一、 《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略意義
      1.1 機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新是機(jī)械工業(yè)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵
我國今后的發(fā)展，要以科學(xué)發(fā)展為主題，以加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式為主線。加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟(jì)發(fā)展方式，必須加快推進(jìn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，核心是產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和升級(jí)換代。
      經(jīng)過新中國60多年特別是改革開放30多年的奮斗，中國機(jī)械工業(yè)實(shí)現(xiàn)了歷史性的跨越式發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)總值成為世界第一，我們國家已經(jīng)成為“制造大國”。但是，我們還不是“制造強(qiáng)國”，機(jī)械工業(yè)還沒有擺脫粗放型、外延式發(fā)展的模式，核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)掌握得不多，自主創(chuàng)新的產(chǎn)品少，附加值不高，核心競爭力不強(qiáng)。綜觀世界，中國制造既面臨其他新興發(fā)展中國家的低中端競爭，又面臨西方發(fā)達(dá)國家重振先進(jìn)制造業(yè)的壓力，在全球制造產(chǎn)業(yè)新的調(diào)整中既面臨大好發(fā)展機(jī)遇，又面臨極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面臨的挑戰(zhàn)很多，問題主要有兩個(gè)：產(chǎn)品質(zhì)量問題和產(chǎn)品創(chuàng)新問題，因而，產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該成為今后一段時(shí)期機(jī)械工程科技進(jìn)步的主要方向。
      應(yīng)用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新和升級(jí)換代，非常必要，完全可能，對(duì)于我國機(jī)械工業(yè)的科學(xué)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。
      1.2 數(shù)控化是全面創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的有效途徑
      機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新可以有多種途徑，主要的有兩種方法：一是創(chuàng)新工作原理或者說工作裝置；二是創(chuàng)新運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖1所示，包括動(dòng)力裝置、傳動(dòng)裝置、工作裝置。工作裝置的創(chuàng)新是根本性的，極為重要，千百年來，人們一直在不斷創(chuàng)造出各種新的機(jī)械，形成了適用于完成各種不同任務(wù)的成千上萬的機(jī)械產(chǎn)品。數(shù)控化則是對(duì)于機(jī)械運(yùn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新，數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖2所示。

  

                                    圖1.傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的構(gòu)成       

        

       數(shù)控化是創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的有效途徑，其核心的技術(shù)路線是用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)取代傳統(tǒng)機(jī)械中的動(dòng)力裝置與傳動(dòng)裝置，更重要的是用計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械運(yùn)動(dòng)與工作過程進(jìn)行控制。數(shù)控技術(shù)的核心是數(shù)字化，是先進(jìn)的信息技術(shù)與自動(dòng)控制、機(jī)械制造技術(shù)相結(jié)合的集成技術(shù)，是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的使能技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用引起機(jī)械產(chǎn)品本身的內(nèi)涵發(fā)生根本性變化，使機(jī)械產(chǎn)品的功能極大豐富，性能發(fā)生質(zhì)的變化，可以從根本上提高機(jī)械產(chǎn)品的水平和市場競爭力。
      應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行創(chuàng)新具有以下顯著特點(diǎn)：
     (1) 先進(jìn)有效：產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量均極大提高，同時(shí)，機(jī)械結(jié)構(gòu)大大簡化，節(jié)省能源和材料；
     (2) 由于實(shí)現(xiàn)了數(shù)字控制，為各種先進(jìn)信息技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用乃至于將來實(shí)現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)；
     (3) 可行性強(qiáng)：創(chuàng)新方案與技術(shù)路線具體明確、相關(guān)技術(shù)成熟可靠；
     (4) 應(yīng)用面廣：適用于各行各業(yè)機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新。
      綜觀全球?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)的歷程（圖3）：蒸汽機(jī)技術(shù)使機(jī)械工業(yè)由人力制作時(shí)代進(jìn)入機(jī)械化時(shí)代，電氣技術(shù)使機(jī)械工業(yè)由機(jī)械化時(shí)代進(jìn)入電氣化時(shí)代，數(shù)控技術(shù)正在使機(jī)械工業(yè)由電氣化時(shí)代躍升為數(shù)字化時(shí)代；在可預(yù)見的將來，機(jī)械工業(yè)將由數(shù)字化時(shí)代進(jìn)入智能化時(shí)代。可以看到，對(duì)于驅(qū)動(dòng)和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新具有鮮明的特征，具有本質(zhì)的規(guī)律，可以普遍運(yùn)用于各種機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新，可以引起機(jī)械產(chǎn)品的升級(jí)換代，引起機(jī)械工業(yè)的深刻變革。這也是我們提出“數(shù)控一代”這樣一個(gè)概念的緣由和根據(jù)。

 

