趙萬華，張 星，呂 盾，張 俊

（西安交通大學(xué)機(jī)械制造系統(tǒng)工程國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710054）

我國機(jī)床行業(yè)的發(fā)展背景

制造業(yè)是立國之本、興國之器、強(qiáng)國之基。國際金融危機(jī)以來，制造業(yè)迎來發(fā)達(dá)國家和發(fā)展中國家爭相介入的新一輪國際分工爭奪戰(zhàn)。隨著相對(duì)優(yōu)勢逐步轉(zhuǎn)化，各國在全球制造體系中的地位將動(dòng)態(tài)調(diào)整，并重塑全球制造業(yè)版圖。近年來，發(fā)達(dá)國家紛紛制定“再工業(yè)化”戰(zhàn)略，如德國工業(yè)4.0、美國工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、新工業(yè)法國等，力圖推動(dòng)中高端制造業(yè)回流，并進(jìn)一步加強(qiáng)全球制造業(yè)的布局調(diào)整，意圖保持其全球制造業(yè)核心的領(lǐng)導(dǎo)地位。

裝備制造業(yè)作為制造業(yè)的核心，是工業(yè)化之母，是高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)之根。新中國成立特別是改革開放以來，我國裝備制造業(yè)取得了令人矚目的成就，規(guī)模和總量已經(jīng)進(jìn)入世界前列，成為名副其實(shí)的全球制造大國。然而，我國裝備制造業(yè)普遍自主創(chuàng)新能力不強(qiáng)，核心技術(shù)和關(guān)鍵部件受制于人，產(chǎn)品質(zhì)量問題突出，產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)不盡合理，屬于粗放型發(fā)展。發(fā)達(dá)國家高端制造回流與新興經(jīng)濟(jì)體爭奪中低端制造正在同時(shí)發(fā)生，對(duì)我國形成“雙向擠壓”。面對(duì)全球制造業(yè)競爭格局的重大調(diào)整、資源環(huán)境的約束和人力成本的逐漸提高等多方面的嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，我國未來必須推動(dòng)裝備制造業(yè)向高端發(fā)展。

為大力提升裝備制造業(yè)水平，我國提出要走新型工業(yè)化道路，于2015年5月頒發(fā)了《中國制造2025》，全面部署實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，這是我國實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略第一個(gè)十年的行動(dòng)綱領(lǐng)。圍繞實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略目標(biāo)，《中國制造2025》明確了“高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人”作為十大重點(diǎn)發(fā)展領(lǐng)域之一。高檔數(shù)控機(jī)床作為典型的高端制造裝備，是一個(gè)國家的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)和大國崛起的標(biāo)志，也是博弈世界制造業(yè)舞臺(tái)和參與國際競爭的制高點(diǎn)。如何實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)高檔數(shù)控機(jī)床的快速發(fā)展，保障《中國制造2025》目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，不但需要機(jī)制和組織的保障，更加需要數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)的突破和創(chuàng)新。

國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的技術(shù)現(xiàn)狀

高端數(shù)控機(jī)床是支撐航空航天、船舶、汽車、發(fā)電設(shè)備等制造領(lǐng)域發(fā)展的核心裝備。我國數(shù)控機(jī)床經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展，已經(jīng)取得了不錯(cuò)的成績，初步掌握了數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、主機(jī)研制等基礎(chǔ)技術(shù)，其中部分技術(shù)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化發(fā)展[1]。在我國連續(xù)數(shù)年成為世界機(jī)床消費(fèi)第一大國的同時(shí)，國產(chǎn)機(jī)床的比重逐年提升，并且我國數(shù)控技術(shù)方面的人才隊(duì)伍也在不斷壯大。但不可否認(rèn)的是，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床相關(guān)技術(shù)還存在不少的問題，如國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床從外觀上與進(jìn)口機(jī)床十分類似，功能上基本接近，但性能相差甚遠(yuǎn)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)相似，實(shí)則動(dòng)剛度、動(dòng)態(tài)精度及其保持性等性能相差很遠(yuǎn)，“形”似而“神”不似。本文主要從以下3個(gè)方面剖析國產(chǎn)機(jī)床的技術(shù)現(xiàn)狀。

1 過分依賴進(jìn)口，關(guān)鍵技術(shù)難引進(jìn)

