數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢淺析

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數(shù)控技術(shù)及裝備的發(fā)展趨勢淺析 7 O$ L! ?( A7 i8 z" r* Y" R* c

F* h X- V+ V( A' z* O; y      數(shù)控技術(shù)是用數(shù)字信息對機(jī)械運動和工作過程進(jìn)行控制的技術(shù)，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術(shù)為代表的新技術(shù)對傳統(tǒng)制造產(chǎn)業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機(jī)電一體化產(chǎn)品，即所謂的數(shù)字化裝備，其技術(shù)范圍覆蓋很多領(lǐng)域：(1)機(jī)械制造技術(shù)；(2)信息處理、加工、傳輸技術(shù),；(3)自動控制技術(shù)；(4)伺服驅(qū)動技術(shù),；(5)傳感器技術(shù),；(6)軟件技術(shù)等。   , k& z5 w+ p; ^3 D- _ 1 數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢     數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用不但給傳統(tǒng)制造業(yè)帶來了革命性的變化,，使制造業(yè)成為工業(yè)化的象征,，而且隨著數(shù)控技術(shù)的不斷發(fā)展和應(yīng)用領(lǐng)域的擴(kuò)大，他對國計民生的一些重要行業(yè)（IT,、汽車,、輕工、醫(yī)療等）的發(fā)展起著越來越重要的作用,，因為這些行業(yè)所需裝備的數(shù)字化已是現(xiàn)代發(fā)展的大趨勢,。從目前世界上數(shù)控技術(shù)及其裝備發(fā)展的趨勢來看，其主要研究熱點有以下幾個方面［1～4］,。 . b, c A/ F6 `# f3 K 1．1 高速,、高精加工技術(shù)及裝備的新趨勢     效率、質(zhì)量是先進(jìn)制造技術(shù)的主體,。高速,、高精加工技術(shù)可極大地提高效率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和檔次,，縮短生產(chǎn)周期和提高市場競爭能力,。為此日本先端技術(shù)研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術(shù)之一，國際生產(chǎn)工程學(xué)會（CIRP）將其確定為21世紀(jì)的中心研究方向之一,。     在轎車工業(yè)領(lǐng)域,，年產(chǎn)30萬輛的生產(chǎn)節(jié)拍是40秒/輛，而且多品種加工是轎車裝備必須解決的重點問題之一,；在航空和宇航工業(yè)領(lǐng)域，其加工的零部件多為薄壁和薄筋,，剛度很差,，材料為鋁或鋁合金,，只有在高切削速度和切削力很小的情況下，才能對這些筋,、壁進(jìn)行加工,。近來采用大型整體鋁合金坯料“掏空”的方法來制造機(jī)翼、機(jī)身等大型零件來替代多個零件通過眾多的鉚釘,、螺釘和其他聯(lián)結(jié)方式拼裝,，使構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度和可靠性得到提高,。這些都對加工裝備提出了高速,、高精和高柔性的要求。 + |: s. m$ z h% S0 l4 B, t     從EMO2001展會情況來看,，高速加工中心進(jìn)給速度可達(dá)80m/min,，甚至更高，空運行速度可達(dá)100m/min左右,。目前世界上許多汽車廠,，包括我國的上海通用汽車公司，已經(jīng)采用以高速加工中心組成的生產(chǎn)線部分替代組合機(jī)床,。美國CINCINNATI公司的HyperMach機(jī)床進(jìn)給速度最大達(dá)60m/min,，快速為100m/min，加速度達(dá)2g,，主軸轉(zhuǎn)速已達(dá)60 000r/min,。加工一薄壁飛機(jī)零件，只用30min,，而同樣的零件在一般高速銑床加工需3h,，在普通銑床加工需8h；德國DMG公司的雙主軸車床的主軸速度及加速度分別達(dá)12*!000r/mm和1g,。 , I* Y" `/ F# h1 B0 |0 O     在加工精度方面,，近10年來，普通級數(shù)控機(jī)床的加工精度已由10μm提高到5μm,，精密級加工中心則從3～5μm,，提高到1～1.5μm，并且超精密加工精度已開始進(jìn)入納米級(0.01μm),。 6 F7 G+ ]; n# t }' S: ]     在可靠性方面,，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達(dá)6 000h以上，伺服系統(tǒng)的MTBF值達(dá)到30000h以上,，表現(xiàn)出非常高的可靠性,。     為了實現(xiàn)高速、高精加工,，與之配套的功能部件如電主軸,、直線電機(jī)得到了快速的發(fā)展,，應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大。 1.2  5軸聯(lián)動加工和復(fù)合加工機(jī)床快速發(fā)展     采用5軸聯(lián)動對三維曲面零件的加工,，可用刀具最佳幾何形狀進(jìn)行切削,，不僅光潔度高，而且效率也大幅度提高,。一般認(rèn)為,，1臺5軸聯(lián)動機(jī)床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機(jī)床，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進(jìn)行高速銑削淬硬鋼零件時,，5軸聯(lián)動加工可比3軸聯(lián)動加工發(fā)揮更高的效益,。