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中國數控機床發(fā)展歷程及未來(lái)趨勢
2021-12-06 09:52:12 來(lái)源:騰訊新聞

本文從市場(chǎng)需求、決策管理、產(chǎn)品定位與服務(wù)、創(chuàng )新體系、核心技術(shù)、人才教育及產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面,對中國、德國及瑞士等歐洲國家、日本進(jìn)行了對比分析。

1、我國數控機床發(fā)展概況

中國數控機床從無(wú)到有,到現在已經(jīng)成為全球最大的機床消費國和生產(chǎn)國。

從洋務(wù)運動(dòng)到新中國建立前,中國機床工業(yè)處于萌芽階段。19 世紀洋務(wù)運動(dòng)期間,曾國藩“訪(fǎng)募覃思之士、智巧之匠”,“覓制器之器與制器之人”。1863年容閎受曾國藩委派,歷時(shí)兩年從美國采購了第1 批機床設備,開(kāi)始將西方現代機床工具引入中國。隨后,江南機器制造總局自制出一批機床。到20世紀上半葉陸續建立了重慶機床廠(chǎng)、長(cháng)沙機床廠(chǎng)、中央機器廠(chǎng)等一批機床廠(chǎng),20世紀40年代,東北、上海、江浙等地又建立了一批機床制造企業(yè),后來(lái)成長(cháng)為沈陽(yáng)三機、上海機床、濟南一機、南京機床、無(wú)錫機床等國內知名的機床廠(chǎng)。

從新中國成立到改革開(kāi)放前(1949~1978 )的20年,中國機床工業(yè)發(fā)展可分為奠基階段和大規模建設階段。

1949年新中國成立后,中國機床工業(yè)開(kāi)始進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期。“一五”時(shí)期(1953~1957 ),在蘇聯(lián)專(zhuān)家指導下,第一機械工業(yè)部(簡(jiǎn)稱(chēng)“一機部”)按專(zhuān)業(yè)分工規劃布局了被稱(chēng)為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè),還建立了以北京金屬切削機床研究所(北京機床研究所的前身)為代表的被稱(chēng)為“七所一院”的一批機床工具研究機構。到1957年,一機部直屬企業(yè)在機床、工具、磨料磨具和機床附件方面的產(chǎn)品產(chǎn)量都占全國的 90%以上。相關(guān)產(chǎn)品產(chǎn)量的國內自給率達 80%左右。機床工具工業(yè)成為一個(gè)獨立的工業(yè)部門(mén),為后續發(fā)展奠定了基礎,這一時(shí)期是中國機床工業(yè)的奠基階段。

1958~1978年期間,中國機床工業(yè)進(jìn)入大規模建設階段。60年代初期開(kāi)展了高精度精密機床戰役,通過(guò)攻關(guān)累計掌握5類(lèi)26種高精度精密機床技術(shù),機床精度、質(zhì)量和工藝水平普遍提高。60年代中期開(kāi)始的“三線(xiàn)建設”中,在川、黔、陜、甘、寧、青、豫西、鄂西等地區,由老廠(chǎng)老所遷建、包建了33個(gè)機床工具企業(yè),改善了行業(yè)的地區布局,其中,為中國第二汽車(chē)制造廠(chǎng)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“二汽”)提供成套設備成為集機床工具行業(yè)技術(shù)能力和展示其發(fā)展水平的又一個(gè)全行業(yè)性大“戰役”,大大提升了行業(yè)技術(shù)水平和能力。與此同時(shí),國家大力支持發(fā)展大型、重型和超重型機床,以滿(mǎn)足國民經(jīng)濟建設之所需。

我國數控機床發(fā)展歷程,起步很早。我國機床產(chǎn)業(yè)經(jīng)過(guò)了1949年前的萌芽階段后,在“一五”期間奠基并快速發(fā)展。1958 年第1臺國產(chǎn)數控機床研制成功,由此開(kāi)始了數控機床的發(fā)展歷程,如圖8所示,這個(gè)歷程可以劃分為:初始發(fā)展階段、持續攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展階段、高速發(fā)展和轉型升級階段。

