數控技術的發展概述及未來展望

侯孟暉

摘 要：數控技術在工業自動化生產方面起著重要作用，是現代化工業生產中不可缺少的一部分。我國在數控技術方面起步較晚，基礎薄弱且沒有形成品牌效應，但近些年來在中國智造2025、中德工業4.0項目以及“互聯網+”戰略的推動下實現了迅速的發展。未來大數據技術和量子信息技術的發展會對數控行業產生深遠的影響。數控技術會在功能上實現智能化，結構上實現模塊化，產品性能上更加追求高精度和高效率。

關鍵詞：數控技術 中國智造2025 大數據 量子信息技術 智能化

中圖分類號：TS642 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）02-0-02

一、前言

數控技術（Numerical Control， NC），現在也被稱為計算機數控技術，是一種通過計算機強大的數據存儲/傳輸/分析/運算功能來給出數字程序控制的指令，實現機械設備相關操作控制的技術。世界上的第一臺數控機床在1952年誕生于美國，由此開啟了機械制造工業數字化時代的篇章。經歷了60余年的發展，數控行業已經形成了非常成熟的技術體系，數控技術在車輛交通、遠洋船舶、航空航天、國防工業等高新技術領域扮演著舉足輕重的角色。

數控機床作為數控技術在工業生產流程中的典型應用，是將計算機技術與普通機床有機地結合起來，其既具備普通機床車削、沖壓零件等加工功能，也具有計算機數字化控制的特點。在工業生產中技術人員把零件的加工工藝路線、工藝參數、刀具的運動軌跡、位移量、切削參數等信息按照數控機床規定的指令代碼編寫并將結果輸入到數控機床中，從而使數控機床實現自動化生產的功能。

我國數控技術的發展時間較短。數控系統是專業化程度極高的計算機科學工程應用成果，我國缺乏足夠多的數控系統軟件開發人才，在機床機械制造方面積累的經驗也不充分，因此導致了我國的數控行業發展水平與世界一流之間還存在一定的差距。我國數控技術的產品設計、制造精度、質量性能等方面與國外先進水平之間存在大概5-10年的差距，而在高精尖技術產品方面這一差距拉大到10-15年。目前我國國產數控機床基本面向的是中低端市場，在市場數量占有率約為50%的基礎上價值量占有率僅為30%左右，其原因在于國產數控機床的關鍵功能部件嚴重依賴進口，產品的可靠性沒有信譽保證，同時國內企業普遍缺乏技術創新能力，導致了其產品競爭力的不足。

在電子信息技術和互聯網發展日新月異的今天，越來越多的國家開始重視數控機床的研發和生產，數控技術也隨之越來越成熟。在建設創新強國的戰略推動下，中國也逐漸注重高新技術產業的發展和技術人才的培養，數控機床作為高新技術產業中不可缺少的一部分，在近些年得到了空前的發展，并逐步開始在國際市場中逐漸嶄露頭角。

二、數控行業發展的宏觀環境

1.中國制造2025

中國制造2025是為了推動我國由目前的制造大國逐步轉型升級成為真正意義上的制造強國而出臺的重要發展綱領。中國制造2025的重點主攻方向即為智能制造，旨在沿循工業化與信息化深度融合的發展主線，依托互聯網迅猛發展并廣泛滲透到傳統制造行業中的趨勢背景，在包含了高檔數控機床和機器人的十個核心關鍵領域進行重點技術研發，以期促進中國制造業的轉型升級，讓簡單代工的中國制造升級成為具備雄厚科創實力支撐的中國創造，中國裝備真正成為國內制造業的中流砥柱，中國品牌在國際市場上真正受到認可，實現工業基礎能力的強化與工藝水平和產品質量的提升，讓中國制造業真正躋身美國、德國、日本所在的世界先進陣營，智能制造、綠色制造、尖端制造成為中國制造的新名片。

數控系統是制造裝備中的關鍵基礎部件，其關鍵技術的創新能極大地提升我國數控機床的核心競爭力。在中國制造2025的戰略推動下實施的“高檔數控機床與基礎制造裝備”國家科技重大專項已經初步補上了我國高檔數控機床“缺心少腦”的短板，在五軸聯動機床精度的檢測標準、以8萬噸大型模鍛壓力機為代表的重型數控鍛壓/沖壓設備、精密臥式加工中心、數控立柱移動立式銑車床等重點產品項目上已經達到國際一流水平。截止2016年專項投入力量研發的國產高檔數控系統已經初步具備了產品競爭力并在逐漸擴大國內市場的占有率，以滾動功能部件為例，市場占有率相較于2009年的不足5%提升到約20%，多項技術指標和測試水平都躍居世界先列。在中國制造2025的頭一個十年，數控機床專項將進一步助力我國基礎制造裝備水平的穩步發展提升。

