数控技术崛起中的反遏制和技术对抗 点击：8057 | 回复：86
发表于：2006-11-07 12:24:00
楼主
装备制造业的崛起是对中国工业现代化和国家综合国力提升的重要支持。制造业进步一方面提升物质生产能力，解决关键装备的制造问题，另一方面制造业的共性技术军民两用，对国防和国家安全意义重大。数控技术是支持现代装备制造业的关键技术群，直接决定制造装备的功能和性能，是信息化带动工业化进程中装备层的关键技术，属于支持先进制造技术的重要基础技术群。而且数控技术以高精度随动控制和多运动协同控制为主要特征，与自动火炮控制、雷达控制以及陀螺导航控制技术具有共性的技术基础，具有典型的军民两用的应用特征。
1．国际竞争环境对中国数控技术崛起的遏制
正是因为数控技术军民两用的特征，国际竞争环境对中国数控技术崛起的遏制意图明显。从“巴统”到考克斯报告的技术封锁阶段，到通过合资办厂，本地化生产，低端产品倾销，涣散中国国内的自主研发力量均可体现遏制意图。相当多的事实证明我们试图通过引进技术，“以市场换技术”的美好愿望只是一厢情愿，结果往往是市场也丢了，技术却没换回来。目前以日本FANUC和SIEMENS为首的控制器巨头的产品垄断市场80%以上，高端产品不仅垄断，而且限制中国进口。中国通过近20年持续不断的技术攻关和市场培育，诞生了一批数控厂商，在中低端市场打开局面，形成了一定市场规模；但在技术密集的中高端控制器市场，国产控制器规模始终处于被压缩的状态，利润空间被压缩，研发体系不能支持可持续技术进步。
行业专家坦言“中国数控机床技术水平与世界发达国家相差起码15年”。日本国际经济学家长谷川庆太郎，在日本《呼声》月刊2005年5月号上发表了一篇题为《中国的未来取决于日本》的文章。文章说，在汽车制造业，生产汽车部件的机床年均工作时间高达3500小时，也只有日本制造的机床能保证连续5年性能不变。“没有日本的机床，中国的汽车产业将寸步难行”。 长谷川庆太郎预测：中国对日本的依赖只会越来越加强而不会越来越削弱。这就意味着“日本越来越有能力控制中国”。客观分析这篇文章，抛弃日本少数学者狂躁的心态，仅就装备制造业中以数控系统为代表的制造装备关键部件技术和产品上的差距上看，文章的观点是应当唤起我们的忧患意识。
2．数控技术具有突破遏制的技术条件和产业条件
打破国外对我们数控技术遏制的主要手段就是降低对国外技术的依存度，选择有技术支持条件的关键技术作为突破口，主动突破，才能争取竞争上的主动。数控技术在近十年计算机软硬件技术和通信技术进步的支持下，具备关键技术突破口的条件。从产业的角度看数控控制器产品的基本特征，可以概括为专用的工业计算机；伺服驱动系统产品的特征是驱动电机专用的工业电源；伺服电机产品的特征是装有高精度位置反馈原件的高精度电机。针对这些产品特征，从产业角度看，中国完全具备高端数控系统产业条件的，有些具有类似产业特征的产品的产能是世界领先的。因此，跳出狭义的运动控制器制造领域，从中国产业全局看，数控系统产业突破是具有产业支持条件的。数控系统产业的另一个特征是技术的软件化。运行在数字控制器和伺服驱动器上的软件承载了系统的主要功能和性能的实现。因此在这一产业领域的竞争将更多转化为基于软件技术、控制技术和制造技术的智力层面的比拼和以技术融合为特征的工程层面的比拼。
3．突破技术遏制的关键是建立适合核心技术体系生长的自主创新平台
反遏制的关键是构建适合核心技术体系生长的自主创新平台，从被动的技术追赶变为主动的技术对抗。高端数控技术不仅仅是控制器的问题，而是关联电机、驱动、测量、通讯、计算机软硬件技术以及机床测试、仿真等技术的技术学科群。这些技术环节都将对最终的设备控制效果产生影响。
高档控制器技术学科技术依存关系和高速高精度相关技术链
