[size=6 ]數(shù)控技術(shù)崛起中的反遏制和技術(shù)對抗
裝備制造業(yè)的崛起是對中國工業(yè)現(xiàn)代化和國家綜合國力提升的重要支持。制造業(yè)進(jìn)步一方面提升物質(zhì)生產(chǎn)能力，解決關(guān)鍵裝備的制造問題，另一方面制造業(yè)的共性技術(shù)軍民兩用，對國防和國家安全意義重大。數(shù)控技術(shù)是支持現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)群，直接決定制造裝備的功能和性能，是信息化帶動工業(yè)化進(jìn)程中裝備層的關(guān)鍵技術(shù)，屬于支持先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎(chǔ)技術(shù)群。而且數(shù)控技術(shù)以高精度隨動控制和多運(yùn)動協(xié)同控制為主要特征，與自動火炮控制、雷達(dá)控制以及陀螺導(dǎo)航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎(chǔ)，具有典型的軍民兩用的應(yīng)用特征。
1、國際競爭環(huán)境對中國數(shù)控技術(shù)崛起的遏制
正是因?yàn)閿?shù)控技術(shù)軍民兩用的特征，國際競爭環(huán)境對中國數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報告的技術(shù)封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產(chǎn)，低端產(chǎn)品傾銷，渙散中國國內(nèi)的自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當(dāng)多的事實(shí)證明我們試圖通過引進(jìn)技術(shù)，“以市場換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場也丟了，技術(shù)卻沒換回來。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產(chǎn)品壟斷市場80%以上，高端產(chǎn)品不僅壟斷，而且限制中國進(jìn)口。中國通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定市場規(guī)模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場，國產(chǎn)控制器規(guī)模始終處于被壓縮的狀態(tài)，利潤空間被壓縮，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)技術(shù)進(jìn)步。
行業(yè)專家坦言“中國數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平與世界發(fā)達(dá)國家相差起碼15年”。日本國際經(jīng)濟(jì)學(xué)家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號上發(fā)表了一篇題為《中國的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業(yè)，生產(chǎn)汽車部件的機(jī)床年均工作時間高達(dá)3500小時，也只有日本制造的機(jī)床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機(jī)床，中國的汽車產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長谷川慶太郎預(yù)測：中國對日本的依賴只會越來越加強(qiáng)而不會越來越削弱。這就意味著“日本越來越有能力控制中國”。客觀分析這篇文章，拋棄日本少數(shù)學(xué)者狂躁的心態(tài)，僅就裝備制造業(yè)中以數(shù)控系統(tǒng)為代表的制造裝備關(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看，文章的觀點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)喚起我們的憂患意識。
2、數(shù)控技術(shù)具有突破遏制的技術(shù)條件和產(chǎn)業(yè)條件
打破國外對我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對國外技術(shù)的依存度，選擇有技術(shù)支持條件的關(guān)鍵技術(shù)作為突破口，主動突破，才能爭取競爭上的主動。數(shù)控技術(shù)在近十年計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)步的支持下，具備關(guān)鍵技術(shù)突破口的條件。從產(chǎn)業(yè)的角度看數(shù)控控制器產(chǎn)品的基本特征，可以概括為專用的工業(yè)計(jì)算機(jī)；伺服驅(qū)動系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動電機(jī)專用的工業(yè)電源；伺服電機(jī)產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機(jī)。針對這些產(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類似產(chǎn)業(yè)特征的產(chǎn)品的產(chǎn)能是世界領(lǐng)先的。因此，跳出狹義的運(yùn)動控制器制造領(lǐng)域，從中國產(chǎn)業(yè)全局看，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的另一個特征是技術(shù)的軟件化。運(yùn)行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實(shí)現(xiàn)。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭將更多轉(zhuǎn)化為基于軟件技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)的智力層面的比拼和以技術(shù)融合為特征的工程層面的比拼。
