张景丰 数控系统产业化发展的战略性思考.doc

摘要：随着制造技术的高速发展，传统的制造业开始了根本性变革，各发达国家投入巨资，对制造技术进行开发，提出了全新的制造模式。数控系统是数控机床装备的核心关键部件，特别是对于国防工业急需的高档数控机床，高档数控系统是决定机床装备的性能、功能、可靠性和成本的关键因素。数控系统直接影响到一个国家的经济发展和综合国力，关系到一个国家的战略地位。关键词：数控系统、发展、战略性Abstract: With the rapid development of manufacturing technology, the traditional beginning of a fundamental change in the manufacturing sector, the developed countries to invest huge sums of money on the manufacturing technology for the development of a new manufacturing model. NC system is the core of CNC machine tools and equipment of key components, in particular the urgent need for the defense industrys high-end CNC machine tools, high-end CNC machine tools and equipment is to determine the performance, functionality, reliability and cost of key factors. NC system directly affects a countrys economic development and comprehensive national strength, the relationship between a countrys strategic position. Key words: numerical control system, development, and strategic第一章 对数控系统重要性的认识高档数控系统可以应用于数控机床的生产，也可以对原有的数控机床或非数控机床进行系统升级、改造。其具体的应用市场为机电行业，包括机械、电子、汽车、航空、航天、轻工、纺织、冶金、煤炭、邮电、船舶等。另外，航空航天、船舶制造、大型电站设备、石化和冶金设备、汽车制造等都是我国机床业的下游产业，都离不开高档机床，为机床业的发展提供了广阔的空间。 第二章 数控系统产业发展现状与发展趋势2.1 数控系统的发展现状在我国，数控系统与技术的发展已经得到了高度重视，近年来取得了相当大的进步。但是，由于中国技术水平和工业基础还比较落后，数控机床的性能、水平与工业发达国家相比，差距还是很大，尤其是数控系统的控制方面还较差，数控产业尚未真正形成。特别是在技术创新能力、商品化进程、市场占有率等方面情况尤为突出。为了使我们在国际竞争中有举足轻重的地位，将是数控研究开发部门和生产厂家所面临的重要任务。 我国数控系统按技术应用不同领域和复杂程度的阶段性为标准结合我国目前市场需求的实际情况，划分为三种型级，即经济型、普及型和高级型。 在经济型数控系统中，国产经济型数控系统由于适应我国用户的实际使用水平和机床制造企业数控技术配套要求，得到了广大用户的认同，已形成了规模优势，目前约占到我国整个数控系统市场的60%左右。 在普及型数控系统方面，经过多年的努力，我国逐步形成了以航天数控集团、机电集团、华中数控、蓝天数控等以生产普及型数控系统为主的国有企业。从技术水平上比较，国产普及型数控系统的功能、性能已接近国际水平，价格和服务方面还有较大优势，可靠性与国外系统的差距也显著缩小，这说明国产数控系统具有巨大的市场空间。 国产高档数控系统与国外相比，还存在比较大的差距。虽然国产五轴联动数控系统技术上已经取得了一定突破，但功能还不够完善，在实际应用中验证还不全面。