以高速高精度高响应运动控制为例来说明这个问题。从FANUC公开的材料上看，控制分辨率提升到纳米可以将被加工产品的精度提高一倍，表面质量提高一倍。但这一结果需要控制器全面的技术提升。对于高速度运动控制技术的实现而言，基于超前读机制的运动轨迹分析和预测是必需的。这一机制将对系统的体系结构提出更高的要求。轨迹平滑和加加速度控制都是在高速运动控制中避免冲击的必要技术手段。插补器的计算精度要从1个um提升到1个nm，计算字长要增加三位，有效计算精度要提升3个数量级。软件平台要支持相应字长的计算。另一方面控制节拍也需要相应提高，否则单纯的指令精度提高没有意义。这当然对系统的计算负荷有更高的需求，系统硬件平台要具有更高的速度。仅在控制器内实现这个分辨率是不够的，还要将这个控制量送给伺服驱动装置。由于有效字长的扩充，控制节拍的提高，相应通讯代宽的需求也要提高。对伺服通讯问题一定要采用数字方式，脉冲方式和模拟加位置脉冲反馈的都不能符合要求。在伺服侧很显然要追求更高精度的控制问题。首先就是需要更高精度的位置反馈原件。目前国际上高精度伺服装置传感器已经提升到200万线-400万线了，这样才能够与现有的机械装置配合实现纳米级控制。我们国内的控制器产品的传感器大多在2000或2500左右。这种传感技术的差距直接导致我们的驱动装置的调速比上不去，速度平稳性有差距。高分辨率的传感器还面临另一个问题就是传感器接口问题。显然这种分辨率下不能用AB脉冲形式接口。能够保证控制器同步采样的高速数字通讯协议是必须要解决的问题。伺服本身高精度控制的问题也是必须要解决的问题。FANUC强调HRV（高响应矢量控制），三菱强调OMR（优化机械响应控制）都将问题直指高精度伺服控制的核心问题——高精度、快速响应的电流环设计。只有良好的电流环特性才能为良好的速度控制和位置控制奠定基础。在解决这一核心矛盾的过程中许多控制技术都可以有所作为，包括各种状态识别、滑膜控制和变参数控制等等。
实现高精度控制，仅依靠控制器和伺服驱动装置是不够的。电机设计本身就是直接影响运动控制效果的重要因素。对于永磁同步伺服电机而言，良好的反电势正旋性，很小的齿槽力将非常有利于伺服驱动器实现低速的平稳控制。许多高精度驱动装置的厂商本身也是电机制造商。在很多国内的研究机构中，电机技术与伺服驱动技术是部门割裂的，有的甚至没有电机技术支持单搞伺服驱动。在研究高精度运动控制中，仿真技术将极大的缩短我们在控制算法的相关研究中的时间和实施成本。在仿真技术支持的同时，还需要研制有关的试验平台，用来评价运动控制的效果，评价伺服驱动和电机的性能。例如，如何评价低速平稳性和刚度等。
上面仅以高速高精度运动控制技术为例说明高档控制器技术是一个耦合紧密的技术学科群。作为高端数控技术的技术创新体系应当具有技术链的完整性，因此我们称这样的技术创新体系为“技术创新平台”。这样的技术创新平台建设投入是巨大的。以日本FANUC 公司为例，在技术上保持领先，在产量上居世界第一，该公司现有职工3674人，科研人员超过600人，月产能力7000套，销售额在世界市场上占50％，研发投入为销售额的10%，每年投入研发费用上亿美元。很显然，支持上述平台在中国现有的科研条件下，依靠一家企业或单位是非常困难的。我们只有通过包括高等院校和其他研究机构在内，以产业链和技术联为内在联系的企业技术创新联盟，整合技术资源，形成新型的产学研创新组织，在国家有关政策支持和指导下实现相关多技术紧密耦合的创新技术平台，才可能实现技术跨越。
4．把握数控核心技术的发展动向
充分利用通用技术领域的新技术手段，把握数控核心技术的发展动向，有所为有所不为。处于后进竞争状态的中国装备控制器产业必须充分利用新的技术手段，把握数控技术的发展方向，根据自己的实际情况，有所为有所不为，形成后发优势，加快技术进步的步伐，才能实现追赶和跨越。
首先需要明确中国数控技术需要的发展方向。我们可以从SIEMENS数控系统对华出口限制的方向中受到启发。这些功能绝大多数十被认为直接影响欧洲装备核心竞争力的功能。
SIEMENS的数控系统专门分为出口型和标准型。出口型中对大量功能群进行了限制。非欧盟用户采购这些功能，需要获得德国或欧盟的正式许可。其中主要受限制的功能如下表所示：
螺旋线插补2D+6 Helical interpolation 2D+6