3、突破技術(shù)遏制的關(guān)鍵是建立適合核心技術(shù)體系生長的自主創(chuàng)新平臺
反遏制的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心技術(shù)體系生長的自主創(chuàng)新平臺，從被動的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃拥募夹g(shù)對抗。高端數(shù)控技術(shù)不僅僅是控制器的問題，而是關(guān)聯(lián)電機(jī)、驅(qū)動、測量、通訊、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及機(jī)床測試、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節(jié)都將對最終的設(shè)備控制效果產(chǎn)生影響。
以高速高精度高響應(yīng)運(yùn)動控制為例來說明這個問題。從FANUC公開的材料上看，控制分辨率提升到納米可以將被加工產(chǎn)品的精度提高一倍，表面質(zhì)量提高一倍。但這一結(jié)果需要控制器全面的技術(shù)提升。對于高速度運(yùn)動控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，基于超前讀機(jī)制的運(yùn)動軌跡分析和預(yù)測是必需的。這一機(jī)制將對系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運(yùn)動控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補(bǔ)器的計(jì)算精度要從1個um提升到1個nm，計(jì)算字長要增加三位，有效計(jì)算精度要提升3個數(shù)量級。軟件平臺要支持相應(yīng)字長的計(jì)算。另一方面控制節(jié)拍也需要相應(yīng)提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當(dāng)然對系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個分辨率是不夠的，還要將這個控制量送給伺服驅(qū)動裝置。由于有效字長的擴(kuò)充，控制節(jié)拍的提高，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高。對伺服通訊問題一定要采用數(shù)字方式，脈沖方式和模擬加位置脈沖反饋的都不能符合要求。在伺服側(cè)很顯然要追求更高精度的控制問題。首先就是需要更高精度的位置反饋原件。目前國際上高精度伺服裝置傳感器已經(jīng)提升到200萬線-400萬線了，這樣才能夠與現(xiàn)有的機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)納米級控制。我們國內(nèi)的控制器產(chǎn)品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術(shù)的差距直接導(dǎo)致我們的驅(qū)動裝置的調(diào)速比上不去，速度平穩(wěn)性有差距。高分辨率的傳感器還面臨另一個問題就是傳感器接口問題。顯然這種分辨率下不能用AB脈沖形式接口。能夠保證控制器同步采樣的高速數(shù)字通訊協(xié)議是必須要解決的問題。伺服本身高精度控制的問題也是必須要解決的問題。FANUC強(qiáng)調(diào)HRV（高響應(yīng)矢量控制），三菱強(qiáng)調(diào)OMR（優(yōu)化機(jī)械響應(yīng)控制）都將問題直指高精度伺服控制的核心問題——高精度、快速響應(yīng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎(chǔ)。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術(shù)都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。
實(shí)現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動裝置是不夠的。電機(jī)設(shè)計(jì)本身就是直接影響運(yùn)動控制效果的重要因素。對于永磁同步伺服電機(jī)而言，良好的反電勢正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動器實(shí)現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動裝置的廠商本身也是電機(jī)制造商。在很多國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，電機(jī)技術(shù)與伺服驅(qū)動技術(shù)是部門割裂的，有的甚至沒有電機(jī)技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動。在研究高精度運(yùn)動控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們在控制算法的相關(guān)研究中的時間和實(shí)施成本。在仿真技術(shù)支持的同時，還需要研制有關(guān)的試驗(yàn)平臺，用來評價運(yùn)動控制的效果，評價伺服驅(qū)動和電機(jī)的性能。例如，如何評價低速平穩(wěn)性和剛度等。
