周济：《“数控一代”机械产品创新工程》的战略意义和技术路线
发表时间： 2011-11-22
一、 《“数控一代”机械产品创新工程》的战略意义 1.1 机械产品创新是机械工业科学发展的关键
我国今后的发展，要以科学发展为主题，以加快转变经济发展方式为主线。加快转变经济发展方式，必须加快推进产业结构的调整优化，核心是产品的技术创新和升级换代。
经过新中国60多年特别是改革开放30多年的奋斗，中国机械工业实现了历史性的跨越式发展，制造业生产总值成为世界第一，我们国家已经成为“制造大国”。但是，我们还不是“制造强国”，机械工业还没有摆脱粗放型、外延式发展的模式，核心技术和关键技术掌握得不多，自主创新的产品少，附加值不高，核心竞争力不强。综观世界，中国制造既面临其他新兴发展中国家的低中端竞争，又面临西方发达国家重振先进制造业的压力，在全球制造产业新的调整中既面临大好发展机遇，又面临极为严峻的挑战。面临的挑战很多，问题主要有两个：产品质量问题和产品创新问题，因而，产品创新和产品质量应该成为今后一段时期机械工程科技进步的主要方向。
应用数控技术实现我国机械产品的全面创新和升级换代，非常必要，完全可能，对于我国机械工业的科学发展，具有重要的战略意义。 1.2 数控化是全面创新机械产品的有效途径
机械产品的创新可以有多种途径，主要的有两种方法：一是创新工作原理或者说工作装置；二是创新运动的驱动和控制系统。传统机械产品的构成如图1所示，包括动力装置、传动装置、工作装置。工作装置的创新是根本性的，极为重要，千百年来，人们一直在不断创造出各种新的机械，形成了适用于完成各种不同任务的成千上万的机械产品。数控化则是对于机械运动的驱动和控制系统的创新，数控机械产品的构成如图2所示。
图1.传统机械产品的构成
数控化是创新机械产品的有效途径，其核心的技术路线是用伺服电机驱动系统取代传统机械中的动力装置与传动装置，更重要的是用计算机控制系统对机械运动与工作过程进行控制。数控技术的核心是数字化，是先进的信息技术与自动控制、机械制造技术相结合的集成技术，是机械产品创新的使能技术。数控技术的应用引起机械产品本身的内涵发生根本性变化，使机械产品的功能极大丰富，性能发生质的变化，可以从根本上提高机械产品的水平和市场竞争力。 应用数控技术对机械产品进行创新具有以下显著特点：
(1) 先进有效：产品功能、性能、质量均极大提高，同时，机械结构大大简化，节省能源和材料；
(2) 由于实现了数字控制，为各种先进信息技术的进一步应用乃至于将来实现智能化奠定了基础；
(3) 可行性强：创新方案与技术路线具体明确、相关技术成熟可靠； (4) 应用面广：适用于各行各业机械产品的全面创新。
综观全球实现产业结构调整和机械产品升级的历程（图3）：蒸汽机技术使机械工业由人力制作时代进入机械化时代，电气技术使机械工业由机械化时代进入电气化时代，数控技术正在使机械工业由电气化时代跃升为数字化时代；在可预见的将来，机械工业将由数字化时代进入智能化时代。可以看到，对于驱动和控制系统的创新具有鲜明的特征，具有本质的规律，可以普遍运用于各种机械产品创新，可以引起机械产品的升级换代，引起机械工业的深刻变革。这也是我们提出“数控一代”这样一个概念的缘由和根据。
图3：机械产品的升级换代
1.3 当前是中国机械产品升级换代的最佳机遇期
当前，我国机械工业正处于产品数字化发展时期，全世界的机械工业也正处于产品数字化发展时期。由“电气一代”到“数控一代”是一场深刻的变革，必然要经过艰难的攀登过程。在这方面，西方发达国家已经先行了60年，还要经过数十年才能完成这样一个历程。对于中国机械工业来说，经过我们大家的艰苦奋斗，一定能够在较短时间内完成这一场变革，完成向“数控一代”的进军，这是中国机械产品升级换代的最佳机遇，是中国机械工业跨越式发展的最佳机遇。主要理由是： (1) 需求强大：需求是最强大的发展动力。由于国民经济持续快速发展，由于国际国内市场的激烈竞争，数控机械产品的市场需求越来越旺盛，企业产品创新积极性越来越高涨。我们现在面临的形势是：一要数控技术应用于中、低档机械产品，以提升产品的市场竞争力；二是要攻克高端数控机械产品，以满足经济、社会、国防等方面日益提高的需求。
