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工赋开发者社区 中国数控机床发展历程及未来趋
日期:2021-11-25

  工业互联网开发者社区是上海市工业互联网研发与转化功能型平台中重要的建设内容,由工业互联网创新中心牵头,联合上海市工业互联网协会、上海积梦智能、上海电气等单位共同打造、合作运营。在上海市科委、市经信委、中国信通院、工业互联网产业联盟指导下,于第二届世界人工智能大会工业智能峰会上正式发布,将着力建成工业互联网主题的国内主流开源技术社区。

  工赋开发者社区为工业互联网开发者和技术爱好者搭建一个认知、交流、思考、实践的一站式社区,旨在构建全球化的、有技术背景的优秀人才同侪学习成长的平台。围绕重大共性需求和重点行业需要,面向关键技术和企业需求,促进技术创新成果产业化。通过举办开发者大会、应用创新竞赛、专业培训、参与国际开源项目等方式,不断提升开发者的应用创新能力,形成良性互动的发展模式,推动多领域融合型技术研发与产业化应用。

  社区会员主要由CTO、架构师、技术VP、具有制造业技术背景的CEO、技术工程师等组成,累计会员人数 3000+。社区将持续服务开发者及制造业企业,为制造业数字化转型培养IT与OT融合的专业人才,搭建连接全球技术开发者和制造业企业之间的桥梁。

  本文从市场需求、决策管理、产品定位与服务、创新体系、核心技术、人才教育及产学研合作、研发投入、产业链及产业生态等方面,对中国、德国及瑞士等欧洲国家、日本进行了对比分析。

  从洋务运动到新中国建立前,中国机床工业处于萌芽阶段。19 世纪洋务运动期间,曾国藩“访募覃思之士、智巧之匠”,“觅制器之器与制器之人”。1863年容闳受曾国藩委派,历时两年从美国采购了第1 批机床设备,开始将西方现代机床工具引入中国。随后,江南机器制造总局自制出一批机床。到20世纪上半叶陆续建立了重庆机床厂、长沙机床厂、中央机器厂等一批机床厂,20世纪40年代,东北、上海、江浙等地又建立了一批机床制造企业,后来成长为沈阳三机、上海机床、济南一机、南京机床、无锡机床等国内知名的机床厂。

  从新中国成立到改革开放前(1949~1978 )的20年,中国机床工业发展可分为奠基阶段和大规模建设阶段。

  1949年新中国成立后,中国机床工业开始进入快速发展时期。“一五”时期(1953~1957 ),在苏联专家指导下,第一机械工业部(简称“一机部”)按专业分工规划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业,还建立了以北京金属切削机床研究所(北京机床研究所的前身)为代表的被称为“七所一院”的一批机床工具研究机构。到1957年,一机部直属企业在机床、工具、磨料磨具和机床附件方面的产品产量都占全国的 90%以上。相关产品产量的国内自给率达 80%左右。机床工具工业成为一个独立的工业部门,为后续发展奠定了基础,这一时期是中国机床工业的奠基阶段。

  1958~1978年期间,中国机床工业进入大规模建设阶段。60年代初期开展了高精度精密机床战役,通过攻关累计掌握5类26种高精度精密机床技术,机床精度、质量和工艺水平普遍提高。60年代中期开始的“三线建设”中,在川、黔、陕、甘、宁、青、豫西、鄂西等地区,由老厂老所迁建、包建了33个机床工具企业,改善了行业的地区布局,其中,为中国第二汽车制造厂(以下简称“二汽”)提供成套设备成为集机床工具行业技术能力和展示其发展水平的又一个全行业性大“战役”,大大提升了行业技术水平和能力。与此同时,国家大力支持发展大型、重型和超重型机床,以满足国民经济建设之所需。

