基于模糊數據處理的我國機床技術差距評價體系＊

蘇錚 李麗 許靜靜 劉炳業 劉志峰 楊聰彬

（①工業和信息化部產業發展促進中心，北京 100846；②北京機床研究所有限公司，北京 100102；③吉林大學數控裝備可靠性教育部重點實驗室，吉林 長春 200240；④北京工業大學先進制造技術北京市重點實驗室，北京 100124）

我國機床產業在計劃經濟時期建立了完整的產業布局；改革開放后，中國機床產業實現了高速發展。為支持國內機床行業發展，我國部署了“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專項。專項自2009 年啟動實施以來，聚焦長期制約我國發展的技術瓶頸，在多項關鍵技術和機床裝備方面打破國外壟斷，促進了我國制造能力和工業水平的發展。從當前發展水平來看，我國數控機床與世界領先水平仍存在一定差距，部分核心關鍵技術尚未完全掌握和突破。已有的機床技術差距多是基于論文與文獻統計，從技術研究的角度進行分析[1-2]，或從主觀角度評價分析的[3-5]，缺乏量化測度研究，導致無法用客觀的表征方法來衡量和評價數控機床技術發展水平。

建立完善的技術評價指標體系是進行有效技術差距分析的關鍵基礎工作[6]。數控系統、主軸等作為單元性技術載體對數控機床產品的功能拓展與性能提升起到極為重要的作用[7-8]。本研究從共性技術、典型主機產品、數控系統和關鍵功能部件4 個方向出發，建立起對標世界先進領先水平的高檔數控機床技術差距評價體系，結合評分基準和模糊數據處理[9-10]建立了機床技術差距評價模型，量化表征我國數控機床的技術水平與國際（地區）先進水平的年代差距；基于定向采集調查樣本，進行了2021 年我國機床技術年代差距分析，評價結果可為我國數控機床領域政府科學決策及行業發展規劃起到重要支撐作用；同時該評價體系構建方法可拓展應用于其他領域技術評價工作中。

1 機床技術差距評價體系設計

從共性技術、典型主機產品、數控系統和關鍵功能部件4 個方向出發，通過技術要素項細分進行定量評分，對標國際先進水平，綜合分析我國數控機床技術水平差距。評價體系結構見圖1。

圖1 高檔數控機床技術評價體系結構

1.1 評分要素

該評價體系將共性技術細分為13 項；數控機床典型產品7 類，每類產品根據特性進一步細分為十余種核心技術要素；數控系統、主軸/轉臺和絲杠/導軌，按照產品特性分別細分為15 種、11 種和12 種核心技術要素，具體見表1 所示。以表1 為調查表設計基礎，以歐洲（以德、瑞、法、意為代表）、日本、美國、韓國和臺灣地區為評價對象。

表1 機床共性技術/產品核心技術細分表

1.2 量表分值確定原則

以我國自身現有機床水平作為基準，對其他國家（地區）進行打分評價，用分數來表征其所處的技術水平線。以我國的技術和產品為3 分作為基準線，采用1～5 分制打分，最小分差0.1 分（比我國標準水平線3.0 分每低0.1 分，則我國較其超前一年；每高0.1 分，則我國較其落后一年）。評價基準如下：

5 表示非常先進（我國相比國外差距基本在20年內）；

4 表示略微先進（我國相比國外差距基本在10年內）；

3 表示同等先進（基本沒有差距）；

2 表示略微落后（相比我國差距基本在10 年內）；

1 表示非常落后（相比我國差距基本在20 年內）。

2 基于模糊數據處理的技術評價模型

在基于專家數據基礎開展傳統德爾菲專家調查方法，存在不可避免的由于專家主觀因素對評價結果的影響不可忽視。為保證評價結果的客觀、科學、公正，提出基于模糊數據處理的技術評價模型，減小主觀因素對分析結果的影響作用。以下為具體的建模過程。

