周 濟 邵新宇 周艷紅

1.中國工程院，北京，100088 2.華中科技大學，武漢，430074

1 《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略意義

1.1 機械產品創(chuàng)新是機械工業(yè)科學發(fā)展的關鍵

我國今后的發(fā)展，要以科學發(fā)展為主題，以加快轉變經濟發(fā)展方式為主線。加快轉變經濟發(fā)展方式，必須加快推進產業(yè)結構的調整優(yōu)化，關鍵是產品的技術創(chuàng)新和升級換代。

經過新中國60多年特別是改革開放30多年的奮斗，中國機械工業(yè)實現了歷史性的跨越式發(fā)展，制造業(yè)生產總值成為世界第一，我們國家已經成為“制造大國”。但是，我們還不是“制造強國”，機械工業(yè)還沒有擺脫粗放型、外延式發(fā)展的模式，核心技術和關鍵技術掌握得不多，自主創(chuàng)新的產品少，附加值不高，核心競爭力不強。中國制造既面臨大好發(fā)展機遇，又面臨極為嚴峻的挑戰(zhàn)。面臨的挑戰(zhàn)很多，問題主要有兩個：產品質量問題和產品創(chuàng)新問題。因而，產品創(chuàng)新和產品質量應該成為今后一段時期機械工程科技進步的主要方向。

應用數控技術實現我國機械產品的全面創(chuàng)新和升級換代，非常必要，完全可能，對于我國機械工業(yè)的科學發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。

1.2 數控化是全面創(chuàng)新機械產品的有效途徑

機械產品的創(chuàng)新可以有多種途徑，其中主要有兩種方法：一是創(chuàng)新工作原理或者說工作裝置；二是創(chuàng)新運動的驅動和控制系統。傳統機械產品的構成如圖1所示，包括動力裝置、傳動裝置、工作裝置。工作裝置的創(chuàng)新是根本性的，極為重要。千百年來，人們一直在不斷創(chuàng)造出各種新的機械，形成了適用于完成各種不同任務的成千上萬的機械產品。數控化則是對于機械運動的驅動和控制系統的創(chuàng)新，數控機械產品的構成如圖2所示。

圖1 傳統機械產品的構成

圖2 數控機械產品的構成

數控化是創(chuàng)新機械產品的有效途徑，其技術路線是用伺服電機驅動系統取代傳統機械中的動力裝置與傳動裝置，更為重要的是用計算機控制系統對機械運動與工作過程進行控制。數控技術是機械產品創(chuàng)新的使能技術，是先進的信息技術與自動控制、機械制造技術相結合的集成技術，其核心是數字化。數控技術的應用引起機械產品本身的內涵發(fā)生根本性變化，使機械產品的功能極大豐富，性能發(fā)生質的變化，可以從根本上提高機械產品的水平和市場競爭力。

綜觀全球實現產業(yè)結構調整和機械產品升級的歷程（圖3）：蒸汽機技術使機械工業(yè)由人力制作時代進入機械化時代；電氣技術使機械工業(yè)由機械化時代進入電氣化時代；數控技術正在使機械工業(yè)由電氣化時代躍升為數字化時代；在可預見的將來，機械工業(yè)將由數字化時代進入智能化時代。

圖3 機械產品的升級換代

“蒸汽一代”機械產品的核心推動力是由于蒸汽機技術這一使能技術帶來的一場動力革命；“電氣一代”機械產品的核心推動力則是由于電機技術這一使能技術帶來的另一場動力革命；而數控技術這一使能技術對機械產品帶來的革命則更加深刻，一方面，用伺服電機取代普通電機可極大簡化機械結構、提升控制能力、節(jié)省能源與材料，更本質的是數控化機械擁有一個具有強大信息處理與控制能力的計算機控制系統，可使機械產品的功能與性能產生質的飛躍，并為各種先進信息技術的進一步應用乃至于將來實現智能化奠定了基礎。因此，“數控一代”機械產品是信息化與工業(yè)化深度融合的產物，其實質是信息化技術引起的一場深刻變革。可以看到，機械產品的數控化創(chuàng)新具有鮮明的特征，具有本質的規(guī)律，可以普遍運用于各種機械產品創(chuàng)新，可以引起機械產品的升級換代，引起機械工業(yè)的深刻變革。這也是我們提出“數控一代”這樣一個概念的緣由和根據。

