數(shù)控技術和裝備發(fā)展趨勢及對策 , ^. ^" K2 K& c+ z, B4 T
摘要：簡要介紹了當今世界數(shù)控技術及裝備發(fā)展的趨勢及我國數(shù)控裝備技術發(fā)展和產業(yè)化的現(xiàn)狀,，在此基礎上討論了在我國加入WTO和對外開放進一步深化的新環(huán)境下，發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備,、提高我國制造業(yè)信息化水平和國際競爭能力的重要性,，并從戰(zhàn)略和策略兩個層面提出了發(fā)展我國數(shù)控技術及裝備的幾點看法。 6 L6 T3 X1 _: W$ q
裝備工業(yè)的技術水平和現(xiàn)代化程度決定著整個國民經濟的水平和現(xiàn)代化程度,，數(shù)控技術及裝備是發(fā)展新興高新技術產業(yè)和尖端工業(yè)（如信息技術及其產業(yè),、生物技術及其產業(yè)、航空,、航天等國防工業(yè)產業(yè)）的使能技術和最基本的裝備,。馬克思曾經說過“各種經濟時代的區(qū)別，不在于生產什么,，而在于怎樣生產,，用什么勞動資料生產”。制造技術和裝備就是人類生產活動的最基本的生產資料,，而數(shù)控技術又是當今先進制造技術和裝備最核心的技術,。當今世界各國制造業(yè)廣泛采用數(shù)控技術，以提高制造能力和水平,，提高對動態(tài)多變市場的適應能力和競爭能力,。此外世界上各工業(yè)發(fā)達國家還將數(shù)控技術及數(shù)控裝備列為國家的戰(zhàn)略物資，不僅采取重大措施來發(fā)展自己的數(shù)控技術及其產業(yè)，而且在“高精尖”數(shù)控關鍵技術和裝備方面對我國實行封鎖和限制政策,�,？傊罅Πl(fā)展以數(shù)控技術為核心的先進制造技術已成為世界各發(fā)達國家加速經濟發(fā)展,、提高綜合國力和國家地位的重要途徑,。
) h7 z2 ^$ v8 _/ L6 F6 E& b 數(shù)控技術是用數(shù)字信息對機械運動和工作過程進行控制的技術，數(shù)控裝備是以數(shù)控技術為代表的新技術對傳統(tǒng)制造產業(yè)和新興制造業(yè)的滲透形成的機電一體化產品,，即所謂的數(shù)字化裝備,，其技術范圍覆蓋很多領域：(1)機械制造技術；(2)信息處理,、加工,、傳輸技術；(3)自動控制技術,；(4)伺服驅動技術,；(5)傳感器技術；(6)軟件技術等,。5 V/ O$ l, i/ C! H" m
1 數(shù)控技術的發(fā)展趨勢
0 \5 ~6 b/ H/ a2 l6 ~& H 數(shù)控技術的應用不但給傳統(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)控技術的不斷發(fā)展和應用領域的擴大,，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］,。3 [, q. d& p- ]5 E
1．1 高速、高精加工技術及裝備的新趨勢 . n [2 R; }5 |9 N, S, W
效率,、質量是先進制造技術的主體,。高速、高精加工技術可極大地提高效率,，提高產品的質量和檔次,，縮短生產周期和提高市場競爭能力。為此日本先端技術研究會將其列為5大現(xiàn)代制造技術之一,，國際生產工程學會（CIRP）將其確定為21世紀的中心研究方向之一,。
9 x3 ]4 {( ]7 u 在轎車工業(yè)領域，年產30萬輛的生產節(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”的方法來制造機翼,、機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)結方式拼裝，使構件的強度,、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,。
6 }0 u. ~! @9 c+ l# |! Q% O 從EMO2001展會情況來看,，高速加工中心進給速度可達80m/min，甚至更高,，空運行速度可達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,，已經采用以高速加工中心組成的生產線部分替代組合機床,。美國CINCINNATI公司的HyperMach機床進給速度最大達60m/min，快速為100m/min,，加速度達2g,，主軸轉速已達60 000r/min。加工一薄壁飛機零件,，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12*!000r/mm和1g,。' G0 a6 t4 \0 @! V# K4 }
在加工精度方面，近10年來,，普通級數(shù)控機床的加工精度已由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入納米級(0.01μm),。; f* I4 c, }6 L' v9 B. x6 b2 p: z3 v8 [
