最火中国数控机床技术创新策略初探

中国数控机床技术创新策略初探

数控技术以其高效柔性化和加工精度稳定的特点已成为一项应用广泛的先进制造技术，它的深化发展将促进数控机床性能和质量的进一步提升，为国民经济和国防建设发展提供优异、适用的基础制造设备。

从1999年起中国数控金切机床（简称数控机床）产量一直保持较高增长速度，至2005年7年内平均年增长超过35%，2004年产量为51860台，同比年增长飙升至40.8%，处于“十五”期末的2005年增幅虽回落至15%，但产量仍高达59636台，与1980年的600台产量相比，25年间数控机床的产量已增至100倍。2005年数控机床的消费量86000余台，同比年增长约15%。数控机床消费金额达64.3亿美元，同比年增长16.3%。2006年为“十一五”起始年，数控机床产销呈现出高开高走的良好态势，预计增幅将超过25%。

但是另一方面，进口数控机床数量也在逐年增加，而且进口数控机床金额的增长趋势更快。2005年数控机床的进口数量同比年增长仅1%，而进口金额的增长却达11%，从而导致国产数控机床在国内市场消费额中的所占比例仍仅30%左右。这一现象的主要原因在于，国内市场对技术和附加值高的高效精密数控机床和高性能大重型数控机床需求增长，要依靠进口解决。

本文将在分析中国数控机床持续平稳快速发展形成原因的基础上，探讨所面临的挑战，并从振兴中国数控机床市场占有率的角度着重于剖析数控机床及由其组成的制造系统（生产线）的技术现况及发展趋势，并初步探讨使其能适应变批量、多品种、高效优质、低成本以及具有快速响应的柔性的技术创新道路。

一、数控机床市场发展的动力剖析

促进中国数控机床市场发展的条件是国内经济建设的平稳快速增长和进入ＷＴＯ参与全球化市场竞争的大环境。中国已成为制造大国，并在政策和“十一五”规划引导下正向着具有创新活力的制造强国迈进。为此将从国内制造业发展需求拉动和产业投资拉动两方面来分析数控机床持续快速增长的一些内在原因。

1.汽车工业高速发展的需求拉动分析

现代汽车工业为适应全球化竞争对制造装备的选用趋向于更加高效柔性化的数控机床。“十五”期间中国数控机床累计总消费金额为205.8亿美元，同期汽车工业购置机床消费金额约1000亿元人民币,其中90%为数控机床，折合为112.5亿美元，约占国内数控机床消费的55%，居各制造业消费数控机床之首（图1）。

图1 中国各制造业消费的数控机床金额比例

汽车工业的快速发展不仅占有了中国数控机床市场消费的“半壁江山”，而且其销售收入的排名序位已由1990年的第15位跃升至2002年的第5位，仅次于信息电子、电力、冶金和化工之后，成为国民经济的一个主要支柱。因此汽车工业的增长必然会有力地拉动数控机床的市场消费的增长。表1列出了自1996年至2005年10年内汽车产量和数控机床消费量的数据。表1 年历年的汽车产量和数控机床消费量

表1中可看出，进入1999年以后汽车的产量和数控机床的消费量均出现持续平稳的快速增长，汽车产量的年增幅大于20万辆，数控机床消费量也未再出现负增长现象，两者间具有明显的相关性。

通过对历年汽车产量的年增长率（A）和数控机床消费量年增长率（B）间的回归分析得出数控机床年消费量的增长率为：

B=1.35A(1)

2006年汽车产量预计可达700万辆，增幅超过20%，按上述关系式预测数控机床的消费量的增幅大于28%。

2.超过1半(56%)的包装得到了回收而不是被燃烧掉产业投资拉动分析

数控机床作为先进的基础制造装备，它可广泛用于各个制造领域来提高制造业的劳动生产率，因此它与产业的投资存在着非常密切的关系。将从以下两个步骤得出投资与数控机床消费量增长率的关系。

首先，分析投资率对提高劳动生产率的关系。

其次，再推导出为获得一定的劳动生产率的增长率需要有相应的数控机床年消费量的增长率。

投资率与劳动生产率增长率的关系是通过对世界各先进工业国在发展制造业阶段的综合分析后得出。为了在宏观上有一定的相似性和可比性，选取了欧美先进工业国在大力发展制造业时期(上世纪60～７０年代)的平均数据，图２示出了一些国家的劳动生产率的增长率与产业投资占ＧＤＰ比例间的关系。

