[size=6 ]數(shù)控技術崛起中的反遏制和技術對抗
裝備制造業(yè)的崛起是對中國工業(yè)現(xiàn)代化和國家綜合國力提升的重要支持。制造業(yè)進步一方面提升物質生產能力，解決關鍵裝備的制造問題，另一方面制造業(yè)的共性技術軍民兩用，對國防和國家安全意義重大。數(shù)控技術是支持現(xiàn)代裝備制造業(yè)的關鍵技術群，直接決定制造裝備的功能和性能，是信息化帶動工業(yè)化進程中裝備層的關鍵技術，屬于支持先進制造技術的重要基礎技術群。而且數(shù)控技術以高精度隨動控制和多運動協(xié)同控制為主要特征，與自動火炮控制、雷達控制以及陀螺導航控制技術具有共性的技術基礎，具有典型的軍民兩用的應用特征。
1、國際競爭環(huán)境對中國數(shù)控技術崛起的遏制
正是因為數(shù)控技術軍民兩用的特征，國際競爭環(huán)境對中國數(shù)控技術崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報告的技術封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產，低端產品傾銷，渙散中國國內的自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當多的事實證明我們試圖通過引進技術，“以市場換技術”的美好愿望只是一廂情愿，結果往往是市場也丟了，技術卻沒換回來。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產品壟斷市場80%以上，高端產品不僅壟斷，而且限制中國進口。中國通過近20年持續(xù)不斷的技術攻關和市場培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場打開局面，形成了一定市場規(guī)模；但在技術密集的中高端控制器市場，國產控制器規(guī)模始終處于被壓縮的狀態(tài)，利潤空間被壓縮，研發(fā)體系不能支持可持續(xù)技術進步。
行業(yè)專家坦言“中國數(shù)控機床技術水平與世界發(fā)達國家相差起碼15年”。日本國際經濟學家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號上發(fā)表了一篇題為《中國的未來取決于日本》的文章。文章說，在汽車制造業(yè)，生產汽車部件的機床年均工作時間高達3500小時，也只有日本制造的機床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機床，中國的汽車產業(yè)將寸步難行”。 長谷川慶太郎預測：中國對日本的依賴只會越來越加強而不會越來越削弱。這就意味著“日本越來越有能力控制中國”。客觀分析這篇文章，拋棄日本少數(shù)學者狂躁的心態(tài)，僅就裝備制造業(yè)中以數(shù)控系統(tǒng)為代表的制造裝備關鍵部件技術和產品上的差距上看，文章的觀點是應當喚起我們的憂患意識。
2、數(shù)控技術具有突破遏制的技術條件和產業(yè)條件
打破國外對我們數(shù)控技術遏制的主要手段就是降低對國外技術的依存度，選擇有技術支持條件的關鍵技術作為突破口，主動突破，才能爭取競爭上的主動。數(shù)控技術在近十年計算機軟硬件技術和通信技術進步的支持下，具備關鍵技術突破口的條件。從產業(yè)的角度看數(shù)控控制器產品的基本特征，可以概括為專用的工業(yè)計算機；伺服驅動系統(tǒng)產品的特征是驅動電機專用的工業(yè)電源；伺服電機產品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機。針對這些產品特征，從產業(yè)角度看，中國完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產業(yè)條件的，有些具有類似產業(yè)特征的產品的產能是世界領先的。因此，跳出狹義的運動控制器制造領域，從中國產業(yè)全局看，數(shù)控系統(tǒng)產業(yè)突破是具有產業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產業(yè)的另一個特征是技術的軟件化。運行在數(shù)字控制器和伺服驅動器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實現(xiàn)。因此在這一產業(yè)領域的競爭將更多轉化為基于軟件技術、控制技術和制造技術的智力層面的比拼和以技術融合為特征的工程層面的比拼。
3、突破技術遏制的關鍵是建立適合核心技術體系生長的自主創(chuàng)新平臺
反遏制的關鍵是構建適合核心技術體系生長的自主創(chuàng)新平臺，從被動的技術追趕變?yōu)橹鲃拥募夹g對抗。高端數(shù)控技術不僅僅是控制器的問題，而是關聯(lián)電機、驅動、測量、通訊、計算機軟硬件技術以及機床測試、仿真等技術的技術學科群。這些技術環(huán)節(jié)都將對最終的設備控制效果產生影響。
