《“数控一代”机械产品创新工程》的战略意义和技术路线

三、 机械产品的全面创新与升级换代

　　机械产品数以万计，大都可以通过数控化实现产品创新，提升到“数控一代”的水平，从根本上提高产品的功能、性能和竞争力。

　　3.1 制造装备类机械产品的数控化升级换代

　　制造装备是发展国民经济与国防建设的基础装备，产品范围涉及各行各业，其技术水平决定着整个国民经济和国防现代化的水平。各种制造装备均可以通过数控化以创新升代。

　　例1：注塑机的数控化创新升代

　　注塑成形是最有效的塑料成形方法，注塑机在塑料成形机械中占有十分重要的地位。我国是全球最大的注塑机生产国，产量占世界年产量的70％以上。

　　与传统的液压式注塑机相比，数控注塑机的工作装置基本不变，其主要变化在于： (1) 采用伺服电机驱动配合滚珠丝杆和同步齿形带传动取代了液压注塑机的液压泵、液压缸、液压马达等构成的液压驱动系统（如图10所示）； (2) 采用计算机数控系统取代了液压注塑机的模拟量电液控制系统。与液压注塑机相比，数控注塑机具有如下优点：

　　(1) 提高精度及稳定性：可实现复杂的控制功能，柔性好，具有优良的控制精度和稳定性，生产的产品质量好且稳定。

　　(2) 提高生产效率：由于伺服电机有优良的高速性，且其控制系统容易实现复杂的同步重叠动作，可大大提高生产效率；同时，数控系统可“智能”设置、调整和优化工艺参数，使生产效率与质量进一步提高。

　　(3) 节能与环保：消耗电力可以减少40％左右，噪音低、无油污染。

图10. 数控注塑机主要部件结构
1-模具开合伺服电机；2-塑化伺服电机；3-射胶伺服电机；4-调模变频电机
5-脱模伺服电机；6-螺杆加热器；7-射台移动电机

　　3.2 其它机械产品的数控化升级换代

　　除制造装备外，国民经济各行业以及国防军工中的众多其它机械产品也可以数控化以实现创新升代。

　　例2：多管火箭炮的数控化创新升级

　　多管火箭炮的快速准确装填和高精度自动操瞄是提高火箭炮机动性能和打击能力的关键，其装填和操瞄装置可以通过伺服电机驱动和计算机控制以实现数控化创新升级（如图11所示）。

　　新一代火箭炮可以大大提高其机动性能，缩短战斗反应时间，提高射速和火力密度，提高射击准确性以及对目标的突袭能力和效果，并且可以与先进的战场管理系统一道，使火箭炮具有与多个目标同时快速交战的能力，同时还可减轻操作人员的工作强度，提高工作效率，有效提高火箭炮的战斗力与生存力。

图11.数控化多管火箭炮

　　3.3 全面创新、升级换代

　　《“数控一代”机械产品创新工程》需要克服许多困难，最突出的还是要克服人们思想认识上的困难。有的同志畏难情绪严重，认为数控化创新很神秘、很难搞，缺乏勇气，缺乏信心；有的同志看不起推广应用工作，觉得不上档次，没有水平，缺乏兴趣，缺乏激情。我们要解放思想，勇于创新，坚持“顶天立地”的正确方向，尽好尽快地推进各种机械产品的数控化创新，同时创造一大批高端数控机械产品。

　　华中科技大学东莞工研院与广东的企业密切结合，研制出几十种数控机械产品，大大提高了产品的水平和竞争力，受到企业界的热烈欢迎。这里介绍的两个创新产品实例，产生了良好的经济效益与社会效益。

　　例3：编织机的创新升代

　　我国是毛纺编织大国，仅东莞大朗镇每年生产毛衣超过3亿件。目前，国内毛衣生产主要依靠简单的机械完成，全国有100余万台手动编织机（横机）。手动横机效率低下，操作工人的劳动强度很大。

　　数控横机（如图12所示）的单机编织速度比手工横机提高5-8倍；每个工人可同时操作5台设备，大大提高生产效率；与毛衣设计CAD/CAM系统集成，大大提高毛衣花色品种、质量与市场竞争力。

图12. 数控编织机
1、横机机身2、电源按钮组3、罗拉4、针板(针床)
5、操纵杆6、机头7、防护罩8、天杆9、右收线
10、输纱器11、天线台12、触摸显示屏13、夹线
14、左收线15、运行指示灯

　　例4：木工机械的创新升代

　　传统木工机械由于功能单一，效率低下，污染严重。

　　数控高速木材复合加工中心（如图13所示）的加工精度高、生产柔性好、工序复合、具备很高的生产效率，并且安全可靠，粉尘、噪声污染低，具有很好的市场前景。

图13.数控木工机械

　　数控化使机械产品装备了“大脑“，开辟了机械产品创新的广阔空间，不断引领机械产品攀登新的高峰；与此同时，在机械设计理论上和学术上能够做出高水平的贡献。这里举两个创新实例。

