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数控产业对基础工业与制造业的影响

发布时间:2019-10-30 10:26:46来源:上海鋆实科技

   一、数控产业基本内容

    什么是数控?通常意义上认为是计算机数字控制的简称,即CNC(Computer Numerical Control); 什么是数控机床?数字控制机床,一种装有程序控制系统的自动化机床;被尊称为“工业母机”;什么是数控系统?利用数字指令控制机器动作的系统,常用受控对象包括位移、角度、速度、力等模拟量和电流、功率、扭矩等数字量;也就是说,用数控系统控制加工的机床,就是数控机床。数控机床应该算是工业自动化最基本的制造单元了。

 什么是数控产业?一般泛指数控机床产业。但本人认为,除数控机床外,数控产业还应包括数控系统、伺服驱动器、电机、传感器、执行部件、机床本体和机床制造工艺、机床加工工艺等内容,涵盖了机械、电子、控制、自动化、软件、材料、工艺等学科。数控产业是一个集资金密集型、劳动力密集型、知识密集型等于一体的产业,如果把数控机床比作一个人的话,数控系统是人的大脑,伺服驱动器是人的肌肉,电机是人的关节,传感器是人的眼睛,执行部件(回转工作台或摆角铣头)是人的手脚,机床本体(床身/裸机)是人的骨架。通俗地讲,数控机床的出现就是替代了人的手工操作,使得生产制造更规范、更专业、一致性好,不依赖于人力。但其为工艺服务的本质是不变的。

       什么是机床制造工艺?机床制造工艺是指机床的生产制造过程,机床加工工艺是指机床加工零部件的使用过程,其中有一些关键概念,常见包括:1)   五轴联动:准确地说是五坐标联动。核心是刀尖点旋转编程(RTCP),意思是刀尖点可以到达空间中任意位置,作用是可实现空间任意曲面的加工,例如船用推进器的螺旋桨,汽车增压器叶轮、飞机发动机整体叶盘、汽轮机和燃机用叶片等关键工业零件。换句话说,就是复杂的自由曲面,没有这个功能就不能由图纸变成实物。2)   复合加工:多种工艺手段在工件一次装卡下完成,例如车铣复合、车削复合、铣削复合、磨削复合、增材制造(3D打印)与金切制造复合(加减一体化制造)等,是最大限度地提升工艺能力、保证加工精度的制造方式;尤其是加减一体化制造,对未来的影响极其重要,例如飞机异形结构件、鱼雷推进器等。


       很多军事工业技术的源头都有数控产业技术的身影,例如:航母用的电磁弹射技术,其技术原型就是数控产业的直线电机技术;中国的直线电机技术,现在已经基本成熟了。所以我们新建的航母采用电磁弹射,完全没有技术障碍,只存在工程解决方案的问题。美国IPG(阿帕奇)公司生产的1KW小型激光器禁止对华出口,因为它的另一个用途是具备杀伤性的激光枪。这种1KW小型激光器的大小,比我们常用的激光笔大不了多少。


       抗日战争时期,日本对东北三省进行的高精度测绘。其精确度非常之高,因为它采用了一个叫光栅的测量元件。目前,全球光栅产业商业化最成熟的两家公司,一家是德国的海德汉公司,一家是英国的雷尼绍公司。这两家公司几乎垄断了光栅技术的全球市场。而当下中国的数控产业只能采购到基本测量水平的光栅,高精度的光栅是对华禁售的。


       二、数控产业现状和趋势


       数控产业目前以美国、德国、日本、瑞士等国家为技术领先者。


       美国在电子信息方面占据垄断地位,全球的芯片和实时控制软件几乎都来自于美国。同时,美国制造业的发展得益于军事工业,尤其是航空航天产业发展的拉动。德国的制造业由大量掌握技术诀窍的中小企业支撑,由西门子等大型企业牵引,机械、电子、材料、工艺等各方面技术都发展非常均衡。也得益于战争经济的驱动。日本的制造业是在模仿创新(学习英国、德国、美国等)的基础上,由战争驱动的典型,尤其是其二战后,在美国的帮助下,技术经济得以快速发展。


