國產數控系統的技術進步與應用成果

陳吉紅

中國機床工具工業協會數控系統分會 湖北武漢 430223

中國機床工具工業協會數控系統分會理事長 陳吉紅

1 序言

數控系統是數控機床裝備的“大腦”，直接影響數控機床裝備的功能、性能和技術水平的高低，而高檔數控系統是高檔數控機床的“芯片”。近5年，在錯綜復雜的國際環境下，國產數控系統產業迎難而上，不斷突破。根據權威機構統計，近5年，國產數控系統的市場占有率實現了大幅提升，國產中高端系統占有率由不足1%提升到30%以上。具備五軸聯動功能的國產高檔數控系統批量進入市場，國產中高檔數控系統在多通道、多軸聯動等關鍵技術指標上已基本能夠與國外數控系統同臺競技，為大飛機、新型戰機和探月工程等國家重點工程提供了關鍵制造裝備。國產數控系統在3C加工行業大放異彩，在玻璃機、多軸拋磨機床等方面與國外知名數控系統正面競爭，進入世界頂級智能手機公司核心供應鏈。

“十四五”期間，面對旺盛的市場需求，在國家的大力支持下，國產數控系統行業一定會在現有基礎上，不斷取得更大成績。

2 數控系統的發展關系我國機床行業的發展

神舟飛天、蛟龍入海、墨子傳信和北斗組網等以航空裝備、海洋工程裝備制造為代表的中國高端制造業發展勢頭迅猛，這些都離不開一種被稱之為“工業母機”的裝備——數控機床。數控系統作為數控機床的“大腦”，是決定數控機床功能、性能、可靠性及成本的核心部件，是制約我國機床行業發展的瓶頸。面對世界百年未有之大變局和中華民族偉大復興戰略全局，面對錯綜復雜的國際環境帶來的新機遇和新挑戰，機床工業成為支撐實現我國經濟高質量發展的關鍵，被列為制造業核心競爭力提升的重大技術裝備。

在逆全球化、價值鏈重塑的國際形勢下，制造業產業安全、高檔機床和數控系統自主可控迫在眉睫，發展高檔數控機床和高檔數控系統意義重大[1]。

3 國產數控系統迎來發展契機

（1）國家大力支持國產數控系統產業的發展 2009年以來，高檔數控機床與基礎制造裝備國家科技重大課題專項（以下簡稱04專項）累計立項支持40多項課題，支持華中數控、廣州數控、大連光洋和沈陽高精等國產數控系統骨干企業，立足自主創新，研制高檔型、標準型數控系統，伺服驅動和伺服電動機。04專項實施期間，高檔數控系統領域共申請專利600多項，其中發明專利400多項，共授權專利300多項，形成各項標準200多項。在數控系統產品方面，支持研制華中數控HNC-8/9型、廣州數控GSK-25i/27i型、大連光洋GNC61/62型及沈陽中科數控GJ403/430系列高檔數控系統。

大力支持伺服驅動及電動機測試，數控機床、數控系統及功能部件等標準研究，以及測試平臺及測試體系建設。立項支持高檔型數控系統關鍵共性技術、開放式數控系統支撐技術創新平臺建設[2]。

大力支持一批航空、航天、航發、汽車、發電裝備和船舶制造企業應用國產數控機床和數控系統。華中數控、廣州數控、大連光洋及沈陽高精等企業所研制的高檔型數控系統與數十類數千臺高速、精密、五軸聯動的高檔數控機床實現配套。這些設備包括高速精密車削中心、高速立式加工中心、精密立式加工中心、車銑復合加工中心、高速臥式加工中心、精密臥式加工中心、九軸六聯動砂帶磨及數控工具磨床等高檔數控機床。

大力支持萬臺數控機床配套國產數控系統應用工程、國產數控系統在大型機床零件加工中的應用及立式加工中心批量配套等的應用示范。

（2）相關省市大力支持數控機床和數控系統產業發展 國內“工業母機”重點區域如浙江、山東、廣東和陜西等高度重視裝備制造業，數控機床產業發展迅速，產品不斷升級換代，對數控系統的市場需求擴大，給國產數控系統行業發展提供了很好機遇。例如，浙江臺州市政府發布了加快推進機床裝備產業高質量發展的“10條”政策，成立高檔數控機床技術創新中心，旨在推動本市機床裝備產業邁向全球產業鏈價值鏈中高端，打造自主創新高質量發展的行業典范。陜西省在西咸新區成立“秦創原”創新驅動平臺，把制造業的“創新驅動”提升到了一個前所未有的高度。