  我国数控机床发展历程,起步很早。我国机床产业经过了1949年前的萌芽阶段后,在“一五”期间奠基并快速发展。1958 年第1台国产数控机床研制成功,由此开始了数控机床的发展历程,如图8所示,这个历程可以划分为:初始发展阶段、持续攻关和产业化发展阶段、高速发展和转型升级阶段。

  在初始发展阶段,这是相对封闭的技术研发期。在我国机床工业尚处在奠基发展的时期,美国于1952年研制出了世界上第1台3轴联动数字控制铣床,机床开始向数控化发展。1958年北京第一机床厂与清华大学合作研发出了中国第1台数控铣床,仅比世界第1台数控机床晚6年。到1972年我国能提供数控线切割机、非圆插齿机和劈锥铣等少数品种的数控机床产品。从第1台国产数控机床研制成功到20世纪70年代中期,我国的数控机床处于初期技术研究探索阶段,只进行了少量产品试制工作,尚未全面开展数控机床关键技术攻关研究和工业化开发生产。70年代中后期,全面启动了数控机床研制生产工作,1975年齐齐哈尔第二机床厂完成了国产第1台数控龙门式铣床的研制。由于受到当时国内外形势限制,缺乏与先进工业国家的技术交流,彼此数控机床技术的研究开发基本上处于封闭的状态。

  可以说,中国数控机床最早的研制工作几乎是与世界同步的,虽然起步较早,但初期数控机床技术研究和产业发展基本上处于一种封闭状态,从1958年到1978年改革开放前,数控机床关键技术研究开发及产业发展缓慢。相对于美、日和欧洲先进工业国家在70年代末和80年代初就已实现了机床产品的数控化升级换代,我国的机床数控化进程到70年代末才刚刚开始,并且这一升级换代过程历经了多重曲折困难,直到30多年后,机床工业的产品数控化升级换代才得以全面实现。

  1978年后,随着国家的改革开放,我国数控机床进入一个新的发展时期,初步建立产业体系并推进产业化。80年代初期,通过引进数控系统、机床主机技术,并与国外公司联合设计,我国开始研制和生产数控机床,例如:青海第一机床厂根据机械工业部安排与日本FANUC合作,研制成功国内第1台卧式数控加工中心XH754 (1980年);北京机床研究所与北京第三机床厂合作研制成功国内首个JCS-FMC-1/2卧/立式加工柔性单元,北京机床所与日本FANUC合作研发的我国第1条回转体加工柔性制造系统投入生产;南京机床厂与德国TRAUB公司合作生产TND360数控车床,成批量应用于生产;北京航空航天大学研制的国内首台微型计算机数控系统 CNC-4D 成批量成功应用于航空企业XK5040铣床的数控化改造(1983年)。“六五”期间(1981~ 1985),对数控机床采用直接从国外“引进技术”的方式,通过许可证贸易、合作生产、购进样机等方式,引进数控机床及相关技术183项,开发出数控机床新品种81种,累计可供品种达113种,这成为我国数控机床从展品、样机走向商品的一个分水岭。

  “七五”期间(1986~1990),国家安排了数控机床科技攻关专题和以引进技术“消化吸收”为主要内容的“数控一条龙”项目,包括5种机床主机和3种数控系统的消化吸收国产化。

  “八五”期间(1991~1995),以“自主开发”为重点支持国产数控系统的技术攻关和产品开发,成功开发出了具有当时国际先进技术水平的中华Ⅰ型(北京珠峰公司和北京航空航天大学联合开发),华中Ⅰ型(武汉华中数控)和蓝天Ⅰ型(沈阳高档数控国家工程研究中心)等高档数控系统。

  “九五”期间(1996~2000),以推进数控机床“产业化”为重点,在技术方面基于工业 PC 平台的普及型数控系统开始走向实用,并且攻克了开放式网络化多通道多轴联动技术;在产品方面,重点发展数控车床、加工中心、数控磨床、数控电加工机床、数控锻压机床和数控重型机床等6大类产品,形成主机批量生产能力和关键配套能力,到2000年,我国数控机床品种达1500种,还研发出了5轴联动数控加工中心并投入市场,但此期间机床工业的产值数控化率一直在20%左右徘徊,产量数控化率不足10%;在产业方面,国产数控机床面向市场竞争的产业化发展步伐加快,开始进入市场竞争阶段。