在可靠性方面，國外數(shù)控裝置的MTBF值已達6 000h以上,，伺服系統(tǒng)的MTBF值達到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,、直線電機得到了快速的發(fā)展，應用領域進一步擴大,。6 x: o! i y% J4 P1 F# r
1.2 5軸聯(lián)動加工和復合加工機床快速發(fā)展
1 L8 M. @" V7 J$ B, n! x 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行切削，不僅光潔度高,，而且效率也大幅度提高,。一般認為，1臺5軸聯(lián)動機床的效率可以等于2臺3軸聯(lián)動機床,，特別是使用立方氮化硼等超硬材料銑刀進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),、主機結構復雜等原因,，其價格要比3軸聯(lián)動數(shù)控機床高出數(shù)倍，加之編程技術難度較大,，制約了5軸聯(lián)動機床的發(fā)展,。% J8 E- F( o& ?2 z% O b- m. z
當前由于電主軸的出現(xiàn)，使得實現(xiàn)5軸聯(lián)動加工的復合主軸頭結構大為簡化,，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。因此促進了復合主軸頭類型5軸聯(lián)動機床和復合加工機床（含5面加工機床）的發(fā)展,。' v0 K5 R; h+ p/ z+ z$ q" o
在EMO2001展會上,，新日本工機的5面加工機床采用復合主軸頭，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。( E) |! H6 f2 Q" N. r# I
1.3 智能化,、開放式,、網絡化成為當代數(shù)控系統(tǒng)發(fā)展的主要趨勢
. |3 _. _" G G; p- [ 21世紀的數(shù)控裝備將是具有一定智能化的系統(tǒng)，智能化的內容包括在數(shù)控系統(tǒng)中的各個方面：為追求加工效率和加工質量方面的智能化,，如加工過程的自適應控制,，工藝參數(shù)自動生成；為提高驅動性能及使用連接方便的智能化,，如前饋控制,、電機參數(shù)的自適應運算,、自動識別負載自動選定模型、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,、智能化的人機界面等,；還有智能診斷、智能監(jiān)控方面的內容,、方便系統(tǒng)的診斷及維修等。) M2 |+ T" m& m: K! |
為解決傳統(tǒng)的數(shù)控系統(tǒng)封閉性和數(shù)控應用軟件的產業(yè)化生產存在的問題,。目前許多國家對開放式數(shù)控系統(tǒng)進行研究,，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,，面向機床廠家和最終用戶，通過改變,、增加或剪裁結構對象（數(shù)控功能）,，形成系列化，并可方便地將用戶的特殊應用和技術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品,。目前開放式數(shù)控系統(tǒng)的體系結構規(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)工具等是當前研究的核心。5 q0 a" b: |* }$ ^
網絡化數(shù)控裝備是近兩年國際著名機床博覽會的一個新亮點,。數(shù)控裝備的網絡化將極大地滿足生產線,、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)、全球制造的基礎單元,。國內外一些著名數(shù)控機床和數(shù)控系統(tǒng)制造公司都在近兩年推出了相關的新概念和樣機,，如在EMO2001展中,，日本山崎馬扎克（Mazak)公司展出的“CyberProduction Center”（智能生產控制中心，簡稱CPC),；日本大隈（Okuma）機床公司展出“IT plaza”（信息技術廣場,，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)控機床加工向網絡化方向發(fā)展的趨勢。
# `* E7 @; C" K# O3 E; A) h 1.4 重視新技術標準,、規(guī)范的建立* r1 @6 f) B1 `
1.4.1 關于數(shù)控系統(tǒng)設計開發(fā)規(guī)范2 X' {# A% h$ H: z. I$ P
如前所述,，開放式數(shù)控系統(tǒng)有更好的通用性、柔性,、適應性,、擴展性，美國,、歐共體和日本等國紛紛實施戰(zhàn)略發(fā)展計劃,，并進行開放式體系結構數(shù)控系統(tǒng)規(guī)范(OMAC、OSACA,、OSEC)的研究和制定,，世界3個最大的經濟體在短期內進行了幾乎相同的科學計劃和規(guī)范的制定，預示了數(shù)控技術的一個新的變革時期的來臨,。我國在2000年也開始進行中國的ONC數(shù)控系統(tǒng)的規(guī)范框架的研究和制定,。( V4 W3 s6 o3 o' C2 ]3 a8 _/ y" {