                 
                                    圖3：機(jī)械產(chǎn)品的升級(jí)換代
      1.3 當(dāng)前是中國機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代的最佳機(jī)遇期
      當(dāng)前，我國機(jī)械工業(yè)正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時(shí)期，全世界的機(jī)械工業(yè)也正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時(shí)期。由“電氣一代”到“數(shù)控一代”是一場深刻的變革，必然要經(jīng)過艱難的攀登過程。在這方面，西方發(fā)達(dá)國家已經(jīng)先行了60年，還要經(jīng)過數(shù)十年才能完成這樣一個(gè)歷程。對(duì)于中國機(jī)械工業(yè)來說，經(jīng)過我們大家的艱苦奮斗，一定能夠在較短時(shí)間內(nèi)完成這一場變革，完成向“數(shù)控一代”的進(jìn)軍，這是中國機(jī)械產(chǎn)品升級(jí)換代的最佳機(jī)遇，是中國機(jī)械工業(yè)跨越式發(fā)展的最佳機(jī)遇。主要理由是：
      (1) 需求強(qiáng)大：需求是最強(qiáng)大的發(fā)展動(dòng)力。由于國民經(jīng)濟(jì)持續(xù)快速發(fā)展，由于國際國內(nèi)市場的激烈競爭，數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的市場需求越來越旺盛，企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新積極性越來越高漲。我們現(xiàn)在面臨的形勢是：一要數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于中、低檔機(jī)械產(chǎn)品，以提升產(chǎn)品的市場競爭力；二是要攻克高端數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品，以滿足經(jīng)濟(jì)、社會(huì)、國防等方面日益提高的需求。
      (2) 技術(shù)支持：數(shù)控技術(shù)的落后是長期以來制約我國機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新與質(zhì)量的一個(gè)重要因素。經(jīng)過多年來對(duì)數(shù)控技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)，特別是由于電機(jī)技術(shù)、功率器件技術(shù)、控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的突破性進(jìn)展，我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本形成，國產(chǎn)經(jīng)濟(jì)型數(shù)控系統(tǒng)已主導(dǎo)國內(nèi)市場，中檔數(shù)控系統(tǒng)形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模，高檔數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)掌握關(guān)鍵技術(shù)。我國的數(shù)控技術(shù)已發(fā)展到了技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的階段，全面推廣應(yīng)用的條件已經(jīng)成熟。
      (3) 人才隊(duì)伍與應(yīng)用示范帶動(dòng)：數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的創(chuàng)新需要掌握數(shù)控技術(shù)、機(jī)械設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、產(chǎn)品領(lǐng)域知識(shí)等復(fù)合型知識(shí)結(jié)構(gòu)的人才，這也是長期以來影響我國機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的一個(gè)重要原因。經(jīng)過多年努力，我們?cè)谌瞬抨?duì)伍和應(yīng)用示范方面已具備了良好的基礎(chǔ)。
      1.4. 《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標(biāo)
      2011年初，18位院士提出了關(guān)于實(shí)施《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的建議，中央領(lǐng)導(dǎo)同志高度重視、親切關(guān)懷，科技部、工信部、發(fā)改委等深入調(diào)研、認(rèn)真部署，已于近日正式啟動(dòng)了《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程》。
      《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》既是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用工程，更是機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程；既有機(jī)械工業(yè)發(fā)展強(qiáng)大需求的推動(dòng)，又有成熟數(shù)控技術(shù)的支撐；要充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，采取協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)路線，在整個(gè)機(jī)械行業(yè)推進(jìn)有組織的創(chuàng)新。
      《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標(biāo)是：在機(jī)械行業(yè)全面推廣應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，在5--8年內(nèi)，實(shí)現(xiàn)各行各業(yè)各類各種機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新，使中國的機(jī)械產(chǎn)品整體升級(jí)為“數(shù)控一代”，為我國機(jī)械工業(yè)從“大”到“強(qiáng)”的跨越式發(fā)展做出重大貢獻(xiàn)。

二、 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)實(shí)現(xiàn)機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)路線
      2.1 從X52K到XK714到XHK714到XHK714/3-5
      數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的出現(xiàn)是以數(shù)控加工機(jī)床的誕生為標(biāo)志的。20世紀(jì)40年代末，美國帕森斯公司提出了應(yīng)用計(jì)算機(jī)控制機(jī)床加工樣板曲線的設(shè)想，并與麻省理工學(xué)院合作，于1952年研制成功世界上第一臺(tái)三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。它的誕生標(biāo)志著機(jī)械制造數(shù)字控制時(shí)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(dòng)系統(tǒng)圖，為實(shí)現(xiàn)不同的刀具切削速度，X52K立式銑床設(shè)計(jì)了復(fù)雜的主傳動(dòng)和進(jìn)給傳動(dòng)變速系統(tǒng)。
    
                            圖4. K52K立式銑床傳動(dòng)系統(tǒng)                  
      