  十五期间,中国机床进入了高速发展和转型升级阶段,数控技术及产品得到了快速普及和升级。

  “十五”期间(2001~2005 ),随着 2002 年中国正式加入WTO,我国数控机床进入高速发展时期,国产数控机床产量以超过30%的幅度逐年增长,国产5轴联动加工中心和5面体龙门式加工中心为能源、汽车、航空航天等国家重点建设工程提供了关键装备。这期间,在国家“863计划”中还实施了“高精尖数控机床”重点专项,支持了航空、汽车等部分重点领域急需的高精尖数控装备研制。

  “十一五”期间(2006~2010),我国机床工业保持持续稳定高速发展,2007年沈阳机床和大连机床分别进入全球机床行业前 10强。一方面,一批机床企业“走出去”,到发达国家进行技术并购,如沈阳机床在德国设立技术研发中心,大连机床、沈阳机床、北一机床分别并购 Ingersoll(美国)、Schiess(德国)和 Waldrich-Coburg(德国)等。另一方面,国内市场对中高档数控机床需求急增,机床企业加大产品研发力度,“十一五”期间金属切削机床中的数控机床产量达72.8万台,与“十五”期间相比,增长 281%,产量数控化率从15%(2006年)提高到30%(2010年);一批民营数控机床企业开始快速发展,其产品在一些细分领域(如3C、汽车零部件和家电等)占有重要地位。从2009年开始,中国在金属加工机床的生产、消费和进口三个方面均列世界第一,并保持到 2018年。2009年,国家出台«装备制造业调整和振兴规划»,启动实施“高档数控机床与基础制造装备”科技重大专项(以下简称“04 专项”),聚焦航空航天、汽车以及船舶、发电领域对高档数控机床与基础制造装备的需求,进行重点支持。

  “十二五”以来,总体来说国产数控机床市场竞争力不断增强,在国内中低端数控机床市场已占有明显优势。04专项对高档数控机床技术和产业发展发挥了重要推动作用,加快了高档数控机床、数控系统和功能部件的技术研发步伐,促进了机床企业与航空航天、汽车、船舶和发电等领域的用户企业的结合;一批高档数控机床(如车铣复合加工中心、大型龙门式 5 轴联动加工中心、多主轴镜像铣削机床等)实现了从“无”到“有”,并成功应用于重点领域和重点工程的实际生产;济南二机床已有9条用于大型快速高效全自动冲压生产线出口至福特汽车集团(美国),并进一步拓展到日产汽车公司(日本)、标致雪铁龙集团(法国),进入国际市场;5轴联动数控机床精度测试“S试件”标准列入ISO 标准,实现我国在国际高档数控机床技术标准领域“零”的突破。2015年,国家全面推进实施制造强国战略,“高档数控机床和机器人”等10大领域被列为重点。2016年,我国机床工业的产出数控化率和机床市场的消费数控化率均接近 80% 的水平,基本实现了机床产品的数控化升级。我国数控机床产业在高速发展的同时,企业创新能力不足、核心技术缺失、专业人才不足、技术基础薄弱和产业结构失衡等深层次问题也逐渐显现,2019年国内机床行业两大巨头——大连机床和沈阳机床分别走向破产和重整,并被中国通用技术集团重组。与此同时,一批数控机床后起之秀异军突起,以东部沿海地区为主形成了面向市场的数控机床产业聚集地区等。