2.1 基本定義

定義1：針對某一類調查表,專家集合E={E1,E2,···,Ei}，Ei,(i=1,2,···,I)為第i個專家針對調查表的技術評分矩陣，I為專家個數。

定義2：技術評分矩陣Ei由行項（分地區評分）和列項（分技術評分）組成，vijk(j=1,2,···,5;k=1,2,···,K),為第i個專家針對第j個國家（地區）第k項技術的評分值。

定義3：由于分值最小分差0.1 分，為避免專家評分過多分布于區間邊界處，本報告在0.875～5.125 分數之間，取0.25 為區間間距，將專家分值劃分為17 個區間段，并對區間段內的分值頻次進行記錄及分析。

2.2 分項技術水平評價模型

機床共性技術和各分類機床產品關鍵技術要素的評分結果計算公式為

式中：Rjk表示針對某國家（地區）某項關鍵技術的模糊轉換集合，Rjk=[fD1,fD2,···,fD8]/I；v表示各分值區間段中上下限值的算數平均值,v=[1,1.25,1.5,· ··,5]T。

2.3 產品技術水平綜合評價模型

產品共性關鍵技術的綜合評分結果計算公式為

式中：Bp表示各機床產品其技術水平在技術綜合評價中所占權重集合，在該分析中所占權重相等為1/M；RjA,p表示針對某國家（地區）技術綜合評價的模糊轉換矩陣，，其中RjA,pm表示某類機床產品針對某國家（地區）技術的模糊轉換集合；M表示具有A技術評價的產品種類數量。

以“比我國標準水平線3.0 分每低0.1 分則我國較其超前一年，每高0.1 分則我國較其落后一年”為判定原則，確定我國與其他國家（地區）具體年代差距。

2.4 共性技術/產品水平評價模型

機床共性技術/產品水平的評分結果計算公式為

式中：B表示各關鍵技術水平在共性技術/產品水平綜合評價中所占權重集合，在該分析中所占權重相等為 1/K；Rj表示針對某國家（地區）共性技術/產品水平綜合評價的模糊轉換矩陣，，其中K表示共性技術或某產品的關鍵技術要素數量。年代差距確定原則同章節2.3。

3 2021 年大樣本數據定向采集調研

為驗證以上方法的可行性，針對2021 年我國機床技術水平差距進行了大樣本數據調研與分析。

機床技術差距研究是從技術發展角度來分析不同國家（地區）發展狀況，確定與我國發展水平的年代差距，是一項專業性很強的研究工作，需要專家要有較好的國際視野，有豐富的研究經驗，充分了解國內外行業技術發展狀況，才能保證結果的權威性和指導意義，因此專家遴選至關重要。

在該調研中，專家組成員主要以從事數控機床專業研究和生產制造的高層次人員為主。原則上，共性技術評價以高校、研究所高端學者為主，產品評價以重點企業負責人、總工程師、技術負責人、產品設計師為主（超精密機床由于其產品前沿技術特征明顯，專家以高校、研究所學者為主）。參與專家要求具有高級職稱。

具體遴選條件為：

（1）在高校/科研院所，從事與機床領域相關基礎理論研究或創新應用研究，并具有較大學術影響力。

（2）在行業企業擔任企業負責人、總工程師、技術負責人、技術中心主任、產品設計師等，負責關鍵技術與產品研發。

（3）曾承擔國家科技計劃項目（課題）。

在該調研中，每一方向專家人數在10～20 人，專家總數112 人（2020 年144 人），其中來自企業界80 人、學術界32 人。

4 2021 年機床技術差距評價

4.1 產品技術水平綜合評價結果

針對機床產品的共性和專項核心關鍵技術，進行分國家（地區）水平綜合評分，并繪制條形圖完成對比分析。其中對各核心技術細分見表2，技術水平進行排序見表3 所示。由表2 和表3 可得到以下結論：

表2 機床共性技術/產品核心技術細分表

表3 產品核心技術綜合評價結果（2021）

（1）從整體來看，歐、日、美穩居技術和產品水平前三位，尤其是歐洲和日本領先明顯。我國相對落后10～15 年。我國在共性技術方面與國外差距較大，反映出我國機床共性技術基礎較薄弱。

