一、 《“數控一代”機械產品創新工程》的戰略意義

　　1.1 機械產品創新是機械工業科學發展的關鍵

　　我國今后的發展，要以科學發展為主題，以加快轉變經濟發展方式為主線。加快轉變經濟發展方式，必須加快推進產業結構的調整優化，核心是產品的技術創新和升級換代。

　　經過新中國60多年特別是改革開放30多年的奮斗，中國機械工業實現了歷史性的跨越式發展，制造業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”，機械工業還沒有擺脫粗放型、外延式發展的模式，核心技術和關鍵技術掌握得不多，自主創新的產品少，附加值不高，核心競爭力不強。綜觀世界，中國制造既面臨其他新興發展中國家的低中端競爭，又面臨西方發達國家重振先進制造業的壓力，在全球制造產業新的調整中既面臨大好發展機遇，又面臨極為嚴峻的挑戰。面臨的挑戰很多，問題主要有兩個：產品質量問題和產品創新問題，因而，產品創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新和升級換代，非常必要，完全可能，對于我國機械工業的科學發展，具有重要的戰略意義。

　　1.2 數控化是全面創新機械產品的有效途徑

　　機械產品的創新可以有多種途徑，主要的有兩種方法：一是創新工作原理或者說工作裝置；二是創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。工作裝置的創新是根本性的，極為重要，千百年來，人們一直在不斷創造出各種新的機械，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新，數控機械產品的構成如圖2所示。

　　數控化是創新機械產品的有效途徑，其核心的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。數控技術的核心是數字化，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，是機械產品創新的使能技術。數控技術的應用引起機械產品本身的內涵發生根本性變化，使機械產品的功能極大豐富，性能發生質的變化，可以從根本上提高機械產品的水平和市場競爭力。

　　應用數控技術對機械產品進行創新具有以下顯著特點：

　　(1) 先進有效：產品功能、性能、質量均極大提高，同時，機械結構大大簡化，節省能源和材料；

　　(2) 由于實現了數字控制，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；

　　(3) 可行性強：創新方案與技術路線具體明確、相關技術成熟可靠；

　　(4) 應用面廣：適用于各行各業機械產品的全面創新。

　　綜觀全球實現產業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由人力制作時代進入機械化時代，電氣技術使機械工業由機械化時代進入電氣化時代，數控技術正在使機械工業由電氣化時代躍升為數字化時代；在可預見的將來，機械工業將由數字化時代進入智能化時代。可以看到，對于驅動和控制系統的創新具有鮮明的特征，具有本質的規律，可以普遍運用于各種機械產品創新，可以引起機械產品的升級換代，引起機械工業的深刻變革。這也是我們提出“數控一代”這樣一個概念的緣由和根據。

圖3：機械產品的升級換代

　　1.3 當前是中國機械產品升級換代的最佳機遇期

　　當前，我國機械工業正處于產品數字化發展時期，全世界的機械工業也正處于產品數字化發展時期。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，是中國機械工業跨越式發展的最佳機遇。主要理由是：

　　(1) 需求強大：需求是最強大的發展動力。由于國民經濟持續快速發展，由于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，企業產品創新積極性越來越高漲。我們現在面臨的形勢是：一要數控技術應用于中、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新與質量的一個重要因素。經過多年來對數控技術的持續攻關，特別是由于電機技術、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規模，高檔數控系統也已經掌握關鍵技術。我國的數控技術已發展到了技術成熟、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：數控機械產品的創新需要掌握數控技術、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”機械產品創新工程》的戰略目標

　　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”機械產品創新應用示范工程》。

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

　　《“數控一代”機械產品創新工程》的戰略目標是：在機械行業全面推廣應用數控技術，在5--8年內，實現各行各業各類各種機械產品的全面創新，使中國的機械產品整體升級為“數控一代”，為我國機械工業從“大”到“強”的跨越式發展做出重大貢獻。

二、 應用數控技術實現機械產品創新的技術路線

　　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立式銑床概述

　　如圖4所示的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。

圖4. K52K立式銑床傳動系統

　　(2) X52K立式銑床的數控改造

　　數控改造是一條可用較少投入有效提高現有機械性能的途徑，很能說明數控產品創新的技術路線。X52K立式銑床的數控改造包括兩個方面，首先是機床進給系統的改造，其方案是：將原工作臺進給電機與齒輪進給箱拆除，將原普通絲杠替換為滾珠絲杠，然后用三個伺服電機分別驅動機床的升降、縱向和橫向坐標軸，不僅機械傳動系統大大簡化，而且可實現精確的無級變速。改造后單個坐標軸的傳動方案如圖5所示。