國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)在面臨高端機(jī)床難研制、中低端機(jī)床業(yè)績持續(xù)下滑的重重壓力之下，正在逐漸成為名副其實(shí)的“機(jī)床組裝廠”。極端情況下，國內(nèi)機(jī)床企業(yè)只做床身、立柱等結(jié)構(gòu)大件和一些輔助配件，數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)擺頭/轉(zhuǎn)擺臺(tái)和高速電主軸等核心功能部件幾乎全部采用高檔進(jìn)口部件，甚至連軸承、絲杠、導(dǎo)軌等基礎(chǔ)傳動(dòng)件也依賴進(jìn)口，機(jī)床企業(yè)只是將這些零部件進(jìn)行組裝、調(diào)試和銷售，機(jī)床制造甚至變成了“搭積木”，企業(yè)完全被產(chǎn)業(yè)價(jià)值鏈“微笑曲線”的低端鎖定。更為嚴(yán)峻的是，國外機(jī)床廠商已經(jīng)傾向于將數(shù)控系統(tǒng)和伺服驅(qū)動(dòng)、電機(jī)、主軸打包銷售，部分高精尖產(chǎn)品嚴(yán)禁向我國出口，進(jìn)口產(chǎn)品的現(xiàn)場調(diào)試過程也是保密的，拒絕國內(nèi)技術(shù)人員參與，這更加劇了國產(chǎn)機(jī)床的被動(dòng)局面，使其越來越深陷空有規(guī)模、沒有實(shí)力、難有作為的困境。

當(dāng) 前， 諸 如SIEMENS、HEIDENHAIN的伺服數(shù)控系統(tǒng)、IBAG的電主軸和NSK的軸承正在多家機(jī)床企業(yè)和用戶的加工車間運(yùn)行，國內(nèi)這種機(jī)床組裝的經(jīng)營模式能在短期內(nèi)為企業(yè)產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，但對(duì)相關(guān)行業(yè)產(chǎn)生的惡性后果不可忽視，一面方造成了國內(nèi)資金的大量流失，另一方面還會(huì)打擊國產(chǎn)功能部件和整機(jī)研制的信心，分化機(jī)床產(chǎn)業(yè)上下游間的關(guān)系鏈。一些國內(nèi)企業(yè)也試圖通過與國外先進(jìn)機(jī)床企業(yè)和零部件供應(yīng)商合作，希望引進(jìn)相關(guān)高端技術(shù)來提升自身研制能力，但需要清楚認(rèn)識(shí)到，技術(shù)是一個(gè)企業(yè)賴以生存的根本，是企業(yè)的核心和生命，真正的技術(shù)不可能依靠購買和引進(jìn)獲得，只能依靠自主。

2 未掌握整機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用的核心技術(shù)，缺乏技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力

機(jī)床的生命周期主要包括設(shè)計(jì)、制造和使用3個(gè)階段，是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。當(dāng)前，國產(chǎn)機(jī)床制造企業(yè)存在諸多問題：在設(shè)計(jì)階段，機(jī)床機(jī)械結(jié)構(gòu)多參照展會(huì)和技術(shù)手冊(cè)，仿制國外同類型機(jī)床，其靜、動(dòng)剛度需通過經(jīng)驗(yàn)公式估算、反復(fù)修正和改進(jìn)才能達(dá)到設(shè)計(jì)要求，這種被動(dòng)設(shè)計(jì)方式周期長、投入大、缺乏主動(dòng)性。在伺服控制系統(tǒng)方面，國產(chǎn)機(jī)床特別是高檔數(shù)控機(jī)床主要選擇SIEMENS、FANUC及HEIDENHAIN等國外進(jìn)口產(chǎn)品，其選型僅依靠功率、扭矩等幾個(gè)基本參數(shù)，這些國外系統(tǒng)也僅有少量功能和少量參數(shù)對(duì)國產(chǎn)機(jī)床開放和使用，幾乎是一個(gè)“黑箱子”。在機(jī)床制造階段，機(jī)床幾何精度由于缺乏主動(dòng)設(shè)計(jì)手段，往往需要裝配過程的反復(fù)調(diào)試、矯正予以保證。另外，國產(chǎn)機(jī)床機(jī)械系統(tǒng)的裝配工藝也沒有定量化的指導(dǎo)原則，批量生產(chǎn)的機(jī)床精度一致性得不到保障，其動(dòng)態(tài)特性差異很大，無法準(zhǔn)確預(yù)知。對(duì)于伺服控制系統(tǒng)，國內(nèi)企業(yè)只能參考國外提供的調(diào)試手冊(cè)，對(duì)對(duì)象本身的運(yùn)行機(jī)理并不十分清楚，一些高級(jí)功能模塊不知如何使用，總是處在被動(dòng)境地。在機(jī)床使用階段，由于國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)缺乏對(duì)用戶工藝的了解研究，而數(shù)控機(jī)床用戶也僅僅關(guān)注加工生產(chǎn)，缺乏對(duì)機(jī)床特性和加工性能的認(rèn)識(shí)，在加工工藝的制定和參數(shù)選擇上，多憑工藝人員的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)，缺乏理論性、定量化的指導(dǎo)原則，造成機(jī)床加工效率很低、人力和物力資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。目前，這種國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與用戶加工工藝沒有深入結(jié)合的局面造成好機(jī)床用不好、也造不出好機(jī)床的困境，沒有形成“工藝牽引裝備，裝備支撐工藝”的良性循環(huán)。