（2）從細分技術來看，歐洲大部分技術世界領先；日本在抗干擾技術、診斷與維修技術等方面優勢明顯；美國在CAM/CAE 技術、齒輪加工工藝、超精密切削工藝技術方面領先其他國家和地區。

（3）中國、韓國和臺灣地區各項技術水平接近。與韓國和臺灣地區相比，我國在超精密切削工藝技術方面有明顯優勢，在卡盤尾座、動力刀架等方面有一定差距。與世界領先水平相比，我國在數控系統、CAM/CAE 方面差距較大，在超精密切削工藝、操作性、地基基礎主動抑振方面差距較小。

4.2 共性技術/產品水平評價結果

進行機床共性技術和分類產品關鍵技術綜合評價，年代差距見表4 所示，并針對各分項關鍵技術評分進行條形圖比對分析，見圖2～12。

表4 共性技術/產品水平年代差距（2021）

（1）共性技術評價

圖2 表明，歐洲、日本和美國占據領先地位，在制造與裝配、功能部件、數控系統、數字化精密測量、可靠性與精度保持性技術方面歐洲、日本優勢明顯；在CAM/CAE 技術方面歐洲、美國領先于日本。中國、韓國和臺灣地區水平相對較弱且基本相當，整體與國際領先水平差距較大，在數控系統技術方面我國水平略高于臺灣地區。

圖2 機床共性技術評分柱狀分析圖

（2）臥式加工中心評價

圖3 表明，歐洲、日本水平處于領先地位，美國整體稍有落后于歐日，在CAM/CAE 技術方面與歐洲水平相當，領先于其他國家和地區。中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，在數控系統技術方面我國水平略高于韓國，在主軸技術方面我國水平稍有落后于韓國。

圖3 臥式加工中心關鍵技術評分柱狀分析圖

（3）五軸加工中心評價

圖4 表明，歐洲和日本在數控系統技術、熱位移抑制技術、CAM/CAE、測量/補償技術方面優勢明顯，美國在CAM/CAE 技術方面與歐洲水平相當，在其他技術方面落后于歐日，中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，整體與國際領先水平差距較大，在數控系統技術、熱位移抑制技術、CAM/CAE 技術和測量/補償技術方面與國際領先水平差距很大；在數控系統技術方面我國水平略高于韓國和臺灣地區。

圖4 五軸加工中心關鍵技術評分柱狀分析圖

（4）龍門加工中心評價

圖5 表明，歐洲和日本水平整體處于領先地位，美國CAM/CAE 水平領先，在數控系統、主軸技術、擺角銑頭等方面與歐日水平差距較大。中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，整體與國際領先水平差距較大，在數控系統、熱位移抑制和CAM/CAE 技術方面與國際領先水平差距明顯。我國在數控系統技術方面水平略高于韓國和臺灣地區；韓國在主軸技術和熱位移抑制方面有一定優勢。

圖5 龍門加工中心關鍵技術評分柱狀分析圖

（5）齒輪加工機床評價

圖6 表明，歐洲、美國和日本整體水平處于領先地位，在數控系統技術和進給驅動技術上歐日略領先于美國，在齒輪加工工藝、操作性、CAM/CAE技術方面，歐美領先于日本。中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，整體與國際領先水平差距較大，在數控系統、CAM/CAE 技術等方面落后明顯。我國在齒輪加工工藝方面水平略高于韓國和臺灣地區，韓國在主軸技術和智能化方面有一定優勢，臺灣地區在主軸技術、進給系統方面處于領先。

圖6 齒輪加工機床關鍵技術評分柱狀分析圖

（6）數控磨床評價

圖7 表明，歐洲和日本牢牢占據領先地位，美國僅落后于歐日，在熱位移抑制、CAM/CAE、切削液相關、抗干擾及智能化等方面差距略小，在數控系統、磨削主軸、工件主軸和機床結構方面差距較大；中國、韓國和臺灣地區較為落后且基本位于同一水平線上，整體與國際領先水平差距較大，在CAM/CAE 和測量/補償技術方面落后明顯，在切削液相關技術、應對環境和抗干擾技術方面差距較小。