     
       (2) X52K立式銑床的數(shù)控改造
      數(shù)控改造是一條可用較少投入有效提高現(xiàn)有機(jī)械性能的途徑，很能說明數(shù)控產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)路線。X52K立式銑床的數(shù)控改造包括兩個(gè)方面，首先是機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)的改造，其方案是：將原工作臺(tái)進(jìn)給電機(jī)與齒輪進(jìn)給箱拆除，將原普通絲杠替換為滾珠絲杠，然后用三個(gè)伺服電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)機(jī)床的升降、縱向和橫向坐標(biāo)軸，不僅機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)大大簡化，而且可實(shí)現(xiàn)精確的無級(jí)變速。改造后單個(gè)坐標(biāo)軸的傳動(dòng)方案如圖5所示。
       
    圖5.  X52k銑床數(shù)控改造后單個(gè)坐標(biāo)軸的傳動(dòng)方案

      另一個(gè)方面是增加一個(gè)計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)對(duì)機(jī)床運(yùn)動(dòng)和工作過程進(jìn)行控制。數(shù)控改造后的X52K銑床具備三坐標(biāo)（三個(gè)進(jìn)給軸）聯(lián)動(dòng)的能力，可根據(jù)輸入的零件加工程序?qū)Ω鬟M(jìn)給坐標(biāo)軸進(jìn)行精確協(xié)調(diào)的運(yùn)動(dòng)控制，從而可加工具有曲線曲面輪廓的復(fù)雜形狀零件，機(jī)床的加工精度、效率、柔性、自動(dòng)化程度均大大提高。
       (3) X52K的產(chǎn)品升級(jí) —— XK714數(shù)控立式銑床
從系統(tǒng)的角度出發(fā)重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)X52K立式銑床進(jìn)行產(chǎn)品升級(jí)，得到數(shù)控立式銑床產(chǎn)品XK714，如圖6所示。就

 
  圖6.數(shù)控立式銑床XK714整機(jī)                         圖7.數(shù)控立式銑床XK714傳動(dòng)系統(tǒng)圖

      總體方案而言，XK714數(shù)控立式銑床與X52K立式銑床的數(shù)控改造大體一致，即：① 工作裝置基本不變；② 進(jìn)給運(yùn)動(dòng)和主軸運(yùn)動(dòng)均用速度精確可控的伺服電機(jī)取代原普通電機(jī)和機(jī)械變速與傳動(dòng)機(jī)構(gòu)（如圖7所示）；③ 增加一個(gè)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)對(duì)機(jī)械運(yùn)行過程進(jìn)行自動(dòng)控制。由于是重新設(shè)計(jì)的新產(chǎn)品，XK714數(shù)控立式銑床更好地體現(xiàn)了機(jī)與電的有效融合，即：其機(jī)械系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更好地考慮了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)，而其伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)則與機(jī)械系統(tǒng)的特性有更合理的匹配。
      XK714數(shù)控立式銑床可進(jìn)行銑、鏜、鉆、擴(kuò)等多種工序的加工，特別是具有三軸（三坐標(biāo)）聯(lián)動(dòng)的功能，適合加工各種形狀復(fù)雜（如箱體、殼體、曲線曲面輪廓等）的零件，同時(shí)，可有效節(jié)省工藝裝備與縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高零件加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率。
       (4) XK714的產(chǎn)品升級(jí) —— XHK714三坐標(biāo)立式加工中心與XHK714/3-5五坐標(biāo)立式加工中心
在XK714數(shù)控立式銑床的基礎(chǔ)上，增裝刀庫和自動(dòng)換刀裝置，升級(jí)為三坐標(biāo)立式加工中心XHK714。由于具備自動(dòng)換刀功能，XHK714的自動(dòng)化程度有顯著提升，適宜于加工形狀復(fù)雜、工序多、要求高、需用多種類型普通機(jī)床和刀具夾具且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。
      進(jìn)一步在工作臺(tái)上增加一個(gè)兩坐標(biāo)數(shù)控轉(zhuǎn)臺(tái)，即升級(jí)為五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)的立式加工中心XHK714/3-5（如圖8所示）。與三坐標(biāo)相比，五坐標(biāo)聯(lián)動(dòng)機(jī)床可使刀具相對(duì)于工件呈任意姿態(tài)，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(biāo)機(jī)床上由于存在刀具干涉而難以完成的復(fù)雜曲面零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)葉輪；可以選擇更有效的刀具和采用最有效的刀具相對(duì)工件的姿態(tài)進(jìn)行加工。
                 