圖8 我國數控機床發(fā)展歷程

在初始發(fā)展階段,這是相對封閉的技術(shù)研發(fā)期。在我國機床工業(yè)尚處在奠基發(fā)展的時(shí)期,美國于1952年研制出了世界上第1臺3軸聯(lián)動(dòng)數字控制銑床,機床開(kāi)始向數控化發(fā)展。1958年北京第一機床廠(chǎng)與清華大學(xué)合作研發(fā)出了中國第1臺數控銑床,僅比世界第1臺數控機床晚6年。到1972年我國能提供數控線(xiàn)切割機、非圓插齒機和劈錐銑等少數品種的數控機床產(chǎn)品。從第1臺國產(chǎn)數控機床研制成功到20世紀70年代中期,我國的數控機床處于初期技術(shù)研究探索階段,只進(jìn)行了少量產(chǎn)品試制工作,尚未全面開(kāi)展數控機床關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)研究和工業(yè)化開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。70年代中后期,全面啟動(dòng)了數控機床研制生產(chǎn)工作,1975年齊齊哈爾第二機床廠(chǎng)完成了國產(chǎn)第1臺數控龍門(mén)式銑床的研制。由于受到當時(shí)國內外形勢限制,缺乏與先進(jìn)工業(yè)國家的技術(shù)交流,彼此數控機床技術(shù)的研究開(kāi)發(fā)基本上處于封閉的狀態(tài)。

可以說(shuō),中國數控機床最早的研制工作幾乎是與世界同步的,雖然起步較早,但初期數控機床技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)發(fā)展基本上處于一種封閉狀態(tài),從1958年到1978年改革開(kāi)放前,數控機床關(guān)鍵技術(shù)研究開(kāi)發(fā)及產(chǎn)業(yè)發(fā)展緩慢。相對于美、日和歐洲先進(jìn)工業(yè)國家在70年代末和80年代初就已實(shí)現了機床產(chǎn)品的數控化升級換代,我國的機床數控化進(jìn)程到70年代末才剛剛開(kāi)始,并且這一升級換代過(guò)程歷經(jīng)了多重曲折困難,直到30多年后,機床工業(yè)的產(chǎn)品數控化升級換代才得以全面實(shí)現。

1978年后,隨著(zhù)國家的改革開(kāi)放,我國數控機床進(jìn)入一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期,初步建立產(chǎn)業(yè)體系并推進(jìn)產(chǎn)業(yè)化。80年代初期,通過(guò)引進(jìn)數控系統、機床主機技術(shù),并與國外公司聯(lián)合設計,我國開(kāi)始研制和生產(chǎn)數控機床,例如:青海第一機床廠(chǎng)根據機械工業(yè)部安排與日本FANUC合作,研制成功國內第1臺臥式數控加工中心XH754 (1980年);北京機床研究所與北京第三機床廠(chǎng)合作研制成功國內首個(gè)JCS-FMC-1/2臥/立式加工柔性單元,北京機床所與日本FANUC合作研發(fā)的我國第1條回轉體加工柔性制造系統投入生產(chǎn);南京機床廠(chǎng)與德國TRAUB公司合作生產(chǎn)TND360數控車(chē)床,成批量應用于生產(chǎn);北京航空航天大學(xué)研制的國內首臺微型計算機數控系統 CNC-4D 成批量成功應用于航空企業(yè)XK5040銑床的數控化改造(1983年)。“六五”期間(1981~ 1985),對數控機床采用直接從國外“引進(jìn)技術(shù)”的方式,通過(guò)許可證貿易、合作生產(chǎn)、購進(jìn)樣機等方式,引進(jìn)數控機床及相關(guān)技術(shù)183項,開(kāi)發(fā)出數控機床新品種81種,累計可供品種達113種,這成為我國數控機床從展品、樣機走向商品的一個(gè)分水嶺。

“七五”期間(1986~1990),國家安排了數控機床科技攻關(guān)專(zhuān)題和以引進(jìn)技術(shù)“消化吸收”為主要內容的“數控一條龍”項目,包括5種機床主機和3種數控系統的消化吸收國產(chǎn)化。