4 國產數控系統碩果累累

近5年，在國家和用戶的大力支持下，國產高檔數控系統取得了巨大進步，在技術上和市場應用兩方面都實現了振奮人心的國產化替代。

（1）數控系統的關鍵技術指標達到國際先進水平 在高檔數控系統關鍵技術方面，攻克了開放式平臺技術、現場總線技術、高速高精控制技術、多通道及復合加工控制技術、雙軸同步控制技術、納米級高精度插補技術、智能化技術以及工業大數據互聯通信等一批核心關鍵技術。華中數控、廣州數控共同完成的“高性能數控系統關鍵技術及產業化”獲國家科技進步二等獎。

華中數控對標國外先進高檔數控系統，攻克了數控系統體系結構、現場總線、高速高精及五軸聯動等一批關鍵技術，研制了3個規格的華中8型高檔數控裝置硬件平臺和跨平臺、全方位、多層次開放的高檔數控系統軟件平臺，在功能、性能和可靠性方面達到國際先進水平，實現進口替代。華中8型系列高檔數控系統（見圖1）獲國家科技進步二等獎，NCUC-Bus現場總線技術獲湖北省技術發明一等獎。

圖1 華中8型系列高檔數控系統

華中數控將數控技術與人工智能技術深度融合，獨創性地開發了基于“指令域”電控數據的感知分析、理論與大數據融合建模、智能優化“i代碼”和“雙碼聯控”等關鍵技術，首次將AI芯片嵌入數控系統，研制了華中9型系列新一代智能化數控系統（見圖2），并成功開發了精度提升、工藝優化和健康保障等一批智能應用模塊，應用在智能精密加工中心、智能五軸加工中心、智能凸輪軸磨床等一批智能機床上，推動了機床智能化創新發展。

圖2 華中9型系列新一代智能化數控系統

（2）高檔數控系統在重點領域已實現批量突破 高檔數控系統支撐了04專項近百臺主機首臺首套研制，提升了機床行業產業鏈自主可控能力；支撐了04專項在航空、航天、航發和汽車等重點領域數千臺機床和生產線應用示范工程和數控機床升級改造工程，對國家的國防安全、產業安全及核心技術的自主可控做出了貢獻。國產高檔數控系統在國防軍工領域應用批量突破，極大地推動了國產高檔數控系統產業化進展。據權威機構統計，國產中檔數控系統市場占有率由04專項支持前的10%提高到60%以上，國產高檔數控系統國內市場占有率由04專項支持前不足1%提高到30%以上。

1）華中數控。華中數控的高檔型數控系統全面進入航空航天、汽車零部件、能源裝備及船舶制造等領域。中、高檔數控系統累計銷售10萬多臺，在2000多家企業批量應用。其中，與04專項配套研制的10多類數千臺高檔數控機床已經在國家重點領域實現了批量配套。

由沈陽飛機工業集團有限公司、沈陽航空產業集團、沈陽航空制造有限公司和華中數控等企業合作建設的沈陽航空復雜結構件智能制造生產基地項目（見圖3），是國內航空航天領域首條全部應用國產高檔數控設備的智能制造生產線，同時也是航空航天領域配套華中8型五軸數控系統最多的智能制造生產線。項目由中央總控室、1條鋁合金接頭類臥式精密加工生產線，1條鋁合金肋板類臥式加工生產線，1條鋁合金大型框、梁類柔性加工生產線，1條鈦合金接頭類臥式精密加工生產線，1條鈦合金大型框、梁類強力加工生產線，以及1條鋁合金長桁類加工單元組成，同時還有車銑復合加工中心、鋁合金接頭類臥式精密加工中心。本項目總共有9條生產線，57臺機床設備，其中五軸設備39臺，配華中數控系統的機床49臺，五軸聯動機床33臺。

