新時代我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)回顧與展望

崔 錕，衛(wèi)江紅，李 澤

(德州學(xué)院 機電工程學(xué)院 ，山東 德州 253023)

隨著國家綜合國力的不斷提升，我國的社會主義建設(shè)取得了世界矚目的歷史性成就，2014年我國首次超過美國成為世界第一大經(jīng)濟體這標志著我國已經(jīng)進入了一個新的發(fā)展階段。在這些成績的背后我們可以看到三大產(chǎn)業(yè)的發(fā)展在這中間起到了至關(guān)重要的作用，其中以裝備制造重工業(yè)為代表的第二產(chǎn)業(yè)在2017年國內(nèi)生產(chǎn)總值中占到40.5%工業(yè)增加值達到278328億元成為國家發(fā)展的重要組成部分。工業(yè)發(fā)展是世界各國都在緊張進行的重點任務(wù)，我國的工業(yè)發(fā)展由于歷史原因較國外來說起步較晚在很多關(guān)鍵的工業(yè)領(lǐng)域與國外還有一段差距，這其中數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)尤為突出。

數(shù)控機床是數(shù)字化控制機床(Computer numerical control machine tools)的簡稱又被稱為“工業(yè)母機”是生產(chǎn)其他工業(yè)產(chǎn)品的基礎(chǔ)，利用自動控制裝置實現(xiàn)對加工零件的高精度化、高效率化生產(chǎn)保證加工零件的尺寸要求和精度要求的參數(shù)化控制。同時數(shù)控機床也是機電一體化發(fā)展的主要體現(xiàn)，集生產(chǎn)制造、信息采集、傳感監(jiān)控、微電子、人機交互、自動控制技術(shù)于一體以機械加工制造業(yè)為中心向多維度產(chǎn)業(yè)輻射，數(shù)控機床的廣泛應(yīng)用不僅減少了人力的輸出而且大大提高了生產(chǎn)效率大力推動了我國裝備制造業(yè)的發(fā)展，成為設(shè)備生產(chǎn)自動化以及制造信息采集集成化不可或缺的技術(shù)工具。為進一步加強數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展我國相繼發(fā)起了包括國家專項課題研究、產(chǎn)業(yè)培養(yǎng)激勵等在內(nèi)的一系列支持政策，在國家“十二五”規(guī)劃綱要中也提出要深化產(chǎn)業(yè)改革實現(xiàn)產(chǎn)品的數(shù)控化、生產(chǎn)的綠色化重點發(fā)展基礎(chǔ)制造設(shè)備。數(shù)控機床作為工業(yè)生產(chǎn)的基礎(chǔ)，其發(fā)展的先進化程度已經(jīng)成為當(dāng)今衡量一個國家綜合實力的重要指標之一。因此，在當(dāng)前國家發(fā)展的關(guān)鍵時期回顧與梳理我國數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的行業(yè)現(xiàn)狀深入探究國內(nèi)數(shù)控機床發(fā)展的突出問題，為實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的改革以及世界制造強國的目標做出規(guī)劃展望同時也為下一步的發(fā)展方向提供理論借鑒。

1 我國數(shù)控機床的發(fā)展現(xiàn)狀

在現(xiàn)代裝備制造業(yè)的發(fā)展中并不全是我們傳統(tǒng)觀念中大批量的零件生產(chǎn)，在很多的場合中很多種機械零件需要進行小批量、高精度、高難度的生產(chǎn)加工，例如航空航天領(lǐng)域以及軍工領(lǐng)域的一些特殊構(gòu)件的加工，這些零件加工的難度比一般的零件要超出很多所以對加工技術(shù)工具的要求也就更高，在這樣的生產(chǎn)需求下就迫切的需要一種適應(yīng)性更好自動化程度更高的數(shù)控機床來完成加工任務(wù)。1952年在美國政府與軍方的支持下Parsons(帕森斯)公司聯(lián)合科研高校共同推出了世界上的第一臺數(shù)控機床，數(shù)控機床的出現(xiàn)在很大程度上保證了生產(chǎn)制造的效率與精度之間的矛盾關(guān)系[1]。相較于普通機床數(shù)控機床的適應(yīng)性能有了很大的提高，美國、德國、日本等都是最早進行數(shù)控機床開發(fā)的國家，數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化轉(zhuǎn)變對這些國家的軍事與民用制造業(yè)起到了重要的推動作用。

我國自近代以來國家發(fā)展就陷入困局，對于制造業(yè)的重視程度并不高。所以導(dǎo)致國家的機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢，總的來說國內(nèi)數(shù)控機床的發(fā)展可以分為三個階段。