2.中德工業4.0項目合作

工業4.0最初是由德國政府提出的概念，德國是傳統的工業制造強國，在高精數控機床方面西門子作為老牌的生產企業一直享有很高的聲譽。工業4.0作為其頒布的《德國2020高技術戰略》中的十大未來項目之一，旨在依托互聯網及人工智能等計算機新技術的發展提升制造機器強化訓練與自我學習的能力，實現對整個工業生產流程和產品質量的超精確控制和最優化配置。2014年中德雙方簽署的《中德合作行動綱要》中就明確指出兩國政府需要出臺具體的激勵政策，推動企業積極參與到工業4.0的進程中，最終達到工業的數字化。

中德合作的工業4.0希望引發以智能制造為主導的又一次工業革命，其本質是利用信息物理系統將生產中的制造、供應、銷售信息數據化、智慧化，并形成有效的信息共享和交流的網絡，最終實現快速、有效且富有個性化的完整產品智能供應體系的建立。可以看出，信息與交流是工業4.0最大的特征。

工業4.0時代的數控行業將運用智能監控、遠程診斷、云服務、大數據分析、狀態及時推送等智能服務，使得生產制造更加靈活可控，產品供應的客戶體驗將更加全面深入。同時整個數控行業的機床利用率、工作可靠性以及適用范圍都將得到大幅度的提升。隨著信息交互的廣泛深入，以數控系統為例的產品開發周期將顯著縮短，未來數控行業市場復雜的個性化的需求將能被可重構、適應能力強的研發/生產/制造系統以相較于當下更低的成本來滿足。總的來說，在未來工業4.0的環境下，數控系統產品的市場競爭力和整個行業的發展能力都能得到不斷的提高。因此當下的中國數控行業應當抓住這一利好政策帶來的寶貴機遇，實現自身的跨越式發展。

3.互聯網+戰略推動

近些年伴隨著以人工智能為代表的計算機科學技術的迅猛發展，互聯網越來越廣泛地滲透到傳統的工業生產體系和普通人的日常生活中。互聯網+戰略旨在利用互聯網的平臺，依托電子信息技術、互聯網技術等的飛速發展和普遍應用，把新興的互聯網產業和包括傳統行業在內的各行各業結合起來，在新的領域創造一種新的生態。一個典型的例子即是作為主要業務為搜索引擎的互聯網企業百度開始涉足無人駕駛汽車領域，在國外Google公司的人工智能開發成果也在自動駕駛汽車上開始路測。隨著高新計算機技術在數控機床上應用的比例逐漸升高，在可預見的未來，必定有越來越多的互聯網技術資源和投資涌入到相應行業中，這將會對包括數控機床在內的傳統機械電子行業帶來巨大的沖擊。因此國內的數控系統研發團隊或生產企業都應當抓住這一互聯網發展大潮所帶來的機遇與挑戰并存的關鍵期實現數控系統技術、市場等領域的“彎道超車”。

三、前沿技術對數控行業的影響

1.以大數據為依托的信息化技術

近年來依托互聯網產生的海量數據以及電子信息技術的飛速發展，人工智能等研究領域蓬勃發展。最典型的例子是Google公司的AlphaGo圍棋人工智能，該程序之所以能連續打敗世界著名棋手李世石和柯潔，很重要的一點在于其存儲了數量及其巨大的棋譜信息。它在作每一步的決策時，自動搜索與現局面最相似的棋譜，從而做出決策，并且把每次對決的信息都存儲起來，這樣就形成了不斷的學習決策能力。

數控機床產生的數據量與棋譜數據比起來有過之而無不及，但很多數據都是動態的，用了一次之后就丟掉了，沒有對數據價值進行有效評估，將一些重要的工藝參數作為普通數據丟棄掉了，這樣就造成加工每一個不同的零件，都有需要工程師重新設置加工參數，十分繁瑣而麻煩。如果能像Google的人工智能程序AlphaGo一樣，將每一次加工零件的參數存儲下來，對每一個特征的參數集中管理。下一次加工一個全新的零件，系統就會根據模型的幾何形狀自動搜索數據庫中相似的加工實例，自己進行參數優化，加工完成之后，再將這一次的加工信息儲存起來，這樣數控機床也就形成了學習與決策能力。當然，大數據的來源也不只限于實際加工過程。清華大學機床數控技術研究領域的專家葉佩青教授曾經提出開發“數控加工APP”的構想，即將世界各地的技術人員聯系起來，由計算機互聯網領域的科技人員提供數據分享平臺，實際工業生產流程中的加工者提供工藝參數，從而實現數控加工的互聯互通，這樣可以極大地提高效率。在目前“互聯網+”戰略的積極推動下，大數據技術已經廣泛地滲透到工業生產和日常生活中，在可預見的未來這一技術的應用將為數控行業的發展提供強勁的動力。