       如果说德国是精密和品质的代名词,那么瑞士的代名词就是极致。在数控产业,同种类、同规格的系列产品中,瑞士产品的价格基本是德国产品价格的2~3倍左右。其它接近第一阵营的还有英国、法国、意大利、奥地利、瑞典和部分前独联体国家等。


       从市场上看,中国是全球机床产量最大的、采购额最高的国家,但销售额却不是前列。因为在高档机床领域,中国尚不能实现自给自足。所以中国主要是从上述国家进口机床,尤其是美日德。


       我于2015年曾去参观沈阳某飞机制造企业,看到195X年的设备还在使用,这令我惊诧不已。从表面上看,这是我们军工厂对设备保养能力的体现,而从工艺上看,这么落后的设备还在使用,足见我们技术能力的落后。通常大家都会认为,用几百万件衬衫换一架波音飞机是很丢脸的事情,但是更为可悲是刚才提到的对华禁售。在数控产业,即便我们愿意出更多的钱,但一些高精密的数控机床仍然不会卖给中国。尽管如此,但中国仍有95%以上的高档机床来自于进口。其余5%为自主生产,但其数控系统等关键部件仍然有95%来自于进口。再其余的部分关键核心部件是100%国产的,并且主要由大连光洋科技集团的子公司――科德数控股份有限公司生产。从技术水平的角度来看,这个企业拥有国内行业唯一的高档数控机床控制集成技术国家工程实验室,是国内数控技术的领军企业。未来,数控产业的趋势,是要向 “更好地服务于用户工艺”发展。它包括但不限于更高精度、更快速度、更高效率,要向柔性制造、绿色制造、增材制造和网络化、信息化、生产化等方面发展。但万变不离其宗,用户工艺才是数控产业的灵魂所在。


       三、数控产业与基础工业的关系


       这里,我们重点谈一点它的基础性作用。首先是数控机床的技术悖论:鸡生蛋?蛋生鸡?它受到工艺精度的制约。具体地说,机械或者电子设备零部件的生产需要机床加工。那么,提高了机床的制造精度,也就提高了零部件的精度,进而也就提高了机械或者电子设备的水平和精度。但是,高精度的机床也只能加工出不超过自身精度水平的零件。那么,机床产品本身的部件精力如何提高呢?如此,问题就来了:如何能够得到更高精度等级的机床呢?这就形成了所谓的鸡和蛋,谁产生谁的问题了。


       第一,数控机床不是普通商品,高档数控机床在“巴统”清单(现称瓦森纳协定)被列为战略物资。典型如“东芝事件”、“考克斯报告”等等。光洋集团曾从日本大隈株式会社(OKUMA)采购了一台五轴联动卧式车铣复合加工中心,机床已经入集装箱装船了,依然被日本通产省以涉及日本国家战略安全为由扣留。自此,光洋集团的核心技术人员禁止以任何公务理由进入日本国境。


       第二,基础工业有三基:装备、材料、工艺。基础装备的核心组成部分就是被称为“工业母机”的数控机床,其次还有工业机器人等。其它基础材料还有很多,例如稀土材料、特种材料、有机材料、生物材料等。而基础工艺则是利用基础装备加工基础材料,得到基础零部件和基础装备的过程。可以看出,数控产业几乎涵盖了基础工业的大部分内容。因此可以说,数控产业的水平代表了一个国家的工业水平。从这个角度来看,我们很容易理解这样一些现象:是谁支撑了美国的陆军、空军、海军等军事力量?又是谁支撑了英特尔、微软、高通、洛马、波音、GE等等世界级知名公司?是技术强劲的数控制造业;德国发起了两次世界大战,并且均以失败告终。但至今德国的经济、技术力量依然坚挺的原因,是德国坚持以工业经济为发展主线,所以它抗风险、抗打击、抗“泡沫”的能力均不同凡响。例如德国蔡司,是国际光学领域的绝对领导者;


       日本是这个世界上唯一一个把美国打疼了的国家,也是唯一一个跟美国进行过大规模海战的国家。日本源何有这种能力?因为日本右翼的核心财团之一――三菱株式会社拥有5个世界500强公司,三菱重工的造船能力是世界领先的;二战期间,在亚平宁半岛,有一个中立国与法国、德国、意大利都接壤,但却未经战事,这个国家叫瑞士。瑞士不仅有美丽的风光,还有精准的手表。但如果瑞士没有强大的制造业,全民皆兵又如何?