1.1 封閉探索階段

數(shù)控機床作為高端裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)是關(guān)系到整個國家發(fā)展的核心機密，對于剛剛擺脫戰(zhàn)爭困擾的新中國來說很難通過國際合作得到相關(guān)的技術(shù)支持，20世紀50年代清華大學(xué)與北京第一機床廠在國家的支持下開始國產(chǎn)數(shù)控機床的開發(fā)研究，1958年經(jīng)過反復(fù)的實踐論證第一臺國產(chǎn)數(shù)控機床正是下線這標志著這我國初步具有了數(shù)控機床開發(fā)與設(shè)計的能力[2]。但是國產(chǎn)的第一代數(shù)控機床使用性能與國外數(shù)控機床相比依然具有不小的差距，自動化程度偏低。

1.2 交流借鑒階段

第一臺國產(chǎn)數(shù)控機床的問世極大地鼓舞了國內(nèi)機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，20世紀70年代通過進口的數(shù)控機床的技術(shù)分析與原先的設(shè)計進行比較，尋找國產(chǎn)數(shù)控機床的設(shè)計缺陷。同時聘請相關(guān)的國外專家進行技術(shù)研討，1980年左右國產(chǎn)的系列數(shù)控機床正是面向市場，雖然設(shè)備的先進程度與發(fā)達國家相比還有一定距離但是已經(jīng)可以達到一般的發(fā)展水平。

1.3 創(chuàng)新發(fā)展階段

2000年以來國家相繼設(shè)立數(shù)控機床研究專項計劃，通過項目研究帶動數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展。鼓勵各大企業(yè)、高校以及科研院所投入到數(shù)控機床的研發(fā)設(shè)計中來，國產(chǎn)數(shù)控機床的創(chuàng)新化發(fā)展正在穩(wěn)步前進，一大批先進的研究成果落地轉(zhuǎn)化到目前為止我國已經(jīng)成為世界上僅次于美國、日本的機床生產(chǎn)大國。根據(jù)國家統(tǒng)計部門數(shù)據(jù)顯示我國的金屬切削機床的年均產(chǎn)量增長率保持在18%左右，同期的數(shù)控機床年均產(chǎn)量增長率保持在30%左右，并且呈逐年上升態(tài)勢。

2 國內(nèi)數(shù)控機床發(fā)展存在的不足與問題

從數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展速度上來看我國可以說是世界上產(chǎn)業(yè)與技術(shù)發(fā)展最快的國家，從無到有、從有到全、從全到精僅僅幾十年的時間就已經(jīng)達到發(fā)達國家的普通發(fā)展水平。但是我們也應(yīng)該清醒的認識到盡管發(fā)展的速度較快，我國的數(shù)控機床生產(chǎn)還是主要以中低端產(chǎn)品為主。我國的高端數(shù)控機床市場占有率較低，機床的使用性能、精度、可靠性等要素與國外同類產(chǎn)品差距較為明顯。現(xiàn)階段我國數(shù)控機床的發(fā)展存在的問題主要是以下幾個方面。

2.1 尚未掌握核心技術(shù)重要部件主要依賴進口

目前國內(nèi)的數(shù)控機床市場處于高端產(chǎn)品空白中低端產(chǎn)品競爭激烈的狀態(tài)，國內(nèi)的生產(chǎn)制造廠家為爭奪市場資源大多會放棄高端產(chǎn)品的研發(fā)，以價格戰(zhàn)為導(dǎo)向擠占市場份額[3]。這就很大程度上制約了數(shù)控機床的產(chǎn)品革新，在高端數(shù)控機床的制造上關(guān)鍵的部件主要通過進口的方式在國內(nèi)進行組裝調(diào)試完全處于被動狀態(tài)。尤其是在我國經(jīng)濟從高速發(fā)展階段轉(zhuǎn)向中高速發(fā)展階段以來，這段時期內(nèi)國內(nèi)制造企業(yè)的業(yè)績大多處于下滑狀態(tài)進口的零部件與國內(nèi)自行生產(chǎn)相比成本較低在短時間內(nèi)可以產(chǎn)生一定的效益刺激企業(yè)的發(fā)展。所以一些國內(nèi)企業(yè)僅僅只是承擔(dān)數(shù)控機床的床身、立柱以及機床的輔助零件的生產(chǎn)，包括數(shù)控系統(tǒng)、滾珠絲杠、驅(qū)動裝置、伺服系統(tǒng)、轉(zhuǎn)向部件等機床關(guān)鍵組成部分全部依賴于進口[4]。國內(nèi)的機床企業(yè)只是負責(zé)組裝、銷售、以及普通維護，對于關(guān)鍵部件的維修還需要借助國外企業(yè)進行技術(shù)支持，國內(nèi)高端數(shù)控機床核心技術(shù)處于空白。在整個數(shù)控機床制造中數(shù)控系統(tǒng)的開發(fā)是重中之重，目前國際上主要是日本的FANUC和德國的SIMENES兩家公司從事數(shù)控系統(tǒng)的研發(fā)，國內(nèi)大部分的高端機床也是搭載這兩家企業(yè)的數(shù)控系統(tǒng)。雖然國產(chǎn)的華中系統(tǒng)、廣數(shù)系統(tǒng)在性價比上占有優(yōu)勢但是系統(tǒng)的穩(wěn)定性以及準確性還與高端機床的要求存在差距，嚴重影響數(shù)控機床制造的產(chǎn)品質(zhì)量。國內(nèi)的數(shù)控機床制造企業(yè)還處于生產(chǎn)周期的下游階段，更為嚴峻的是國外的先進機床產(chǎn)品很多已經(jīng)禁止對我國出口，產(chǎn)品的維護也禁止國內(nèi)技術(shù)人員的參加，數(shù)控機床的發(fā)展進入瓶頸期。