“八五”期間(1991~1995),以“自主開(kāi)發(fā)”為重點(diǎn)支持國產(chǎn)數控系統的技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)品開(kāi)發(fā),成功開(kāi)發(fā)出了具有當時(shí)國際先進(jìn)技術(shù)水平的中華Ⅰ型(北京珠峰公司和北京航空航天大學(xué)聯(lián)合開(kāi)發(fā)),華中Ⅰ型(武漢華中數控)和藍天Ⅰ型(沈陽(yáng)高檔數控國家工程研究中心)等高檔數控系統。

“九五”期間(1996~2000),以推進(jìn)數控機床“產(chǎn)業(yè)化”為重點(diǎn),在技術(shù)方面基于工業(yè) PC 平臺的普及型數控系統開(kāi)始走向實(shí)用,并且攻克了開(kāi)放式網(wǎng)絡(luò )化多通道多軸聯(lián)動(dòng)技術(shù);在產(chǎn)品方面,重點(diǎn)發(fā)展數控車(chē)床、加工中心、數控磨床、數控電加工機床、數控鍛壓機床和數控重型機床等6大類(lèi)產(chǎn)品,形成主機批量生產(chǎn)能力和關(guān)鍵配套能力,到2000年,我國數控機床品種達1500種,還研發(fā)出了5軸聯(lián)動(dòng)數控加工中心并投入市場(chǎng),但此期間機床工業(yè)的產(chǎn)值數控化率一直在20%左右徘徊,產(chǎn)量數控化率不足10%;在產(chǎn)業(yè)方面,國產(chǎn)數控機床面向市場(chǎng)競爭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展步伐加快,開(kāi)始進(jìn)入市場(chǎng)競爭階段。

十五期間,中國機床進(jìn)入了高速發(fā)展和轉型升級階段,數控技術(shù)及產(chǎn)品得到了快速普及和升級。

“十五”期間(2001~2005 ),隨著(zhù) 2002 年中國正式加入WTO,我國數控機床進(jìn)入高速發(fā)展時(shí)期,國產(chǎn)數控機床產(chǎn)量以超過(guò)30%的幅度逐年增長(cháng),國產(chǎn)5軸聯(lián)動(dòng)加工中心和5面體龍門(mén)式加工中心為能源、汽車(chē)、航空航天等國家重點(diǎn)建設工程提供了關(guān)鍵裝備。這期間,在國家“863計劃”中還實(shí)施了“高精尖數控機床”重點(diǎn)專(zhuān)項,支持了航空、汽車(chē)等部分重點(diǎn)領(lǐng)域急需的高精尖數控裝備研制。

“十一五”期間(2006~2010),我國機床工業(yè)保持持續穩定高速發(fā)展,2007年沈陽(yáng)機床和大連機床分別進(jìn)入全球機床行業(yè)前 10強。一方面,一批機床企業(yè)“走出去”,到發(fā)達國家進(jìn)行技術(shù)并購,如沈陽(yáng)機床在德國設立技術(shù)研發(fā)中心,大連機床、沈陽(yáng)機床、北一機床分別并購 Ingersoll(美國)、Schiess(德國)和 Waldrich-Coburg(德國)等。另一方面,國內市場(chǎng)對中高檔數控機床需求急增,機床企業(yè)加大產(chǎn)品研發(fā)力度,“十一五”期間金屬切削機床中的數控機床產(chǎn)量達72.8萬(wàn)臺,與“十五”期間相比,增長(cháng) 281%,產(chǎn)量數控化率從15%(2006年)提高到30%(2010年);一批民營(yíng)數控機床企業(yè)開(kāi)始快速發(fā)展,其產(chǎn)品在一些細分領(lǐng)域(如3C、汽車(chē)零部件和家電等)占有重要地位。從2009年開(kāi)始,中國在金屬加工機床的生產(chǎn)、消費和進(jìn)口三個(gè)方面均列世界第一,并保持到 2018年。2009年,國家出臺 裝備制造業(yè)調整和振興規劃 ,啟動(dòng)實(shí)施“高檔數控機床與基礎制造裝備”科技重大專(zhuān)項(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“04 專(zhuān)項”),聚焦航空航天、汽車(chē)以及船舶、發(fā)電領(lǐng)域對高檔數控機床與基礎制造裝備的需求,進(jìn)行重點(diǎn)支持。

