趙萬華，張 星，呂 盾，張 俊

（西安交通大學機械制造系統(tǒng)工程國家重點實驗室，西安 710054）

我國機床行業(yè)的發(fā)展背景

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強國之基。國際金融危機以來，制造業(yè)迎來發(fā)達國家和發(fā)展中國家爭相介入的新一輪國際分工爭奪戰(zhàn)。隨著相對優(yōu)勢逐步轉(zhuǎn)化，各國在全球制造體系中的地位將動態(tài)調(diào)整，并重塑全球制造業(yè)版圖。近年來，發(fā)達國家紛紛制定“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新工業(yè)法國等，力圖推動中高端制造業(yè)回流，并進一步加強全球制造業(yè)的布局調(diào)整，意圖保持其全球制造業(yè)核心的領(lǐng)導地位。

裝備制造業(yè)作為制造業(yè)的核心，是工業(yè)化之母，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之根。新中國成立特別是改革開放以來，我國裝備制造業(yè)取得了令人矚目的成就，規(guī)模和總量已經(jīng)進入世界前列，成為名副其實的全球制造大國。然而，我國裝備制造業(yè)普遍自主創(chuàng)新能力不強，核心技術(shù)和關(guān)鍵部件受制于人，產(chǎn)品質(zhì)量問題突出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，屬于粗放型發(fā)展。發(fā)達國家高端制造回流與新興經(jīng)濟體爭奪中低端制造正在同時發(fā)生，對我國形成“雙向擠壓”。面對全球制造業(yè)競爭格局的重大調(diào)整、資源環(huán)境的約束和人力成本的逐漸提高等多方面的嚴峻挑戰(zhàn)，我國未來必須推動裝備制造業(yè)向高端發(fā)展。

為大力提升裝備制造業(yè)水平，我國提出要走新型工業(yè)化道路，于2015年5月頒發(fā)了《中國制造2025》，全面部署實施制造強國戰(zhàn)略，這是我國實施制造強國戰(zhàn)略第一個十年的行動綱領(lǐng)。圍繞實現(xiàn)制造強國的戰(zhàn)略目標，《中國制造2025》明確了“高檔數(shù)控機床和機器人”作為十大重點發(fā)展領(lǐng)域之一。高檔數(shù)控機床作為典型的高端制造裝備，是一個國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和大國崛起的標志，也是博弈世界制造業(yè)舞臺和參與國際競爭的制高點。如何實現(xiàn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機床的快速發(fā)展，保障《中國制造2025》目標的順利實現(xiàn)，不但需要機制和組織的保障，更加需要數(shù)控機床核心技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

國產(chǎn)數(shù)控機床的技術(shù)現(xiàn)狀

高端數(shù)控機床是支撐航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設(shè)備等制造領(lǐng)域發(fā)展的核心裝備。我國數(shù)控機床經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了不錯的成績，初步掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、主機研制等基礎(chǔ)技術(shù)，其中部分技術(shù)已經(jīng)實現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1]。在我國連續(xù)數(shù)年成為世界機床消費第一大國的同時，國產(chǎn)機床的比重逐年提升，并且我國數(shù)控技術(shù)方面的人才隊伍也在不斷壯大。但不可否認的是，國產(chǎn)數(shù)控機床相關(guān)技術(shù)還存在不少的問題，如國產(chǎn)數(shù)控機床從外觀上與進口機床十分類似，功能上基本接近，但性能相差甚遠，導致結(jié)構(gòu)相似，實則動剛度、動態(tài)精度及其保持性等性能相差很遠，“形”似而“神”不似。本文主要從以下3個方面剖析國產(chǎn)機床的技術(shù)現(xiàn)狀。