                           圖8.XHK714/3-5五坐標(biāo)立式加工中心

      進(jìn)而，通過傳感、控制、信息處理、人工智能等技術(shù)的升級(jí)，可使產(chǎn)品性能和智能化程度不斷提高，如實(shí)現(xiàn)智能編程、自適應(yīng)控制、機(jī)械幾何誤差補(bǔ)償、熱變形誤差補(bǔ)償、三維刀具補(bǔ)償、運(yùn)動(dòng)參數(shù)動(dòng)態(tài)補(bǔ)償、故障監(jiān)控與診斷等。
      .2 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的技術(shù)路線
總結(jié)從X52K到XK714到XHK714和XHK714/3-5的產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)過程，比較圖1和圖2，數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品之間存在一個(gè)相同點(diǎn)和兩個(gè)不同點(diǎn)。
      (1) 相同點(diǎn)：兩者的工作裝置基本相同。
      (2) 不同點(diǎn)之一在于動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)。在數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品中，傳統(tǒng)機(jī)械中作為動(dòng)力源的普通電動(dòng)機(jī)被具有動(dòng)力與變速功能的伺服電動(dòng)機(jī)取代，使傳統(tǒng)的機(jī)械變速機(jī)構(gòu)得以取消或極大簡化，機(jī)械傳動(dòng)鏈大幅度縮短；同時(shí)，每個(gè)機(jī)械運(yùn)動(dòng)由單獨(dú)的伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)、并由計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)進(jìn)行協(xié)調(diào)和控制，用      “電聯(lián)系”取代了各執(zhí)行裝置之間的機(jī)械傳動(dòng)聯(lián)系，傳動(dòng)機(jī)構(gòu)大大簡化。
      (3) 不同點(diǎn)之二是數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品擁有一個(gè)具有強(qiáng)大信息處理與控制功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，也可以說是增加了一個(gè)“大腦”。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)使數(shù)控機(jī)械的運(yùn)動(dòng)可根據(jù)需要進(jìn)行任意的控制，從而使數(shù)控機(jī)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(shí)，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)強(qiáng)大的信息處理能力使得其智能化成為可能，使產(chǎn)品性能進(jìn)一步發(fā)生質(zhì)的變化。
      歸納起來，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程如圖9所示。先是進(jìn)行總體方案設(shè)計(jì)，確定運(yùn)動(dòng)與控制方案，再是進(jìn)行四個(gè)方面的設(shè)計(jì)：
      (1) 適配伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)：用速度可控的伺服電機(jī)取代普通電動(dòng)機(jī)是數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品的一個(gè)重要差別。適配伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的內(nèi)容包括：根據(jù)被控對(duì)象的要求確定系統(tǒng)的組成、控制方式（開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)、混合閉環(huán)）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)類型（步進(jìn)電動(dòng)、直流伺服電機(jī)、交流伺服電機(jī)）與大小、功率驅(qū)動(dòng)裝置、檢測裝置以及校正（補(bǔ)償）方式及其參數(shù)，并進(jìn)行仿真試驗(yàn)檢驗(yàn)各種工作狀態(tài)下系統(tǒng)的性能。
                      

                         圖9.應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)流程
      (2) 適配計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)：數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機(jī)械產(chǎn)品最本質(zhì)的差別在于前者擁有一個(gè)具有強(qiáng)大信息處理與控制功能的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)（簡稱數(shù)控系統(tǒng)）。適配數(shù)控系統(tǒng)首先需要根據(jù)數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的性能指標(biāo)確定其數(shù)控系統(tǒng)需要具備的功能，包括運(yùn)動(dòng)控制、邏輯控制、測量、人機(jī)交互、編程、補(bǔ)償、保護(hù)、通信、監(jiān)測與診斷等常規(guī)方面的功能以及其它可能需要實(shí)現(xiàn)的特殊功能。然后確定系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案，從數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)者的角度，其數(shù)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)可直接購買市場上的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品、委托數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商進(jìn)行開發(fā)或聯(lián)合開發(fā)。
      (3) 研制應(yīng)用軟件系統(tǒng)：從數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的使用角度，一般需要通過一個(gè)自動(dòng)編程軟件系統(tǒng)來有效獲得控制數(shù)控機(jī)械運(yùn)行的工作程序。數(shù)控編程系統(tǒng)的性能不僅直接決定數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品的可使用性與柔性，影響產(chǎn)品的工作質(zhì)量和效率，而且由于數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品種類繁多，具體任務(wù)各不相同，其編程系統(tǒng)也千差萬別，因此編程系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品開發(fā)的重要內(nèi)容。
      (4) 設(shè)計(jì)機(jī)械、檢測系統(tǒng)：機(jī)械系統(tǒng)高剛度、低摩擦、低慣量化；選配合適的傳感檢測裝置等。