国产高档数控系统的差距，还表现在产品的品种和种类不全，产业的系列化尚不够完善，因此制定我国高档数控系统领域总体战略目标，尽快研究和开发高性能数控系统是当务之急。 2.2数控系统的发展2.2.1性能的发展方向(1)高速高精高效化。速度、精度和效率是机械制造技术的关键性能指标。由于采用了高速CPU控制系统以及带高分辨率绝对式检测元件的交流数字伺服系统，同时采取了改善机床动态、静态特性等有效措施，机床的高速高精高效化已大大提高。(2)柔性化。包含两方面：数控系统本身的柔性，数控系统采用模块化设计，功能覆盖面大，可裁剪性强，便于满足不同用户的需求；群控系统的柔性，同一群控系统能依据不同生产流程的要求，使物料流和信息流自动进行动态调整，从而最大限度地发挥群控系统的效能。(3)工艺复合性。以减少工序、辅助时间为主要目的的复合加工，正朝着多轴、多系列控制功能方向发展。数控机床的工艺复合化是指工件在一台机床上一次装夹后，通过自动换刀、旋转主轴头或转台等各种措施，完成多工序、多表面的复合加工。(4)实时智能化。早期的实时系统通常针对相对简单的理想环境，其作用是如何调度任务，以确保任务在规定期限内完成。而人工智能则试图用计算模型实现人类的各种智能行为。技术发展到今天，实时系统和人工智能相互结合，人工智能正向着具有实时响应的、更现实的领域发展，而实时系统也朝着具有智能行为的、更加复杂的发展，由此产生了实时智能控制这一新的领域。在数控技术领域，实时智能控制的研究和应用正沿着几个主要分支发展：自适应控制、模糊控制、神经网络控制、专家控制、控制、前馈控制等。例如在数控系统中配备编程专家系统、故障诊断专家系统、参数自动设定和刀具自动管理及补偿等自适应调节系统，在高速加工时的综合运动控制中引入提前预测和预算功能、动态前馈功能，在压力、温度、位置、速度控制等方面采用模糊控制，使数控系统的控制性能大大提高，从而达到最佳控制的目的。（5）产品的成套性。数控系统包括CNC装置、主轴及进给伺服驱动装置，以及主轴电动机、进给电动机和与其相关的检测反馈元件。一个数控系统性能的好坏是与上述各个环节的性能密切相关的。为了满足机床用户厂的需要，数控设备生产厂都非常重视数控产品的成套性，使系统的各个环节都能很好地匹配，使用户获得最好的使用效果。2.2.2 功能发展方向(1)用户界面图形化。用户界面是数控系统与使用者之间的对话接口。由于不同用户对界面的要求不同，因而开发用户界面的工作量极大，用户界面成为计算机软件研制中的重要内容。当前INTERNET、虚拟现实、科学计算可视化及多媒体等技术也对用户界面提出了更高要求。图形用户界面极大地方便了非专业用户的使用，人们可以通过窗口和菜单进行操作，便于蓝图编程和快速编程、三维彩色立体动态图形显示、图形模拟、图形动态跟踪和仿真、不同方向的视图和局部显示比例缩放功能的实现。(2)可视化。科学计算可视化可用于高效处理数据和解释数据，使信息交流不再局限于用文字和语言表达，而可以直接使用图形、图像、动画等可视信息。可视化技术与虚拟环境技术相结合，进一步拓宽了领域，这对缩短产品设计周期、提高产品质量、降低产品成本具有重要意义。在数控技术领域，可视化技术可用于CAD/CAM，如自动编程设计、参数自动设定、刀具补偿和刀具管理数据的动态处理和显示以及加工过程的可视化仿真演示等。 (3)多媒体技术应用。多媒体技术集计算机、声像和通信技术于一体，使计算机具有综合处理声音、文字、图像和视频信息的能力。在数控技术领域，应用多媒体技术可以做到信息处理综合化、智能化，在实时监控系统和生产现场设备的故障诊断、生产过程参数监测等方面有着重大的应用价值。第三章 对促进数控系统与技术产业发展措施的思考国家“十二五”期间的目标是：建立起比较完备的数控系统自主创新体系，具有自主设计、开发和成套生产能力，使我国高档数控系统总体技术达到国际先进水平。创建国产自主品牌产品，普及型数控系统市场占有率达70%以上，具有较强的国际竞争能力；国产高档系统市场占有率达到50%以上，主要品种基本实现自给，推动装备制造业现代化。根据国家这一计划，应从以下方面做好工作：3.1 以科技创新为先导 ，推进技术进步。3.1.1 树立创新意识，努力掌握新数控系统的独创技术中国数控系统技术和产业经过40多年的发展，从无到有，从引进消化到拥有自己独立的自主版权，取得了相当大的进步。