2.2 缺乏設(shè)計經(jīng)驗技術(shù)創(chuàng)新能力有待提高

數(shù)控機床的整個設(shè)計制造周期主要是分為三個主要步驟，包括理論設(shè)計、試制加工、生產(chǎn)使用。作為一種工程應(yīng)用制造，數(shù)控機床的設(shè)計需要結(jié)合大量的經(jīng)驗公式進行模擬計算例如動剛度、靜剛度等參數(shù)。經(jīng)驗公式的選擇以及相關(guān)系數(shù)的選擇直接決定了理論設(shè)計的準確程度，在這一方面由于國內(nèi)數(shù)控機床的設(shè)計制造發(fā)展較短積累的設(shè)計經(jīng)驗不足在理論設(shè)計階段許多模擬量的運算與實際的理想狀態(tài)存在偏差，這就導(dǎo)致在開發(fā)的過程中需要進行反復(fù)的修改。僅僅是理論設(shè)計國內(nèi)的研發(fā)周期就是國外相關(guān)企業(yè)開發(fā)的多倍，加上制造以及調(diào)試使用所需的時間國內(nèi)的產(chǎn)品更新遠遠落后于國外。還有就是裝配工藝的創(chuàng)新能力不足，機床各個部件或是零件在加工完成后要想完全的在機床上發(fā)揮功能很大一部分依賴于最后的裝配技術(shù)，國內(nèi)的裝配技術(shù)沒有形成自己的創(chuàng)新體系，傳統(tǒng)的裝配技術(shù)對于高端機床的組裝會產(chǎn)生很大的負向影響機床的加工精度與預(yù)期差距也會在這個階段產(chǎn)生。針對一些核心的部件國內(nèi)雖有少量的廠家在生產(chǎn)但是也只是做到了形似的程度，對于內(nèi)部的運行機理都處于摸索階段國外的相關(guān)參考幾乎都對我國進行封鎖。國內(nèi)的機床生產(chǎn)缺乏定量化的生產(chǎn)指導(dǎo)準則，同一條生產(chǎn)線的數(shù)控機床每一臺在性能上都存在差距其動態(tài)特性明顯，生產(chǎn)制造的精度很難保持一致加上制造過程的規(guī)范操作沒有形成體系，有很大一部分依賴生產(chǎn)員工的經(jīng)驗與技術(shù)水平，產(chǎn)品的加工質(zhì)量與理想狀態(tài)總會或多或少的存在偏差這就形成了造不出“好機床”的困境。

3 數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)的發(fā)展展望

“中國制造2025”為我國今后制造業(yè)的發(fā)展指明了方向，同時隨著中國在國際地位的不斷提高越來越多的國際機床制造商在中國建立分部，這就為學(xué)習(xí)國外的先進技術(shù)提供了可能。結(jié)合現(xiàn)在的發(fā)展?fàn)顩r以及存在的問題今后我國的數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)將會朝著“四高”方向發(fā)展即“高精度、高速度、高可靠性、高質(zhì)量”，其中高速、高精度是工業(yè)制造永恒的追求，數(shù)控車床采用電主軸取消了皮帶、帶輪和齒輪等環(huán)節(jié)，大大減少了主傳動的轉(zhuǎn)動慣量，提高了主軸動態(tài)響應(yīng)速度和工作精度，徹底解決了主軸高速運轉(zhuǎn)時皮帶和帶輪等傳動的振動和噪聲問題。其次數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)也在朝著智能化、網(wǎng)絡(luò)化、復(fù)合化、綠色化的方向上不斷努力，尤其是近年來我國不斷加強對環(huán)境的保護作為裝備制造業(yè)的一部分數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)也進行環(huán)保升級，在生產(chǎn)使用的全周期內(nèi)將可能的污染控制到最低水平打造“綠色工業(yè)”典范。

我國數(shù)控產(chǎn)業(yè)的發(fā)展成就有目共睹在一些方面確實已經(jīng)取得了突破性的進展，但是在許多核心領(lǐng)域依然受制于人技術(shù)的創(chuàng)新一刻都不能停止。新時代是我國數(shù)控機床發(fā)展新的歷史時期，抓住挑戰(zhàn)與機遇打破國外的技術(shù)壟斷，加強對自主知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)開發(fā)的，在基本滿足國內(nèi)市場的前提下走向國際，縮小國際技術(shù)差距打造中國數(shù)控機床品牌。