5轴加工程序包 Machining package five axes
多轴插补（>4轴） Multi-axis interpolation(>4 interpolation axes)
开放式结构NC核心编译循环 OA NCK compile cycles
搬运（机器人）变换包 Handling transformation package
位控循环中的1D/3D间隙控制 Clearance control, 1D/3D in position control cycle
同步操作1级 Synchronized actions level 1
同步操作2级 Synchronized actions level 2
悬垂度补偿，多维 Sag Compensation, multi-dimensional
电子传送 Electronic transfer
主动数值耦合和曲线列表插补 Master-value&nbs
1．国际竞争环境对中国数控技术崛起的遏制
正是因为数控技术军民两用的特征，国际竞争环境对中国数控技术崛起的遏制意图明显。从“巴统”到考克斯报告的技术封锁阶段，到通过合资办厂，本地化生产，低端产品倾销，涣散中国国内的自主研发力量均可体现遏制意图。相当多的事实证明我们试图通过引进技术，“以市场换技术”的美好愿望只是一厢情愿，结果往往是市场也丢了，技术却没换回来。目前以日本FANUC和SIEMENS为首的控制器巨头的产品垄断市场80%以上，高端产品不仅垄断，而且限制中国进口。中国通过近20年持续不断的技术攻关和市场培育，诞生了一批数控厂商，在中低端市场打开局面，形成了一定市场规模；但在技术密集的中高端控制器市场，国产控制器规模始终处于被压缩的状态，利润空间被压缩，研发体系不能支持可持续技术进步。
行业专家坦言“中国数控机床技术水平与世界发达国家相差起码15年”。日本国际经济学家长谷川庆太郎，在日本《呼声》月刊2005年5月号上发表了一篇题为《中国的未来取决于日本》的文章。文章说，在汽车制造业，生产汽车部件的机床年均工作时间高达3500小时，也只有日本制造的机床能保证连续5年性能不变。“没有日本的机床，中国的汽车产业将寸步难行”。 长谷川庆太郎预测：中国对日本的依赖只会越来越加强而不会越来越削弱。这就意味着“日本越来越有能力控制中国”。客观分析这篇文章，抛弃日本少数学者狂躁的心态，仅就装备制造业中以数控系统为代表的制造装备关键部件技术和产品上的差距上看，文章的观点是应当唤起我们的忧患意识。
2．数控技术具有突破遏制的技术条件和产业条件
打破国外对我们数控技术遏制的主要手段就是降低对国外技术的依存度，选择有技术支持条件的关键技术作为突破口，主动突破，才能争取竞争上的主动。数控技术在近十年计算机软硬件技术和通信技术进步的支持下，具备关键技术突破口的条件。从产业的角度看数控控制器产品的基本特征，可以概括为专用的工业计算机；伺服驱动系统产品的特征是驱动电机专用的工业电源；伺服电机产品的特征是装有高精度位置反馈原件的高精度电机。针对这些产品特征，从产业角度看，中国完全具备高端数控系统产业条件的，有些具有类似产业特征的产品的产能是世界领先的。因此，跳出狭义的运动控制器制造领域，从中国产业全局看，数控系统产业突破是具有产业支持条件的。数控系统产业的另一个特征是技术的软件化。运行在数字控制器和伺服驱动器上的软件承载了系统的主要功能和性能的实现。因此在这一产业领域的竞争将更多转化为基于软件技术、控制技术和制造技术的智力层面的比拼和以技术融合为特征的工程层面的比拼。
3．突破技术遏制的关键是建立适合核心技术体系生长的自主创新平台
反遏制的关键是构建适合核心技术体系生长的自主创新平台，从被动的技术追赶变为主动的技术对抗。高端数控技术不仅仅是控制器的问题，而是关联电机、驱动、测量、通讯、计算机软硬件技术以及机床测试、仿真等技术的技术学科群。这些技术环节都将对最终的设备控制效果产生影响。
高档控制器技术学科技术依存关系和高速高精度相关技术链