1.4.2 關于數(shù)控標準 % a$ @4 A5 o& [: y+ s' M
數(shù)控標準是制造業(yè)信息化發(fā)展的一種趨勢。數(shù)控技術誕生后的50年間的信息交換都是基于ISO6983標準,，即采用G,，M代碼描述如何（how）加工，其本質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)標準ISO14649（STEP－NC),，其目的是提供一種不依賴于具體系統(tǒng)的中性機制，能夠描述產品整個生命周期內的統(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)領域產品信息的標準化。
: V+ p! H4 K5 N) c) O STEP-NC的出現(xiàn)可能是數(shù)控技術領域的一次革命,，對于數(shù)控技術的發(fā)展乃至整個制造業(yè),，將產生深遠的影響。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上。而在新標準下,，NC程序可以分散在互聯(lián)網上,，這正是數(shù)控技術開放式、網絡化發(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％）,。
. n- G. H c( b3 l: L, d 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,、廠商和學術機構。美國的STEP Tools公司是全球范圍內制造業(yè)數(shù)據(jù)交換軟件的開發(fā)者,，他已經開發(fā)了用作數(shù)控機床加工信息交換的超級模型(Super Model)，其目標是用統(tǒng)一的規(guī)范描述所有加工過程,。目前這種新的數(shù)據(jù)交換格式已經在配備了SIEMENS,、FIDIA以及歐洲OSACA-NC數(shù)控系統(tǒng)的原型樣機上進行了驗證。) c/ u5 i( E5 Q6 r5 K
2 對我國數(shù)控技術及其產業(yè)發(fā)展的基本估計3 C$ c# ]9 v+ Z! \$ ?& }: N' ~7 ~3 W
我國數(shù)控技術起步于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,，由于國外的技術封鎖和我國的基礎條件的限制,，數(shù)控技術的發(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,，即引進技術，消化吸收,，初步建立起國產化體系階段,。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)控技術的研究、開發(fā)以及在產品的國產化方面都取得了長足的進步,。第三階段是在國家的“八五”的后期和“九五”期間,，即實施產業(yè)化的研究，進入市場競爭階段,。在此階段,，我國國產數(shù)控裝備的產業(yè)化取得了實質性進步,。在“九五”末期，國產數(shù)控機床的國內市場占有率達50％,，配國產數(shù)控系統(tǒng)（普及型）也達到了10％,。
4 b1 R. X$ A3 ^# Z" M# t9 A8 ^" d 縱觀我國數(shù)控技術近50年的發(fā)展歷程，特別是經過4個5年計劃的攻關,，總體來看取得了以下成績,。, D/ h7 M1 n: M& p1 l4 V8 j" F
a.奠定了數(shù)控技術發(fā)展的基礎，基本掌握了現(xiàn)代數(shù)控技術,。我國現(xiàn)在已基本掌握了從數(shù)控系統(tǒng),、伺服驅動、數(shù)控主機,、專機及其配套件的基礎技術,，其中大部分技術已具備進行商品化開發(fā)的基礎，部分技術已商品化,、產業(yè)化,。% Y: ^+ ?; u/ c# [
b.初步形成了數(shù)控產業(yè)基地。在攻關成果和部分技術商品化的基礎上,，建立了諸如華中數(shù)控,、航天數(shù)控等具有批量生產能力的數(shù)控系統(tǒng)生產廠。蘭州電機廠,、華中數(shù)控等一批伺服系統(tǒng)和伺服電機生產廠以及北京第一機床廠,、濟南第一機床廠等若干數(shù)控主機生產廠。這些生產廠基本形成了我國的數(shù)控產業(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,。雖然在數(shù)控技術的研究開發(fā)以及產業(yè)化方面取得了長足的進步,，但我們也要清醒地認識到，我國高端數(shù)控技術的研究開發(fā),，尤其是在產業(yè)化方面的技術水平現(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)控裝備的技術水平差距有擴大趨勢。從國際上來看,，對我國數(shù)控技術水平和產業(yè)化水平估計大致如下,。 0 u* H: {( |: y% S+ E$ E; X
a.技術水平上，與國外先進水平大約落后10～15年，在高精尖技術方面則更大,。$ s x% x c {5 J$ q