但回顾这几十年的发展，可以看到我们在数控领域的进步主要还是按国外一些模式，按部就班地跟踪模仿，真正创新的成分不多。例如，在国外模拟伺服推广时，我们才开始搞模拟伺服，技术上就已经落后了；在国外将脉冲驱动的数字式伺服打入我国市场时，我们又跟着搞数字伺服，但至今没形成大的市场规模；近来国外将数字式伺服发展到用网络与数控装置连接时，我们又跟着发展此类系统，前途仍不乐观。这种老是跟在别人后面走，按国外已有控制和驱动模式来开发国产数控系统，在技术上难免要滞后。 为改变这种现状，应大力加强数控领域的科技创新，努力研究具有中国特色实用的先进数控技术，逐步建立自己独立的、先进的技术体系。在此基础上大力发展符合中国国情的数控产品，从而形成从数控系统、数控功能部件到种类齐全的数控机床。 3.1.2 推进数控功能部件的专业化生产解决数控系统问题后，如何实现数控机床的模块化设计与制造便是我国机床制造企业快速响应市场需求，在竞争中获胜的另一关键。要实现数控机床的模块化设计制造，必须解决数控机床功能部件的专业化生产问题。(1)新型永磁电主轴单元。电主轴已成为国际市场上最热门的数控机床功能部件。但目前这类产品几乎都为感应异步型，存在以下突出问题：转子上存在绕组，有大电流流过，因此转子发热严重，直接影响主轴精度；低速出力小且转矩脉动大，难以满足宽范围切削要求；效率和功率因素低，不仅电机体积和重量大而且要求逆变器容量大、耗能多；控制系统复杂、成本高。 因此，利用我国稀土永磁材料的优势，开发新型大功率、高效率、宽调速范围永磁同步型交流电主轴单元，将可有效解决现有电主轴存在的问题，形成具有中国特色的新一代电主轴产品。由于永磁电主轴的机械结构和控制系统都较感应异步型电主轴简单，因此易于进行专业化大规模生产。当然，这还要攻克主轴支承（陶瓷轴承、流体动静压轴承、磁悬浮轴承）技术、高精度高速动平衡技术、高速驱动、检测与控制技术、高可靠性安全保证技术等关键技术(2)廉价的高性能伺服系统。目前，一套进给交流伺服系统（驱动器+电机）的价格一般都在万元以上，主轴伺服系统的价格高达数万元。大力开发廉价的高性能内装式伺服系统。由于内装式伺服的硬件部分只有电机和功率接口，充分利用我国的永磁资源优势，通过专业化生产可以把电机的造价降下来，而采用智能化的IPM模块作为功率接口也很便宜，因此将内装式进给伺服的价格控制在数千元以内，将内装式主轴伺服的价格控制在2万元以内是可行的。 (3)直线交流伺服系统。直线交流伺服系统是下一世纪数控机床不可缺少的功能部件，目前我国还没有成熟产品，因此应加强研究、开发和推广应用。考虑到常规机床的防磁问题较难解决，而并联机床的防磁相对容易，因此可为常规结构机床开发感应异步型直线电机，为并联结构机床开发永磁同步型直线电机，从而扬长避短，构成符合实际应用要求的新型高速高精度进给系统。在此基础上，可进一步开发将驱动与支承合二为一的磁悬浮工作台。(4)零传动数控转台与摆头。数控转台与摆头是多坐标数控机床的关键部件，传统的采用高精度蜗杆蜗轮等传动的转台与摆头不仅制造难度大、成本高，而且难以达到高速加工所需的速度和精度，因而必须另辟蹊径开发新型零传动（无机械传动链）数控转台和摆头，以促进我国高速高精度多坐标数控机床的发展。(5)高速高精度检测装置。高速高精度是下世纪数控机床发展的主题，这不但需要高性能的控制和驱动，同时还需要高品质的检测环节，因此应在现有技术基础上，进一步开发0.1 m以上精度的高速(60 m/min以上)线位移传感器和100万脉冲/r的角位移传感器，此类技术国外对我国是封锁的。3.1.3 开发新的数控产品对于高精度加工的要求，数控车床及加工中心主轴转速要求提高到1000020000r/min，这对采用传统的机械传动是很难实现的。因此，将电动机的电枢直接与机床的主轴做成一体的“电动主轴”，就成为生产中急需的产品。同样，为了实现高速移动，要求开发“直线电动机”，用以直接带动工作台直线运动。3.2 以需求为导向，尽力提高市场占有率3.2.1 数控系统市场需求分析目前我国经济型数控系统市场已趋于饱和。国外数控系统普及型数控系统市场已在市场上占统治地位，很难进入。国产高档数控系统目前只占整个数控系统市场的约2%，开拓市场的前景相当广阔。