國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)長期處于這種被動(dòng)局面，究其原因，是沒有掌握機(jī)床整機(jī)設(shè)計(jì)、制造和使用的核心技術(shù)，其根本是缺乏技術(shù)研發(fā)和創(chuàng)新能力。在國外，SIEMENS在全球招攬成千上萬的工程師、研發(fā)人員為其工作，日本NSK公司的實(shí)驗(yàn)室面積與生產(chǎn)面積達(dá)到1∶1，美國GE公司的實(shí)驗(yàn)室環(huán)繞巨大的裝配車間，數(shù)倍于生產(chǎn)面積，形成一個(gè)實(shí)驗(yàn)城……這些國際化公司從關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)品開發(fā)、市場銷售到最終樹立國際品牌，非常注重各個(gè)環(huán)節(jié)密切協(xié)作、緊密配合，遵循只有做好基礎(chǔ)知識(shí)儲(chǔ)備和人才保障，才能擁有源源不斷的技術(shù)創(chuàng)新的規(guī)律，也才有今日國際舞臺(tái)上的主導(dǎo)地位。反觀國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)，政策上過分追求效益和業(yè)績，口號(hào)上時(shí)時(shí)不忘創(chuàng)新，而在人才培養(yǎng)和技術(shù)積累這些重要環(huán)節(jié)上政策不凸顯，持續(xù)性不足：相關(guān)技術(shù)資料嚴(yán)重稀缺；大部分廠房都用于一線制造和裝配，而用于設(shè)計(jì)研發(fā)的實(shí)驗(yàn)室、研發(fā)室卻是少之又少；高端人才更是鳳毛麟角，技術(shù)人員忙于應(yīng)付項(xiàng)目報(bào)告，專注技術(shù)研發(fā)和產(chǎn)品試制的寥寥無幾。同時(shí)，在為數(shù)不多的企業(yè)實(shí)驗(yàn)室中，相關(guān)研發(fā)人員完全被商用軟件束縛了思維和手腳，一臺(tái)機(jī)床的設(shè)計(jì)與分析全部依賴進(jìn)口商用軟件，盡管軟件操作十分嫻熟，但對(duì)軟件背后的力學(xué)、電磁學(xué)、控制論等基礎(chǔ)理論知識(shí)缺乏深究，最終也無法研制出一臺(tái)好的數(shù)控機(jī)床。當(dāng)前，需清醒地認(rèn)識(shí)到，僅僅熟練掌握商用軟件的使用根本無法幫助掌握機(jī)床設(shè)計(jì)、制造的核心技術(shù)。另外，創(chuàng)新不是一蹴而就的，而是對(duì)知識(shí)、技術(shù)長期積累的必然結(jié)果，這在數(shù)控機(jī)床這種技術(shù)密集型產(chǎn)品上更是如此。對(duì)比之下，機(jī)床企業(yè)缺少知識(shí)積累、人才儲(chǔ)備和技術(shù)研發(fā)，就談不上技術(shù)突破和創(chuàng)新?，F(xiàn)在，機(jī)床產(chǎn)業(yè)正處在國家實(shí)施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略布局的前沿，科研院所需發(fā)揮基礎(chǔ)研究的能力，盡快取得核心關(guān)鍵技術(shù)的突破，并與企業(yè)緊密合作，大力推進(jìn)高檔數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造以及使用中相關(guān)核心技術(shù)的研發(fā)，這樣才能看到國產(chǎn)機(jī)床實(shí)現(xiàn)“彎道超車”的希望。