图2 制造业生产率增长率与产业投资的关系

（资料引自日本工业调查会1982）

由此可得出：

（1）制造业生产率的增长率Ｐr与产业投资占ＧＤＰ比率Ie间存性关系，对图２数据进行回归分析，其方程式为：

Ｐr＝(60Ie-8) /100(2)

随着产业投资比率Ie的增加将提升生产率的增长率。这里的产业投资不仅包括购买制造设备投资，也包括生产技术与设备创新研究开发的投资。从1998年以来中国产业投资比例一直保持在38%～40%，高于韩国的35%和日本在上世纪70年代的33%和90年代的30%。较高的投资率必然会拉动与制造业增长密切相关的先进的基础制造装备——数控机床的较快增长。

（2）从式(2)可知当投资率为40%时，生产率增长率可达1６%，而当生产率为零增长，即Pr=0时，则投资率Ie仍需13%，这说明即使不扩大再生产，仍需有一定的投资以补偿由于设备损耗和人口增长等降低劳动生产率的因素。

设备的投资对生产率增长率的作用，反映出作为加工设备的机床的消费量也将随生产率增长率作相应的增长，为简化分析在不考虑机床的创新所引起其生产能力提升的条件下，则机床消费量的增长率（α）将包含生产率增长率Pr以及补偿机床更新所需的机床消费量增加率（γ），即：

式中，β为机床更新率，如β=0.1，则为每年更新1/10使用至年限t0后的机床。由于α=f(Pr)为指数方程式，为便于直观分析在图3示出了t0=10年，β1=0.1和β2=0.2的两条曲线。根据式(2)和图3可以预测机床消费量的增长率α。例如：当投资占GDP比率Ie=40%，预计制造业生产增长率Pr=16%，并可由图3推出机床消费量的增长率α≈24%。

图3 机床消费量增长率与制造业生产率增长率的关系

通过需求拉动和投资拉动分析，均表明它们是形成中国数控机床消费量强劲增长的主要原因，使中国数控机床产业得到快速发展的最好机遇。但是在这大好形势下，同样面临着数控机床市场消费中进口比例居高不下的局面。

二、快速发展的数控机床产业所面临的挑战

从20世纪90年代后期起，由于工业现代化和国防与高技术工业的快速发展，对表徵先进制造装备的数控机床提出了旺盛的需求。在数控机床的技术水平方面，由于市场需求的拉动和国家科技计划引导与支持，中高档数控机床的开发也取得了较大的进展，在五轴联动、复合加工、高速加工、超精密加工和数字化设计等一批关键技术上取得了突破，自主开发了包括大型、五轴联动数控机床，精密及超精密数控机床和一些成套生产线，并形成了一批中档数控机床产业化基地。表2示出中档数控机床在产量中的比重由2000年的25%增至2004年的43.5%，提升了74%，同时高档数控机床也取得了可喜的进展。表2 各技术档次国产数控机床占年产量比例

在上述提及的良好发展形势下，一些统计数据也预示着需要注意的现象：

首先，从2000年起数控机床的产量虽有大幅增长，但从数量的满足率来讲，近年来一直徘徊在60%左右，而未呈现进一步增长的趋势。

其次，从市场消费额来看，进口数控机床的金额近几年一直约占消费额的70%左右（表3），进口的高档数控机床占全部进口金额的75%，达中国数控机床消费总额的57.5%。表3 进口数控机床的数量和金额占市场消费的比例

（编者注：由于对高档和低档数控机床的划分缺乏统一的标准等原因，不同人对高、中、低档在数控机床消费量和额中所占的比重的估算存在较大差异）

大量的高档数控机床的进口，主要由于以下三个领域发展的需求：

·高新技术和国防工业领域，如航空航天、舰船、轨道交通和核工业等关键零件加工需用的五轴联动高速大重型专门化或专用数控机床，涡轮盘高速铣床、激光陀螺和核聚变用镜片的超精密数控机床等。

·重大基础装备制造领域，如大型发电设备、大型工程机械、石化和冶金装备所需的大重型复合加工数控机床、高效五轴联动叶片加工数控机床等。

·国民经济支柱产业领域，如汽车制造业、IT制造业和模具制造业等关键零件加工需用的高效精密数控机床、高速五轴联动模具铣床和磁盘磁鼓超精密数控机床等。

上述领域中汽车发动机及关键零件加工的成套加快1体化进程生产线设备80%以上消费金额用于进口，一些大重型专门化或专用的高性能数控机床基本上从国外引进。

为此，突破高档数控机床及相应的高性能功能部件的关键技术，加强高性能大重型数控机床和高效精密数控机床以及超精密数控机床的研发和生产能力建设将成为“十一五”期间急需关注的任务。