但過去因5軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)、主機(jī)結(jié)構(gòu)復(fù)雜等原因,，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機(jī)床高出數(shù)倍,，加之編程技術(shù)難度較大，制約了5軸聯(lián)動機(jī)床的發(fā)展,。 ( M8 y; g' |1 b( y- E5 G$ I     當(dāng)前由于電主軸的出現(xiàn),，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復(fù)合主軸頭結(jié)構(gòu)大為簡化，其制造難度和成本大幅度降低,，數(shù)控系統(tǒng)的價格差距縮小,。因此促進(jìn)了復(fù)合主軸頭類型5軸聯(lián)動機(jī)床和復(fù)合加工機(jī)床（含5面加工機(jī)床）的發(fā)展。     在EMO2001展會上,，新日本工機(jī)的5面加工機(jī)床采用復(fù)合主軸頭,，可實現(xiàn)4個垂直平面的加工和任意角度的加工，使得5面加工和5軸加工可在同一臺機(jī)床上實現(xiàn),，還可實現(xiàn)傾斜面和倒錐孔的加工,。德國DMG公司展出DMUVoution系列加工中心，可在一次裝夾下5面加工和5軸聯(lián)動加工,，可由CNC系統(tǒng)控制或CAD/CAM直接或間接控制,。  / M- |! x4 n/ V 1.3 智能化、開放式,、網(wǎng)絡(luò)化成為當(dāng)代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢 * F) q5 N) M6 @5 g     21世紀(jì)的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng),，智能化的內(nèi)容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質(zhì)量方面的智能化，如加工過程的自適應(yīng)控制,，工藝參數(shù)自動生成,；為提高驅(qū)動性能及使用連接方便的智能化，如前饋控制,、電機(jī)參數(shù)的自適應(yīng)運算,、自動識別負(fù)載自動選定模型、自整定等；簡化編程,、簡化操作方面的智能化,，如智能化的自動編程,、智能化的人機(jī)界面等,；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內(nèi)容,、方便系統(tǒng)的診斷及維修等,。 0 q3 J/ t" k9 S H     為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應(yīng)用軟件的產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)存在的問題。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行研究,，如美國的NGC(The Next Generation Work-Station/Machine Control),、歐共體的OSACA(Open System Architecture for Control within Automation Systems)、日本的OSEC(Open System Environment for Controller),，中國的ONC(Open Numerical Control System)等,。數(shù)控系統(tǒng)開放化已經(jīng)成為數(shù)控系統(tǒng)的未來之路。所謂開放式數(shù)控系統(tǒng)就是數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)可以在統(tǒng)一的運行平臺上,，面向機(jī)床廠家和最終用戶,，通過改變、增加或剪裁結(jié)構(gòu)對象（數(shù)控功能）,，形成系列化,，并可方便地將用戶的特殊應(yīng)用和技術(shù)訣竅集成到控制系統(tǒng)中，快速實現(xiàn)不同品種,、不同檔次的開放式數(shù)控系統(tǒng),，形成具有鮮明個性的名牌產(chǎn)品。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)規(guī)范,、通信規(guī)范,、配置規(guī)范、運行平臺,、數(shù)控系統(tǒng)功能庫以及數(shù)控系統(tǒng)功能軟件開發(fā)工具等是當(dāng)前研究的核心,。 # K0 ]. o$ T9 u     網(wǎng)絡(luò)化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機(jī)床博覽會的一個新亮點。數(shù)控裝備的網(wǎng)絡(luò)化將極大地滿足生產(chǎn)線,、制造系統(tǒng),、制造企業(yè)對信息集成的需求，也是實現(xiàn)新的制造模式如敏捷制造,、虛擬企業(yè),、全球制造的基礎(chǔ)單元。國內(nèi)外一些著名數(shù)控機(jī)床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關(guān)的新概念和樣機(jī),，如在EMO2001展中,，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產(chǎn)控制中心，簡稱CPC)；日本大隈（Okuma）機(jī)床公司展出“IT plaza”（信息技術(shù)廣場,，簡稱IT廣場),；德國西門子(Siemens)公司展出的Open Manufacturing Environment（開放制造環(huán)境，簡稱OME）等,，反映了數(shù)控機(jī)床加工向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展的趨勢,。 , s# S8 i2 k) ?1 v 1.4 重視新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范的建立 1.4.1 關(guān)于數(shù)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)規(guī)范     如前所述,，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性,、柔性、適應(yīng)性,、擴(kuò)展性,，美國、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃,，并進(jìn)行開放式體系結(jié)構(gòu)數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC,、OSACA、OSEC)的研究和制定,，世界3個最大的經(jīng)濟(jì)體在短期內(nèi)進(jìn)行了幾乎相同的科學(xué)計劃和規(guī)范的制定,，預(yù)示了數(shù)控技術(shù)的一個新的變革時期的來臨。我國在2000年也開始進(jìn)行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定,。 1.4.2 關(guān)于數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)     數(shù)控標(biāo)準(zhǔn)是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢,。數(shù)控技術(shù)誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標(biāo)準(zhǔn)，即采用G,，M代碼描述如何（how）加工,，其本質(zhì)特征是面向加工過程，顯然,，他已越來越不能滿足現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)高速發(fā)展的需要,。為此，國際上正在研究和制定一種新的CNC系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)ISO14649（STEP－NC),，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機(jī)制,，能夠描述產(chǎn)品整個生命周期內(nèi)的統(tǒng)一數(shù)據(jù)模型，從而實現(xiàn)整個制造過程,，乃至各個工業(yè)領(lǐng)域產(chǎn)品信息的標(biāo)準(zhǔn)化,。 * w- `+ i) v# _# f3 J; O     STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域的一次革命，對于數(shù)控技術(shù)的發(fā)展乃至整個制造業(yè),，將產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響,。首先，STEP-NC提出一種嶄新的制造理念,，傳統(tǒng)的制造理念中,，NC加工程序都集中在單個計算機(jī)上。而在新標(biāo)準(zhǔn)下，NC程序可以分散在互聯(lián)網(wǎng)上,，這正是數(shù)控技術(shù)開放式,、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展的方向。其次,，STEP-NC數(shù)控系統(tǒng)還可大大減少加工圖紙（約75％）,、加工程序編制時間（約35％）和加工時間（約50％）。     目前,，歐美國家非常重視STEP-NC的研究,，歐洲發(fā)起了STEP-NC的IMS計劃(1999.1.1～2001.12.31),。參加這項計劃的有來自歐洲和日本的20個CAD/CAM/CAPP/CNC用戶,、廠商和學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)。美國的STEP Tools公司是全球范圍內(nèi)制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者,，他已經(jīng)開發(fā)了用作數(shù)控機(jī)床加工信息交換的超級模型(Super Model),，其目標(biāo)是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經(jīng)在配備了SIEMENS,、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機(jī)上進(jìn)行了驗證,。 2 對我國數(shù)控技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)發(fā)展的基本估計     我國數(shù)控技術(shù)起步于1958年，近50年的發(fā)展歷程大致可分為3個階段：第一階段從1958年到1979年,，即封閉式發(fā)展階段,。在此階段，由于國外的技術(shù)封鎖和我國的基礎(chǔ)條件的限制,，數(shù)控技術(shù)的發(fā)展較為緩慢,。第二階段是在國家的“六五”、“七五”期間以及“八五”的前期,，即引進(jìn)技術(shù),，消化吸收，初步建立起國產(chǎn)化體系階段,。在此階段,，由于改革開放和國家的重視，以及研究開發(fā)環(huán)境和國際環(huán)境的改善,，我國數(shù)控技術(shù)的研究,、開發(fā)以及在產(chǎn)品的國產(chǎn)化方面都取得了長足的進(jìn)步。