三、 機(jī)械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新與升級(jí)換代
      機(jī)械產(chǎn)品數(shù)以萬計(jì)，大都可以通過數(shù)控化實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，提升到“數(shù)控一代”的水平，從根本上提高產(chǎn)品的功能、性能和競爭力。
      3.1 制造裝備類機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)控化升級(jí)換代
      制造裝備是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)與國防建設(shè)的基礎(chǔ)裝備，產(chǎn)品范圍涉及各行各業(yè)，其技術(shù)水平?jīng)Q定著整個(gè)國民經(jīng)濟(jì)和國防現(xiàn)代化的水平。各種制造裝備（如表1）均可以通過數(shù)控化以創(chuàng)新升代。
      表1：可數(shù)控化以創(chuàng)新升代的部分制造裝備產(chǎn)品

 

行業(yè)名稱		典型產(chǎn)品
3521	金屬切削機(jī)床	車床，鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機(jī)床、螺紋加工、銑床、刨床、插床、拉床、電加工、鋸床、組合機(jī)床cechuang
3522	金屬成形機(jī)床	鍛壓、錘擊、模壓、彎曲、折疊、 矯直、剪切、沖壓、開槽、拉絲機(jī)床
3523	鑄造機(jī)械	自動(dòng)造型線、造型機(jī)、落沙機(jī)、清理機(jī)、壓鑄機(jī)
3524	金屬切割及焊接設(shè)備	金屬切割設(shè)備、金屬焊接設(shè)備。
3611	采礦、采石設(shè)備	礦石開采設(shè)備、礦石篩選、分類、分離、洗選、軋碎機(jī)械
3612	包裝機(jī)械	固體物料充填包裝、液體灌裝、封口、貼標(biāo)、容器成型包裝、裹包、收縮包裝、真空包裝、捆扎打包、包裝線、包裝容器加工、包裝專用材料加工
3613	建筑工程用機(jī)械	挖掘，推土、鏟裝，筑路壓實(shí)，樁工，路面機(jī)械，砼機(jī)械，砼制品機(jī)械，鋼筋及預(yù)應(yīng)機(jī)械
3614	建筑材料生產(chǎn)專用機(jī)械	水泥、水泥制品、玻璃及玻璃纖維、建筑陶瓷、磚瓦的各種生產(chǎn)、攪拌成型機(jī)械
3615	冶金專用設(shè)備	金屬冶煉、軋制、鑄造專用設(shè)備
3622	橡膠加工專用設(shè)備	煉膠機(jī)
3623	塑料加工專用設(shè)備	注塑機(jī)、壓延機(jī)、擠出機(jī)、吹塑機(jī)
3624	木材加工機(jī)械	加工木材、木質(zhì)板材及木制品專用機(jī)械
3629	其他非金屬加工專用設(shè)備	石墨焊條或類似礦物材料加工用機(jī)械；鑄造用砂模的成型機(jī)械
3631	食品、飲料、煙草工業(yè)專用設(shè)備	米面食品、果品蔬菜、餅干糕點(diǎn)、糖果巧克力、豆制品、屠宰肉類、蛋品、乳品等的加工設(shè)備、飲料機(jī)械、冰淇淋冷飲機(jī)械、卷煙加工
3632	農(nóng)副食品加工專用設(shè)備	種子精選機(jī)，糧食加工機(jī)械，棉花加工機(jī)械，油料加工機(jī)械，茶葉加工機(jī)械，薯類加工機(jī)械
3633	飼料生產(chǎn)專用設(shè)備	飼料粉碎機(jī)、飼料顆粒機(jī)、飼料攪拌機(jī)等
3641	制漿和造紙專用設(shè)備	制漿、造紙、紙加工及紙制品生產(chǎn)機(jī)械和設(shè)備
3642	印刷專用設(shè)備	膠印機(jī)、制版設(shè)備、裝訂機(jī)械
3643	日用化工專用設(shè)備	洗滌用品、口腔清潔用品、化妝品、香精、香料、動(dòng)物膠、感光材料及其他日用化學(xué)制品專用生產(chǎn)設(shè)備
3644	制藥專用設(shè)備	化學(xué)原料藥和藥劑、中藥飲片及中成藥專用生產(chǎn)設(shè)備
3646	玻璃、陶瓷和搪瓷制品生產(chǎn)專用設(shè)備	玻璃制品、玻璃器皿專用機(jī)械，陶瓷器等類似產(chǎn)品專用機(jī)械，搪瓷制品生產(chǎn)設(shè)備
3649	其他日用品生產(chǎn)專用設(shè)備	工藝美術(shù)品生產(chǎn)專用機(jī)械
3651	紡織專用設(shè)備	紡織纖維預(yù)處理、紡紗和針織機(jī)械
3652	皮革、毛皮及其制品加工專用設(shè)備	制革、皮毛鞣制及其制品的加工生產(chǎn)過程中所使用的各種專用
3659	服裝加工專用設(shè)備	縫紉機(jī)，生產(chǎn)加工各種面料服裝、鞋帽，以及洗衣店所使用的類似機(jī)械
3661	電子電工機(jī)械專用設(shè)備	光學(xué)加工機(jī)械、集成電路專用設(shè)備