上面僅以高速高精度運(yùn)動控制技術(shù)為例說明高檔控制器技術(shù)是一個耦合緊密的技術(shù)學(xué)科群。作為高端數(shù)控技術(shù)的技術(shù)創(chuàng)新體系應(yīng)當(dāng)具有技術(shù)鏈的完整性，因此我們稱這樣的技術(shù)創(chuàng)新體系為“技術(shù)創(chuàng)新平臺”。這樣的技術(shù)創(chuàng)新平臺建設(shè)投入是巨大的。以日本FANUC 公司為例，在技術(shù)上保持領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一，該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產(chǎn)能力7000套，銷售額在世界市場上占50％，研發(fā)投入為銷售額的10%，每年投入研發(fā)費(fèi)用上億美元。很顯然，支持上述平臺在中國現(xiàn)有的科研條件下，依靠一家企業(yè)或單位是非常困難的。我們只有通過包括高等院校和其他研究機(jī)構(gòu)在內(nèi)，以產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)聯(lián)為內(nèi)在聯(lián)系的企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟，整合技術(shù)資源，形成新型的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新組織，在國家有關(guān)政策支持和指導(dǎo)下實(shí)現(xiàn)相關(guān)多技術(shù)緊密耦合的創(chuàng)新技術(shù)平臺，才可能實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越。
4、把握數(shù)控核心技術(shù)的發(fā)展動向
充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，把握數(shù)控核心技術(shù)的發(fā)展動向，有所為有所不為。處于后進(jìn)競爭狀態(tài)的中國裝備控制器產(chǎn)業(yè)必須充分利用新的技術(shù)手段，把握數(shù)控技術(shù)的發(fā)展方向，根據(jù)自己的實(shí)際情況，有所為有所不為，形成后發(fā)優(yōu)勢，加快技術(shù)進(jìn)步的步伐，才能實(shí)現(xiàn)追趕和跨越。
首先需要明確中國數(shù)控技術(shù)需要的發(fā)展方向。我們可以從SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)對華出口限制的方向中受到啟發(fā)。這些功能絕大多數(shù)十被認(rèn)為直接影響歐洲裝備核心競爭力的功能。
SIEMENS的數(shù)控系統(tǒng)專門分為出口型和標(biāo)準(zhǔn)型。出口型中對大量功能群進(jìn)行了限制。非歐盟用戶采購這些功能，需要獲得德國或歐盟的正式許可。
分析上述功能，可以概括高端控制器幾個重要的技術(shù)方向：
（1）復(fù)雜運(yùn)動規(guī)律的控制技術(shù)。
上表中的“螺旋線插補(bǔ)2D+6”、“5軸加工程序包”、“多軸插補(bǔ)（4軸）”都屬于這一技術(shù)方向。復(fù)雜型面和曲線的運(yùn)動控制屬于數(shù)控基礎(chǔ)中的基礎(chǔ)技術(shù)，也是負(fù)責(zé)工藝裝備的現(xiàn)實(shí)需求。特別是五軸加工控制技術(shù)，是復(fù)雜曲面加工的基礎(chǔ)支持技術(shù)。該技術(shù)是關(guān)系到航空航天制造業(yè)、武器裝備制造業(yè)、動力裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。
（2）多軸耦合關(guān)系運(yùn)動控制。
上表中的“搬運(yùn)（機(jī)器人）變換包”，“位控循環(huán)中的1D3D間隙控制”，“懸垂度補(bǔ)償，多維”，“主動數(shù)值耦合和曲線列表插補(bǔ)”，“電子齒輪單元”，“連續(xù)修正”，“測量2級”都體現(xiàn)了上述特征。上述功能的共性特征是某坐標(biāo)軸運(yùn)動不再是受計(jì)劃性軌跡執(zhí)行，而是與其他軸的運(yùn)動或邏輯量具有某種耦合關(guān)系或者協(xié)同關(guān)系，即實(shí)時插補(bǔ)過程還引入了其他控制因素。上述功能顯然對于復(fù)雜裝備是非常必要的，屬于經(jīng)典插補(bǔ)運(yùn)動控制的重要補(bǔ)充。
（3） 開放式結(jié)構(gòu)。
上表中的“開放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”和“同步操作”都屬于這一技術(shù)方向。“開放式結(jié)構(gòu)NC核心編譯循環(huán)”引擎支持用戶將自己編寫的控制功能加入系統(tǒng)中，并可按照指定的執(zhí)行頻度周期性執(zhí)行。而“同步操作”是用戶以高級語言的形式約定執(zhí)行條件和執(zhí)行動作。這兩項(xiàng)功能分別體現(xiàn)了控制系統(tǒng)不同層次的開放，一種是執(zhí)行引擎的開放，另一種是用戶語言層面的開放。這類的技術(shù)顯然有利于主機(jī)廠的快速響應(yīng)工藝需求，將自己專有的技術(shù)融入到控制器中，二次開發(fā)具有自己特色的控制器，極大地拓展了控制器的控制能力。
（4）與伺服控制技術(shù)的融合。