1.3 當前是中國機械產品升級換代的最佳機遇期

當前，我國機械工業(yè)正處于產品數字化發(fā)展時期，全世界的機械工業(yè)也正處于產品數字化發(fā)展時期。由“電氣一代”到“數控一代”是一場深刻的變革，必然要經過艱難的攀登過程。在這方面，西方發(fā)達國家已經先行了60年，還要經過數十年才能完成這樣一個歷程。對于中國機械工業(yè)來說，經過我們大家的艱苦奮斗，一定能夠在較短時間內完成這一場變革，完成向“數控一代”的進軍，這是中國機械產品升級換代的最佳機遇，是中國機械工業(yè)跨越式發(fā)展的最佳機遇。主要理由是：

（1）需求強大。需求是最強大的發(fā)展動力。由于國民經濟持續(xù)快速發(fā)展以及國際國內市場的激烈競爭，數控機械產品的市場需求越來越旺盛，企業(yè)產品創(chuàng)新積極性越來越高。我們現在面臨的形勢是：一是要將數控技術廣泛應用于中、低檔機械產品，以提升產品的市場競爭力；二是要攻克高端數控機械產品，以滿足經濟、社會、國防等方面日益提高的需求。

（2）技術支持。數控技術的落后是長期以來制約我國機械產品創(chuàng)新與質量提升的一個重要因素。經過多年來對數控技術的持續(xù)攻關，特別是電機技術、功率器件技術、控制技術、計算機技術的突破性進展，我國的數控產業(yè)已經基本形成，國產經濟型數控系統已主導國內市場，中檔數控系統形成了產業(yè)規(guī)模，高檔數控系統也已經掌握了關鍵技術。我國的數控技術已發(fā)展到了技術成熟、質量可靠的階段，全面推廣應用的條件已經成熟。

（3）人才隊伍與應用示范帶動。數控機械產品的創(chuàng)新需要有掌握數控技術、機械設計與制造技術、產品領域知識等復合型知識結構的人才，這也是長期以來影響我國機械產品創(chuàng)新的一個重要原因。經過多年努力，我們在人才隊伍和應用示范方面已具備了良好的基礎。

1.4 《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標

2011年初，18位院士提出了關于實施《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》的建議，中央領導同志高度重視、親切關懷，科技部、工信部、發(fā)改委等深入調研、認真部署，已于近日正式啟動了《“數控一代”機械產品創(chuàng)新應用示范工程》。

《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》既是數控技術應用工程，更是機械產品創(chuàng)新工程；既有機械工業(yè)發(fā)展強大需求的推動，又有成熟數控技術的支撐。要充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，采取協同創(chuàng)新技術路線，在整個機械行業(yè)推進有組織的創(chuàng)新。

《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標是：在機械行業(yè)全面推廣應用數控技術，在10年內，實現各行各業(yè)各類各種機械產品的全面創(chuàng)新，使中國的機械產品總體升級為“數控一代”，為我國機械工業(yè)從“大”到“強”的跨越式發(fā)展做出重大貢獻。

2 應用數控技術實現機械產品創(chuàng)新的技術路線

2.1 從X52K到XK714到XHK714到XHK714／3－5

數控機械產品的出現是以數控加工機床的誕生為標志的。20世紀40年代末，美國帕森斯公司提出了應用計算機控制機床加工樣板曲線的設想，并與麻省理工學院合作，于1952年研制成功世界上第一臺三坐標立式數控銑床。它的誕生標志著機械制造數字控制時代的開始。

（1）X52K立式銑床。圖4表示的是X52K普通立式銑床傳動系統圖，為實現不同的刀具切削速度，X52K立式銑床設計了復雜的主傳動和進給傳動變速系統。

（2）XK714數控立式銑床。應用數控技術對X52K立式銑床進行產品升級得到數控立式銑床XK714，如圖5所示。XK714數控立式銑床采用計算機數控系統對機床運動和工作過程進行控制，進給運動和主軸運動均用速度精確可控的伺服電機取代原普通電機和機械傳動機構（圖6）。XK714數控立式銑床具有（X、Y、Z）三坐標聯動的功能，適合加工形狀復雜的零件（如箱體、殼體、曲線曲面輪廓等），同時，可有效節(jié)省工藝裝備與縮短生產準備周期，提高零件加工質量與生產效率。

圖4 X52K立式銑床傳動系統

圖5 數控立式銑床XK714整機

圖6 數控立式銑床XK714傳動系統圖

（3）XHK714三坐標立式加工中心與XHK714／3－5五坐標立式加工中心。在XK714數控立式銑床的基礎上，增裝刀庫和自動換刀裝置，升級為三坐標立式加工中心XHK714。由于具備自動換刀功能，XHK714的自動化程度有顯著提升，適宜于加工形狀復雜、工序多、需用多種類型普通機床和刀具夾具且經多次裝夾和調整才能完成加工的零件。