1 過分依賴進口，關(guān)鍵技術(shù)難引進

國內(nèi)機床制造企業(yè)在面臨高端機床難研制、中低端機床業(yè)績持續(xù)下滑的重重壓力之下，正在逐漸成為名副其實的“機床組裝廠”。極端情況下，國內(nèi)機床企業(yè)只做床身、立柱等結(jié)構(gòu)大件和一些輔助配件，數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、轉(zhuǎn)擺頭/轉(zhuǎn)擺臺和高速電主軸等核心功能部件幾乎全部采用高檔進口部件，甚至連軸承、絲杠、導軌等基礎(chǔ)傳動件也依賴進口，機床企業(yè)只是將這些零部件進行組裝、調(diào)試和銷售，機床制造甚至變成了“搭積木”，企業(yè)完全被產(chǎn)業(yè)價值鏈“微笑曲線”的低端鎖定。更為嚴峻的是，國外機床廠商已經(jīng)傾向于將數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動、電機、主軸打包銷售，部分高精尖產(chǎn)品嚴禁向我國出口，進口產(chǎn)品的現(xiàn)場調(diào)試過程也是保密的，拒絕國內(nèi)技術(shù)人員參與，這更加劇了國產(chǎn)機床的被動局面，使其越來越深陷空有規(guī)模、沒有實力、難有作為的困境。

當 前， 諸 如SIEMENS、HEIDENHAIN的伺服數(shù)控系統(tǒng)、IBAG的電主軸和NSK的軸承正在多家機床企業(yè)和用戶的加工車間運行，國內(nèi)這種機床組裝的經(jīng)營模式能在短期內(nèi)為企業(yè)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟效益，但對相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生的惡性后果不可忽視，一面方造成了國內(nèi)資金的大量流失，另一方面還會打擊國產(chǎn)功能部件和整機研制的信心，分化機床產(chǎn)業(yè)上下游間的關(guān)系鏈。一些國內(nèi)企業(yè)也試圖通過與國外先進機床企業(yè)和零部件供應(yīng)商合作，希望引進相關(guān)高端技術(shù)來提升自身研制能力，但需要清楚認識到，技術(shù)是一個企業(yè)賴以生存的根本，是企業(yè)的核心和生命，真正的技術(shù)不可能依靠購買和引進獲得，只能依靠自主。

2 未掌握整機設(shè)計、制造和使用的核心技術(shù)，缺乏技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力

機床的生命周期主要包括設(shè)計、制造和使用3個階段，是一個復雜的系統(tǒng)工程。當前，國產(chǎn)機床制造企業(yè)存在諸多問題：在設(shè)計階段，機床機械結(jié)構(gòu)多參照展會和技術(shù)手冊，仿制國外同類型機床，其靜、動剛度需通過經(jīng)驗公式估算、反復修正和改進才能達到設(shè)計要求，這種被動設(shè)計方式周期長、投入大、缺乏主動性。在伺服控制系統(tǒng)方面，國產(chǎn)機床特別是高檔數(shù)控機床主要選擇SIEMENS、FANUC及HEIDENHAIN等國外進口產(chǎn)品，其選型僅依靠功率、扭矩等幾個基本參數(shù)，這些國外系統(tǒng)也僅有少量功能和少量參數(shù)對國產(chǎn)機床開放和使用，幾乎是一個“黑箱子”。在機床制造階段，機床幾何精度由于缺乏主動設(shè)計手段，往往需要裝配過程的反復調(diào)試、矯正予以保證。另外，國產(chǎn)機床機械系統(tǒng)的裝配工藝也沒有定量化的指導原則，批量生產(chǎn)的機床精度一致性得不到保障，其動態(tài)特性差異很大，無法準確預知。對于伺服控制系統(tǒng)，國內(nèi)企業(yè)只能參考國外提供的調(diào)試手冊，對對象本身的運行機理并不十分清楚，一些高級功能模塊不知如何使用，總是處在被動境地。在機床使用階段，由于國內(nèi)機床制造企業(yè)缺乏對用戶工藝的了解研究，而數(shù)控機床用戶也僅僅關(guān)注加工生產(chǎn)，缺乏對機床特性和加工性能的認識，在加工工藝的制定和參數(shù)選擇上，多憑工藝人員的習慣和經(jīng)驗，缺乏理論性、定量化的指導原則，造成機床加工效率很低、人力和物力資源的嚴重浪費。目前，這種國產(chǎn)數(shù)控機床與用戶加工工藝沒有深入結(jié)合的局面造成好機床用不好、也造不出好機床的困境，沒有形成“工藝牽引裝備，裝備支撐工藝”的良性循環(huán)。