圖3 沈陽航空復雜結構智能制造生產基地

航空發動機最核心、制造難度最高的是“一盤一匣兩片”（渦輪盤、機匣、導向葉片及工作葉片），零件結構復雜、加工精度高，表面粗糙度及表面質量要求高，其先進制造技術對相應的數控機床與裝備需求十分迫切。華中8型數控系統已在航空發動機制造領域數十家用戶單位的數百臺設備上成功應用，并且在2021年央視《動力澎湃》節目中精彩亮相。

2022年12月6日，央視新聞頻道《焦點訪談》欄目報道了系列科技成果轉化為現實生產力的典型案例。其中，上海交大智邦科技有限公司聯合四川普什寧江機床有限公司、武漢華中數控股份有限公司等單位研制的國產裝備轎車動力總成加工生產線（見圖4），已在上汽通用汽車有限公司投入使用。這條轎車動力總成加工生產線，由5臺PT-50臥式加工中心和多臺關節、桁架機械手組成，其中OP30/OP50/OP90工序的臥式加工中心配套華中HNC-848D高檔數控系統。實踐證明，從數控系統、電主軸到工裝夾具、刀庫，由國產化的功能部件組成的全國產高端加工中心完全能夠滿足高檔汽車動力總成的加工需求。

圖4 國產裝備轎車動力總成加工生產線

2）科德數控。科德數控研制的高端數控裝備 在航空、航天、能源和汽車等國家重點領域實現首臺套應用，實現了具有核心技術和自主知識產權的高端數控機床和高端數控系統在功能、性能、可靠性的迭代提升。

航天科工三院采用科德數控自主研制的6類22臺五軸數控機床，組建了行業首條以國產高端裝備為主的發動機關鍵零件生產線，采用AGV小車、桁架機器人、自動化工裝夾具及在線檢測系統等智能制造手段，在生產MES管控系統的組織下，實現了發動機關鍵零件的自動化生產。該條生產線投產后的設備綜合利用率達到70%，生產效率提升30%，人員縮減50%以上。充分驗證并提升了國產五軸機床、數控系統及核心功能部件的水平，增強了重點用戶領域批量使用國產高檔數控機床的信心。

科德數控系統為航天科工三院建成的五軸立式加工中心柔性自動化生產線（見圖5）順利投產，實現了不限品種、數量的柔性生產，最少可以實現15h以上兩個班次無人值守的自動化生產，是國內首條五軸加工中心組建、高柔性化的自動化生產線，相比由人員值守運行的機床，大大提高了生產效率和生產穩定性，機床稼動利用率從40%～60%提升至90%以上。

圖5 五軸立式加工中心柔性自動化生產線

3）沈陽中科數控。沈陽中科數控與黎明發動機公司、沈飛公司等重點企業合作，推廣國產高檔數控系統。例如，數十臺磨床、鏜床、加工中心，以及3臺激光打孔機床配套藍天數控系列數控系統，實現將國產數控系統批量應用到航空發動機典型零件的加工。

基于開放式數控技術平臺，通過與激光設備廠商、航空制造領域的用戶密切合作，沈陽中科數控開發出雙通道11軸超快激光加工專用數控系統。系統解決了多通道控制、RTCP、高速程序預處理、焦距測量、三維測量、光路切換、四光楔掃描及功率檢測等關鍵技術。設備適用于金屬、非金屬等材料表面的微結構處理，如微腔、型腔、盲孔、通孔、異型孔、異型槽及復雜形貌微結構的加工等，并在航空制造領域進行應用，解決了航空發動機葉片打孔加工的技術瓶頸。

4）廣州數控。廣州數控在04專項的支持下，開發出新一代標準型數控系統，實現產品更新換代，產品在關鍵功能、性能和可靠性方面達到國外同類主流數控系統同等水平，用戶認可度和國內市場占有率顯著提升。廣州數控每年銷售數控系統（見圖6）10萬套以上，占國內同類產品配套總量的50%，超過國際著名數控系統廠商同類產品在中國的年度銷售配套數量，成為國際上標準型數控系統年產量第二的公司。

圖6 廣州數控系列化數控系統

廣州數控為天津長征航天、上海航天、上海商飛、沈飛集團、成發集團、西航集團、沈陽黎明、無錫透平和貴州黎陽等航空航天企業配套高端裝備數控系統近百臺。

（3）國產數控系統在3C加工領域實現進口替代 除了高端領域，在許多細分領域，國產數控系統與國外系統同臺競技、分庭抗禮。華中數控、上海維宏等企業針對3C、木工和激光等行業對高速、高精、多軸和多通道數控系統的巨大需求，研制并批量銷售了高速鉆攻中心、玻璃機、拋光機及木工機等數控系統數萬臺套。