       作为老牌资本主义国家,目前值得英国和法国骄傲的资本是什么呢?英国有一个罗罗(罗尔斯罗伊斯Rolls-Royce)公司,它的兄弟公司产品是为人们所熟知的劳斯莱斯(Rolls-Royce)汽车;法国也有两个公司,一个是空中客车(Airbus),一个是阿尔斯通(ALSTOM)。它们是大规模工业化的代表,并带给老牌资本主义国家以持续的工业发展后劲。还有一例,就是在斯大林格勒保卫战中,斯大林格勒“红十月”拖拉机厂生产的坦克可以直接上前线投入战斗,在那场消耗战中有效地为苏军战备提供补给。在苏联解体以后,世界上仍然存在唯一 一个可以以军事力量震慑美国的国家,它叫俄罗斯。


       凡此种种,不胜枚举。我想说明的是,虽然我们中国有卫星、火箭、导弹、飞机、大炮、汽车、舰船・・・・・・但我们却没有加工这些战略装备的关键零部件所需的高档数控机床!这不得不说,是极端令人遗憾的。我们的数控产业,不论是技术水平还是产业成熟度,与发达资本主义国家、工业化国家相比,只能算是初学者。从产业成熟度来看,我们并不比上世纪20年代的日本、一战后的德国、十九世纪末的英美等国强多少(还好我们有核武器),这与我们国家一直处于制造业的底端是相匹配的,我们的工业化水平亟待提高。


       四、数控产业与制造业企业的系统性影响


       制造业企业的生产制造饱和能力是由数控产业决定的。不论何种制造业企业,其生产工具或生产资料,都直接或间接的需要数控机床作为母机,参与生产过程。因此,制造业企业的生产极限,主要由数控产业决定。例如,汽车工业,汽车的产能受制于零部件的产能和装配效率,而零部件则几乎全部是由数控机床加工生产的,国内汽车整车厂和零部件厂,凡是精密加工环节,几乎都来自于进口机床,所以数控机床的产出效率和质量,决定了汽车的产能和质量。制造业企业的生产制造工艺体系是由数控产业决定的。由于我国不具备成熟的高档数控机床研制能力,因此,制造业企业在制定生产制造工艺的时候,只能选择进口机床或者装配了进口数控系统的国产机床来加工工件。因此,用户制定的制造工艺直接受制于数控系统的功能开放程度。简言之,我们的想法再好,还需要进口产品的支持,想法才能变成现实。


       制造业企业的技术改造升级或者技术产品迭代受制于数控产业。在利用原有数控机床实现技术改造升级或者技术产品迭代的过程中,数控系统软件功能和开放程度直接影响其实现;而在数控机床或数控机床核心部件改进升级的时候,制造业企业为了保障自身的制造能力和制造优势,往往不得不对现有的生产装备进行改造升级或者新购置。


       制造业企业的基础技术工人队伍的知识和技能体系受制于数控产业。数控系统的品牌体系和功能体系直接决定了基础技术工人队伍的知识体系和操作技能,例如使用日本发那科(FANUC)习惯的技工,同样方法就操作不了德国西门子(Siemens)产品。为了降低管理成本,积累技工经验和进行知识系统集成管理,企业所有数控产品可能全部采用同一个品牌的数控系统,技术工人只能掌握和使用同一品牌系统的功能。这一条是很致命的。我们很多的现场技术工人,如果给他换一个品牌的数控系统,他就真的不会干活了,所以,我们的产业工人都成为了国外技术的“奴隶”。


       制造业企业的生产制造安全受制于数控产业。制造业企业的生产制造安全,尤其是信息和数据安全,一切都是由数控机床决定的,所有的加工过程、加工数据、产量信息等等,一切都没有秘密可言,完全被数控系统所掌握。古语云:“工欲善其事,必先利其器。”此“器”即为数控机床,尤其是高档数控机床。没有制造高档机床的能力,在所有后发制造的环节上,我们都会受制于人。


       相信通过上文的介绍,大家对数控产业对基础工业与制造业的影响也有了进一步的了解,希望上文给您带来帮助。
 
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