進一步在工作臺上增加一個兩坐標（θ、Φ）數控轉臺，即升級為五坐標聯動的立式加工中心XHK714／3－5（圖7）。與三坐標相比，五坐標聯動機床可使刀具相對于工件呈任意姿態(tài)，從而可給加工更大的自由度，可以加工在三坐標機床上由于存在刀具干涉而難以完成的復雜曲面零件，例如發(fā)動機葉輪；可以選擇更有效的刀具和采用最有效的刀具相對工件的姿態(tài)進行加工，有效提高加工效率與質量。

圖7 XHK714／3－5五坐標立式加工中心

進而，通過傳感、控制、信息處理、人工智能等技術的升級，可使機床性能和智能化程度不斷提高，如實現智能編程、自適應控制、機械幾何誤差補償、熱變形誤差補償、三維刀具補償、運動參數動態(tài)補償、故障監(jiān)控與診斷等。

2.2 應用數控技術創(chuàng)新機械產品的技術路線

總結從X52K到XK714到XHK714和XHK714／3－5的產品創(chuàng)新升級過程，比較圖1和圖2，數控機械產品與傳統機械產品之間存在一個相同點和兩個不同點。

（1）相同點：兩者的工作裝置基本相同。

（2）不同點之一在于動力傳動系統。在數控機械產品中，傳統機械中作為動力源的普通電動機被具有動力與變速功能的伺服電動機取代，使傳統的機械變速機構得以取消或極大簡化；同時，每個機械運動由單獨的伺服電機驅動，并由計算機控制系統進行協調和控制，使機械產品的運動和跟蹤過程控制能力極大提高。

（3）不同點之二是數控機械產品擁有一個計算機控制系統，也可以說是增加了一個“大腦”。計算機控制系統使數控機械的運動和工作過程可根據需要進行相應的控制，從而使數控機械具有多功能、高柔性、高精度、高效能、高可靠性和操作方便等特征；進一步，可使機械產品智能化成為可能。

歸納起來，應用數控技術創(chuàng)新機械產品的設計內容如圖8所示。先是進行總體方案設計，確定運動與控制方案，再是進行四個方面的設計，這四個方面不斷協調、迭代完善，形成優(yōu)化的設計方案。

圖8 應用數控技術創(chuàng)新機械產品的設計內容

（1）適配伺服驅動系統。根據被控對象的要求確定系統的組成、控制方式（開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)、混合閉環(huán)）、驅動電機類型（步進電動、直流伺服電機、交流伺服電機）與大小、功率驅動裝置、檢測裝置以及校正方式及其參數。

（2）適配計算機控制系統。首先根據數控機械產品的性能指標確定其控制系統需要具備的功能，包括運動控制、邏輯控制、測量、人機交互、編程、補償、保護、通信、監(jiān)測與診斷等方面的功能以及其他可能需要實現的特殊功能；然后確定系統的實現方案，從數控機械產品開發(fā)者的角度，其控制系統的實現可選擇直接購買市場上的產品、委托控制系統生產商進行開發(fā)或聯合開發(fā)等方式。

（3）研制應用軟件系統。從數控機械產品的使用角度，一般需要通過一個編程軟件系統來有效獲得控制數控機械運行的工作程序。數控編程系統的性能直接決定數控機械產品的可使用性與柔性，影響產品的工作質量和效率；而且，由于數控機械產品種類繁多，具體任務各不相同，其編程系統也千差萬別，對于產品的領域知識有很高要求。

（4）設計機械、檢測系統。機械系統的高剛度、低摩擦、低慣量化設計；選配合適的傳感檢測裝置等。

3 機械產品的全面創(chuàng)新與升級換代

應用數控技術進行機械產品創(chuàng)新的技術路線具體、明確，相關技術成熟可靠，適用于各行各業(yè)機械產品的全面創(chuàng)新。機械產品種類很多，大都可以通過數控化實現創(chuàng)新，提升到“數控一代”的水平，從根本上提高產品的功能、性能和競爭力。

3.1 制造裝備類機械產品的數控化升級換代

制造裝備是發(fā)展國民經濟與國防建設的基礎裝備，其技術水平決定著整個國民經濟和國防現代化的水平。各種制造裝備均可以通過數控化以創(chuàng)新升代，如各種切削機床、成形機床、切割及焊接等各種金屬加工設備；塑料、玻璃、木材、陶瓷等各種非金屬加工專用設備；食品、飲料、農副產品、日用化工、制藥等制造行業(yè)專用設備。