圖5. X52k銑床數控改造后單個坐標軸的傳動方案

　　另一個方面是增加一個計算機數控系統對機床運動和工作過程進行控制。數控改造后的X52K銑床具備三坐標（三個進給軸）聯動的能力，可根據輸入的零件加工程序對各進給坐標軸進行精確協調的運動控制，從而可加工具有曲線曲面輪廓的復雜形狀零件，機床的加工精度、效率、柔性、自動化程度均大大提高。

　　(3) X52K的產品升級 —— XK714數控立式銑床

　　從系統的角度出發重新進行設計，對X52K立式銑床進行產品升級，得到數控立式銑床產品XK714，如圖6所示。就

圖6.數控立式銑床XK714整機

 
圖7.數控立式銑床XK714傳動系統圖

　　總體方案而言，XK714數控立式銑床與X52K立式銑床的數控改造大體一致，即：① 工作裝置基本不變；② 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變速與傳動機構（如圖7所示）；③ 增加一個計算機控制系統對機械運行過程進行自動控制。由于是重新設計的新產品，XK714數控立式銑床更好地體現了機與電的有效融合，即：其機械系統的設計更好地考慮了伺服電機驅動系統的特點，而其伺服電機驅動系統的設計則與機械系統的特性有更合理的匹配。

　　XK714數控立式銑床可進行銑、鏜、鉆、擴等多種工序的加工，特別是具有三軸（三坐標）聯動的功能，適合加工各種形狀復雜（如箱體、殼體、曲線曲面輪廓等）的零件，同時，可有效節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。

　　(4) XK714的產品升級 —— 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、要求高、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數控轉臺，即升級為五坐標聯動的立式加工中心XHK714/3-5（如圖8所示）。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，從而可給加工更大的自由度，理論上能夠一次裝夾完成工件裝夾部分外的其余表面的完全加工；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進行加工。

圖8.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，可使產品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、運動參數動態補償、故障監控與診斷等。

2.2 應用數控技術創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，機械傳動鏈大幅度縮短；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，用 “電聯系”取代了各執行裝置之間的機械傳動聯系，傳動機構大大簡化。

　　(3) 不同點之二是數控機械產品擁有一個具有強大信息處理與控制功能的計算機控制系統，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可根據需要進行任意的控制，從而使數控機械具有多功能、高柔性、高精度、高效能、高可靠和操作方便等特征；同時，計算機控制系統強大的信息處理能力使得其智能化成為可能，使產品性能進一步發生質的變化。

　　歸納起來，應用數控技術創新機械產品的設計流程如圖9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：

　　(1) 適配伺服驅動系統：用速度可控的伺服電機取代普通電動機是數控機械產品與傳統機械產品的一個重要差別。適配伺服驅動系統的內容包括：根據被控對象的要求確定系統的組成、控制方式（開環、半閉環、全閉環、混合閉環）、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（補償）方式及其參數，并進行仿真試驗檢驗各種工作狀態下系統的性能。

圖9.應用數控技術創新機械產品的設計流程

　　(2) 適配計算機控制系統：數控機械產品與傳統機械產品最本質的差別在于前者擁有一個具有強大信息處理與控制功能的計算機控制系統（簡稱數控系統）。適配數控系統首先需要根據數控機械產品的性能指標確定其數控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、監測與診斷等常規方面的功能以及其它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者的角度，其數控系統的實現可直接購買市場上的數控系統產品、委托數控系統生產商進行開發或聯合開發。

　　(3) 研制應用軟件系統：從數控機械產品的使用角度，一般需要通過一個自動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不僅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，因此編程系統是數控機械產品開發的重要內容。

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

三、 機械產品的全面創新與升級換代

　　機械產品數以萬計，大都可以通過數控化實現產品創新，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

　　制造裝備是發展國民經濟與國防建設的基礎裝備，產品范圍涉及各行各業，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新升代。

　　例1：注塑機的數控化創新升代

　　注塑成形是最有效的塑料成形方法，注塑機在塑料成形機械中占有十分重要的地位。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桿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（如圖10所示）； (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點：

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

　　(2) 提高生產效率：由于伺服電機有優良的高速性，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、調整和優化工藝參數，使生產效率與質量進一步提高。

　　(3) 節能與環保：消耗電力可以減少40％左右，噪音低、無油污染。

圖10. 數控注塑機主要部件結構
1-模具開合伺服電機；2-塑化伺服電機；3-射膠伺服電機；4-調模變頻電機
5-脫模伺服電機；6-螺桿加熱器；7-射臺移動電機

　　3.2 其它機械產品的數控化升級換代

　　除制造裝備外，國民經濟各行業以及國防軍工中的眾多其它機械產品也可以數控化以實現創新升代。

　　例2：多管火箭炮的數控化創新升級

　　多管火箭炮的快速準確裝填和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，其裝填和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新升級（如圖11所示）。