  “一五”时期,我国由苏联及东欧国家援建了156项重点工程项目,其中涉及机床工业的项目有:新建沈阳第一机床厂和武汉重型机床厂、改建沈阳第二机床厂(即中捷友谊厂),此外在苏联专家指导下,一机部按专业分工规划布局了被称为“十八罗汉”的一批骨干机床企业,这些企业及其专业产品分工见表1。

  在计划经济环境下,“十八罗汉”和“七所一院”快速建立了我国较完整的机床工具产业和科研体系,支撑了建国后直至1978年改革开放前我国的工业化发展,并为改革开放后制造业的快速发展奠定了基础。近年来,“十八罗汉”经过多次改革,经营机制、管理体制、所有制结构都发生了很大变化。经过40多年发展变迁,曾经作为我国机床行业主力军的“十八罗汉”企业中,一部分改革创新稳定发展,如济南二机床已发展为世界三大数控冲压装备制造商之一,同时还生产大重型金属切削机床,成为“中国名牌”;一部分企业仍在改革调整之中,例如,沈阳机床、大连机床、齐二机床等已进入中国通用技术集团,并与集团下属的北京机床研究所、哈尔滨量具刃具公司、天津一机床等共同组成了先进制造与技术服务主业中的机床板块;少数企业已经破产不再经营,如长沙机床厂。

  而近10年来,一批民营数控机床企业异军突起,在国内外市场产生重要影响,如北京精雕、四川普什宁江、大连光洋/科德、上海拓璞、纽威数控(苏州)、宁波海天精工、武汉华中数控、广州数控等,它们是在数控机床行业国内外市场竞争中崛起的后起之秀,成为中国数控机床产业发展新的有生力量。另外,以市场和用户需求为导向,东部沿海地区则形成了数控机床产业聚集区,如山东滕州中小机床之都、江苏泰州特种加工机床基地、浙江温岭工量具机床名城、浙江玉环经济型数控车床之都、浙江宁波模具之都、安徽博望刃具之乡等,它们为数控机床市场繁荣带来了新鲜的活力和特色。

  2009年,对于中国机床发展具有重要意义和作用的04专项正式启动。“十一五”期间,通过支持8大类、57种主机产品部署课题任务,重点解决“有无”问题;“十二五”期间,聚焦高档数控系统、功能部件及成套装备和生产线的研发;“十三五”期间,进一步重点聚焦航空航天、汽车两大领域,着力攻克数控系统与功能部件、可靠性和精度保持性技术、加工效率与工艺水平提升等问题。总体上,专项课题部署覆盖了实施方案确定的重点任务,涵盖了重点领域急需的关键制造装备,部分先进企业在专项实施过程中充分了解用户需求,由此催生出一批关键制造装备,具备了一定的国际竞争实力。

  在04专项支持下研制了一批高档数控机床和基础制造装备,标志性装备及相关技术成果如下:

  (1)航空领域大型关键成套制造装备。成功研制一批典型航空结构件加工所需的切削/成形装备,如8万吨(800MN)大型模锻压力机、龙门及卧式5轴联动加工中心、大型翻板卧式加工中心、复合材料铺带机和铺丝机等,填补了国内空白,实现了进口替代。

  (2)运载火箭大型特种制造装备。多主轴镜像铣削加工机床、大型龙门式 5轴加工中心、重型5轴龙门式搅拌摩擦焊装备、自动化铆接装备等制造装备得到示范应用,掌握了核心关键技术,实现了自主可控,为载人航天、空间站工程和新一代运载火箭提供了有力支撑。

  (3)汽车大型快速高效全自动冲压生产线。形成了“汽车车身大型快速高效全自动冲压生产线”等优势技术和产品,装备了国内几乎所有自主品牌、合资品牌的汽车企业,国内市场占有率达70%以上,国际市场占有率达30%,彻底摆脱了国产汽车高档冲压设备主要依赖进口的局面。

  (4)动力总成(汽车发动机)关键加工装备。面向动力总成的关键加工装备精密卧式加工中心实现100%数字化设计,突破了热误差综合补偿技术,可靠性大幅提升,国产数控系统和主要功能部件配套率显著提高。