以蘋果公司為代表的高端手機外殼精密打磨拋光，在技術指標、精度和美觀等方面要求更高，需要大量的高端研磨拋光設備。在五軸拋光加工領域，華中數控與湖南宇環數控機床公司深度合作，創新致勝，充分利用華中8型五軸RTCP技術，突破技術壁壘，共同研發的五軸拋光設備（見圖7），獲得了富士康、捷普集團、藍思科技等國內外多家蘋果產業鏈高端客戶群體，為世界手機品牌制造商提供優質的解決方案。

圖7 配置華中8型數控系統的五軸拋光設備

5 國產數控系統發展任重道遠

經過近5年的努力，國產高檔數控系統取得了巨大進步。但是，我們清醒地認識到，在市場認同度和占有率方面，與國際巨頭企業相比，國產高檔數控系統仍然存在一定的差距。

（1）國外機床企業多年形成的“市場生態圈”難以打破 國外優勢機床企業在中國市場耕耘多年，已擁有了很好的市場品牌與客戶美譽度，大多數客戶已經習慣于使用他們的產品，形成了一個“市場生態圈”。國產高檔機床在國外優勢機床企業形成的“市場生態圈”下艱難發展，導致了國產機床試錯機會不足，缺少充分市場化競爭下的技術迭代改進機會。

（2）重點領域批量示范應用還需加強 近年來，國產高檔數控機床為火箭、衛星、航空發動機、核電和大飛機等國家重大專項和重點工程提供了關鍵制造裝備，解決了相關領域所需關鍵裝備的“有無問題”。但是，在航空、航天、汽車和3C等重點領域大規模、多品種的批量配套使用方面還需要多方努力。

（3）產業鏈自主化有短板 據統計，我國航空、航天等重點領域所需的五軸加工、復合加工、重型和龍門等加工裝備的高檔數控系統主要是進口品牌。高檔數控系統一直受制于國外的技術封鎖，是制約我國機床裝備邁向高端化的主要短板。

（4）研發經費投入不足 目前，國家高度重視國產數控機床的研發，04專項等項目也在此領域投入巨大的人力、物力和資金，國產數控機床取得了一定突破[3]，但與國外巨頭幾十年的經驗積累和巨大的研發、市場投入相比，我國對國產高檔數控機床的投入仍然存在較大差距。

6 抓住歷史機遇，振興民族數控產業

黨的二十大報告指出：推進新型工業化，加快建設制造強國。支持專精特新企業發展，推動制造業高端化、智能化、綠色化發展。這充分體現了黨和國家對制造業、對數控系統等核心技術自主可控的高度重視，國產數控系統產業要把握歷史機遇，繼續努力奮斗。

（1）國產數控系統市場潛力巨大 具體如下。

1）高端制造業帶動高檔數控系統需求。隨著制造業的發展，中國已經逐步成為世界第一大機床市場。根據國家統計局發布的數據顯示，2022年1—7月，全國制造業投資同比增長9.9%，其中裝備制造業投資增長19.4%。在高端制造中，艦艇、飛機、火箭、衛星和飛船中許多關鍵零件的材料、結構、加工工藝都有一定的特殊性和加工難度，必須采用多軸聯動、高速、高精度的數控機床才能滿足加工要求。因此，高檔數控機床是航空航天、汽車、船舶和發電設備制造等領域必需的關鍵設備。

2）新能源汽車發展帶動高端數控機床國產化。據中國汽車工業協會統計，2022年1—8月，新能源汽車產銷分別完成397萬輛和386萬輛，同比增長1.2倍和1.1倍。基于新能源汽車對續航能力的需求，對零件的輕量化、剛性的要求，需要高端機床提供零件制造的解決方案。專家預測，在更新與新增需求共振下，未來幾年機床行業仍將保持較高景氣度。