　　新一代火箭炮可以大大提高其機動性能，縮短戰斗反應時間，提高射速和火力密度，提高射擊準確性以及對目標的突襲能力和效果，并且可以與先進的戰場管理系統一道，使火箭炮具有與多個目標同時快速交戰的能力，同時還可減輕操作人員的工作強度，提高工作效率，有效提高火箭炮的戰斗力與生存力。

圖11.數控化多管火箭炮

　　3.3 全面創新、升級換代

　　《“數控一代”機械產品創新工程》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。有的同志畏難情緒嚴重，認為數控化創新很神秘、很難搞，缺乏勇氣，缺乏信心；有的同志看不起推廣應用工作，覺得不上檔次，沒有水平，缺乏興趣，缺乏激情。我們要解放思想，勇于創新，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新，同時創造一大批高端數控機械產品。

　　華中科技大學東莞工研院與廣東的企業密切結合，研制出幾十種數控機械產品，大大提高了產品的水平和競爭力，受到企業界的熱烈歡迎。這里介紹的兩個創新產品實例，產生了良好的經濟效益與社會效益。

　　例3：編織機的創新升代

　　我國是毛紡編織大國，僅東莞大朗鎮每年生產毛衣超過3億件。目前，國內毛衣生產主要依靠簡單的機械完成，全國有100余萬臺手動編織機（橫機）。手動橫機效率低下，操作工人的勞動強度很大。

　　數控橫機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，大大提高毛衣花色品種、質量與市場競爭力。

　　例4：木工機械的創新升代

　　傳統木工機械由于功能單一，效率低下，污染嚴重。

　　數控高速木材復合加工中心的加工精度高、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，具有很好的市場前景。

　　數控化使機械產品裝備了“大腦“，開辟了機械產品創新的廣闊空間，不斷引領機械產品攀登新的高峰；與此同時，在機械設計理論上和學術上能夠做出高水平的貢獻。這里舉兩個創新實例。

　　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。超精密工作臺是高精度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6自由度運動；對于100nm線寬的掃描曝光，要求定位精度<10nm，硅片臺和掩模臺間的同步平均誤差<5nm、均方誤差<12nm，幾乎接近物理極限，常規機械制造工藝無法實現。

　　要實現光刻機的高速、大行程、6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、6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；同時，零部件制造精度并非很高，裝配與安裝要求甚至不比普通精密機床要求高。

　　例6：精密鑄造數控凝固裝置

　　航空發動機的單晶葉片，主要由精密鑄造成型，制造要求極高。應用數控技術對凝固過程進行精確控制，以實現葉片材料結構和性能都能符合極高的設計要求，提高了單晶葉片的質量和制造效率。

　　數控化應用于鑄造機械、鍛壓機械、焊接機械、熱處理機械等熱加工裝備的創新，在國際上也是最新的發展趨向，有著巨大的發展前景。

四、 《“數控一代”機械產品創新工程》的組織實施

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

　　4.1 有組織創新

　　充分發揮我國的制度優越性，總體規劃、分步實施、重點突破、全面推進，動員千軍萬馬，實行有組織的創新。

　　(1) 總體規劃、頂層設計：制定國家與各行業、各地方、各企業的數控化機械產品創新升級的總體規劃和推廣計劃（路線圖）。國家和行業主管部門與地方科技部門聯動，行業和地方組織企業實施，中央和地方共同支持。要努力加強相關行業數控機械產品技術標準的制定，以推進數控技術的普及和提高。

　　(2) 重點突破、典型示范：從全國范圍內篩選代表性區域、行業和企業，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：

　　企業：龍頭企業實施、上下產業鏈互

　　行業：典型行業示范、其他行業推廣

　　區域：重點區域入手、逐步全面鋪開

　　(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，進而在行業內和地區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新設計的人才培養與專業培訓，特別是要廣泛動員與強力組織對廣大企業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新設計的技術服務：1)企業委托設計；2)與企業聯合設計；3)為企業進行人員培訓，由企業自主設計。

　　4.2 協同創新

　　以企業為主體、市場為導向、政產學研用緊密結合，推進協同創新。

　　(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，提供政策和資金支持，加強宏觀管理。各行業主管部門和地方科技部門將加強組織實施管理，認真制定行業規劃和推廣計劃，落實各方面保障措施。

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

　　(3)企業是面向市場的主體，是財政投入的主體，當然是技術創新的主體。市場的驅動和企業的積極性是產品創新成功的關鍵，必須從根本上調動企業家、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。政產學研用協同創新，形成中國特色的“數控一代”機械產品創新體系，團結奮斗，努力完成這樣一個偉大的創新工程。

　　我們有一個共同的奮斗目標：經過5~8年的時間，中國的機械產品全面升級為“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、戰略性的貢獻。