上表中的“內(nèi)部驅(qū)動變量評價”就屬于這一技術(shù)方向。伺服驅(qū)動裝置的性能直接影響整個數(shù)控系統(tǒng)的控制表現(xiàn)和整個裝備的性能表現(xiàn)。因此，伺服驅(qū)動相關(guān)技術(shù)也成為高端控制器技術(shù)群的重要基礎(chǔ)。由于伺服驅(qū)動裝置嵌入式系統(tǒng)的特點(diǎn)，運(yùn)算資源、存儲資源和人機(jī)交互能力的局限性，伺服系統(tǒng)參數(shù)的可視化和優(yōu)化需要通過上位的數(shù)字控制器來實(shí)現(xiàn)。因此，控制器技術(shù)與伺服驅(qū)動技術(shù)的技術(shù)融合就成為數(shù)控技術(shù)發(fā)展的重要方向。這一技術(shù)特點(diǎn)可以從許多控制器產(chǎn)品中得到映證。
上述四大技術(shù)方向?qū)?shù)字化裝備的進(jìn)步非常重要。我國的數(shù)控技術(shù)在上述方向基本上存在較大的差距，應(yīng)當(dāng)成為我們努力的方向。
5、突破技術(shù)遏制的技術(shù)策略
在技術(shù)實(shí)施的策略上，充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段是重要的技術(shù)策略。近十年來計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)的進(jìn)步為我們在數(shù)控技術(shù)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)追趕和跨越提供了重要的支持。高性能的CPU為控制計(jì)算提供了更強(qiáng)的計(jì)算資源，同時也簡化了系統(tǒng)的硬件體系結(jié)構(gòu)。多樣的嵌入式操作系統(tǒng)為控制器軟件提供了方便的應(yīng)用接口。包括工業(yè)現(xiàn)場總線技術(shù)的計(jì)算機(jī)通信技術(shù)大幅度提升了控制器內(nèi)部互聯(lián)和外部互聯(lián)信息帶寬。軟件工程技術(shù)的日趨成熟為軟件質(zhì)量的保障和軟件體系結(jié)構(gòu)的可持續(xù)發(fā)展提供了指導(dǎo)。電力電子技術(shù)的進(jìn)步為更大功率的伺服驅(qū)動提供了安全可靠的支持。上述技術(shù)僅是近十年工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步的很小部分，充分關(guān)注工程技術(shù)領(lǐng)域通用技術(shù)的進(jìn)步，使新技術(shù)成為我們的后發(fā)優(yōu)勢，對于我們加速技術(shù)追趕實(shí)現(xiàn)技術(shù)跨越意義重大。
在技術(shù)實(shí)施策略上，充分實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合是重要的技術(shù)策略。制造技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合是符合數(shù)控技術(shù)鏈的技術(shù)特征的。制造技術(shù)是數(shù)控技術(shù)需求的源泉，開發(fā)符合中國產(chǎn)業(yè)模式和制造技術(shù)特點(diǎn)的控制器是拉動國產(chǎn)控制器技術(shù)進(jìn)步的重要動力，也是發(fā)揮控制器競爭優(yōu)勢的基本出發(fā)點(diǎn)。控制技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的主體內(nèi)容，是技術(shù)鏈的核心。計(jì)算機(jī)技術(shù)是數(shù)控技術(shù)的重要支持。一方面在計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)支持下，通過對制造過程的物理過程仿真，為控制技術(shù)提供基本的控制模型和控制策略的依據(jù)；另一方面計(jì)算機(jī)技術(shù)也是控制技術(shù)實(shí)施的重要載體。因此，在數(shù)控技術(shù)學(xué)科群建設(shè)和技術(shù)鏈鏈接過程中要充分實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合。
6、結(jié)論
我國的數(shù)控技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展除了技術(shù)本身的問題外，還需要國家政策的鼓勵和扶持，以及制造裝備廠商的支持。特別是要解決首臺首套的應(yīng)用示范工程，一方面將國內(nèi)外數(shù)控技術(shù)水平的差異量化，明確國產(chǎn)控制器的努力方向；另一方面，打破進(jìn)口品牌的神話，為國產(chǎn)品牌的數(shù)控產(chǎn)品的應(yīng)用推廣提供機(jī)遇。中國的數(shù)控技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平是任重而道遠(yuǎn)，相信在建設(shè)創(chuàng)新型國家的社會氛圍下，通過以企業(yè)為核心的新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng)新模式組織下，充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，實(shí)現(xiàn)制造技術(shù)、控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的融合，通過堅(jiān)持不懈的努力，自主創(chuàng)新，逐步打破技術(shù)封鎖和遏制，加速技術(shù)進(jìn)步，是大有希望的。
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