3）五軸技術普及化。目前，五軸數控技術普及化加快，在模具、汽車零部件、激光加工等領域廣泛應用。例如，三維五軸激光切割機的核心單元技術——五軸聯動數控系統，長期被國外數控企業壟斷，導致出現系統故障時售后服務難等一系列問題。2022年，華工激光與華中數控合作，共同研發的系列三維五軸激光切割智能裝備面向汽車、熱成形行業交付數百臺，實現了中國智造的新突破。

（2）對“十四五”期間發展國產數控系統行業的建議 具體如下。

1）建議國家進一步重視數控系統產業。數控系統作為“工業母機”——機床的“大腦”，數控系統體系結構、現場總線、高速高精和五軸聯動等關鍵技術是國外對中國“卡脖子”的關鍵技術，關系到我國國防安全、產業安全和工業信息安全。關鍵核心技術是要不來、買不來、討不來的，只有把高檔數控系統關鍵核心技術掌握在自己手中，才能從根本上保障我國高檔機床產業安全和高質量發展。

從未來的技術趨勢來看，數字化、網絡化、智能化等賦能技術與數控機床的深度融合，數控機床向智能機床轉型，機械制造向智能制造生產線、智能制造車間升級，高檔數控系統是必不可少的關鍵技術平臺載體、智能制造車間設備互聯的重要數據和控制端口。如果沒有自主可控的國產高檔數控系統技術平臺，我國高檔機床產業向數字化轉型和智能化升級，就會“缺芯少腦”，我國機床產業的技術創新和市場競爭也都將會受制于人。

當前，世界性的科技革命和產業變革歷史性交匯，以工業互聯網和智能制造為主導的第四次工業革命正在興起。云計算、大數據、物聯網和人工智能等新一代信息技術與制造業的深度融合，正在引發對制造業研發設計、生產制造、產業形態和商業模式的深刻變革。機床的智能化對制造業的發展和機床產業本身都具有重要影響。

因此，建議國家進一步重視數控系統產業，全力支持國產高檔數控系統實現突破。特別是要聚集資源，加大投入，大力支持技術迭代、測試驗證、應用示范，集中力量解決高端機床數控系統“卡脖子”問題。

2）建議國家實施數控系統和機床自主可控應用工程。面向重點領域對高檔數控機床的市場需求，“用產學研政”深度融合，進一步縮小在性能、成套性和可靠性等方面與國外的差距。從自主可控和工業信息安全的高度，繼續在航空航天、汽車等重點制造領域，開展國產數控系統“應用示范”，提高國產數控系統的技術成熟度，從“可用”到“好用”，從“跟跑”到“并跑”，全面實現國產化 替代。

在國家重點技改項目中，開展數控系統進口替代審核，優先選用國產數控系統；在政府采購招標中不指定國外數控系統，建立公平市場競爭環境；鼓勵用戶優先選用國產數控系統；加大力度宣傳應用國產數控系統的成功應用案例；提高用戶對國產數控系統的市場認同度。

3）建議國家實施高檔數控系統和機床智能化升級工程。應用人工智能等新一代信息技術，研發新一代智能數控系統，以自主感知、自主學習、自主決策和自主執行，實現優質、高效、安全、可靠和低耗的數控加工。支持主機廠與系統廠聯合，開發工藝知識融合的主機廠專有數控系統；應用機電耦合優化、動態誤差補償技術等智能化技術，提升機床精度、性能和可靠性，推動國產機床“由絲入微”。開發一批高速高精、多軸聯動、復合化和智能化的高檔數控機床。支持主機廠批量配套和推廣應用國產數控系統，推動國產高檔數控系統從“備胎”，轉正成為國產高檔機床的“主配”和“標配”[4]。

7 結束語

國產數控系統產業發展是一個長期的過程，我們不僅要在正面市場毫不退讓，還要在細分市場有所作為，這樣，才能逐步提升國產中高檔數控系統的品牌地位，進一步提高市場占有率。“十四五”期間，我們希望國家、企業、用戶等一起努力，一方面，支持國產數控系統企業“匠心苦干”，縮小與國外的差距。應用人工智能等新一代信息技術，研發新一代智能數控系統，推動數控機床智能化升級。另一方面，繼續在航空、航天、汽車等重點制造領域，推動國產數控系統“應用示范”，進一步提高國產數控系統的技術成熟度，全面實現國產化替代。

20221228