“十二五”以來(lái),總體來(lái)說(shuō)國產(chǎn)數控機床市場(chǎng)競爭力不斷增強,在國內中低端數控機床市場(chǎng)已占有明顯優(yōu)勢。04專(zhuān)項對高檔數控機床技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展發(fā)揮了重要推動(dòng)作用,加快了高檔數控機床、數控系統和功能部件的技術(shù)研發(fā)步伐,促進(jìn)了機床企業(yè)與航空航天、汽車(chē)、船舶和發(fā)電等領(lǐng)域的用戶(hù)企業(yè)的結合;一批高檔數控機床(如車(chē)銑復合加工中心、大型龍門(mén)式 5 軸聯(lián)動(dòng)加工中心、多主軸鏡像銑削機床等)實(shí)現了從“無(wú)”到“有”,并成功應用于重點(diǎn)領(lǐng)域和重點(diǎn)工程的實(shí)際生產(chǎn);濟南二機床已有9條用于大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線(xiàn)出口至福特汽車(chē)集團(美國),并進(jìn)一步拓展到日產(chǎn)汽車(chē)公司(日本)、標致雪鐵龍集團(法國),進(jìn)入國際市場(chǎng);5軸聯(lián)動(dòng)數控機床精度測試“S試件”標準列入ISO 標準,實(shí)現我國在國際高檔數控機床技術(shù)標準領(lǐng)域“零”的突破。2015年,國家全面推進(jìn)實(shí)施制造強國戰略,“高檔數控機床和機器人”等10大領(lǐng)域被列為重點(diǎn)。2016年,我國機床工業(yè)的產(chǎn)出數控化率和機床市場(chǎng)的消費數控化率均接近 80% 的水平,基本實(shí)現了機床產(chǎn)品的數控化升級。我國數控機床產(chǎn)業(yè)在高速發(fā)展的同時(shí),企業(yè)創(chuàng )新能力不足、核心技術(shù)缺失、專(zhuān)業(yè)人才不足、技術(shù)基礎薄弱和產(chǎn)業(yè)結構失衡等深層次問(wèn)題也逐漸顯現,2019年國內機床行業(yè)兩大巨頭——大連機床和沈陽(yáng)機床分別走向破產(chǎn)和重整,并被中國通用技術(shù)集團重組。與此同時(shí),一批數控機床后起之秀異軍突起,以東部沿海地區為主形成了面向市場(chǎng)的數控機床產(chǎn)業(yè)聚集地區等。

2、“十八羅漢”變遷

中國機床的發(fā)展,經(jīng)歷了“十八羅漢”變遷和民營(yíng)機床企業(yè)快速發(fā)展。

“一五”時(shí)期,我國由蘇聯(lián)及東歐國家援建了156項重點(diǎn)工程項目,其中涉及機床工業(yè)的項目有:新建沈陽(yáng)第一機床廠(chǎng)和武漢重型機床廠(chǎng)、改建沈陽(yáng)第二機床廠(chǎng)(即中捷友誼廠(chǎng)),此外在蘇聯(lián)專(zhuān)家指導下,一機部按專(zhuān)業(yè)分工規劃布局了被稱(chēng)為“十八羅漢”的一批骨干機床企業(yè),這些企業(yè)及其專(zhuān)業(yè)產(chǎn)品分工見(jiàn)表1。