3 機(jī)床精度保持性、可靠性相關(guān)技術(shù)積累不足

機(jī)床精度保持性和可靠性是數(shù)控機(jī)床的重要性能指標(biāo)。機(jī)床精度保持性是指機(jī)床在正常的使用條件下，各項(xiàng)精度能夠長時(shí)間保持在精度要求范圍內(nèi)的能力；可靠性是指機(jī)床在規(guī)定的特有條件下及規(guī)定的時(shí)間內(nèi)，完成規(guī)定功能的能力。精度保持性和可靠性對(duì)機(jī)床的加工質(zhì)量和效率都有至關(guān)重要的影響。經(jīng)過國家重大專項(xiàng)的科技攻關(guān)，國內(nèi)機(jī)床企業(yè)的精度保持性和可靠性相關(guān)技術(shù)取得了一定進(jìn)展，但與國外先進(jìn)水平相比還是差距甚遠(yuǎn)。

機(jī)床精度保持性問題在設(shè)計(jì)、制造和使用3個(gè)階段會(huì)因機(jī)床類型、結(jié)構(gòu)形式、性能要求和工況特點(diǎn)的不同而不同。根據(jù)前期對(duì)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)床精度保持性較差，其研究還存在精度保證、精度穩(wěn)定、精度保持和精度壽命等概念不清晰，或者未定義的問題，導(dǎo)致目前國內(nèi)還沒有一個(gè)比較系統(tǒng)的精度保持性研究體系。國外數(shù)控機(jī)床精度保持性的主要影響因素在于運(yùn)動(dòng)部件之間的磨損，相比較而言，國內(nèi)機(jī)床影響精度保持還有更多因素，如鑄件鑄造應(yīng)力、裝配應(yīng)力等。在實(shí)際調(diào)研中發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)機(jī)床裝配過程中，鑄件在刮研好精度一段時(shí)間之后會(huì)發(fā)生變形；在工作過程中，裝配預(yù)緊的螺栓等連接件會(huì)在較短時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)預(yù)緊力下降、連接松動(dòng)，這都使機(jī)床精度及性能發(fā)生變化。目前，國產(chǎn)機(jī)床應(yīng)加強(qiáng)對(duì)精度保持性機(jī)理的基礎(chǔ)研究，以及對(duì)設(shè)計(jì)、制造環(huán)節(jié)中精度保持性關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。

機(jī)床可靠性直接影響數(shù)控機(jī)床的使用，更影響用戶對(duì)機(jī)床的使用信心。近幾年來的市場情況表明，國外數(shù)控機(jī)床在可靠性方面占有的優(yōu)勢愈發(fā)明顯，這也促使國產(chǎn)機(jī)床價(jià)格優(yōu)勢正在逐漸喪失殆盡。盡管通過近年來國家技術(shù)攻關(guān)，數(shù)控機(jī)床的可靠性指標(biāo) MTBF 從原來的200h提高到1000h，但是國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的故障率還是居高不下。由于機(jī)床制造企業(yè)缺乏對(duì)機(jī)床可靠性的深入研究，技術(shù)積累比較少，缺少有關(guān)數(shù)據(jù)參考資料，導(dǎo)致數(shù)控機(jī)床在加工過程中一旦出現(xiàn)故障后，沒有明確的數(shù)據(jù)參考依據(jù)，不能及時(shí)處理故障，嚴(yán)重影響機(jī)床加工效率。國產(chǎn)機(jī)床無論功能、性能如何優(yōu)良，如果使用過程中故障頻發(fā)，致使加工不能正常進(jìn)行，就無法體現(xiàn)其使用價(jià)值，這也是導(dǎo)致用戶對(duì)國產(chǎn)機(jī)床缺乏信心的主要原因。