2.量子信息技術

大數據技術是在信息技術上的錦上添花，并沒有實現數控技術中核心領域的革命性突破。真正引發信息技術革命的是原理創新，而量子信息技術最為目前最前沿的信息技術，蘊藏著無窮的潛能。所謂量子信息技術，最核心的內容在于量子計算和量子通信。量子計算利用了量子的疊加態。 對于普通的門電路， 每一個開關只有1和0兩種可能的狀態，在一次實際的計算過程中只有1或0一種狀態，這就說明，每一個門開關只能參與一項運算，如果想要實現并行計算就只能增加門開關的數量，這就大大限制了計算速度的提高。而對于一個量子，不僅有 1和0兩種狀態，還擁有疊加態，人們可以控制外部條件使得該疊加態實例化，這樣一個量子可以同時參與兩項運算，兩個量子就可以同時參與四項運算，最終運算速度呈指數化增長，真正實現并行計算。量子通信利用了量子的糾纏原理。 處于糾纏狀態的兩個量子，不管距離多遠，當一個量子的狀態發生變化，另一個量子的狀態也將發生變化，實現了信息的光速傳播。這一原理曾經被愛因斯坦評價為“鬼魅般的超距離傳輸”，現在已經在實驗室中得到證實。從量子信息技術這幾個基本的概念就能看到其對數控行業的有著極其重大的意義。由于技術水平的限制，目前的數控行業為了能夠使機床實現實時控制， 不得不采用插補算法， 這是數控機床技術的重要一環，這是限于技術水平的無奈之舉，因為依靠現在計算機的計算能力，稍微復雜的計算就會產生嚴重的滯后。量子計算速度快的優勢將會使得數控系統響應時間大大縮短，并且沒有超調。數控系統內部的數據傳遞大量依靠高頻電磁信號，但工業生產環境充斥著各種電磁干擾，使得數控系統運行不穩定。而量子通信具有天然的抗干擾能力和保密能力，能夠完美解決高頻干擾問題。隨著量子信息技術的不斷突破，我們有理由相信未來數控行業會發生革命性的變化。

四、數控技術未來的發展趨勢

1.功能的發展趨勢

數控技術未來的功能的發展趨勢主要集中在界面圖形化功能、科學計算可視化功能和多媒體技術功能的實現和增強上。界面的圖形化將極大地降低用戶的操作復雜程度，科學計算的可視化可以極大地提高數控系統產品設計研發的效率，而多媒體技術功能能確保數控系統更加全面智能地處理多方面的信息，實現生產的即時監控，提高水平。

2.結構的發展趨勢

數控技術未來的結構發展趨勢主要集中在模塊化、網絡化、集成化等方面。數控機床結構的模塊化以及各個功能模塊的專門化都可以增強數控系統的適用范圍，豐富數控系統的種類層次。網絡化和集成化能夠保證數控系統可以從以往對于“點和線”的監測控制升級到“面和體”，這樣來適應未來的數控市場對于產品的動態需求，也更加方便大數據等互聯網技術與數控系統的無縫對接。

3.產品性能的發展趨勢

未來數控技術的發展趨勢必定包含對于產品的高性能的追求，以數控機床為例，要在高速、高效的性能方面有進一步地提升，在實際生產過程中縮短切割時間，不斷提高生產效率。未來的數控技術要具有更高的精度，從當前“外科手術式”的高精密加工的狀態過渡到超精密加工的狀態，在完善數控加工工藝的基礎上不斷提高產品的精密度。

五、結束語

未來數控技術必將以更廣泛的行業適用范圍、更優的產品生產結構、更高的準確加工精度、更好的用戶實際體驗為目標不斷發展。當前我國的數控行業與世界一流之前仍然在技術和市場占有率上都存在一定的差距，但是在中國制造2025、工業4.0以及互聯網+等宏觀戰略的推動下，我國的數控行業已經取得了一定的成就并正在努力躋身世界先列，我們有理由相信未來中國的數控技術能夠取得長足的發展，成為中國創造的嶄新名片。

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