(2) 技术支持：数控技术的落后是长期以来制约我国机械产品创新与质量的一个重要因素。经过多年来对数控技术的持续攻关，特别是由于电机技术、功率器件技术、控制技术、计算机技术的突破性进展，我国的数控产业已经基本形成，国产经济型数控系统已主导国内市场，中档数控系统形成了产业规模，高档数控系统也已经掌握关键技术。我国的数控技术已发展到了技术成熟、质量可靠的阶段，全面推广应用的条件已经成熟。
(3) 人才队伍与应用示范带动：数控机械产品的创新需要掌握数控技术、机械设计与制造技术、产品领域知识等复合型知识结构的人才，这也是长期以来影响我国机械产品创新的一个重要原因。经过多年努力，我们在人才队伍和应用示范方面已具备了良好的基础。
1.4. 《“数控一代”机械产品创新工程》的战略目标
2011年初，18位院士提出了关于实施《“数控一代”机械产品创新工程》的建议，中央领导同志高度重视、亲切关怀，科技部、工信部、发改委等深入调研、认真部署，已于近日正式启动了《“数控一代”机械产品创新应用示范工程》。 《“数控一代”机械产品创新工程》既是数控技术应用工程，更是机械产品创新工程；既有机械工业发展强大需求的推动，又有成熟数控技术的支撑；要充分发挥
我国的制度优越性，采取协同创新技术路线，在整个机械行业推进有组织的创新。 《“数控一代”机械产品创新工程》的战略目标是：在机械行业全面推广应用数控技术，在5--8年内，实现各行各业各类各种机械产品的全面创新，使中国的机械产品整体升级为“数控一代”，为我国机械工业从“大”到“强”的跨越式发展做出重大贡献。
二、 应用数控技术实现机械产品创新的技术路线 2.1 从X52K到XK714到XHK714到XHK714/3-5
数控机械产品的出现是以数控加工机床的诞生为标志的。20世纪40年代末，美国帕森斯公司提出了应用计算机控制机床加工样板曲线的设想，并与麻省理工学院合作，于1952年研制成功世界上第一台三坐标立式数控铣床。它的诞生标志着机械制造数字控制时代的开始。 (1) X52K立式铣床概述
如图4所示的X52K普通立式铣床传动系统图，为实现不同的刀具切削速度，X52K立式铣床设计了复杂的主传动和进给传动变速系统。
图4. K52K立式铣床传动系统
(2) X52K立式铣床的数控改造
数控改造是一条可用较少投入有效提高现有机械性能的途径，很能说明数控产品创新的技术路线。X52K立式铣床的数控改造包括两个方面，首先是机床进给系统的改造，其方案是：将原工作台进给电机与齿轮进给箱拆除，将原普通丝杠替换为滚珠丝杠，然后用三个伺服电机分别驱动机床的升降、纵向和横向坐标轴，不仅机械传动系统大大简化，而且可实现精确的无级变速。改造后单个坐标轴的传动方案如图5所示。
图5. X52k铣床数控改造后单个坐标轴的传动方案
另一个方面是增加一个计算机数控系统对机床运动和工作过程进行控制。数控改造后的X52K铣床具备三坐标（三个进给轴）联动的能力，可根据输入的零件加工程序对各进给坐标轴进行精确协调的运动控制，从而可加工具有曲线曲面轮廓的复杂形状零件，机床的加工精度、效率、柔性、自动化程度均大大提高。 (3) X52K的产品升级 —— XK714数控立式铣床
从系统的角度出发重新进行设计，对X52K立式铣床进行产品升级，得到数控立式铣床产品XK714，如图6所示。就
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