      例1：注塑機(jī)的數(shù)控化創(chuàng)新升代
      注塑成形是最有效的塑料成形方法，注塑機(jī)在塑料成形機(jī)械中占有十分重要的地位。我國是全球最大的注塑機(jī)生產(chǎn)國，產(chǎn)量占世界年產(chǎn)量的70％以上。
      與傳統(tǒng)的液壓式注塑機(jī)相比，數(shù)控注塑機(jī)的工作裝置基本不變，其主要變化在于： (1) 采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)配合滾珠絲桿和同步齒形帶傳動(dòng)取代了液壓注塑機(jī)的液壓泵、液壓缸、液壓馬達(dá)等構(gòu)成的液壓驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如圖10所示）； (2) 采用計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)取代了液壓注塑機(jī)的模擬量電液控制系統(tǒng)。與液壓注塑機(jī)相比，數(shù)控注塑機(jī)具有如下優(yōu)點(diǎn)：
      (1) 提高精度及穩(wěn)定性：可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，柔性好，具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定。
      (2) 提高生產(chǎn)效率：由于伺服電機(jī)有優(yōu)良的高速性，且其控制系統(tǒng)容易實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的同步重疊動(dòng)作，可大大提高生產(chǎn)效率；同時(shí)，數(shù)控系統(tǒng)可“智能”設(shè)置、調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，使生產(chǎn)效率與質(zhì)量進(jìn)一步提高。
      (3) 節(jié)能與環(huán)保：消耗電力可以減少40％左右，噪音低、無油污染。
 
             
                             圖10. 數(shù)控注塑機(jī)主要部件結(jié)構(gòu)
                  1-模具開合伺服電機(jī)；2-塑化伺服電機(jī)；3-射膠伺服電機(jī)；4-調(diào)模變頻電機(jī)
                  5-脫模伺服電機(jī)；6-螺桿加熱器；7-射臺(tái)移動(dòng)電機(jī)

        3.2 其它機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)控化升級(jí)換代
        除制造裝備外，國民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)以及國防軍工中的眾多其它機(jī)械產(chǎn)品也可以數(shù)控化以實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新升代（如表2）。
        表2：可數(shù)控化以創(chuàng)新升代的部分其它機(jī)械產(chǎn)品

 

行業(yè)名稱	產(chǎn)品舉例
國防軍工裝備	火炮、雷達(dá)、坦克、艦艇、飛行器、航天器
交通運(yùn)輸設(shè)備	飛機(jī)、火車、汽車、輪船
起重運(yùn)輸設(shè)備、工程機(jī)械	塔式起重機(jī)、汽車起重機(jī)、裝載機(jī)、叉車
醫(yī)療儀器設(shè)備	CT、心電圖機(jī)、伽瑪?shù)?o:p>
科研教學(xué)儀器設(shè)備	質(zhì)譜儀、微陣列制作儀
辦公用機(jī)械	打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、繪圖機(jī)、銀行辦公機(jī)器
服務(wù)業(yè)專用設(shè)備	智能售汽售油機(jī)

       例2：多管火箭炮的數(shù)控化創(chuàng)新升級(jí)
      多管火箭炮的快速準(zhǔn)確裝填和高精度自動(dòng)操瞄是提高火箭炮機(jī)動(dòng)性能和打擊能力的關(guān)鍵，其裝填和操瞄裝置可以通過伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制以實(shí)現(xiàn)數(shù)控化創(chuàng)新升級(jí)（如圖11所示）。
      新一代火箭炮可以大大提高其機(jī)動(dòng)性能，縮短戰(zhàn)斗反應(yīng)時(shí)間，提高射速和火力密度，提高射擊準(zhǔn)確性以及對(duì)目標(biāo)的突襲能力和效果，并且可以與先進(jìn)的戰(zhàn)場管理系統(tǒng)一道，使火箭炮具有與多個(gè)目標(biāo)同時(shí)快速交戰(zhàn)的能力，同時(shí)還可減輕操作人員的工作強(qiáng)度，提高工作效率，有效提高火箭炮的戰(zhàn)斗力與生存力。
         