以高速高精度高響應運動控制為例來說明這個問題。從FANUC公開的材料上看，控制分辨率提升到納米可以將被加工產品的精度提高一倍，表面質量提高一倍。但這一結果需要控制器全面的技術提升。對于高速度運動控制技術的實現(xiàn)而言，基于超前讀機制的運動軌跡分析和預測是必需的。這一機制將對系統(tǒng)的體系結構提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運動控制中避免沖擊的必要技術手段。插補器的計算精度要從1個um提升到1個nm，計算字長要增加三位，有效計算精度要提升3個數(shù)量級。軟件平臺要支持相應字長的計算。另一方面控制節(jié)拍也需要相應提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當然對系統(tǒng)的計算負荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內實現(xiàn)這個分辨率是不夠的，還要將這個控制量送給伺服驅動裝置。由于有效字長的擴充，控制節(jié)拍的提高，相應通訊代寬的需求也要提高。對伺服通訊問題一定要采用數(shù)字方式，脈沖方式和模擬加位置脈沖反饋的都不能符合要求。在伺服側很顯然要追求更高精度的控制問題。首先就是需要更高精度的位置反饋原件。目前國際上高精度伺服裝置傳感器已經提升到200萬線-400萬線了，這樣才能夠與現(xiàn)有的機械裝置配合實現(xiàn)納米級控制。我們國內的控制器產品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術的差距直接導致我們的驅動裝置的調速比上不去，速度平穩(wěn)性有差距。高分辨率的傳感器還面臨另一個問題就是傳感器接口問題。顯然這種分辨率下不能用AB脈沖形式接口。能夠保證控制器同步采樣的高速數(shù)字通訊協(xié)議是必須要解決的問題。伺服本身高精度控制的問題也是必須要解決的問題。FANUC強調HRV（高響應矢量控制），三菱強調OMR（優(yōu)化機械響應控制）都將問題直指高精度伺服控制的核心問題——高精度、快速響應的電流環(huán)設計。只有良好的電流環(huán)特性才能為良好的速度控制和位置控制奠定基礎。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。
實現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅動裝置是不夠的。電機設計本身就是直接影響運動控制效果的重要因素。對于永磁同步伺服電機而言，良好的反電勢正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅動器實現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅動裝置的廠商本身也是電機制造商。在很多國內的研究機構中，電機技術與伺服驅動技術是部門割裂的，有的甚至沒有電機技術支持單搞伺服驅動。在研究高精度運動控制中，仿真技術將極大的縮短我們在控制算法的相關研究中的時間和實施成本。在仿真技術支持的同時，還需要研制有關的試驗平臺，用來評價運動控制的效果，評價伺服驅動和電機的性能。例如，如何評價低速平穩(wěn)性和剛度等。
上面僅以高速高精度運動控制技術為例說明高檔控制器技術是一個耦合緊密的技術學科群。作為高端數(shù)控技術的技術創(chuàng)新體系應當具有技術鏈的完整性，因此我們稱這樣的技術創(chuàng)新體系為“技術創(chuàng)新平臺”。這樣的技術創(chuàng)新平臺建設投入是巨大的。以日本FANUC 公司為例，在技術上保持領先，在產量上居世界第一，該公司現(xiàn)有職工3674人，科研人員超過600人，月產能力7000套，銷售額在世界市場上占50％，研發(fā)投入為銷售額的10%，每年投入研發(fā)費用上億美元。很顯然，支持上述平臺在中國現(xiàn)有的科研條件下，依靠一家企業(yè)或單位是非常困難的。我們只有通過包括高等院校和其他研究機構在內，以產業(yè)鏈和技術聯(lián)為內在聯(lián)系的企業(yè)技術創(chuàng)新聯(lián)盟，整合技術資源，形成新型的產學研創(chuàng)新組織，在國家有關政策支持和指導下實現(xiàn)相關多技術緊密耦合的創(chuàng)新技術平臺，才可能實現(xiàn)技術跨越。
4、把握數(shù)控核心技術的發(fā)展動向
充分利用通用技術領域的新技術手段，把握數(shù)控核心技術的發(fā)展動向，有所為有所不為。處于后進競爭狀態(tài)的中國裝備控制器產業(yè)必須充分利用新的技術手段，把握數(shù)控技術的發(fā)展方向，根據(jù)自己的實際情況，有所為有所不為，形成后發(fā)優(yōu)勢，加快技術進步的步伐，才能實現(xiàn)追趕和跨越。
首先需要明確中國數(shù)控技術需要的發(fā)展方向。我們可以從SIEMENS數(shù)控系統(tǒng)對華出口限制的方向中受到啟發(fā)。這些功能絕大多數(shù)十被認為直接影響歐洲裝備核心競爭力的功能。
SIEMENS的數(shù)控系統(tǒng)專門分為出口型和標準型。出口型中對大量功能群進行了限制。非歐盟用戶采購這些功能，需要獲得德國或歐盟的正式許可。
分析上述功能，可以概括高端控制器幾個重要的技術方向：