國內(nèi)機床制造企業(yè)長期處于這種被動局面，究其原因，是沒有掌握機床整機設(shè)計、制造和使用的核心技術(shù)，其根本是缺乏技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力。在國外，SIEMENS在全球招攬成千上萬的工程師、研發(fā)人員為其工作，日本NSK公司的實驗室面積與生產(chǎn)面積達到1∶1，美國GE公司的實驗室環(huán)繞巨大的裝配車間，數(shù)倍于生產(chǎn)面積，形成一個實驗城……這些國際化公司從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品開發(fā)、市場銷售到最終樹立國際品牌，非常注重各個環(huán)節(jié)密切協(xié)作、緊密配合，遵循只有做好基礎(chǔ)知識儲備和人才保障，才能擁有源源不斷的技術(shù)創(chuàng)新的規(guī)律，也才有今日國際舞臺上的主導地位。反觀國內(nèi)機床制造企業(yè)，政策上過分追求效益和業(yè)績，口號上時時不忘創(chuàng)新，而在人才培養(yǎng)和技術(shù)積累這些重要環(huán)節(jié)上政策不凸顯，持續(xù)性不足：相關(guān)技術(shù)資料嚴重稀缺；大部分廠房都用于一線制造和裝配，而用于設(shè)計研發(fā)的實驗室、研發(fā)室卻是少之又少；高端人才更是鳳毛麟角，技術(shù)人員忙于應(yīng)付項目報告，專注技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品試制的寥寥無幾。同時，在為數(shù)不多的企業(yè)實驗室中，相關(guān)研發(fā)人員完全被商用軟件束縛了思維和手腳，一臺機床的設(shè)計與分析全部依賴進口商用軟件，盡管軟件操作十分嫻熟，但對軟件背后的力學、電磁學、控制論等基礎(chǔ)理論知識缺乏深究，最終也無法研制出一臺好的數(shù)控機床。當前，需清醒地認識到，僅僅熟練掌握商用軟件的使用根本無法幫助掌握機床設(shè)計、制造的核心技術(shù)。另外，創(chuàng)新不是一蹴而就的，而是對知識、技術(shù)長期積累的必然結(jié)果，這在數(shù)控機床這種技術(shù)密集型產(chǎn)品上更是如此。對比之下，機床企業(yè)缺少知識積累、人才儲備和技術(shù)研發(fā)，就談不上技術(shù)突破和創(chuàng)新?，F(xiàn)在，機床產(chǎn)業(yè)正處在國家實施制造強國戰(zhàn)略布局的前沿，科研院所需發(fā)揮基礎(chǔ)研究的能力，盡快取得核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，并與企業(yè)緊密合作，大力推進高檔數(shù)控機床的設(shè)計、制造以及使用中相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，這樣才能看到國產(chǎn)機床實現(xiàn)“彎道超車”的希望。

3 機床精度保持性、可靠性相關(guān)技術(shù)積累不足

機床精度保持性和可靠性是數(shù)控機床的重要性能指標。機床精度保持性是指機床在正常的使用條件下，各項精度能夠長時間保持在精度要求范圍內(nèi)的能力；可靠性是指機床在規(guī)定的特有條件下及規(guī)定的時間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。精度保持性和可靠性對機床的加工質(zhì)量和效率都有至關(guān)重要的影響。經(jīng)過國家重大專項的科技攻關(guān)，國內(nèi)機床企業(yè)的精度保持性和可靠性相關(guān)技術(shù)取得了一定進展，但與國外先進水平相比還是差距甚遠。

機床精度保持性問題在設(shè)計、制造和使用3個階段會因機床類型、結(jié)構(gòu)形式、性能要求和工況特點的不同而不同。根據(jù)前期對國產(chǎn)數(shù)控機床精度保持性的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)機床精度保持性較差，其研究還存在精度保證、精度穩(wěn)定、精度保持和精度壽命等概念不清晰，或者未定義的問題，導致目前國內(nèi)還沒有一個比較系統(tǒng)的精度保持性研究體系。國外數(shù)控機床精度保持性的主要影響因素在于運動部件之間的磨損，相比較而言，國內(nèi)機床影響精度保持還有更多因素，如鑄件鑄造應(yīng)力、裝配應(yīng)力等。在實際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機床裝配過程中，鑄件在刮研好精度一段時間之后會發(fā)生變形；在工作過程中，裝配預緊的螺栓等連接件會在較短時間內(nèi)出現(xiàn)預緊力下降、連接松動，這都使機床精度及性能發(fā)生變化。目前，國產(chǎn)機床應(yīng)加強對精度保持性機理的基礎(chǔ)研究，以及對設(shè)計、制造環(huán)節(jié)中精度保持性關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。