圖7 數控磨床關鍵技術評分柱狀分析圖

（7）超精密機床評價

圖8 表明，歐洲、日本和美國水平領先且基本處于同一水平。中國、韓國和臺灣地區落后于歐日美，且水平基本相當。在數控系統、主軸和工件測量技術方面與國際領先水平差距很大。在主軸、進給驅動和切削工藝技術方面我國水平略高于韓國，在切削工藝和測量/補償技術方面我國水平領先于臺灣地區。

圖8 超精密機床關鍵技術評分柱狀分析圖

（8）數控車削中心評價

圖9 表明，歐洲、日本、美國牢牢占據領先地位且處于同一水平線上，美國稍落后于歐日，中國、臺灣地區和韓國水平基本相當，在數控系統和CAM/CAE 技術方面與國際領先水平差距很大。在卡盤/尾座和動力刀架技術上我國水平與其他國家（地區）差距較大。

圖9 數控車削中心關鍵技術評分柱狀分析圖

（9）數控系統評價

圖10 表明，歐洲、日本整體占據領先地位，美國整體稍落后于歐日，在插補技術、診斷與維修技術方面與國際領先水平差距明顯。中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，在數控系統聯動軸和智能化技術方面我國水平略高于韓國。

圖10 數控系統關鍵技術評分柱狀分析圖

對比表2 與表4 中針對數控系統的評價結果，主機制造廠對于數控系統發展水平的評價與數控系統制造廠的評價存在明顯差異。在主機制造廠評價中，我國與歐洲、日本相差約16 年。在數控系統制造廠評價中，我國與歐洲、日本相差8 年。專家認為，造成該差異的原因主要是，數控系統制造廠主要關注數控系統的功能性比較，而主機制造廠更多考慮數控系統的性能與穩定性。這種差異的存在說明數控系統制造企業應該從注重功能向注重性能、高可靠性和人機交互的全面提升轉變。

（10）絲杠/導軌產品評價

圖11 表明，歐洲、日本整體占據領先地位，在制造技術和精度及精度保持技術方面處于國際領先地位。中國、美國、韓國和臺灣地區水平基本相當，美國在制造基數技術、精度及精度保持性方面處于領先，臺灣地區在制造技術、溫升噪音控制技術方面處于領先。

圖11 絲杠/導軌關鍵技術評分柱狀分析圖

（11）主軸/轉臺產品評價

圖12 表明，歐洲、日本占據領先地位，歐洲在精度及精度保持技術方面處于國際領先地位，美國整體稍落后于歐日。中國、韓國和臺灣地區水平基本相當，在加速度技術和靜壓技術方面我國水平略高于臺灣地區。

圖12 主軸/轉臺關鍵技術評分柱狀分析圖

5 結語

（1）本文提出了一種基于模糊數據處理的我國機床技術差距量化評價體系，從共性技術、典型主機產品、數控系統和關鍵功能部件維度考慮建立了評價指標體系，從技術層面、產品層面出發建立了技術評價模型，為機床技術水平量化評價提供了可行方案。研究前我國裝備制造業領域產品創新的技術跟蹤和量化分析評價極為缺乏，該評價體系構建方法可拓展應用于其他領域技術評價工作中。

（2）在2020 年度研究的基礎上，進行了基于定向大樣本調研的2021 年我國機床技術差距評價，驗證了該評價體系的可行性，結果可為政府決策與行業發展提供理論支撐。

（3）根據2021 年評價結果，在主機產品方面，歐、日、美穩居技術和產品水平前三位，尤其是歐洲和日本領先明顯，對標國際最先進水平，我國基本落后10～15 年；與韓國、臺灣地區基本持平，在各分項技術水平方面也基本接近。

在主機制造廠評價中，我國與歐洲、日本相差約16 年。在數控系統制造廠評價中，我國與歐洲、日本相差8 年。該差異說明數控系統制造企業應該從注重功能向注重性能、高可靠性和人機交互的全面提升轉變。