在計劃經(jīng)濟環(huán)境下,“十八羅漢”和“七所一院”快速建立了我國較完整的機床工具產(chǎn)業(yè)和科研體系,支撐了建國后直至1978年改革開(kāi)放前我國的工業(yè)化發(fā)展,并為改革開(kāi)放后制造業(yè)的快速發(fā)展奠定了基礎。近年來(lái),“十八羅漢”經(jīng)過(guò)多次改革,經(jīng)營(yíng)機制、管理體制、所有制結構都發(fā)生了很大變化。經(jīng)過(guò)40多年發(fā)展變遷,曾經(jīng)作為我國機床行業(yè)主力軍的“十八羅漢”企業(yè)中,一部分改革創(chuàng )新穩定發(fā)展,如濟南二機床已發(fā)展為世界三大數控沖壓裝備制造商之一,同時(shí)還生產(chǎn)大重型金屬切削機床,成為“中國名牌”;一部分企業(yè)仍在改革調整之中,例如,沈陽(yáng)機床、大連機床、齊二機床等已進(jìn)入中國通用技術(shù)集團,并與集團下屬的北京機床研究所、哈爾濱量具刃具公司、天津一機床等共同組成了先進(jìn)制造與技術(shù)服務(wù)主業(yè)中的機床板塊;少數企業(yè)已經(jīng)破產(chǎn)不再經(jīng)營(yíng),如長(cháng)沙機床廠(chǎng)。

表1 “一五”時(shí)期布局的機床行業(yè)“十八羅漢”

而近10年來(lái),一批民營(yíng)數控機床企業(yè)異軍突起,在國內外市場(chǎng)產(chǎn)生重要影響,如北京精雕、四川普什寧江、大連光洋/科德、上海拓璞、紐威數控(蘇州)、寧波海天精工、武漢華中數控、廣州數控等,它們是在數控機床行業(yè)國內外市場(chǎng)競爭中崛起的后起之秀,成為中國數控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展新的有生力量。另外,以市場(chǎng)和用戶(hù)需求為導向,東部沿海地區則形成了數控機床產(chǎn)業(yè)聚集區,如山東滕州中小機床之都、江蘇泰州特種加工機床基地、浙江溫嶺工量具機床名城、浙江玉環(huán)經(jīng)濟型數控車(chē)床之都、浙江寧波模具之都、安徽博望刃具之鄉等,它們?yōu)閿悼貦C床市場(chǎng)繁榮帶來(lái)了新鮮的活力和特色。

3、04專(zhuān)項的標志性成果

2009年,對于中國機床發(fā)展具有重要意義和作用的04專(zhuān)項正式啟動(dòng)。“十一五”期間,通過(guò)支持8大類(lèi)、57種主機產(chǎn)品部署課題任務(wù),重點(diǎn)解決“有無(wú)”問(wèn)題;“十二五”期間,聚焦高檔數控系統、功能部件及成套裝備和生產(chǎn)線(xiàn)的研發(fā);“十三五”期間,進(jìn)一步重點(diǎn)聚焦航空航天、汽車(chē)兩大領(lǐng)域,著(zhù)力攻克數控系統與功能部件、可靠性和精度保持性技術(shù)、加工效率與工藝水平提升等問(wèn)題??傮w上,專(zhuān)項課題部署覆蓋了實(shí)施方案確定的重點(diǎn)任務(wù),涵蓋了重點(diǎn)領(lǐng)域急需的關(guān)鍵制造裝備,部分先進(jìn)企業(yè)在專(zhuān)項實(shí)施過(guò)程中充分了解用戶(hù)需求,由此催生出一批關(guān)鍵制造裝備,具備了一定的國際競爭實(shí)力。

在04專(zhuān)項支持下研制了一批高檔數控機床和基礎制造裝備,標志性裝備及相關(guān)技術(shù)成果如下:

(1)航空領(lǐng)域大型關(guān)鍵成套制造裝備。成功研制一批典型航空結構件加工所需的切削/成形裝備,如8萬(wàn)噸(800MN)大型模鍛壓力機、龍門(mén)及臥式5軸聯(lián)動(dòng)加工中心、大型翻板臥式加工中心、復合材料鋪帶機和鋪絲機等,填補了國內空白,實(shí)現了進(jìn)口替代。