  (5)发电设备重型制造装备。成功研制3.6万吨(360MN)黑色金属垂直挤压机、超重型立式车铣复合加工中心、重型桥式龙门 5轴联动车铣复合机床等,为第三代核电提供了有效支撑。

  (6)大型船舶制造装备。成功研制 25m 数控立柱移动立式铣车机床、大型组合式曲轴车铣复合机床,解决了国家重大工程急需,填补国内空白,我国船舶用高档数控重型机床已可满足船舶自主化制造的需求。

  (7)光学元件超精密关键制造装备。突破了超精密制造机床关键技术,研制出主要技术指标达到国际先进水平的一批超精密加工关键装备,构建直接应用于国家重大光学工程的 3 条示范生产线,完成国家重大工程所需的典型光学元件试制。

  (8)高档数控机床成套装备。成功研制出箱体类零件加工 FMC50 柔性制造单元、航天发动机关重件 FMS 生产线、高压油泵驱动单元凸轮轴智能生产线、汽车自动变速器齿轮(箱)数字制造工艺装备链、螺纹/螺杆数字制造工艺装备链、汽车轮毂智能制造岛、五轴机床铝合金肋板类卧式加工生产线等,在航空航天、汽车等领域实现应用。

  (9)高档数控系统。多通道、多轴联动数控系统关键技术指标达到国际主流产品技术水平,功能与之相当,可靠性有效提升,打破国外数控系统产品一统天下的局面,实现了在航空航天重点企业的批量示范应用。

  (10)高档数控机床功能部件及配套体系。高速、高精、大连市将4个中风险地区调整为低风险地区,重载滚珠丝杠和直线导轨产品性能及市场占有率均明显提高,功能部件配套体系逐步完善。

  (11)关键领域所需成套刀具及成套装备。工具行业技术水平明显提升,研发能力和产业化能力明显增强,在航空和汽车行业基本具备刀具整体配套能力。

  数控机床,有着独特的产业特点,在现代工业中是具有基础性、复杂性和战略性的物资。数控机床(特别是高档数控机床)在产业和技术方面有如下一些特点:

  (1)技术密集、迭代积累。数控机床是一类将机械、电气、液压、控制、硬件、软件、信息、网络、传感等多学科、多专业的技术高度集成于一个实物载体的产品,技术高度密集,需要长期积累和迭代。

  (2)工艺细分、品种繁多。涉及切削加工,成形加工,特种加工等不同的类别和工艺,工艺划分较细,产品类别及型号繁多。

  (3)市场量小、利润较低。机床行业往往只是其服务的终端产品行业(如汽车、工程机械、飞机制造等)规模的百分之几,它提供制造工具类的产品,产品功能和性能要求高但利润低。

  (4)劳动密集、工匠精神。由于运动精度、动态性能要求高但市场规模小,故难以进行大批量自动化生产,企业网站建设不知道如何做?网站的类型大全来。需要大量具有工匠精神的技能型工人。

  (5)资本疏离、隐性垄断。虽然机床行业总体来说在全球是一个充分竞争的行业,但在高档数控机床领域,先入者往往基于自身技术积累而建立起强大的市场竞争优势,具有隐性垄断的特征,即在该领域市场机制是局部失灵的。对于后发的工业化国家,投资高档数控机床产业风险很大,因此资本一般是疏离该领域的,需要依靠国家财政支持和产业政策倾斜。

  在综合分析多方面的资料基础上,本文从市场需求、决策管理、产品定位与服务、创新体系、核心技术、人才教育及产学研合作、研发投入、产业链及产业生态等方面,对中国、德国及瑞士等欧洲国家、日本进行了对比分析,具体情况如表2所示。德国和日本的做法,值得中国借鉴。

  在未来主要发展趋势方面,数控机床技术呈现出高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化的发展趋势,即:

  (1)高性能。数控机床发展过程中,一直在努力追求更高的加工精度、切削速度、生产效率和可靠性。未来数控机床将通过进一步优化的整机结构、先进的控制系统和高效的数学算法等,实现复杂曲线曲面的高速高精直接插补和高动态响应的伺服控制;通过数字化虚拟仿真、优化的静动态刚度设计、热稳定性控制、在线动态补偿等技术大幅度提高可靠性和精度保持性。

  (2)多功能。从不同切削加工工艺复合(如车铣、铣磨)向不同成形方法的组合(如增材制造、减材制造和等材制造等成形方法的组合或混合),数控机床与机器人“机-机”融合与协同等方向发展;从“CAD-CAM-CNC”的传统串行工艺链向基于3D实体模型的“CAD+CAM+CNC集成”一步式加工方向发展;从“机-机”互联的网络化,向“人-机-物”互联、边缘/云计算支持的加工大数据处理方向发展。

  (3)定制化。根据用户需求,在机床结构、系统配置、专业编程、切削刀具、在机测量等方面提供定制化开发,在加工工艺、切削参数、故障诊断、运行维护等方面提供定制化服务。模块化设计、可重构配置、网络化协同、软件定义制造、可移动制造等技术将为实现定制化提供技术支撑。

  (4)智能化。通过传感器和标准通信接口,感知和获取机床状态和加工过程的信号及数据,通过变换处理、建模分析和数据挖掘对加工过程进行学习,形成支持最优决策的信息和指令,实现对机床及加工过程的监测、预报和控制,满足优质、高效、柔性和自适应加工的要求。“感知、互联、学习、决策、自适应”将成为数控机床智能化的主要功能特征,加工大数据、工业物联、数字孪生、边缘计算/云计算、深度学习等将有力助推未来智能机床技术的发展与进步。

  (5)绿色化。技术面向未来可持续发展的需求,具有生态友好的设计、轻量化的结构、节能环保的制造、最优化能效管理、清洁切削技术、宜人化人机接口和产品全生命周期绿色化服务等。

  切削机床是利用刀具或磨具通过机械能作用于工件,实现材料去除的各种工艺(如车削、铣削、镗削、钻削、磨削等),其本质问题可以归结为两点,一是用什么能量去除材料? 二是如何控制能量使用? 如本文开篇所述,机床1.0是以蒸汽动力直接给机床提供机械能以实现各种切削工艺,控制方式是手动控制;机床 2.0将电能转换为机械能以驱动机床,并带来数字控制机床的出现,控制方式是自动控制;机床 3.0则是计算机和信息技术带来的计算机数控机床,它改变了机床控制方式和生产组织方式,使其数字化、网络化。

  展望未来,机床4.0将面临新的革命性变化,表现在一是材料去除过程直接所用的能量由以机械能为主变化为机械能、电能、光能、化学能等多种能场及其组合。二是能量使用的控制方式,一方面智能化控制是未来机床近期发展的最主要特征和趋势,它使得机床更高(精度)、更快(效率)、更强(功能)、更省(绿色);另一方面,即将出现的量子计算和量子计算机,就如同当年电子计算机给数控机床带来革命性跨越一样,重新定义一代数控机床,催生出全新原理和全新概念的数控机床和生产过程。

  机床作为工作母机,多年来为工业革命和现代工业发展提供了制造工具和方法;未来工业发展和人类文明进步,仍然离不开数控机床的支撑和促进。展望未来,新的一轮工业革命给数控机床的发展带来新的挑战和机遇,先进制造技术与新一代信息技术及新一代人工智能融合,也给数控机床的技术创新、产品换代和产业升级提供了技术支撑,数控机床将走向高性能、多功能、定制化、智能化和绿色化,并拥抱未来的量子计算新技术,为新的工业革命和人类文明进步提供更强大、更便利和更有效的制造工具。返回搜狐,查看更多


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