以高速高精度高响应运动控制为例来说明这个问题。从FANUC公开的材料上看，控制分辨率提升到纳米可以将被加工产品的精度提高一倍，表面质量提高一倍。但这一结果需要控制器全面的技术提升。对于高速度运动控制技术的实现而言，基于超前读机制的运动轨迹分析和预测是必需的。这一机制将对系统的体系结构提出更高的要求。轨迹平滑和加加速度控制都是在高速运动控制中避免冲击的必要技术手段。插补器的计算精度要从1个um提升到1个nm，计算字长要增加三位，有效计算精度要提升3个数量级。软件平台要支持相应字长的计算。另一方面控制节拍也需要相应提高，否则单纯的指令精度提高没有意义。这当然对系统的计算负荷有更高的需求，系统硬件平台要具有更高的速度。仅在控制器内实现这个分辨率是不够的，还要将这个控制量送给伺服驱动装置。由于有效字长的扩充，控制节拍的提高，相应通讯代宽的需求也要提高。对伺服通讯问题一定要采用数字方式，脉冲方式和模拟加位置脉冲反馈的都不能符合要求。在伺服侧很显然要追求更高精度的控制问题。首先就是需要更高精度的位置反馈原件。目前国际上高精度伺服装置传感器已经提升到200万线-400万线了，这样才能够与现有的机械装置配合实现纳米级控制。我们国内的控制器产品的传感器大多在2000或2500左右。这种传感技术的差距直接导致我们的驱动装置的调速比上不去，速度平稳性有差距。高分辨率的传感器还面临另一个问题就是传感器接口问题。显然这种分辨率下不能用AB脉冲形式接口。能够保证控制器同步采样的高速数字通讯协议是必须要解决的问题。伺服本身高精度控制的问题也是必须要解决的问题。FANUC强调HRV（高响应矢量控制），三菱强调OMR（优化机械响应控制）都将问题直指高精度伺服控制的核心问题——高精度、快速响应的电流环设计。只有良好的电流环特性才能为良好的速度控制和位置控制奠定基础。在解决这一核心矛盾的过程中许多控制技术都可以有所作为，包括各种状态识别、滑膜控制和变参数控制等等。
实现高精度控制，仅依靠控制器和伺服驱动装置是不够的。电机设计本身就是直接影响运动控制效果的重要因素。对于永磁同步伺服电机而言，良好的反电势正旋性，很小的齿槽力将非常有利于伺服驱动器实现低速的平稳控制。许多高精度驱动装置的厂商本身也是电机制造商。在很多国内的研究机构中，电机技术与伺服驱动技术是部门割裂的，有的甚至没有电机技术支持单搞伺服驱动。在研究高精度运动控制中，仿真技术将极大的缩短我们在控制算法的相关研究中的时间和实施成本。在仿真技术支持的同时，还需要研制有关的试验平台，用来评价运动控制的效果，评价伺服驱动和电机的性能。例如，如何评价低速平稳性和刚度等。
上面仅以高速高精度运动控制技术为例说明高档控制器技术是一个耦合紧密的技术学科群。作为高端数控技术的技术创新体系应当具有技术链的完整性，因此我们称这样的技术创新体系为“技术创新平台”。这样的技术创新平台建设投入是巨大的。以日本FANUC 公司为例，在技术上保持领先，在产量上居世界第一，该公司现有职工3674人，科研人员超过600人，月产能力7000套，销售额在世界市场上占50％，研发投入为销售额的10%，每年投入研发费用上亿美元。很显然，支持上述平台在中国现有的科研条件下，依靠一家企业或单位是非常困难的。我们只有通过包括高等院校和其他研究机构在内，以产业链和技术联为内在联系的企业技术创新联盟，整合技术资源，形成新型的产学研创新组织，在国家有关政策支持和指导下实现相关多技术紧密耦合的创新技术平台，才可能实现技术跨越。
4．把握数控核心技术的发展动向
充分利用通用技术领域的新技术手段，把握数控核心技术的发展动向，有所为有所不为。处于后进竞争状态的中国装备控制器产业必须充分利用新的技术手段，把握数控技术的发展方向，根据自己的实际情况，有所为有所不为，形成后发优势，加快技术进步的步伐，才能实现追赶和跨越。
首先需要明确中国数控技术需要的发展方向。我们可以从SIEMENS数控系统对华出口限制的方向中受到启发。这些功能绝大多数十被认为直接影响欧洲装备核心竞争力的功能。