例1 注塑機的數控化創(chuàng)新升代

注塑成形是最有效的塑料成形方法之一。我國是全球最大的注塑機生產國，產量占世界年產量的70%以上。

與傳統的液壓式注塑機相比，數控注塑機的工作裝置基本不變，其主要變化在于：

（1）采用伺服電機驅動配合滾珠絲杠和同步齒形帶傳動取代了液壓注塑機的液壓泵、液壓缸、液壓馬達等構成的液壓驅動系統；

（2）采用計算機數控系統取代了液壓注塑機的模擬量電液控制系統。

與液壓注塑機相比，數控注塑機具有如下優(yōu)點：

（1）提高精度及穩(wěn)定性。可實現復雜的控制功能，柔性好，具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性，生產的產品質量好且穩(wěn)定。

（2）提高生產效率。伺服電機有優(yōu)良的高速性，且其控制系統容易實現復雜的同步重疊動作，可大大提高生產效率；同時，數控系統可“智能”設置、調整和優(yōu)化工藝參數，使生產效率與質量進一步提高。

（3）節(jié)能與環(huán)保。消耗電力可以減少40%左右，噪聲低、無油污染。

3.2 其他機械產品的數控化升級換代

除制造裝備外，國民經濟各行業(yè)以及國防軍工中的眾多其他機械產品也可以數控化以實現創(chuàng)新升代，如汽車、火車、飛機、輪船等交通運輸設備，火炮、雷達、坦克等武器裝備，工程機械、農業(yè)機械、建筑機械、港口機械、印刷機械、醫(yī)療機械等。

例2 火箭炮的數控化創(chuàng)新升代

火箭炮的高精度自動操瞄是提高火箭炮機動性能和打擊能力的關鍵，操瞄裝置可以通過伺服電機驅動和計算機控制以實現數控化創(chuàng)新升級。

新一代火箭炮可以大大提高其機動性能，縮短戰(zhàn)斗反應時間，提高射速和射擊準確性；并且可以與先進的戰(zhàn)場管理系統一道，通過“群控”以形成精確而強大的火力網。

3.3 全面創(chuàng)新、升級換代

《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》需要克服許多困難，最突出的還是要克服人們思想認識上的困難。畏難情緒嚴重者有之，認為數控化創(chuàng)新很神秘、很難搞，缺乏勇氣，缺乏信心；看不起推廣應用工作者有之，覺得不上檔次，沒有水平，缺乏興趣，缺乏熱情。我們要解放思想，勇于創(chuàng)新，堅持“頂天立地”的正確方向，盡好盡快地推進各種機械產品的數控化創(chuàng)新，同時創(chuàng)造一大批高端數控機械產品。

東莞華中科技大學制造工程研究院與企業(yè)密切結合，研制出數十種數控機械產品，大大提高了產品的水平和競爭力，產生了良好的經濟效益與社會效益。這里介紹兩個創(chuàng)新產品實例。

例3 編織機的創(chuàng)新升代

我國是毛紡編織大國，僅東莞大朗鎮(zhèn)每年生產毛衣就超過3億件。目前，國內毛衣生產主要依靠手動編織機（橫機）完成，其效率低下，操作工人的勞動強度很大。

數控編織機（圖9）的單機編織速度比手工橫機提高5～8倍；每個工人可同時操作5臺設備，大大提高生產效率；與毛衣設計CAD／CAM系統集成，大大提高了毛衣花色品種、質量與市場競爭力。

圖9 數控編織機

例4 木工機械的創(chuàng)新升代

傳統木工機械功能單一，效率低下，污染嚴重。

數控木材加工中心（圖10）的加工精度高、生產柔性好，工序復合，具備很高的生產效率，并且安全可靠，粉塵、噪聲污染低，具有很強的市場競爭力。

圖10 數控木工機械

數控化使機械產品裝備了“大腦”，開辟了機械產品創(chuàng)新的廣闊空間，不斷引領機械產品攀登新的高峰；進而，可以在機械設計理論上和學術上做出高水平的貢獻。這里舉一個高端創(chuàng)新的實例。

例5 光刻機精密工作臺

光刻機是IC制造中最關鍵、最復雜和最昂貴的設備。超精密工作臺是光刻機核心關鍵裝置，要求實現加速度高至2g、速度1m／s以上、精度為納米級的六自由度運動；對于100nm線寬的掃描曝光，要求定位精度小于10nm，硅片臺和掩模臺間的同步平均誤差小于5nm、均方誤差小于12nm，幾乎接近物理極限，常規(guī)機械制造工藝無法實現。