機床可靠性直接影響數(shù)控機床的使用，更影響用戶對機床的使用信心。近幾年來的市場情況表明，國外數(shù)控機床在可靠性方面占有的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，這也促使國產(chǎn)機床價格優(yōu)勢正在逐漸喪失殆盡。盡管通過近年來國家技術(shù)攻關(guān)，數(shù)控機床的可靠性指標 MTBF 從原來的200h提高到1000h，但是國產(chǎn)數(shù)控機床的故障率還是居高不下。由于機床制造企業(yè)缺乏對機床可靠性的深入研究，技術(shù)積累比較少，缺少有關(guān)數(shù)據(jù)參考資料，導致數(shù)控機床在加工過程中一旦出現(xiàn)故障后，沒有明確的數(shù)據(jù)參考依據(jù)，不能及時處理故障，嚴重影響機床加工效率。國產(chǎn)機床無論功能、性能如何優(yōu)良，如果使用過程中故障頻發(fā)，致使加工不能正常進行，就無法體現(xiàn)其使用價值，這也是導致用戶對國產(chǎn)機床缺乏信心的主要原因。

圖1 高檔數(shù)控機床核心技術(shù)Fig.1 Core technology of advanced CNC machine tool

高檔數(shù)控機床的核心技術(shù)

目前，數(shù)控機床正向高速、高加速方向發(fā)展，部分場合已實現(xiàn)進給速度40m/min，加速度1.5g的工程應(yīng)用。與此同時，極端工況對機床服役性能要求也越來越高，例如，某航空發(fā)動機葉片進出氣邊大曲率拐角處要求輪廓度亞微米級，某大型整體航空薄壁結(jié)構(gòu)件最薄壁厚小于1mm，加工時要求不能變形。數(shù)控機床作為一個運行機理復雜、具備聯(lián)動功能的機電集成系統(tǒng)，在極端工況下長時間運行，其工作機理和性能會發(fā)生變異，從而引發(fā)更多的使用問題。顯然，此時機床企業(yè)若還是依靠靜態(tài)指標、被動設(shè)計和機械式組裝模式，就很難滿足復雜工況和苛刻精度的使用要求。目前，高檔國產(chǎn)數(shù)控機床在研制與使用階段對高速高精度聯(lián)動控制、復雜工況高效高精度加工、精度保持性和可靠性等方面的核心技術(shù)（圖1）還沒有真正掌握，這也導致機床企業(yè)所生產(chǎn)的機床性能上不去，高端用戶的市場份額占比很小。

1 高速高精度聯(lián)動控制技術(shù)

多軸聯(lián)動是數(shù)控機床與普通機床的本質(zhì)區(qū)別。在多軸聯(lián)動高速加工過程中，各進給軸絕大多數(shù)時間處在頻繁加減速運動狀態(tài)下，勻速運動所占比例很小，而且各軸之間的運動狀態(tài)和運動性能又各不相同，這就導致對多軸聯(lián)動過程的目標軌跡精確控制變得十分困難[2-3]。因此，在高速高加速運動下實現(xiàn)高精度聯(lián)動控制是高檔數(shù)控機床面臨的主要挑戰(zhàn)，下面主要從機械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)3個方面闡述其聯(lián)動控制的核心技術(shù)問題。

機械系統(tǒng)是聯(lián)動控制的對象，作為機床傳動、支撐和導向的主體，在結(jié)構(gòu)上主要有單直線軸、轉(zhuǎn)擺臺、轉(zhuǎn)擺頭、結(jié)構(gòu)耦合多直線軸等多種形式，組成上主要包括基礎(chǔ)大件、移動部件和各類動靜結(jié)合部，其系統(tǒng)動態(tài)特性取決于各種組成零部件動態(tài)特性及各類動靜結(jié)合部的物理特性，而其特性好壞又直接決定了伺服進給系統(tǒng)的控制性能。在高速高加速條件下，機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分布位置變化、移動部件的速度和加速度變化和所受負載的變化，都會造成機械系統(tǒng)動態(tài)特性較準靜態(tài)發(fā)生改變[4-9]。因此，機械環(huán)節(jié)面臨的核心問題是要分析系統(tǒng)零部件和動靜結(jié)合部在不同位移/姿態(tài)和運動狀態(tài)（速度、加速度）下所受到的移動部件重力、加工切削力、預緊力、摩擦力和慣性力等多源力以及其物理行為特性，實現(xiàn)系統(tǒng)全工作狀態(tài)下的動力學性能定量計算與分析，進而對機械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、零部件布局和尺寸參數(shù)以及裝配過程參數(shù)等進行主動設(shè)計。