(2)運載火箭大型特種制造裝備。多主軸鏡像銑削加工機床、大型龍門(mén)式 5軸加工中心、重型5軸龍門(mén)式攪拌摩擦焊裝備、自動(dòng)化鉚接裝備等制造裝備得到示范應用,掌握了核心關(guān)鍵技術(shù),實(shí)現了自主可控,為載人航天、空間站工程和新一代運載火箭提供了有力支撐。

(3)汽車(chē)大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線(xiàn)。形成了“汽車(chē)車(chē)身大型快速高效全自動(dòng)沖壓生產(chǎn)線(xiàn)”等優(yōu)勢技術(shù)和產(chǎn)品,裝備了國內幾乎所有自主品牌、合資品牌的汽車(chē)企業(yè),國內市場(chǎng)占有率達70%以上,國際市場(chǎng)占有率達30%,徹底擺脫了國產(chǎn)汽車(chē)高檔沖壓設備主要依賴(lài)進(jìn)口的局面。

(4)動(dòng)力總成(汽車(chē)發(fā)動(dòng)機)關(guān)鍵加工裝備。面向動(dòng)力總成的關(guān)鍵加工裝備精密臥式加工中心實(shí)現100%數字化設計,突破了熱誤差綜合補償技術(shù),可靠性大幅提升,國產(chǎn)數控系統和主要功能部件配套率顯著(zhù)提高。

(5)發(fā)電設備重型制造裝備。成功研制3.6萬(wàn)噸(360MN)黑色金屬垂直擠壓機、超重型立式車(chē)銑復合加工中心、重型橋式龍門(mén) 5軸聯(lián)動(dòng)車(chē)銑復合機床等,為第三代核電提供了有效支撐。

(6)大型船舶制造裝備。成功研制 25m 數控立柱移動(dòng)立式銑車(chē)機床、大型組合式曲軸車(chē)銑復合機床,解決了國家重大工程急需,填補國內空白,我國船舶用高檔數控重型機床已可滿(mǎn)足船舶自主化制造的需求。

(7)光學(xué)元件超精密關(guān)鍵制造裝備。突破了超精密制造機床關(guān)鍵技術(shù),研制出主要技術(shù)指標達到國際先進(jìn)水平的一批超精密加工關(guān)鍵裝備,構建直接應用于國家重大光學(xué)工程的 3 條示范生產(chǎn)線(xiàn),完成國家重大工程所需的典型光學(xué)元件試制。

(8)高檔數控機床成套裝備。成功研制出箱體類(lèi)零件加工 FMC50 柔性制造單元、航天發(fā)動(dòng)機關(guān)重件 FMS 生產(chǎn)線(xiàn)、高壓油泵驅動(dòng)單元凸輪軸智能生產(chǎn)線(xiàn)、汽車(chē)自動(dòng)變速器齒輪(箱)數字制造工藝裝備鏈、螺紋/螺桿數字制造工藝裝備鏈、汽車(chē)輪轂智能制造島、五軸機床鋁合金肋板類(lèi)臥式加工生產(chǎn)線(xiàn)等,在航空航天、汽車(chē)等領(lǐng)域實(shí)現應用。

(9)高檔數控系統。多通道、多軸聯(lián)動(dòng)數控系統關(guān)鍵技術(shù)指標達到國際主流產(chǎn)品技術(shù)水平,功能與之相當,可靠性有效提升,打破國外數控系統產(chǎn)品一統天下的局面,實(shí)現了在航空航天重點(diǎn)企業(yè)的批量示范應用。

(10)高檔數控機床功能部件及配套體系。高速、高精、重載滾珠絲杠和直線(xiàn)導軌產(chǎn)品性能及市場(chǎng)占有率均明顯提高,功能部件配套體系逐步完善。

(11)關(guān)鍵領(lǐng)域所需成套刀具及成套裝備。工具行業(yè)技術(shù)水平明顯提升,研發(fā)能力和產(chǎn)業(yè)化能力明顯增強,在航空和汽車(chē)行業(yè)基本具備刀具整體配套能力。