要實現光刻機的高速、大行程、六自由度納米級精度運動，除合理的運動結構與精密檢測技術外，關鍵在于控制，核心在于補償。其補償的內容包括臺體質量與質心位置誤差、六自由度運動耦合干擾誤差、粗微動耦合干擾、電機與驅動非線性誤差、電路噪聲與延時誤差、測量干擾誤差、環(huán)境與溫度變化誤差等。通過補償控制，我國研制的100nm光刻機工作臺實現了高速高精的技術要求。

4 實施《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》的技術路線

《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》既是技術推廣工程也是產品創(chuàng)新工程：對數控技術而言是技術推廣工程，對于各行各業(yè)的機械產品而言是產品創(chuàng)新工程。《“數控一代”機械產品創(chuàng)新工程》是一個復雜的大系統工程，必須依靠有組織創(chuàng)新、集成創(chuàng)新和協同創(chuàng)新。

4.1 有組織創(chuàng)新

充分發(fā)揮我國制度的優(yōu)越性，總體規(guī)劃、分步實施、重點突破、全面推進，動員千軍萬馬，實行有組織的創(chuàng)新。

（1）總體規(guī)劃、頂層設計。制定國家與各行業(yè)、各地方、各企業(yè)的數控化機械產品創(chuàng)新升級的總體規(guī)劃和推廣計劃（路線圖）。國家和行業(yè)主管部門與地方科技部門聯動，行業(yè)和地方組織企業(yè)實施。

（2）重點突破、典型示范。從全國范圍內篩選代表性區(qū)域、行業(yè)和企業(yè)，由國家重點支持實施示范工程，然后進一步在全國范圍內全面推廣。

（3）技術攻關、推廣應用。加強對數控機械產品共性關鍵技術的技術攻關，進而在行業(yè)內和地區(qū)內進行全面推廣應用。

（4）人才培訓、技術服務。學校、科研機構全面動員，大力開展數控機械產品創(chuàng)新設計的人才培養(yǎng)與專業(yè)培訓，特別是要廣泛動員與強力組織對廣大企業(yè)家和設計工程師的培訓。組織各方面力量，努力以幾種模式提供數控機械產品創(chuàng)新設計的技術服務：①企業(yè)委托設計；②與企業(yè)聯合設計；③為企業(yè)進行人員培訓，由企業(yè)自主設計。

4.2 集成創(chuàng)新

數控機械產品的創(chuàng)新是數控技術、機械設計與制造技術以及產品領域工藝技術的有效集成，需要數控、機械設計、產品工藝等多方面工程師的密切合作，管理、設計、制造和市場等各方面人才的密切合作，必須采取有效措施進行集成創(chuàng)新。

4.3 協同創(chuàng)新

以企業(yè)為主體、市場為導向，政產學研用緊密結合，推進協同創(chuàng)新。

（1）科技部、工信部等國務院有關部門將實行強有力的領導，建立領導機構，推進頂層設計，加強宏觀管理。各行業(yè)主管部門和地方科技部門將加強組織管理，制定行業(yè)規(guī)劃和推廣計劃，落實各方面保障措施。

（2）建立各個層面的產學研用創(chuàng)新聯盟，將各行業(yè)、各地方具有技術優(yōu)勢的生產企業(yè)、高校、研究院所、用戶企業(yè)組織起來，形成數控機械產品創(chuàng)新聯盟。

（3）企業(yè)是面向市場的主體，是財政投入的主體，當然是技術創(chuàng)新的主體。市場的驅動和企業(yè)的積極性是產品創(chuàng)新成功的關鍵，必須從根本上調動企業(yè)家、管理者和工程師的積極性。同時，高校和科研院所中蘊藏著為我國機械工業(yè)貢獻力量的巨大積極性，要采取有力措施，動員他們、組織他們、依靠他們。政產學研用協同創(chuàng)新，形成中國特色的“數控一代”機械產品創(chuàng)新體系，團結奮斗，努力完成這樣一個偉大的創(chuàng)新工程。

我們有一個共同的奮斗目標：經過10年的時間，中國的機械產品全面應用數控技術，總體升級為“數控一代”；再經過10年左右的時間，到2030年，中國的機械產品全面升級為“智能一代”，整體上走到世界前列，為中國的現代化做出基礎性、戰(zhàn)略性的貢獻。