b.產業(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,；功能部件專業(yè)化生產水平及成套能力較低；外觀質量相對差,；可靠性不高,，商品化程度不足；國產數(shù)控系統(tǒng)尚未建立自己的品牌效應,，用戶信心不足,。( Q9 @1 w& V0 ^% g0 z
c.可持續(xù)發(fā)展的能力上，對競爭前數(shù)控技術的研究開發(fā),、工程化能力較弱,；數(shù)控技術應用領域拓展力度不強；相關標準規(guī)范的研究,、制定滯后,。
. M; _. a: Y& m) J0 d4 E 分析存在上述差距的主要原因有以下幾個方面。% o* D; N* N2 Q c% J& N/ Z
a.認識方面,。對國產數(shù)控產業(yè)進程艱巨性,、復雜性和長期性的特點認識不足；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)控技術應用水平及能力分析不夠,。& B7 ^; u7 t8 f: B
b.體系方面。從技術的角度關注數(shù)控產業(yè)化問題的時候多,，從系統(tǒng)的,、產業(yè)鏈的角度綜合考慮數(shù)控產業(yè)化問題的時候少；沒有建立完整的高質量的配套體系,、完善的培訓,、服務網絡等支撐體系。
{: T2 L6 x( ^) V! v0 D c.機制方面,。不良機制造成人才流失,，又制約了技術及技術路線創(chuàng)新、產品創(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。
$ P) j7 b' Y, [ @& M" X( E1 L d.技術方面,。企業(yè)在技術方面自主創(chuàng)新能力不強,，核心技術的工程化能力不強。機床標準落后,，水平較低,，數(shù)控系統(tǒng)新標準研究不夠。
, O/ b+ ~( Z& H 3 對我國數(shù)控技術和產業(yè)化發(fā)展的戰(zhàn)略思考, _4 s- w/ l+ A: o! V
3.1 戰(zhàn)略考慮
8 }. _+ \# e! A! N9 S 我國是制造大國,，在世界產業(yè)轉移中要盡量接受前端而不是后端的轉移,，即要掌握先進制造核心技術，否則在新一輪國際產業(yè)結構調整中,，我國制造業(yè)將進一步“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濟格局中的國際“加工中心”和“組裝中心”，而非掌握核心技術的制造中心的地位,，這樣將會嚴重影響我國現(xiàn)代制造業(yè)的發(fā)展進程,。
+ F% B" \1 `' j( l/ @# j$ Y/ I! J" y3 c 我們應站在國家安全戰(zhàn)略的高度來重視數(shù)控技術和產業(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)達國家把高精尖數(shù)控產品都列為國家的戰(zhàn)略物質,，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。/ i9 ?) S. |/ ]+ Y; P3 D6 j
3.2 發(fā)展策略
. |( l9 p, T6 Y" E8 w7 y 從我國基本國情的角度出發(fā),，以國家的戰(zhàn)略需求和國民經濟的市場需求為導向,，以提高我國制造裝備業(yè)綜合競爭能力和產業(yè)化水平為目標，用系統(tǒng)的方法,，選擇能夠主導21世紀初期我國制造裝備業(yè)發(fā)展升級的關鍵技術以及支持產業(yè)化發(fā)展的支撐技術,、配套技術作為研究開發(fā)的內容，實現(xiàn)制造裝備業(yè)的跨躍式發(fā)展,。8 s {' w7 S: ~6 [! q
強調市場需求為導向,，即以數(shù)控終端產品為主，以整機（如量大面廣的數(shù)控車床,、銑床,、高速高精高性能數(shù)控機床、典型數(shù)字化機械、重點行業(yè)關鍵設備等）帶動數(shù)控產業(yè)的發(fā)展,。重點解決數(shù)控系統(tǒng)和相關功能部件（數(shù)字化伺服系統(tǒng)與電機,、高速電主軸系統(tǒng)和新型裝備的附件等）的可靠性和生產規(guī)模問題。沒有規(guī)模就不會有高可靠性的產品,；沒有規(guī)模就不會有價格低廉而富有競爭力的產品,；當然，沒有規(guī)模中國的數(shù)控裝備最終難以有出頭之日,。 i1 B; b' L# q. \4 N" m
在高精尖裝備研發(fā)方面,，要強調產、學,、研以及最終用戶的緊密結合,，以“做得出、用得上,、賣得掉”為目標,，按國家意志實施攻關，以解決國家之急需,。# x( f. H0 U' Q! N6 l' d; B' z
在競爭前數(shù)控技術方面,，強調創(chuàng)新，強調研究開發(fā)具有自主知識產權的技術和產品,，為我國數(shù)控產業(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。
2 ~. z' U; N8 @4 O+ H |
發(fā)表于 2005-11-17 20:26:23
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