4、國內外對比分析

數控機床,有著(zhù)獨特的產(chǎn)業(yè)特點(diǎn),在現代工業(yè)中是具有基礎性、復雜性和戰略性的物資。數控機床(特別是高檔數控機床)在產(chǎn)業(yè)和技術(shù)方面有如下一些特點(diǎn):

(1)技術(shù)密集、迭代積累。數控機床是一類(lèi)將機械、電氣、液壓、控制、硬件、軟件、信息、網(wǎng)絡(luò )、傳感等多學(xué)科、多專(zhuān)業(yè)的技術(shù)高度集成于一個(gè)實(shí)物載體的產(chǎn)品,技術(shù)高度密集,需要長(cháng)期積累和迭代。

(2)工藝細分、品種繁多。涉及切削加工,成形加工,特種加工等不同的類(lèi)別和工藝,工藝劃分較細,產(chǎn)品類(lèi)別及型號繁多。

(3)市場(chǎng)量小、利潤較低。機床行業(yè)往往只是其服務(wù)的終端產(chǎn)品行業(yè)(如汽車(chē)、工程機械、飛機制造等)規模的百分之幾,它提供制造工具類(lèi)的產(chǎn)品,產(chǎn)品功能和性能要求高但利潤低。

(4)勞動(dòng)密集、工匠精神。由于運動(dòng)精度、動(dòng)態(tài)性能要求高但市場(chǎng)規模小,故難以進(jìn)行大批量自動(dòng)化生產(chǎn),需要大量具有工匠精神的技能型工人。

(5)資本疏離、隱性壟斷。雖然機床行業(yè)總體來(lái)說(shuō)在全球是一個(gè)充分競爭的行業(yè),但在高檔數控機床領(lǐng)域,先入者往往基于自身技術(shù)積累而建立起強大的市場(chǎng)競爭優(yōu)勢,具有隱性壟斷的特征,即在該領(lǐng)域市場(chǎng)機制是局部失靈的。對于后發(fā)的工業(yè)化國家,投資高檔數控機床產(chǎn)業(yè)風(fēng)險很大,因此資本一般是疏離該領(lǐng)域的,需要依靠國家財政支持和產(chǎn)業(yè)政策傾斜。

在綜合分析多方面的資料基礎上,本文從市場(chǎng)需求、決策管理、產(chǎn)品定位與服務(wù)、創(chuàng )新體系、核心技術(shù)、人才教育及產(chǎn)學(xué)研合作、研發(fā)投入、產(chǎn)業(yè)鏈及產(chǎn)業(yè)生態(tài)等方面,對中國、德國及瑞士等歐洲國家、日本進(jìn)行了對比分析,具體情況如表2所示。德國和日本的做法,值得中國借鑒。

表2 數控機床領(lǐng)域國內外對比分析

5、未來(lái)發(fā)展趨勢

在未來(lái)主要發(fā)展趨勢方面,數控機床技術(shù)呈現出高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化的發(fā)展趨勢,即:

(1)高性能。數控機床發(fā)展過(guò)程中,一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生產(chǎn)效率和可靠性。未來(lái)數控機床將通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化的整機結構、先進(jìn)的控制系統和高效的數學(xué)算法等,實(shí)現復雜曲線(xiàn)曲面的高速高精直接插補和高動(dòng)態(tài)響應的伺服控制;通過(guò)數字化虛擬仿真、優(yōu)化的靜動(dòng)態(tài)剛度設計、熱穩定性控制、在線(xiàn)動(dòng)態(tài)補償等技術(shù)大幅度提高可靠性和精度保持性。

(2)多功能。從不同切削加工工藝復合(如車(chē)銑、銑磨)向不同成形方法的組合(如增材制造、減材制造和等材制造等成形方法的組合或混合),數控機床與機器人“機-機”融合與協(xié)同等方向發(fā)展;從“CAD-CAM-CNC”的傳統串行工藝鏈向基于3D實(shí)體模型的“CAD+CAM+CNC集成”一步式加工方向發(fā)展;從“機-機”互聯(lián)的網(wǎng)絡(luò )化,向“人-機-物”互聯(lián)、邊緣/云計算支持的加工大數據處理方向發(fā)展。