伺服驅(qū)動系統(tǒng)是進給系統(tǒng)的能量輸入環(huán)節(jié)，是實現(xiàn)進給系統(tǒng)運動的動力源。由于電機結(jié)構(gòu)非線性和驅(qū)動電路非線性，直線電機及旋轉(zhuǎn)伺服電機輸出的力矩并不是名義指令力矩，而是存在多階干擾諧波成分。在高速高加速場合，進給軸處于不斷加減速或頻繁換向狀態(tài)，此時伺服進給系統(tǒng)的跟隨誤差受到數(shù)控指令頻寬、伺服系統(tǒng)帶寬以及伺服參數(shù)的共同影響，僅靠調(diào)整伺服參數(shù)無法有效減小跟隨誤差和保證其運動性能。此外，在多軸聯(lián)動加工場合，由于各軸的伺服特性、機械特性各不相同，數(shù)控系統(tǒng)分配給各軸的指令也不相同，導致各軸跟隨誤差不協(xié)調(diào)，造成聯(lián)動精度下降[10-13]。因此，伺服驅(qū)動系統(tǒng)面臨的核心問題是研究電機結(jié)構(gòu)非線性（磁鏈諧波、三相繞組不對稱、繞組匝間短路故障、齒槽效應(yīng)及直線電機特有的端部效應(yīng)等）和驅(qū)動電路存在非線性（三相驅(qū)動電壓不對稱、寄生電容、死區(qū)效應(yīng)以及電流傳感器反饋誤差等）因素對電機力/力矩特性的影響機制，提出基于諧波特征的先進補償策略，實現(xiàn)中間解耦，并根據(jù)位移波動的允差設(shè)計出先進控制策略。另外，需研究加減速段伺服進給系統(tǒng)跟隨誤差的形成機制，提出相應(yīng)的伺服控制方法，提高單軸控制精度和多軸聯(lián)動精度。

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機床的控制核心，是實現(xiàn)前瞻、加減速和插補、規(guī)劃進給速度以及輸出控制指令的中樞。傳統(tǒng)插補器是基于恒進給速度設(shè)計，加速度不連續(xù)，易對伺服進給系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，引起系統(tǒng)振動。為了生成平滑的指令速度和加速度，以樣條插補技術(shù)和小線段連續(xù)插補技術(shù)為代表的加速度連續(xù)或限制插補技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用[14-18]。但是，這些方法沒有考慮到伺服進給系統(tǒng)的特性和機械慣性作用，在高速高精場合下，伺服系統(tǒng)和機械系統(tǒng)無法準確及時復現(xiàn)指令輸入。因此，數(shù)控技術(shù)的核心問題是考慮伺服驅(qū)動、進給系統(tǒng)機械特性的速度規(guī)劃和聯(lián)動控制策略，此外還需考慮結(jié)構(gòu)耦合對各軸運動的影響，通過分析加速度、慣性力與目標點軌跡偏差之間的關(guān)系，將加速度作為優(yōu)化目標，提出先進的速度規(guī)劃方法。

2 復雜工況高效高精度加工技術(shù)

高效高精度加工是機床用戶追求的永恒目標，加工工藝作為獲取優(yōu)質(zhì)零件的必要環(huán)節(jié)，其優(yōu)劣對零件加工質(zhì)量和效率有直接影響。當前，機床用戶在切削加工編程階段由于缺乏對機床本體性能的認識，僅考慮刀具與工件的幾何約束關(guān)系進行工藝編程，工藝制定和參數(shù)選擇多憑人員的習慣和經(jīng)驗。此外，在加工復雜型面零件時，強時變、參變的切削負載將激發(fā)工藝系統(tǒng)的復雜響應(yīng)，易導致加工過程失穩(wěn)、零件報廢。目前提高加工質(zhì)量的常用方法是采用“加工-分析-測量-修正-再加工”的思路，生產(chǎn)周期長，成本高。隨著對高效高精度加工的不斷追求，這種傳統(tǒng)的被動式工藝制定流程難以充分發(fā)揮機床的使用效率。