三、数控机床技术发展趋势

以数控技术为核心的制造装备包含了控制系统、伺服驱动系统、编程系统、测量装置、刀具、物流和刀具自动输送系统、加工知识及其技艺以及生产规划和管理系统等技术。它们的发展趋势主要可归纳为如下：

1.持续提高经济加工精度

图4中示出了加工精度的过去和现状，并可从其曲线的趋势对未来做出预测，从该图中还可看到，加工精度的持续提高有赖于制造装备的创新和不断精化以及相应技术的发展。

图4 加工精度的进展（依据Taniguchi教授）

国外先进水平加工中心的工作位置精度和主轴回转精度平均每年提升10%，即每隔8年其误差约减小一半。也就是说，随着时间的推移，原来需要精密机床所能达到的加工精度，现在用普通精度的机床就能达到。

随着机床工作精度的提高以及近净成形技术的发展替代了一般表面的加工，预期至2020年微米级（0.0013者均要求节俭资源、节俭能源、提高利用率mm）加工精度技术将替代目前量大面广的道级（0.01mm）加工精度，成为加工领域的主流技术。超精密加工机床加工精度也将由亚微米（0.1μm）级、深亚微米（0.01μm）级提升至纳米级，同时迅速扩大其在制造业中的应用范围。

表4示出了当前不同精度等级数控机床所达到的加工精度的先进水平。 表4 各种加工领域达到的先进水准

2. 推进以高效为目标的全面高速化

与精度的持续提升一样，高速化加工已从单一的高速切削发展到全面高速化。不仅要缩短切削时间，也要力求降低辅助时间和技术准备时间。即除了提高主轴转速和进给速度外，还要提高快移速度与加（减）速度，缩短主轴起动、制动时间，减少刀具自动交换时间与工件托盘自动交换时间等，来减少辅助时间并通过生产信息集成管理和规划以及CAM等来进一步缩短技术准备时间。

对现有数控机床使用情况统计得出：其机床利用率（有效切削时间与全部工时之比）仅为%，其余的%均消耗在机床调整、程序运行检查、空行程、起制动空运转、工件上下料和装夹等辅助时间以及待工时间（由于技术准备和调度不及时引起的非工作时间）与故障停机时间上。因此需通过提高各轴快移速度和加（减）速度、主轴变速的角加（减）速度、刀具（工件）自动交换速度，改善试片可以模压或通过制品进行切割、打磨制得数控系统的操作方便性和监控功能以及加强信息管理，才有可能全面压缩辅助时间和减少待工时间，使数控机床的切削时间利用率达到60%~80%。

在推进加工制造过程全面高速化发展中，下列三项技术发挥了重要的作用：

(1)电主轴技术：它包括内装电机结构、驱动控制和双面过定位刀柄结构等，保证主轴实现大功率、高转速运行。

(2)直接驱动技术：它包括由直线电机驱动线性轴运动和由力矩电机直接驱动回转轴运动，它们的无摩擦、“零中间传动件”提高了快速运动的加速性和平稳性。

(3)高速高精数字化控制技术：它是用于抑制或消除由于高速化所引起跟踪误差、热误差和颤振等负面影响的先进控制技术。

3. 复合加工机床向产品多样化发展

多功能复合加工机床简称复合机床（Complex Machine Tool），或称多功能加工（Multi-Functional Machining ）或完全加工（Complete Machining或End to End Machining）机床。

复合机床的含义是在一台机床上实现或尽可能完成从毛坯至成品的全部加工。复合机床根据其结构特点，可以分为如下两类：

(1)跨加工类别的复合机床，如车铣中心、铣车中心、激光铣削加工机床等。

(2)多面多轴联动加工的复合机床。

增加数控机床的复合加工功能将进一步提高其工序集中度，不仅可减少多工序加工零件的上下料时间，而且更主要地可避免零件在不同机床上进行工序转换而增加的工序间输送和等待的时间，尤其在未组成有效的生产线的条件下，这种工序间的等待时间将远远地超过零件在机床上的工作时间，从而延长了零件的生产周期。

复合数控机床则具有良好的工艺适用性，避免了在制品的储存和传输等环节，有力地支持了准时制造（JIT），因此对它的研发已被给予极大的关注。复合数控机床呈现出多样性的创新结构。