SIEMENS的数控系统专门分为出口型和标准型。出口型中对大量功能群进行了限制。非欧盟用户采购这些功能，需要获得德国或欧盟的正式许可。其中主要受限制的功能如下表所示：
螺旋线插补2D+6 Helical interpolation 2D+6
5轴加工程序包 Machining package five axes
多轴插补（>4轴） Multi-axis interpolation(>4 interpolation axes)
开放式结构NC核心编译循环 OA NCK compile cycles
搬运（机器人）变换包 Handling transformation package
位控循环中的1D/3D间隙控制 Clearance control, 1D/3D in position control cycle
同步操作1级 Synchronized actions level 1
同步操作2级 Synchronized actions level 2
悬垂度补偿，多维 Sag Compensation, multi-dimensional
电子传送 Electronic transfer
主动数值耦合和曲线列表插补 Master-value&nbs
发表于：2006-11-21 21:25:00
6楼
加强装备制造业的发展确实非常重要，但是希望国家不要又犯了头痛医头脚痛医脚的老毛病，看到什么落后就补什么。因为除了装备制造业还有材料、能源、半导体等等...我们落后的东西实在太多，靠今天发展这个产业，明天鼓励那个产业是永远没有希望的。
中国的装备制造业技术落后确实不假，而更深层次的是我们的科研、教育、以及知识产权保护等方面的体制没有到位，这使得我们在几乎所有的领域都比别人落后。
以前我们总喊着要大力发展高新技术产业，各个地方都大力扶持软件业，那架势像要造出十个微软一样。可结果却发现欧美凭借其在材料、制造、能源等等一系列基础行业的科技优势，轻而易举的卡住了中国发展的喉咙。所以还望国家在决策时能够考虑的再深远一些！
一个干技术的小人物
中国的装备制造业技术落后确实不假，而更深层次的是我们的科研、教育、以及知识产权保护等方面的体制没有到位，这使得我们在几乎所有的领域都比别人落后。
以前我们总喊着要大力发展高新技术产业，各个地方都大力扶持软件业，那架势像要造出十个微软一样。可结果却发现欧美凭借其在材料、制造、能源等等一系列基础行业的科技优势，轻而易举的卡住了中国发展的喉咙。所以还望国家在决策时能够考虑的再深远一些！
一个干技术的小人物
发表于：2007-03-19 15:57:00
20楼
好贴！顶！
不过，国家肯定是不会花大钱在这种项目上的，正如楼上樊大虾们所说，中国不仅仅是某个行业的技术落后，而是所有的基础工业和技术（除了手工艺）都处于落后的地步，而且是10年20年以上的差距；我是国有企业出来的，当我看习惯了车间里工人手动地操作车，刨，铣，磨，镗等传统机床，突然有一天看到了数控机床，加工中心，心里的震惊是无法言喻的，紧接而来的是悲哀，因为国有企业，几乎所有的国企，代表了中国最基础工业的工人们，他们眼里充满的是迷茫和恐惧，因为这些东东是他们从来没看见过的，连操作都不会；工艺员也同样恐惧，因为上面的材料是他所不认识和无法鉴别的，连触摸屏也让大家摸了又摸，至于像弹性连轴器，到现在还老有人问我这个是干啥用的？是如何加工出来的？如何做到这么细小的间隙和保证精度？
我们落后的不仅仅是某些行业，而是全民，全中国的观念，国家体制和政策我们无法掌控，也无法得知，国外技术领先的列强还对我们进行技术压制和保密，我记得曾经有个帖子说我国机算机和网络每年的消费总额大约在8000亿，而其中85%的利润被国外OEM和软件商拿走了，只有15%左右的利润是中国人自己赚自己人的，如果能增加10%的利润，那么国内行业人的收入将翻一番，自我开发的能力将随资金的增加而大幅度提高。这里我只是举个例子。