(3)定制化。根據用戶(hù)需求,在機床結構、系統配置、專(zhuān)業(yè)編程、切削刀具、在機測量等方面提供定制化開(kāi)發(fā),在加工工藝、切削參數、故障診斷、運行維護等方面提供定制化服務(wù)。模塊化設計、可重構配置、網(wǎng)絡(luò )化協(xié)同、軟件定義制造、可移動(dòng)制造等技術(shù)將為實(shí)現定制化提供技術(shù)支撐。

(4)智能化。通過(guò)傳感器和標準通信接口,感知和獲取機床狀態(tài)和加工過(guò)程的信號及數據,通過(guò)變換處理、建模分析和數據挖掘對加工過(guò)程進(jìn)行學(xué)習,形成支持最優(yōu)決策的信息和指令,實(shí)現對機床及加工過(guò)程的監測、預報和控制,滿(mǎn)足優(yōu)質(zhì)、高效、柔性和自適應加工的要求。“感知、互聯(lián)、學(xué)習、決策、自適應”將成為數控機床智能化的主要功能特征,加工大數據、工業(yè)物聯(lián)、數字孿生、邊緣計算/云計算、深度學(xué)習等將有力助推未來(lái)智能機床技術(shù)的發(fā)展與進(jìn)步。

(5)綠色化。技術(shù)面向未來(lái)可持續發(fā)展的需求,具有生態(tài)友好的設計、輕量化的結構、節能環(huán)保的制造、最優(yōu)化能效管理、清潔切削技術(shù)、宜人化人機接口和產(chǎn)品全生命周期綠色化服務(wù)等。

切削機床是利用刀具或磨具通過(guò)機械能作用于工件,實(shí)現材料去除的各種工藝(如車(chē)削、銑削、鏜削、鉆削、磨削等),其本質(zhì)問(wèn)題可以歸結為兩點(diǎn),一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文開(kāi)篇所述,機床1.0是以蒸汽動(dòng)力直接給機床提供機械能以實(shí)現各種切削工藝,控制方式是手動(dòng)控制;機床 2.0將電能轉換為機械能以驅動(dòng)機床,并帶來(lái)數字控制機床的出現,控制方式是自動(dòng)控制;機床 3.0則是計算機和信息技術(shù)帶來(lái)的計算機數控機床,它改變了機床控制方式和生產(chǎn)組織方式,使其數字化、網(wǎng)絡(luò )化。

展望未來(lái),機床4.0將面臨新的革命性變化,表現在一是材料去除過(guò)程直接所用的能量由以機械能為主變化為機械能、電能、光能、化學(xué)能等多種能場(chǎng)及其組合。二是能量使用的控制方式,一方面智能化控制是未來(lái)機床近期發(fā)展的最主要特征和趨勢,它使得機床更高(精度)、更快(效率)、更強(功能)、更省(綠色);另一方面,即將出現的量子計算和量子計算機,就如同當年電子計算機給數控機床帶來(lái)革命性跨越一樣,重新定義一代數控機床,催生出全新原理和全新概念的數控機床和生產(chǎn)過(guò)程。

機床作為工作母機,多年來(lái)為工業(yè)革命和現代工業(yè)發(fā)展提供了制造工具和方法;未來(lái)工業(yè)發(fā)展和人類(lèi)文明進(jìn)步,仍然離不開(kāi)數控機床的支撐和促進(jìn)。展望未來(lái),新的一輪工業(yè)革命給數控機床的發(fā)展帶來(lái)新的挑戰和機遇,先進(jìn)制造技術(shù)與新一代信息技術(shù)及新一代人工智能融合,也給數控機床的技術(shù)創(chuàng )新、產(chǎn)品換代和產(chǎn)業(yè)升級提供了技術(shù)支撐,數控機床將走向高性能、多功能、定制化、智能化和綠色化,并擁抱未來(lái)的量子計算新技術(shù),為新的工業(yè)革命和人類(lèi)文明進(jìn)步提供更強大、更便利和更有效的制造工具。

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