圖1 高檔數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)Fig.1 Core technology of advanced CNC machine tool

高檔數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)

目前，數(shù)控機(jī)床正向高速、高加速方向發(fā)展，部分場合已實(shí)現(xiàn)進(jìn)給速度40m/min，加速度1.5g的工程應(yīng)用。與此同時(shí)，極端工況對(duì)機(jī)床服役性能要求也越來越高，例如，某航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片進(jìn)出氣邊大曲率拐角處要求輪廓度亞微米級(jí)，某大型整體航空薄壁結(jié)構(gòu)件最薄壁厚小于1mm，加工時(shí)要求不能變形。數(shù)控機(jī)床作為一個(gè)運(yùn)行機(jī)理復(fù)雜、具備聯(lián)動(dòng)功能的機(jī)電集成系統(tǒng)，在極端工況下長時(shí)間運(yùn)行，其工作機(jī)理和性能會(huì)發(fā)生變異，從而引發(fā)更多的使用問題。顯然，此時(shí)機(jī)床企業(yè)若還是依靠靜態(tài)指標(biāo)、被動(dòng)設(shè)計(jì)和機(jī)械式組裝模式，就很難滿足復(fù)雜工況和苛刻精度的使用要求。目前，高檔國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在研制與使用階段對(duì)高速高精度聯(lián)動(dòng)控制、復(fù)雜工況高效高精度加工、精度保持性和可靠性等方面的核心技術(shù)（圖1）還沒有真正掌握，這也導(dǎo)致機(jī)床企業(yè)所生產(chǎn)的機(jī)床性能上不去，高端用戶的市場份額占比很小。

1 高速高精度聯(lián)動(dòng)控制技術(shù)

多軸聯(lián)動(dòng)是數(shù)控機(jī)床與普通機(jī)床的本質(zhì)區(qū)別。在多軸聯(lián)動(dòng)高速加工過程中，各進(jìn)給軸絕大多數(shù)時(shí)間處在頻繁加減速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，勻速運(yùn)動(dòng)所占比例很小，而且各軸之間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和運(yùn)動(dòng)性能又各不相同，這就導(dǎo)致對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)過程的目標(biāo)軌跡精確控制變得十分困難[2-3]。因此，在高速高加速運(yùn)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)高精度聯(lián)動(dòng)控制是高檔數(shù)控機(jī)床面臨的主要挑戰(zhàn)，下面主要從機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)3個(gè)方面闡述其聯(lián)動(dòng)控制的核心技術(shù)問題。