技术的落后就是观念的落后。我们每年有多少学校精英毕业后流入一些外资企业做起了高级白领，有着别人眼红的office和薪水，清闲的工作，但他们做了些什么？无非就是开会，作报告和如何做假账；当然，这可能和公司的制度有关，总有人和我私下里说学校的知识早就还给我老师了。这里面有清华的硕士还有复旦的博士，大家难道不觉得么？现在高学历文凭的人太多了，以至于总有人觉得学不得以用，千里马老是被时间的风沙埋没，千里草原的梦想始终在梦里缭绕。
个人发展的平台已经不适用工业技术等领域了，楼上的说的很对。因为那始终在别人的脚下。我还算不上一个正真的工控人，只是个进门的半吊子。现在想要靠国家，靠政府支持我觉得不太可能，现在的大气候大家也看得明白，国家不可能投入太多的钱让你开发某一个项目，虽然最后的结果可能会和国外的产品差不多，国家一直奉行造不如租，租不如买的技术引进策略（当然，能买到多少技术那不是我们所关心的）。我们应该像美国西部开发学习，自己开拓，联合并吸引资金投入，积少成多，这是个风险和成就并存的路；另外就是一条小风险的路，但可能要数十年，那就是把发展民族工业上升到理念的程度，从现在开始，从自己开始，从身边的人开始，从小娃娃起，只有国人整体观念和能力的上升才能让自己民族工业的水平发展起来，否则只靠我们这些人是远远不够的。
不过，国家肯定是不会花大钱在这种项目上的，正如楼上樊大虾们所说，中国不仅仅是某个行业的技术落后，而是所有的基础工业和技术（除了手工艺）都处于落后的地步，而且是10年20年以上的差距；我是国有企业出来的，当我看习惯了车间里工人手动地操作车，刨，铣，磨，镗等传统机床，突然有一天看到了数控机床，加工中心，心里的震惊是无法言喻的，紧接而来的是悲哀，因为国有企业，几乎所有的国企，代表了中国最基础工业的工人们，他们眼里充满的是迷茫和恐惧，因为这些东东是他们从来没看见过的，连操作都不会；工艺员也同样恐惧，因为上面的材料是他所不认识和无法鉴别的，连触摸屏也让大家摸了又摸，至于像弹性连轴器，到现在还老有人问我这个是干啥用的？是如何加工出来的？如何做到这么细小的间隙和保证精度？
我们落后的不仅仅是某些行业，而是全民，全中国的观念，国家体制和政策我们无法掌控，也无法得知，国外技术领先的列强还对我们进行技术压制和保密，我记得曾经有个帖子说我国机算机和网络每年的消费总额大约在8000亿，而其中85%的利润被国外OEM和软件商拿走了，只有15%左右的利润是中国人自己赚自己人的，如果能增加10%的利润，那么国内行业人的收入将翻一番，自我开发的能力将随资金的增加而大幅度提高。这里我只是举个例子。
技术的落后就是观念的落后。我们每年有多少学校精英毕业后流入一些外资企业做起了高级白领，有着别人眼红的office和薪水，清闲的工作，但他们做了些什么？无非就是开会，作报告和如何做假账；当然，这可能和公司的制度有关，总有人和我私下里说学校的知识早就还给我老师了。这里面有清华的硕士还有复旦的博士，大家难道不觉得么？现在高学历文凭的人太多了，以至于总有人觉得学不得以用，千里马老是被时间的风沙埋没，千里草原的梦想始终在梦里缭绕。
个人发展的平台已经不适用工业技术等领域了，楼上的说的很对。因为那始终在别人的脚下。我还算不上一个正真的工控人，只是个进门的半吊子。现在想要靠国家，靠政府支持我觉得不太可能，现在的大气候大家也看得明白，国家不可能投入太多的钱让你开发某一个项目，虽然最后的结果可能会和国外的产品差不多，国家一直奉行造不如租，租不如买的技术引进策略（当然，能买到多少技术那不是我们所关心的）。我们应该像美国西部开发学习，自己开拓，联合并吸引资金投入，积少成多，这是个风险和成就并存的路；另外就是一条小风险的路，但可能要数十年，那就是把发展民族工业上升到理念的程度，从现在开始，从自己开始，从身边的人开始，从小娃娃起，只有国人整体观念和能力的上升才能让自己民族工业的水平发展起来，否则只靠我们这些人是远远不够的。
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