4. 加强工艺适用性

通过对机床布局和结构的创新，使对不同类型的零件有最佳的加工适用性。因为随着机械产品的性能优化和轻量化，其零件和构件的形状、尺寸和精度呈现多样性，很难用少数几种标准的、通用的机床结构来最佳地满足多方面的工艺要求。

这种“个性化”结构趋向虽有为了产品竞争需要的因素，但更主要的是体现了如何能更好地适应用户的需求。尤其对一些批量生产的零件，更希望有最佳工艺适用性的专门化数控机床。

要解决品种多样化与经济性的矛盾，这就对机床的模块化设计提出了更高的要求，近年来对并联机构机床和混联机构机床的研究以及对可重构机床（Reconfigurable Machine Tool，简称RMT）技术的探索，反映了对制造装备能更方便地实现个性化、多样化发展的一个追求。

5. 敏捷制造系统

柔性制造系统（FMS）和柔性制造单元(FMC)作为一种高生产率的多品种自动化生产系统，于上世纪70年代初开始研制，于80年代得到很大的发展。到90年代初由于大批量生产的制造业如汽车工业产品更新加快，出现了多品种生产的需求，要求自动线柔性化，发展了用数控机床构建的柔性生产线（FML），由此也推动了结构简约的高速化数控机床的发展。

回顾近10年来制造系统的发展历程，基本上遵循以下两个方向：

(1)增强制造系统的智能化和自治管理功能，以提高FMC/FMS的快速响应能力。

(2)发展具有能兼顾柔性、高效、低成本和高质量且便于功能重组的新型的可重构制造系统（RMS）。

6. 完善配套装置和功能部件的品种与质量

除了数控系统和伺服驱动装置外，关键的功能部件如电主轴、刀具自动交换系统、滚动导轨副、滚动丝杠驱动副、双摆主轴头、双摆回转台和自动转位刀塔等在国外均有一些著名的专业化生产厂，这对保证产品质量，增长整机的可靠性和降低成本起着重要的作用。

数控系统的可靠性仍在继续增长，如FANUC公司的数控系统在90年代达到月故障率0.008，相当于平均无故障时间125个月（约40000小时以上），对保证整机可靠性起着重要的作用。

四、数控机床的技术创新探讨

在数控机床的核心技术和共性技术支撑下，研发功能适用、性能优异的功能部件，并应用整机优化与集成技术以及优良的制造技术才能生产出具有竞争能力的高品质机床。图5示出数控机床5项核心技术和2项共性技术。核心技术的创新将是提升产品技术含量的关键，共性技术的创新将是推进产品质量增长的保障。图中还示出了数控机床在关键技术、功能部件技术和整机优化技术的三个层次的构架。

技术创新策略有以下五个方面：

图5 数控机床技术创新的三个层次

技术创新策略有以下五个方面：

1) 适应数字化制造的发展，作为主要制造装备的数控机床和系统，需具有如下（FIS）3的特性。即：

3F：柔性化（Flexibility）、联盟化（Federalization）、新颖化（Fashion）；

3I：集成化（Integration）、信息化（Information）、智能化（Intelligence）；

3S：系统化（System）、软件化（Software）、个性化（Speciality）。

2）数控机床及其制造系统的三个主要发展方向

以全面高速化为先导，推进μ级工程，发展高性能高可靠性功能部件，提高数控机床综合性能，研发适应汽车工业等需要的高效精密机床；

发展复合功能数控机床、缩短过程链，适应单件、中小批生产的高效柔性制造；

研究基于生产线布局和制造装备可重构的快速制造系统是大批量生产的最佳方案。

3）建立明确的可靠性增长目标

采取精心的简约结构设计、通过可靠性测评实验，确定薄弱环节和改进措施，重视选购高品质配套件、严格控制制造质量，发展人机友好操作界面以及加强维护和注重维修故障分析，将有利于数控机床可靠性的增长，使MTBF≥500h。

4）数控机床的加工精度持续提升

根据市场的需求进行持续提升，要注意精度与高效、高速及经济性的协调发展。超精密微细加工呈现出应用领域扩大趋势。

5）当前宜加强研究和发展下列数控机床及其组成的成套制造系统

·适用于汽车、摩托车和工程机械等关键零件加工的高效精密加工中心和车削中心；

·适用于航空、航天和高速列车框架及大型模具的高速大型专门化数控机床；

·适用于发电、船舶、冶金和军工等重型机械加工所需的大型和重型数控复合加工机床；

·适用于军工、航空航天、能源和微电子等精密非球面镜零件的数控超精密加工机床；

·适用于机床主轴、导轨等高精度偶件加工的数控专用工作母机。 (end)