實際上，加工過程與工藝系統(tǒng)之間存在交互機制，想要實現(xiàn)高效高精度加工，首先需研究切削過程與工藝系統(tǒng)之間的動態(tài)交互作用機理[19-20]，針對不同機床性能、刀具性能和零件加工要求，綜合工藝系統(tǒng)特性和工藝過程，考慮物理性能約束，提出面向高效高精度加工的刀具路徑規(guī)劃與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，實現(xiàn)工藝系統(tǒng)與加工過程的最優(yōu)匹配。其次，研究考慮加工過程影響的機床自適應(yīng)控制技術(shù)，在伺服驅(qū)動環(huán)節(jié)和數(shù)控環(huán)節(jié)開發(fā)先進控制策略，實現(xiàn)多源物理量在線測量、加工誤差分析與補償，提高加工效率和質(zhì)量。

3 精度保持性相關(guān)技術(shù)

精度保持性是評價數(shù)控機床性能的重要指標之一，也是影響國產(chǎn)數(shù)控機床性能的主要瓶頸。當前，國內(nèi)還沒有一個比較系統(tǒng)的精度保持性研究體系。另外，通過對國產(chǎn)數(shù)控機床精度衰退的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)造成國產(chǎn)數(shù)控機床精度保持性差的原因主要是非正常磨損。

因此，為提高國產(chǎn)機床的精度保持性，需針對國產(chǎn)數(shù)控機床的設(shè)計、制造過程和使用環(huán)境，建立精度保持性理論體系，研究相應(yīng)的改善措施[21-22]。在幾何精度保持性方面，設(shè)計階段應(yīng)考慮導軌滑塊、絲杠螺母等動結(jié)合部的壽命設(shè)計，考慮重力影響的大型結(jié)合面的精度設(shè)計；在制造階段實現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力的合理控制，動、靜結(jié)合面的小或無應(yīng)力裝配，最終減小移動部件質(zhì)心位置變化造成的基礎(chǔ)件變形、基礎(chǔ)件內(nèi)應(yīng)力釋放變形、裝配應(yīng)力造成的螺栓蠕變等引起的導軌滑塊非正常磨損。在主軸精度保持性方面，重點研究主軸軸承間隙（配合）、軸承預緊力等裝配參數(shù)，以及主軸密封與潤滑方式，設(shè)計階段考慮服役狀態(tài)合理選擇軸承與主軸配合、冷卻參數(shù)以及密封結(jié)構(gòu)等。制造階段關(guān)注服役態(tài)下軸承預緊力保證措施，以減小軸承非正常磨損。在運動精度保持性方面，研究運動部件非正磨損造成的機械參數(shù)變化，電器參數(shù)老化造成的電器參數(shù)變化，以及兩者間的機電參數(shù)不匹配而引起的運動精度保持性衰退機理，研究機械參數(shù)、電器參數(shù)的辨識方法及自適應(yīng)控制算法，實現(xiàn)運動精度的恢復與保持。在整機精度監(jiān)控方面，實時監(jiān)控機床使用階段的工作環(huán)境和運行狀態(tài)，選擇合適的監(jiān)控參數(shù)以及參數(shù)閾值，保證機床在正常條件下使用，也是延長精度保持性的有效措施。

4 可靠性相關(guān)技術(shù)

機床可靠性技術(shù)已成為機床行業(yè)最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是一直影響國產(chǎn)數(shù)控機床市場信譽和競爭力的主要問題。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和積累，國產(chǎn)數(shù)控機床可靠性技術(shù)研究雖然在可靠性建模、故障分析、可靠性設(shè)計、可靠性試驗和可靠性增長等方面取得了明顯進展，但與國外機床相比還處于落后狀態(tài)。數(shù)控機床是一個故障模式多樣、故障機理復雜、故障可修復的復雜系統(tǒng)，其可靠性研究在技術(shù)上多學科相互交叉、時間上貫穿機床全生命周期、空間上涉及多部門協(xié)同，是一項復雜的系統(tǒng)工程。國產(chǎn)機床可靠性所面臨的核心技術(shù)問題是，需針對機床全生命周期強化可靠性試驗、建模、分析、設(shè)計等方面的基礎(chǔ)研究，深入開展機床制造可靠性、裝配可靠性、早期故障排除可靠性、使用可靠性、維修性設(shè)計和預防性維修策略等可靠性技術(shù)研究，提高可靠性數(shù)據(jù)積累能力，提出數(shù)控機床整機、功能部件和關(guān)鍵零件的可靠性概率設(shè)計方法，深入研究故障產(chǎn)生的物理本質(zhì)、故障相關(guān)性、故障模式及規(guī)律，重視維修性和可用性，實現(xiàn)數(shù)控機床設(shè)計、制造和使用全生命周期內(nèi)的可靠性增長，加快凝練出國產(chǎn)機床可靠性技術(shù)體系，制定可靠性技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標準，提高國產(chǎn)機床可靠性[23-24]。