                      圖11.數(shù)控化多管火箭炮

      3.3 全面創(chuàng)新、升級(jí)換代
      《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)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(rèn)識(shí)上的困難。有的同志畏難情緒嚴(yán)重，認(rèn)為數(shù)控化創(chuàng)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(yīng)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(chuàng)新，堅(jiān)持“頂天立地”的正確方向，盡好盡快地推進(jìn)各種機(jī)械產(chǎn)品的數(shù)控化創(chuàng)新，同時(shí)創(chuàng)造一大批高端數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品。
      華中科技大學(xué)東莞工研院與廣東的企業(yè)密切結(jié)合，研制出幾十種數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品，大大提高了產(chǎn)品的水平和競爭力，受到企業(yè)界的熱烈歡迎。這里介紹的兩個(gè)創(chuàng)新產(chǎn)品實(shí)例，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。
      例3：編織機(jī)的創(chuàng)新升代
      我國是毛紡編織大國，僅東莞大朗鎮(zhèn)每年生產(chǎn)毛衣超過3億件。目前，國內(nèi)毛衣生產(chǎn)主要依靠簡單的機(jī)械完成，全國有100余萬臺(tái)手動(dòng)編織機(jī)（橫機(jī)）。手動(dòng)橫機(jī)效率低下，操作工人的勞動(dòng)強(qiáng)度很大。
      數(shù)控橫機(jī)（如圖12所示）的單機(jī)編織速度比手工橫機(jī)提高5-8倍；每個(gè)工人可同時(shí)操作5臺(tái)設(shè)備，大大提高生產(chǎn)效率；與毛衣設(shè)計(jì)CAD/CAM系統(tǒng)集成，大大提高毛衣花色品種、質(zhì)量與市場競爭力。
              
                         圖12. 數(shù)控編織機(jī)

            1、橫機(jī)機(jī)身  2、電源按鈕組  3、羅拉  4、針板(針床)

            5、操縱桿 6、機(jī)頭 7、防護(hù)罩 8、天桿  9、右收線

            10、輸紗器  11、天線臺(tái) 12、觸摸顯示屏  13、夾線

            14、左收線  15、運(yùn)行指示燈

      例4：木工機(jī)械的創(chuàng)新升代
      傳統(tǒng)木工機(jī)械由于功能單一，效率低下，污染嚴(yán)重。
      數(shù)控高速木材復(fù)合加工中心（如圖13所示）的加工精度高、生產(chǎn)柔性好、工序復(fù)合、具備很高的生產(chǎn)效率，并且安全可靠，粉塵、噪聲污染低，具有很好的市場前景。
               
                          圖13.數(shù)控木工機(jī)械

      數(shù)控化使機(jī)械產(chǎn)品裝備了“大腦“，開辟了機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新的廣闊空間，不斷引領(lǐng)機(jī)械產(chǎn)品攀登新的高峰；與此同時(shí)，在機(jī)械設(shè)計(jì)理論上和學(xué)術(shù)上能夠做出高水平的貢獻(xiàn)。這里舉兩個(gè)創(chuàng)新實(shí)例。

      5：光刻機(jī)精密工作臺(tái)
      光刻機(jī)是IC制造中最關(guān)鍵、最復(fù)雜和最昂貴的設(shè)備（如圖14所示）。超精密工作臺(tái)是高精度光刻機(jī)核心關(guān)鍵裝置，要求實(shí)現(xiàn)加速度高至2g、速度1m/s以上、精度為納米級(jí)的6自由度運(yùn)動(dòng)；對(duì)于100nm線寬的掃描曝光，要求定位精度<10nm，硅片臺(tái)和掩模臺(tái)間的同步平均誤差<5nm、均方誤差<12nm，幾乎接近物理極限，常規(guī)機(jī)械制造工藝無法實(shí)現(xiàn)。
       要實(shí)現(xiàn)光刻機(jī)的高速、大行程、6自由度納米級(jí)精度運(yùn)動(dòng)，除合理的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)與精密檢測技術(shù)外，關(guān)鍵在于控制、核心在于補(bǔ)償。其補(bǔ)償?shù)膬?nèi)容包括臺(tái)體質(zhì)量與質(zhì)心位置誤差、6自由度運(yùn)動(dòng)耦合干擾誤差、粗微動(dòng)耦合干擾、電機(jī)與驅(qū)動(dòng)非線性誤差、電路噪聲與延時(shí)誤差、測量干擾誤差、環(huán)境與溫度變化誤差等。通過補(bǔ)償控制，我國研制的100nm光刻機(jī)工作臺(tái)實(shí)現(xiàn)了高速高精的技術(shù)要求；同時(shí)，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(jī)床要求高。
                      
                    圖14.光刻機(jī)

      例6：精密鑄造數(shù)控凝固裝置
      航空發(fā)動(dòng)機(jī)的單晶葉片，主要由精密鑄造成型，制造要求極高。應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對(duì)凝固過程進(jìn)行精確控制，以實(shí)現(xiàn)葉片材料結(jié)構(gòu)和性能都能符合極高的設(shè)計(jì)要求，提高了單晶葉片的質(zhì)量和制造效率。
      數(shù)控化應(yīng)用于鑄造機(jī)械、鍛壓機(jī)械、焊接機(jī)械、熱處理機(jī)械等熱加工裝備的創(chuàng)新，在國際上也是最新的發(fā)展趨向，有著巨大的發(fā)展前景。

