际产业结构调整中，我国制造业将 进一步“空芯”。我们以资源、环境、市场为代价，交换得到的可能仅仅是世界新 经济格局中的国际“加工中心”和“组装中心”，而非掌握核心技术的制造中心的地 位，这样将会严重影响我国现代制造业的发展进程。
我们应站在国家安全战略的高度来重视数控技术和产业问题，首先从社会 安全看，因为制造业是我国就业人口最多的行业，制造业发展不仅可提高人民的 生活水平，而且还可缓解我国就业的压力，保障社会的稳定；
其次从国防安全看， 西方发达国家把高精尖数控产品都列为国家的战略物质，对我国实现禁运和限制， “东芝事件”和“考克斯报告”就是最好的例证。
2、发展策略 从我国基本国情的角度出发，以国家的战略需求和国民经济的市场需求为 导向，以提高我国制造装备业综合竞争能力和产业化水平为目标，用系统的方法， 选择能够主导21世纪初期我国制造装备业发展升级的关键技术以及支持产业化 发展的支撑技术、配套技术作为研究开发的内容，实现制造装备业的跨跃式发展。
强调市场需求为导向，即以数控终端产品为主，以整机（如量大面广的数 控车床、铣床、高速高精高性能数控机床、典型数字化机械、重点行业关键设备 等）带动数控产业的发展。重点解决数控系统和相关功能部件（数字化伺服系统 与电机、高速电主轴系统和新型装备的附件等）的可靠性和生产规模问题。没有 规模就不会有高可靠性的产品；
没有规模就不会有价格低廉而富有竞争力的产 品；
当然，没有规模中国的数控装备最终难以有出头之日。
在高精尖装备研发方面，要强调产、学、研以及最终用户的紧密结合，以 “做得出、用得上、卖得掉”为目标，按国家意志实施攻关，以解决国家之急需。
在竞争前数控技术方面，强调创新，强调研究开发具有自主知识产权的技 术和产品，为我国数控产业、装备制造业乃至整个制造业的可持续发展奠定基础。