機(jī)械系統(tǒng)是聯(lián)動(dòng)控制的對(duì)象，作為機(jī)床傳動(dòng)、支撐和導(dǎo)向的主體，在結(jié)構(gòu)上主要有單直線軸、轉(zhuǎn)擺臺(tái)、轉(zhuǎn)擺頭、結(jié)構(gòu)耦合多直線軸等多種形式，組成上主要包括基礎(chǔ)大件、移動(dòng)部件和各類動(dòng)靜結(jié)合部，其系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性取決于各種組成零部件動(dòng)態(tài)特性及各類動(dòng)靜結(jié)合部的物理特性，而其特性好壞又直接決定了伺服進(jìn)給系統(tǒng)的控制性能。在高速高加速條件下，機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式的分布位置變化、移動(dòng)部件的速度和加速度變化和所受負(fù)載的變化，都會(huì)造成機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性較準(zhǔn)靜態(tài)發(fā)生改變[4-9]。因此，機(jī)械環(huán)節(jié)面臨的核心問題是要分析系統(tǒng)零部件和動(dòng)靜結(jié)合部在不同位移/姿態(tài)和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)（速度、加速度）下所受到的移動(dòng)部件重力、加工切削力、預(yù)緊力、摩擦力和慣性力等多源力以及其物理行為特性，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)全工作狀態(tài)下的動(dòng)力學(xué)性能定量計(jì)算與分析，進(jìn)而對(duì)機(jī)械系統(tǒng)結(jié)構(gòu)形式、零部件布局和尺寸參數(shù)以及裝配過程參數(shù)等進(jìn)行主動(dòng)設(shè)計(jì)。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)是進(jìn)給系統(tǒng)的能量輸入環(huán)節(jié)，是實(shí)現(xiàn)進(jìn)給系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)力源。由于電機(jī)結(jié)構(gòu)非線性和驅(qū)動(dòng)電路非線性，直線電機(jī)及旋轉(zhuǎn)伺服電機(jī)輸出的力矩并不是名義指令力矩，而是存在多階干擾諧波成分。在高速高加速場合，進(jìn)給軸處于不斷加減速或頻繁換向狀態(tài)，此時(shí)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的跟隨誤差受到數(shù)控指令頻寬、伺服系統(tǒng)帶寬以及伺服參數(shù)的共同影響，僅靠調(diào)整伺服參數(shù)無法有效減小跟隨誤差和保證其運(yùn)動(dòng)性能。此外，在多軸聯(lián)動(dòng)加工場合，由于各軸的伺服特性、機(jī)械特性各不相同，數(shù)控系統(tǒng)分配給各軸的指令也不相同，導(dǎo)致各軸跟隨誤差不協(xié)調(diào)，造成聯(lián)動(dòng)精度下降[10-13]。因此，伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)面臨的核心問題是研究電機(jī)結(jié)構(gòu)非線性（磁鏈諧波、三相繞組不對(duì)稱、繞組匝間短路故障、齒槽效應(yīng)及直線電機(jī)特有的端部效應(yīng)等）和驅(qū)動(dòng)電路存在非線性（三相驅(qū)動(dòng)電壓不對(duì)稱、寄生電容、死區(qū)效應(yīng)以及電流傳感器反饋誤差等）因素對(duì)電機(jī)力/力矩特性的影響機(jī)制，提出基于諧波特征的先進(jìn)補(bǔ)償策略，實(shí)現(xiàn)中間解耦，并根據(jù)位移波動(dòng)的允差設(shè)計(jì)出先進(jìn)控制策略。另外，需研究加減速段伺服進(jìn)給系統(tǒng)跟隨誤差的形成機(jī)制，提出相應(yīng)的伺服控制方法，提高單軸控制精度和多軸聯(lián)動(dòng)精度。

數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)控機(jī)床的控制核心，是實(shí)現(xiàn)前瞻、加減速和插補(bǔ)、規(guī)劃進(jìn)給速度以及輸出控制指令的中樞。傳統(tǒng)插補(bǔ)器是基于恒進(jìn)給速度設(shè)計(jì)，加速度不連續(xù)，易對(duì)伺服進(jìn)給系統(tǒng)產(chǎn)生沖擊，引起系統(tǒng)振動(dòng)。為了生成平滑的指令速度和加速度，以樣條插補(bǔ)技術(shù)和小線段連續(xù)插補(bǔ)技術(shù)為代表的加速度連續(xù)或限制插補(bǔ)技術(shù)得到了發(fā)展和應(yīng)用[14-18]。但是，這些方法沒有考慮到伺服進(jìn)給系統(tǒng)的特性和機(jī)械慣性作用，在高速高精場合下，伺服系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)無法準(zhǔn)確及時(shí)復(fù)現(xiàn)指令輸入。因此，數(shù)控技術(shù)的核心問題是考慮伺服驅(qū)動(dòng)、進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械特性的速度規(guī)劃和聯(lián)動(dòng)控制策略，此外還需考慮結(jié)構(gòu)耦合對(duì)各軸運(yùn)動(dòng)的影響，通過分析加速度、慣性力與目標(biāo)點(diǎn)軌跡偏差之間的關(guān)系，將加速度作為優(yōu)化目標(biāo)，提出先進(jìn)的速度規(guī)劃方法。

2 復(fù)雜工況高效高精度加工技術(shù)