圖2 高檔數(shù)控機床產(chǎn)學研用深度融合Fig.2 Deep integration of industry-university-institute-user of advanced CNC machine tool

推動技術(shù)發(fā)展的相關(guān)對策

1 產(chǎn)學研用深度融合

高檔數(shù)控機床作為制造業(yè)的核心裝備，其設(shè)計、制造和使用涉及多學科多領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，整個生命周期需科研院所、機床制造企業(yè)、功能部件廠商和底層用戶等多個層面的共同參與，分工合作，這樣才能把高檔數(shù)控機床的核心技術(shù)掌握在自己的手中。高檔數(shù)控機床的技術(shù)需求來源于制造企業(yè)，技術(shù)應(yīng)用也在制造企業(yè)，但相應(yīng)的基礎(chǔ)研究卻在高校和科研院所。因此，高校和院所應(yīng)當面向企業(yè)和用戶需求，發(fā)揮自身在基礎(chǔ)理論研究方面的深厚功底，在機理研究透徹的基礎(chǔ)上，形成一批國產(chǎn)機床設(shè)計、制造及使用所亟需的關(guān)鍵核心技術(shù)，即應(yīng)是支撐設(shè)計、制造和應(yīng)用的工具軟件和工藝規(guī)范，支撐企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)改造和升級，努力使關(guān)鍵核心技術(shù)在機床企業(yè)發(fā)揮作用。同時，國內(nèi)機床制造企業(yè)應(yīng)該摒棄傳統(tǒng)機床組裝思維，實施全面性、持續(xù)性、長期性的規(guī)劃與布局，與科研院所深度融合，走國產(chǎn)機床自主創(chuàng)新的道路。另外，國內(nèi)機床用戶也要發(fā)揮其對工藝熟悉的優(yōu)勢，積極反饋一線需求與信息，規(guī)劃好整機研制技術(shù)需求。此外，機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展需建立關(guān)鍵技術(shù)的有效促進、突破與評估機制，以及真正技術(shù)人才的合理評價、培育和激勵機制，努力形成科研院校、制造企業(yè)和用戶相互依存的健康產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實現(xiàn)各自在整個產(chǎn)業(yè)鏈上的協(xié)同與集成，避免重復性研究，通過優(yōu)勢互補，深度融合，共同促進核心技術(shù)和共性技術(shù)的掌握與自主創(chuàng)新，促進國產(chǎn)數(shù)控機床向高端發(fā)展（圖2）。

2 關(guān)注數(shù)控機床整機集成設(shè)計技術(shù)

高檔數(shù)控機床是典型的復雜機電集成系統(tǒng)，內(nèi)容上涵蓋機、電、控制等多個學科領(lǐng)域，從組成上可劃分為數(shù)控、伺服、機械和加工工藝4個部分，整個生命周期又可分為設(shè)計、制造和使用3個階段。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對數(shù)控機床的使用要求越來越高，其使用工況往往復雜多變，造成每個組成環(huán)節(jié)表現(xiàn)出不同的特點，而各個環(huán)節(jié)的性能好壞對最終零件的加工效率和質(zhì)量都有直接影響。此時，傳統(tǒng)的數(shù)控、伺服、機械環(huán)節(jié)之間的割裂設(shè)計，機床與工藝缺乏統(tǒng)籌考慮的機床研制流程很難滿足用戶的高標準和高要求，因而需要從加工工藝研究出發(fā)，面向高精度高效率的加工目標，實現(xiàn)數(shù)控機床整機的集成設(shè)計。綜合考慮機床的復雜運行工況，尤其是多軸聯(lián)動高速、高加速條件下的機械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)物理特性的變異與演變，實現(xiàn)機械系統(tǒng)動態(tài)特性主動設(shè)計、伺服控制系統(tǒng)先進控制與補償、機電耦合系統(tǒng)高精度聯(lián)動控制，以及在使用階段的考慮工藝系統(tǒng)特性的高效高精度加工工藝規(guī)劃，實現(xiàn)數(shù)控機床服役時機床工藝系統(tǒng)與工藝過程的最佳匹配。

