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数控机床工具的发展回顾

世界上最早出现数控机床于上世纪五十年代初,我国于上世纪五十年代末在北京机床研究所成立数控机床研究室,同时在清华大学等高校也开始研究数控系统及数控机床。由此看出,我国数控系统及数控机床的研发,起步并不晚,但为什么到现在与世界先进水平的差距,特别是高端数控机床工具还这么大呢?原因很复杂,笔者也说不清楚,但看来至少有两点:一是机床工具行业在探索研发数控系统的发展路线上走了一些弯路,如用于运动控制的芯片(CPU),是采用专用芯片,还是通用芯片,几次反复,因此在引进技术、合作生产、消化吸收、再创新等方面多花了一些时间;二是中国的半导体工业起步太晚、太弱,特别是集成电路LSI、VLSI包含专用及通用芯片在内,差距太大,不得不受制于人,不仅是硬件,包括操作系统等软件也大大落后于世界先进水平,就是一般PCB板常用的片装式电阻、电容元器件也基本需要进口。因为国产的元器件性能、质量不稳定,因此在上世纪九十年代前后,很多研究院所及企业单位选择通用芯片作为CPU进行运动控制与逻辑控制,因为芯片技术发展速度太快,性价比按摩尔定律发展。


如笔者在上世纪七十年代,在企业就组织研发车床的数控系统及数控车床,当时用的是半导体分立元件,有的还采用过中间继电器或通讯用的极化继电器,搞了两年,因元器件不过关,又买不到进口元器件,因此决定停止研发,转向采用FANUC数控系统,工厂专心把主机做好,鉴于当时的政治形势,就搞不下去了。同一段时期笔者受部委的委托与美国Unimation公司进行机器人的技术交流与谈判,当时采用直角坐标式,还不是关节式的工业机器人,控制系统相对比较简单。至于作为机床上下料的机械手,因笔者从事自动化单机及自动生产线的研发生产,如308轴承车加工自动生产线就用机械手上下料,不过不是柔性控制,有的采用凸轮及中间继电器硬件控制,这就是上世纪七十年代技术水平的真实情况。


改革开放至今已有四十年了,数控系统与数控机床走了一条十分艰难曲折的发展道路,从数控系统来说,原来想从日本FANUC走引进、消化、吸收、国产化的路子,问题就卡在专用芯片及其他硬件的国产化上。至今北京发那科实际上是FANUC系统在中国用SKD模式的合资装配厂,但效益较好,最高时年产四五万台套。我们虽然学不到核心技术,但熟悉了装配调试工艺、检测、维保方面的技术知识,而且FANUC系统质量与可靠性及维保服务在用户中口碑很好。上世纪九十年代,开始学习PC机的技术路线,采用通用芯片作为CPU,因为可以购到最新一代Intel(x86)、ARM的芯片,而且换代很快,操作系统采用Windows、Linux或其组合。而我国数控系统的研发可基于硬件的架构与运动控制的算法上下功夫,因此出现了广州数控(成立于1991年)、华中数控(成立于1994年)、高精数控(产品生产始于上世纪90年代初)、凯恩帝(成立于1993年)、维宏(成立于2007年)等一批专业数控生产企业,以及光洋(2000年开始数控系统研发)、沈机i5数控系统(2007年开始研发)、北京精雕(成立于1994年)等一批专业生产数控系统、自配自给的数控机床企业。正像中国机床工具工业协会陈吉红副理事长撰写的文章中写到:数控系统经历了“六五”期间的技术引进,“七五”期间技术消化吸收,“八五”期间技术自主开发,“九五”到“十二五”用了20年的时间才使低、中、高档数控产业化。其中,高档数控系统缩小了与世界先进水平的差距,初步产业化了,市场占有率也提高到7%,以后的道路更加任重道远。


至于数控机床的机床本体,由于数控系统+伺服驱动系统+驱动伺服电机+机床的运动部件+位置测量装置(光删、磁栅、同步感应尺等),再加上各种机床部件的物理量的变化(温度、振动、位置等)的传感器信息采集,构成一个全闭环或半闭环系统,因而机床本体的结构设计有质的变化。如工作台设计,在满足强度及刚度和尺寸的要求情况下,运动部件的质量要降低到最小程度,以增加频率响应,满足高精、高速机床的需求;又如尽量采用对称结构及增加散热条件,工作时可尽快达到热平衡条件等。特别是多轴多联动功能及复合加工中心的出现,大大促进了机床本体的变革,有的是颠覆性的改变,因而要求机床动静刚度好、热变形小,而且精度保持性好,可靠性高,一次装夹工件后,可完成多工序的复合加工,如车、铣、镗、磨、齿形加工、珩、研、抛光等;甚至有一些特种工艺,如激光加工、旋压、滚压、电加工等工艺也进入多轴多联动的复合加工中心。因此机床企业必须对目标的细分市场的现实工艺及潜在发展的工艺要吃透,积累用户的使用工艺数据,并建立数据库,才能开发出好用、可靠、经济、易维护保养的高档数控机床。


虽然改革开放初期,机床工具工业走了一些合作生产返销的道路,成绩显著,大大提高了机床企业的工艺水平,有的进行贴牌生产光机,国外经销商在境内加上数控系统后再在国外销售,一来可赚取外汇,二来锻炼了企业的内功,如济一与马扎克的合作,南京机床厂与Traub合作等。但由于后来国营企业改制或因种种原因没有转化为自主开发及创新,以后不了了之,太可惜了,造成今天中低档劳动技术密集型机床工具出口,高档数控机床大量进口的局面,从中也可以吸取一些经验教训。


“高档数控机床与基础制造装备” 国家科技重大专项(简称04专项)资助的很多机床企业研发的高档数控机床难以产业化,根本问题在于机床厂对用户的使用工艺,含工艺参数及刀具、量具、夹具加工对象的使用要求极不熟悉,没有话语权,至于所谓多轴、多联动、复合加工中心大部分是抄来的。虽然04专项发展了一批功能部件,其中不少部件产业化程度较低,性价比不高,加上机床厂及终端用户对国产功能部件认知度低,不太信得过,因此市场占有率较低,甚至敌不过我国台湾省产的部分功能部件。高档的功能部件大都从日本、德国、瑞士、意大利、西班牙等发达国家进口。


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