　　5：光刻机精密工作台

　　光刻机是IC制造中最关键、最复杂和最昂贵的设备（如图14所示）。超精密工作台是高精度光刻机核心关键装置，要求实现加速度高至2g、速度1m/s以上、精度为纳米级的6自由度运动；对于100nm线宽的扫描曝光，要求定位精度<10nm，硅片台和掩模台间的同步平均误差<5nm、均方误差<12nm，几乎接近物理极限，常规机械制造工艺无法实现。

　　要实现光刻机的高速、大行程、6自由度纳米级精度运动，除合理的运动结构与精密检测技术外，关键在于控制、核心在于补偿。其补偿的内容包括台体质量与质心位置误差、6自由度运动耦合干扰误差、粗微动耦合干扰、电机与驱动非线性误差、电路噪声与延时误差、测量干扰误差、环境与温度变化误差等。通过补偿控制，我国研制的100nm光刻机工作台实现了高速高精的技术要求；同时，零部件制造精度并非很高，装配与安装要求甚至不比普通精密机床要求高。

图14.光刻机

　　例6：精密铸造数控凝固装置

　　航空发动机的单晶叶片，主要由精密铸造成型，制造要求极高。应用数控技术对凝固过程进行精确控制，以实现叶片材料结构和性能都能符合极高的设计要求，提高了单晶叶片的质量和制造效率。

　　数控化应用于铸造机械、锻压机械、焊接机械、热处理机械等热加工装备的创新，在国际上也是最新的发展趋向，有着巨大的发展前景。

四、 《“数控一代”机械产品创新工程》的组织实施

　　《“数控一代”机械产品创新工程》既是技术推广工程也是产品创新工程：对数控技术而言是技术推广工程，对于各行各业的机械产品而言是产品创新工程。《“数控一代”机械产品创新工程》是一个复杂的大系统工程，必须依靠有组织创新和协同创新。

　　4.1 有组织创新

　　充分发挥我国的制度优越性，总体规划、分步实施、重点突破、全面推进，动员千军万马，实行有组织的创新。

　　(1) 总体规划、顶层设计：制定国家与各行业、各地方、各企业的数控化机械产品创新升级的总体规划和推广计划（路线图）。国家和行业主管部门与地方科技部门联动，行业和地方组织企业实施，中央和地方共同支持。要努力加强相关行业数控机械产品技术标准的制定，以推进数控技术的普及和提高。

　　(2) 重点突破、典型示范：从全国范围内筛选代表性区域、行业和企业，由国家重点支持实施示范工程，然后进一步在全国范围内全面推广：

　　企业：龙头企业实施、上下产业链互

　　行业：典型行业示范、其他行业推广

　　区域：重点区域入手、逐步全面铺开

　　(3) 技术攻关、推广应用：加强对数控机械产品共性关键技术的技术攻关，进而在行业内和地区内进行全面推广应用。

　　(4) 人才培训、技术服务：学校、科研机构全面动员，大力开展数控机械产品创新设计的人才培养与专业培训，特别是要广泛动员与强力组织对广大企业家和设计工程师的培训。组织各方面力量，努力以几种模式提供数控机械产品创新设计的技术服务：1)企业委托设计；2)与企业联合设计；3)为企业进行人员培训，由企业自主设计。

　　4.2 协同创新

　　以企业为主体、市场为导向、政产学研用紧密结合，推进协同创新。

　　(1) 科技部、工信部等国务院有关部门将实行强有力的领导，建立领导机构，推进顶层设计，提供政策和资金支持，加强宏观管理。各行业主管部门和地方科技部门将加强组织实施管理，认真制定行业规划和推广计划，落实各方面保障措施。

　　(2) 建立各个层面的产学研用创新联盟，将各行业、各地方具有技术优势的生产企业、高校、研究院所、用户企业组织起来，形成数控机械产品创新联盟。

　　(3)企业是面向市场的主体，是财政投入的主体，当然是技术创新的主体。市场的驱动和企业的积极性是产品创新成功的关键，必须从根本上调动企业家、管理者和工程师的积极性。同时，高校和科研院所中蕴藏着为我国机械工业贡献力量的巨大积极性，要采取有力措施，动员他们、组织他们、依靠他们。政产学研用协同创新，形成中国特色的“数控一代”机械产品创新体系，团结奋斗，努力完成这样一个伟大的创新工程。

　　我们有一个共同的奋斗目标：经过5~8年的时间，中国的机械产品全面升级为“数控一代”，再经过10年左右的时间，到2030年，中国的机械产品全面升级为“智能一代”，整体上走到世界前列，为中国的现代化做出基础性、战略性的贡献。