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,，即實施產(chǎn)業(yè)化的研究,，進(jìn)入市場競爭階段。在此階段,，我國國產(chǎn)數(shù)控裝備的產(chǎn)業(yè)化取得了實質(zhì)性進(jìn)步,。在“九五”末期，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的國內(nèi)市場占有率達(dá)50％，配國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達(dá)到了10％,。 ! D# v! T# Z( i! ]+ ^) v& n     縱觀我國數(shù)控技術(shù)近50年的發(fā)展歷程,，特別是經(jīng)過4個5年計劃的攻關(guān)，總體來看取得了以下成績,。 0 o5 r+ f- y2 U9 M+ B6 L) h     a.奠定了數(shù)控技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ),，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術(shù)。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng),、伺服驅(qū)動,、數(shù)控主機(jī)、專機(jī)及其配套件的基礎(chǔ)技術(shù),，其中大部分技術(shù)已具備進(jìn)行商品化開發(fā)的基礎(chǔ),，部分技術(shù)已商品化、產(chǎn)業(yè)化,。     b.初步形成了數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地,。在攻關(guān)成果和部分技術(shù)商品化的基礎(chǔ)上，建立了諸如華中數(shù)控,、航天數(shù)控等具有批量生產(chǎn)能力的數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)廠,。蘭州電機(jī)廠、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機(jī)生產(chǎn)廠以及北京第一機(jī)床廠,、濟(jì)南第一機(jī)床廠等若干數(shù)控主機(jī)生產(chǎn)廠,。這些生產(chǎn)廠基本形成了我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)基地。     c.建立了一支數(shù)控研究,、開發(fā),、管理人才的基本隊伍。 # P: G1 C7 E: e1 [9 h2 I) M% `4 Z. O     雖然在數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)以及產(chǎn)業(yè)化方面取得了長足的進(jìn)步,，但我們也要清醒地認(rèn)識到,，我國高端數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)，尤其是在產(chǎn)業(yè)化方面的技術(shù)水平現(xiàn)狀與我國的現(xiàn)實需求還有較大的差距,。雖然從縱向看我國的發(fā)展速度很快,，但橫向比（與國外對比）不僅技術(shù)水平有差距，在某些方面發(fā)展速度也有差距,，即一些高精尖的數(shù)控裝備的技術(shù)水平差距有擴(kuò)大趨勢,。從國際上來看，對我國數(shù)控技術(shù)水平和產(chǎn)業(yè)化水平估計大致如下,。     a.技術(shù)水平上,，與國外先進(jìn)水平大約落后10～15年，在高精尖技術(shù)方面則更大,。 5 a0 w/ R. X, F8 S: D2 C5 [     b.產(chǎn)業(yè)化水平上,，市場占有率低,，品種覆蓋率小，還沒有形成規(guī)模生產(chǎn),；功能部件專業(yè)化生產(chǎn)水平及成套能力較低,；外觀質(zhì)量相對差；可靠性不高,，商品化程度不足,；國產(chǎn)數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應(yīng)，用戶信心不足,。 / K2 h2 T1 h; c6 T     c.可持續(xù)發(fā)展的能力上,，對競爭前數(shù)控技術(shù)的研究開發(fā)、工程化能力較弱,；數(shù)控技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域拓展力度不強(qiáng),；相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的研究、制定滯后,。 ' \7 H9 g& P* a& l; J" m! I' Q     分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面,。     a.認(rèn)識方面。對國產(chǎn)數(shù)控產(chǎn)業(yè)進(jìn)程艱巨性,、復(fù)雜性和長期性的特點認(rèn)識不足；對市場的不規(guī)范,、國外的封鎖加扼殺,、體制等困難估計不足；對我國數(shù)控技術(shù)應(yīng)用水平及能力分析不夠,。     b.體系方面,。從技術(shù)的角度關(guān)注數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候多，從系統(tǒng)的,、產(chǎn)業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產(chǎn)業(yè)化問題的時候少,；沒有建立完整的高質(zhì)量的配套體系、完善的培訓(xùn),、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)等支撐體系,。 - U+ Y, z/ y4 w, o4 V4 L, {! [% B     c.機(jī)制方面。不良機(jī)制造成人才流失,，又制約了技術(shù)及技術(shù)路線創(chuàng)新,、產(chǎn)品創(chuàng)新，且制約了規(guī)劃的有效實施,，往往規(guī)劃理想,，實施困難。     d.技術(shù)方面,。企業(yè)在技術(shù)方面自主創(chuàng)新能力不強(qiáng),，核心技術(shù)的工程化能力不強(qiáng),。機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)落后，水平較低,，數(shù)控系統(tǒng)新標(biāo)準(zhǔn)研究不夠,。     3 對我國數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考 5 b* p( X2 I% m' H; A 3.1 戰(zhàn)略考慮 q% M4 E8 k: a: ?$ \. d( k" ~) \! q     我國是制造大國，在世界產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移中要盡量接受前端而不是后端的轉(zhuǎn)移,，即要掌握先進(jìn)制造核心技術(shù),，否則在新一輪國際產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整中，我國制造業(yè)將進(jìn)一步“空芯”,。我們以資源,、環(huán)境、市場為代價,，交換得到的可能僅僅是世界新經(jīng)濟(jì)格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”,，而非掌握核心技術(shù)的制造中心的地位，這樣將會嚴(yán)重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進(jìn)程,。 0 l; B* Q% F) i% l* r+ m     我們應(yīng)站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術(shù)和產(chǎn)業(yè)問題,，首先從社會安全看，因為制造業(yè)是我國就業(yè)人口最多的行業(yè),，制造業(yè)發(fā)展不僅可提高人民的生活水平,，而且還可緩解我國就業(yè)的壓力，保障社會的穩(wěn)定,；其次從國防安全看,，西方發(fā)達(dá)國家把高精尖數(shù)控產(chǎn)品都列為國家的戰(zhàn)略物質(zhì)，對我國實現(xiàn)禁運和限制,，“東芝事件”和“考克斯報告”就是最好的例證,。 2 L/ z( `: s8 `$ V1 Y2 h9 j# ?3 @9 d 3.2 發(fā)展策略     從我國基本國情的角度出發(fā)，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經(jīng)濟(jì)的市場需求為導(dǎo)向,，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產(chǎn)業(yè)化水平為目標(biāo),，用系統(tǒng)的方法，選擇能夠主導(dǎo)21世紀(jì)初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關(guān)鍵技術(shù)以及支持產(chǎn)業(yè)化發(fā)展的支撐技術(shù),、配套技術(shù)作為研究開發(fā)的內(nèi)容,，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展。 0 r. n: h' h$ M9 k& ?* b" X     強(qiáng)調(diào)市場需求為導(dǎo)向,，即以數(shù)控終端產(chǎn)品為主,，以整機(jī)（如量大面廣的數(shù)控車床、銑床,、高速高精高性能數(shù)控機(jī)床,、典型數(shù)字化機(jī)械、重點行業(yè)關(guān)鍵設(shè)備等）帶動數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關(guān)功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機(jī),、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產(chǎn)規(guī)模問題,。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產(chǎn)品；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產(chǎn)品,；當(dāng)然,，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日。     在高精尖裝備研發(fā)方面,，要強(qiáng)調(diào)產(chǎn),、學(xué)、研以及最終用戶的緊密結(jié)合,，以“做得出,、用得上、賣得掉”為目標(biāo),，按國家意志實施攻關(guān),，以解決國家之急需。     在競爭前數(shù)控技術(shù)方面,，強(qiáng)調(diào)創(chuàng)新,，強(qiáng)調(diào)研究開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)的技術(shù)和產(chǎn)品，為我國數(shù)控產(chǎn)業(yè),、裝備制造業(yè)乃至整個制造業(yè)的可持續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ),。