数控系统厂商只要抓住这一契机，开发属于自己的高档数控系统和技术，扩大市场，为国家高档数控系统的发展做出贡献。 （1）国内市场需求。近期，国家为扩大内需，通过加大技改投资和基础设施建设投资的措施来拉动国内市场消费。一是轿车、重型汽车等重要车型等行业的发展带动了数控机床工具的需求。二是军工等需求稳步上升，在航空、兵器等领域，改造项目的增加，也进一步扩大了数控设备需求。三是国家重点项目、重点工程、重点任务全面铺开，市场需求呈现出较高的增长，进一步拉动企业的技术改造和设备更新。近年启动和续建的重大工程有：三峡右岸的发电机组的制造，西气东输中段的全面开工及沿线各省、市的引进工程，南水北调工程，北京、上海、武汉、天津、重庆、长沙等大、中城市的地铁、轻轨工程、大化肥、大空分、西电东送等工程都会对机械制造带来市场的需求，这些产业直接或间接都会使机床工具行业的市场扩大。预计两年内国内市场上数控机床需求将达10万台以上，40以上为中高档型，消费将超过500亿元，国产数控系统的市场前景巨大。（2）国际市场需求。从近几年我国机床出口统计数据来看，数控机床的出口量和出口平均单价逐年上升，国际机床市场的消费主要是高档数控机床，目前世界数控机床消费趋势已从以数控电加工机床、数 控车床、数控铣床为主转向以加工中心、专用数控机床、成套设备为主，这正是我国机床行业的弱项，必须迎头赶上。3.2.2 产品必须适应市场需求近几年我国数控产品虽然发展很快，但真正在市场上站住脚的却不多。国产数控系统用于旧机床改造的例子较多，而装备新机床的却很少。机床厂出产的国产数控机床大多数用的都是国外的系统。这说明我们的数控系统与国外相比还存在相当大的差距。 影响我国数控系统和数控机床商品化的主要因素除技术性能和功能外，可靠性、稳定性和实用性也不强。以往，一些数控技术和产品的研究、开发部门，所追求的往往是一些体现技术水平的指标（如多少通道、多少轴联动、每分钟多少米的进给速度等等），而对影响实用性的一些指标和一些小问题却不太重视，在产品的稳定性、可靠性、实用性方面花的精力相对较少。另一方面，数控系统和数控机床不像家电类产品那样易于大批量生产。数控产品是在生产环境中使用，如果开发部门对这些问题掌握得不透，就难以将产品设计得很完善。而且数控产品的某些问题在开发、试用，甚至鉴定时都难以发现。这就造成，同样型号的数控机床在有的用户那儿运行得很好，而在别的用户那儿却表现欠佳。出现这种情况，有时是用户操作人员操作不当，但有时就是数控产品本身潜在问题的暴露。为解决这一问题，国外一些公司设立了专门机构来测试考验自己的产品，测试考验过程后，数控系统的潜在问题就大为减少。以往，我们的产品就很少进行这样严格的全面的自我测试考验。好些问题要等到用户去给我们挑出来。 因此，产品的适应性，应贯穿于技术研究、产品开发、试制、生产等的全过程中，从而将我们已有的技术水平较高的数控产品变成真正有市场的好商品。 3.2.3 抓好管理和营销经过20来年市场风雨的磨练，国人也越来越认识到，除了技术因素外，管理和营销就显得同样重要。例如，我国台湾生产的数控机床不但占领了大陆市场的相当大的份额，而且还打进了美国市场。他们就是靠企业管理和产品营销取得了成功。因此，经营管理能力和营销能力也是重要的环节。 3.2.4 加强售后服务数控系统和数控机床作为典型的高技术产品，对用户的技术支持和服务是相当重要的。以前国产数控产品丧失信誉的原因，除可靠性相对较差外，售后也缺乏有力的技术支持和服务。因此，为了取得数控产品市场竞争的全面胜利，应将售后的技术支持和服务当成重要工作来抓。目前，应当充分利用先进的信息技术手段，建立新一代立体化的技术支持和服务体系开辟新的途径。 第四章 结论与建议目前的金融危机，一方面给数控系统产业经营带来一定困难，同时成本的降低也是技术进步的机遇，随着科学技术的迅猛发展，21世纪将成为我国发展数控系统产业的绝佳时期，提高我国数控系统的技术性和竞争力将大力推动我国制造业的发展。但这需要企业与政府共同努力，才能做到。 首先在企业自身方面，应加大在高档数控系统、全数字交流伺服驱动等核心关键技术领域的研发，走产学研相结合的道路，集我国家的财力支持建立由研究机构、大学、系统厂组成的技术联盟和研发平台，共同开展数控系统共性与关键技