3 加快技術(shù)突破與適度自主創(chuàng)新

數(shù)控機床關(guān)鍵技術(shù)的突破與自主創(chuàng)新是推進數(shù)控機床研制水平不斷提升的源頭，也是推動其向高端發(fā)展的重要保障。但是必須清醒認識到，任何技術(shù)的突破和創(chuàng)新必須尊重其發(fā)展的必然規(guī)律，是要在長期的積累基礎(chǔ)上才能實現(xiàn)的，是量變到質(zhì)變的過程。針對數(shù)控機床這樣一種涉及多學科知識，同時必須產(chǎn)學研用融合才能做好的機電裝備，要想實現(xiàn)真正的創(chuàng)新還有很長的路要走。根據(jù)我國目前數(shù)控機床單元技術(shù)以及整機技術(shù)的現(xiàn)狀，以及基礎(chǔ)研究方面的積累，機床行業(yè)在加快技術(shù)突破與自主創(chuàng)新時，應(yīng)重點關(guān)注以下3個方面：第一，應(yīng)注重單元技術(shù)的突破與創(chuàng)新，根據(jù)目前我國所掌握的機床相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，欲想實現(xiàn)機床的整機或全方位創(chuàng)新，應(yīng)該是很難的，但是如果在某些單元技術(shù)層面有所突破應(yīng)該是可能的。第二，應(yīng)注重與新技術(shù)相結(jié)合來提高機床的性能或擴展其功能，例如借助互聯(lián)網(wǎng)平臺在設(shè)備的遠程診斷或遠程維護等方面是大有作為的，還可借助手機APP等軟件為用戶的使用提供方便。第三，應(yīng)注重對用戶工藝的研究，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)專用機床或增加機床的專用功能等方面均有比較大的創(chuàng)新或突破空間。

4 瞄準機床智能化發(fā)展趨勢

智能化是當前數(shù)控機床發(fā)展的主要趨勢，在加快國產(chǎn)數(shù)控機床核心技術(shù)研究的同時，抓住機床智能化發(fā)展方向?qū)μ嵘龜?shù)控機床整體性能和促進制造業(yè)向高端發(fā)展具有重要意義。當前，需重點從數(shù)控機床單機智能化著手，重點研究：加工前單機的智能預測，優(yōu)化加工工藝，減小工藝輔助時間；加工過程中的單機運行狀態(tài)實時監(jiān)控、感知、智能診斷與調(diào)整，復雜工況的工藝自學習、邏輯推理、優(yōu)化決策與自適應(yīng)控制功能；加工后的在機智能檢測與在線評估。在單機智能技術(shù)掌握的基礎(chǔ)上，向智能生產(chǎn)線、智能工廠發(fā)展。由于企業(yè)大數(shù)據(jù)具有巨大的隱形價值，其中包括諸多有益的工藝信息與知識，可通過生產(chǎn)線與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計算等現(xiàn)代化技術(shù)的有機結(jié)合，積極提升機床制造企業(yè)和用戶的智能制造水平，實現(xiàn)真正的“中國智造”。

結(jié)束語

國產(chǎn)數(shù)控機床經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展與積累，已經(jīng)取得了長足進步，但與國外機床相比，雖然外形上相似，功能上基本接近，但性能差距還很大。為此，國內(nèi)機床產(chǎn)業(yè)應(yīng)當清醒認識自主能力薄弱，核心技術(shù)、關(guān)鍵功能部件受制于人的現(xiàn)狀，抓住信息化與智能化的結(jié)合契機與發(fā)展方向，加快推動產(chǎn)學研用深度融合，專心致力于基礎(chǔ)研究的積累、核心技術(shù)的突破，注意適度創(chuàng)新，努力實現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控機床性能“質(zhì)”的提升。

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