（1）復雜運動規(guī)律的控制技術。
上表中的“螺旋線插補2D+6”、“5軸加工程序包”、“多軸插補（4軸）”都屬于這一技術方向。復雜型面和曲線的運動控制屬于數(shù)控基礎中的基礎技術，也是負責工藝裝備的現(xiàn)實需求。特別是五軸加工控制技術，是復雜曲面加工的基礎支持技術。該技術是關系到航空航天制造業(yè)、武器裝備制造業(yè)、動力裝備制造業(yè)的關鍵技術。
（2）多軸耦合關系運動控制。
上表中的“搬運（機器人）變換包”，“位控循環(huán)中的1D3D間隙控制”，“懸垂度補償，多維”，“主動數(shù)值耦合和曲線列表插補”，“電子齒輪單元”，“連續(xù)修正”，“測量2級”都體現(xiàn)了上述特征。上述功能的共性特征是某坐標軸運動不再是受計劃性軌跡執(zhí)行，而是與其他軸的運動或邏輯量具有某種耦合關系或者協(xié)同關系，即實時插補過程還引入了其他控制因素。上述功能顯然對于復雜裝備是非常必要的，屬于經典插補運動控制的重要補充。
（3） 開放式結構。
上表中的“開放式結構NC核心編譯循環(huán)”和“同步操作”都屬于這一技術方向。“開放式結構NC核心編譯循環(huán)”引擎支持用戶將自己編寫的控制功能加入系統(tǒng)中，并可按照指定的執(zhí)行頻度周期性執(zhí)行。而“同步操作”是用戶以高級語言的形式約定執(zhí)行條件和執(zhí)行動作。這兩項功能分別體現(xiàn)了控制系統(tǒng)不同層次的開放，一種是執(zhí)行引擎的開放，另一種是用戶語言層面的開放。這類的技術顯然有利于主機廠的快速響應工藝需求，將自己專有的技術融入到控制器中，二次開發(fā)具有自己特色的控制器，極大地拓展了控制器的控制能力。
（4）與伺服控制技術的融合。
上表中的“內部驅動變量評價”就屬于這一技術方向。伺服驅動裝置的性能直接影響整個數(shù)控系統(tǒng)的控制表現(xiàn)和整個裝備的性能表現(xiàn)。因此，伺服驅動相關技術也成為高端控制器技術群的重要基礎。由于伺服驅動裝置嵌入式系統(tǒng)的特點，運算資源、存儲資源和人機交互能力的局限性，伺服系統(tǒng)參數(shù)的可視化和優(yōu)化需要通過上位的數(shù)字控制器來實現(xiàn)。因此，控制器技術與伺服驅動技術的技術融合就成為數(shù)控技術發(fā)展的重要方向。這一技術特點可以從許多控制器產品中得到映證。
上述四大技術方向對數(shù)字化裝備的進步非常重要。我國的數(shù)控技術在上述方向基本上存在較大的差距，應當成為我們努力的方向。
5、突破技術遏制的技術策略
在技術實施的策略上，充分利用通用技術領域的新技術手段是重要的技術策略。近十年來計算機軟硬件技術的進步為我們在數(shù)控技術領域實現(xiàn)追趕和跨越提供了重要的支持。高性能的CPU為控制計算提供了更強的計算資源，同時也簡化了系統(tǒng)的硬件體系結構。多樣的嵌入式操作系統(tǒng)為控制器軟件提供了方便的應用接口。包括工業(yè)現(xiàn)場總線技術的計算機通信技術大幅度提升了控制器內部互聯(lián)和外部互聯(lián)信息帶寬。軟件工程技術的日趨成熟為軟件質量的保障和軟件體系結構的可持續(xù)發(fā)展提供了指導。電力電子技術的進步為更大功率的伺服驅動提供了安全可靠的支持。上述技術僅是近十年工程技術領域進步的很小部分，充分關注工程技術領域通用技術的進步，使新技術成為我們的后發(fā)優(yōu)勢，對于我們加速技術追趕實現(xiàn)技術跨越意義重大。
在技術實施策略上，充分實現(xiàn)制造技術、控制技術和計算機技術的融合是重要的技術策略。制造技術、控制技術和計算機技術的融合是符合數(shù)控技術鏈的技術特征的。制造技術是數(shù)控技術需求的源泉，開發(fā)符合中國產業(yè)模式和制造技術特點的控制器是拉動國產控制器技術進步的重要動力，也是發(fā)揮控制器競爭優(yōu)勢的基本出發(fā)點。控制技術是數(shù)控技術的主體內容，是技術鏈的核心。計算機技術是數(shù)控技術的重要支持。一方面在計算機仿真技術支持下，通過對制造過程的物理過程仿真，為控制技術提供基本的控制模型和控制策略的依據(jù)；另一方面計算機技術也是控制技術實施的重要載體。因此，在數(shù)控技術學科群建設和技術鏈鏈接過程中要充分實現(xiàn)制造技術、控制技術和計算機技術的融合。
6、結論
我國的數(shù)控技術的進步和發(fā)展除了技術本身的問題外，還需要國家政策的鼓勵和扶持，以及制造裝備廠商的支持。特別是要解決首臺首套的應用示范工程，一方面將國內外數(shù)控技術水平的差異量化，明確國產控制器的努力方向；另一方面，打破進口品牌的神話，為國產品牌的數(shù)控產品的應用推廣提供機遇。中國的數(shù)控技術趕超世界先進水平是任重而道遠，相信在建設創(chuàng)新型國家的社會氛圍下，通過以企業(yè)為核心的新型產學研創(chuàng)新模式組織下，充分利用通用技術領域的新技術手段，實現(xiàn)制造技術、控制技術和計算機技術的融合，通過堅持不懈的努力，自主創(chuàng)新，逐步打破技術封鎖和遏制，加速技術進步，是大有希望的。
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