四、 《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的組織實(shí)施
      《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》既是技術(shù)推廣工程也是產(chǎn)品創(chuàng)新工程：對(duì)數(shù)控技術(shù)而言是技術(shù)推廣工程，對(duì)于各行各業(yè)的機(jī)械產(chǎn)品而言是產(chǎn)品創(chuàng)新工程。《“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》是一個(gè)復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，必須依靠有組織創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新。

      4.1 有組織創(chuàng)新
充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，總體規(guī)劃、分步實(shí)施、重點(diǎn)突破、全面推進(jìn)，動(dòng)員千軍萬馬，實(shí)行有組織的創(chuàng)新。
      (1) 總體規(guī)劃、頂層設(shè)計(jì)：制定國家與各行業(yè)、各地方、各企業(yè)的數(shù)控化機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新升級(jí)的總體規(guī)劃和推廣計(jì)劃（路線圖）。國家和行業(yè)主管部門與地方科技部門聯(lián)動(dòng)，行業(yè)和地方組織企業(yè)實(shí)施，中央和地方共同支持。要努力加強(qiáng)相關(guān)行業(yè)數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以推進(jìn)數(shù)控技術(shù)的普及和提高。
      (2) 重點(diǎn)突破、典型示范：從全國范圍內(nèi)篩選代表性區(qū)域、行業(yè)和企業(yè)，由國家重點(diǎn)支持實(shí)施示范工程，然后進(jìn)一步在全國范圍內(nèi)全面推廣：
                    企業(yè)：龍頭企業(yè)實(shí)施、上下產(chǎn)業(yè)鏈互
                    行業(yè)：典型行業(yè)示范、其他行業(yè)推廣
                    區(qū)域：重點(diǎn)區(qū)域入手、逐步全面鋪開
      (3) 技術(shù)攻關(guān)、推廣應(yīng)用：加強(qiáng)對(duì)數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品共性關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)，進(jìn)而在行業(yè)內(nèi)和地區(qū)內(nèi)進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。
      (4) 人才培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)：學(xué)校、科研機(jī)構(gòu)全面動(dòng)員，大力開展數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的人才培養(yǎng)與專業(yè)培訓(xùn)，特別是要廣泛動(dòng)員與強(qiáng)力組織對(duì)廣大企業(yè)家和設(shè)計(jì)工程師的培訓(xùn)。組織各方面力量，努力以幾種模式提供數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計(jì)的技術(shù)服務(wù)：1)企業(yè)委托設(shè)計(jì)；2)與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計(jì)；3)為企業(yè)進(jìn)行人員培訓(xùn)，由企業(yè)自主設(shè)計(jì)。
      4.2 協(xié)同創(chuàng)新
以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、政產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，推進(jìn)協(xié)同創(chuàng)新。
      (1) 科技部、工信部等國務(wù)院有關(guān)部門將實(shí)行強(qiáng)有力的領(lǐng)導(dǎo)，建立領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，推進(jìn)頂層設(shè)計(jì)，提供政策和資金支持，加強(qiáng)宏觀管理。各行業(yè)主管部門和地方科技部門將加強(qiáng)組織實(shí)施管理，認(rèn)真制定行業(yè)規(guī)劃和推廣計(jì)劃，落實(shí)各方面保障措施。
      (2) 建立各個(gè)層面的產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新聯(lián)盟，將各行業(yè)、各地方具有技術(shù)優(yōu)勢的生產(chǎn)企業(yè)、高校、研究院所、用戶企業(yè)組織起來，形成數(shù)控機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新聯(lián)盟。
      (3)企業(yè)是面向市場的主體，是財(cái)政投入的主體，當(dāng)然是技術(shù)創(chuàng)新的主體。市場的驅(qū)動(dòng)和企業(yè)的積極性是產(chǎn)品創(chuàng)新成功的關(guān)鍵，必須從根本上調(diào)動(dòng)企業(yè)家、管理者和工程師的積極性。同時(shí)，高校和科研院所中蘊(yùn)藏著為我國機(jī)械工業(yè)貢獻(xiàn)力量的巨大積極性，要采取有力措施，動(dòng)員他們、組織他們、依靠他們。政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，形成中國特色的“數(shù)控一代”機(jī)械產(chǎn)品創(chuàng)新體系，團(tuán)結(jié)奮斗，努力完成這樣一個(gè)偉大的創(chuàng)新工程。
      我們有一個(gè)共同的奮斗目標(biāo)：經(jīng)過5~8年的時(shí)間，中國的機(jī)械產(chǎn)品全面升級(jí)為“數(shù)控一代”，再經(jīng)過10年左右的時(shí)間，到2030年，中國的機(jī)械產(chǎn)品全面升級(jí)為“智能一代”，整體上走到世界前列，為中國的現(xiàn)代化做出基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的貢獻(xiàn)。