高效高精度加工是機(jī)床用戶追求的永恒目標(biāo)，加工工藝作為獲取優(yōu)質(zhì)零件的必要環(huán)節(jié)，其優(yōu)劣對(duì)零件加工質(zhì)量和效率有直接影響。當(dāng)前，機(jī)床用戶在切削加工編程階段由于缺乏對(duì)機(jī)床本體性能的認(rèn)識(shí)，僅考慮刀具與工件的幾何約束關(guān)系進(jìn)行工藝編程，工藝制定和參數(shù)選擇多憑人員的習(xí)慣和經(jīng)驗(yàn)。此外，在加工復(fù)雜型面零件時(shí)，強(qiáng)時(shí)變、參變的切削負(fù)載將激發(fā)工藝系統(tǒng)的復(fù)雜響應(yīng)，易導(dǎo)致加工過程失穩(wěn)、零件報(bào)廢。目前提高加工質(zhì)量的常用方法是采用“加工-分析-測量-修正-再加工”的思路，生產(chǎn)周期長，成本高。隨著對(duì)高效高精度加工的不斷追求，這種傳統(tǒng)的被動(dòng)式工藝制定流程難以充分發(fā)揮機(jī)床的使用效率。

實(shí)際上，加工過程與工藝系統(tǒng)之間存在交互機(jī)制，想要實(shí)現(xiàn)高效高精度加工，首先需研究切削過程與工藝系統(tǒng)之間的動(dòng)態(tài)交互作用機(jī)理[19-20]，針對(duì)不同機(jī)床性能、刀具性能和零件加工要求，綜合工藝系統(tǒng)特性和工藝過程，考慮物理性能約束，提出面向高效高精度加工的刀具路徑規(guī)劃與工藝參數(shù)優(yōu)化方法，實(shí)現(xiàn)工藝系統(tǒng)與加工過程的最優(yōu)匹配。其次，研究考慮加工過程影響的機(jī)床自適應(yīng)控制技術(shù)，在伺服驅(qū)動(dòng)環(huán)節(jié)和數(shù)控環(huán)節(jié)開發(fā)先進(jìn)控制策略，實(shí)現(xiàn)多源物理量在線測量、加工誤差分析與補(bǔ)償，提高加工效率和質(zhì)量。

3 精度保持性相關(guān)技術(shù)

精度保持性是評(píng)價(jià)數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床性能的主要瓶頸。當(dāng)前，國內(nèi)還沒有一個(gè)比較系統(tǒng)的精度保持性研究體系。另外，通過對(duì)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度衰退的調(diào)研，發(fā)現(xiàn)造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性差的原因主要是非正常磨損。

因此，為提高國產(chǎn)機(jī)床的精度保持性，需針對(duì)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造過程和使用環(huán)境，建立精度保持性理論體系，研究相應(yīng)的改善措施[21-22]。在幾何精度保持性方面，設(shè)計(jì)階段應(yīng)考慮導(dǎo)軌滑塊、絲杠螺母等動(dòng)結(jié)合部的壽命設(shè)計(jì)，考慮重力影響的大型結(jié)合面的精度設(shè)計(jì)；在制造階段實(shí)現(xiàn)內(nèi)應(yīng)力的合理控制，動(dòng)、靜結(jié)合面的小或無應(yīng)力裝配，最終減小移動(dòng)部件質(zhì)心位置變化造成的基礎(chǔ)件變形、基礎(chǔ)件內(nèi)應(yīng)力釋放變形、裝配應(yīng)力造成的螺栓蠕變等引起的導(dǎo)軌滑塊非正常磨損。在主軸精度保持性方面，重點(diǎn)研究主軸軸承間隙（配合）、軸承預(yù)緊力等裝配參數(shù)，以及主軸密封與潤滑方式，設(shè)計(jì)階段考慮服役狀態(tài)合理選擇軸承與主軸配合、冷卻參數(shù)以及密封結(jié)構(gòu)等。制造階段關(guān)注服役態(tài)下軸承預(yù)緊力保證措施，以減小軸承非正常磨損。在運(yùn)動(dòng)精度保持性方面，研究運(yùn)動(dòng)部件非正磨損造成的機(jī)械參數(shù)變化，電器參數(shù)老化造成的電器參數(shù)變化，以及兩者間的機(jī)電參數(shù)不匹配而引起的運(yùn)動(dòng)精度保持性衰退機(jī)理，研究機(jī)械參數(shù)、電器參數(shù)的辨識(shí)方法及自適應(yīng)控制算法，實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)精度的恢復(fù)與保持。在整機(jī)精度監(jiān)控方面，實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)床使用階段的工作環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)，選擇合適的監(jiān)控參數(shù)以及參數(shù)閾值，保證機(jī)床在正常條件下使用，也是延長精度保持性的有效措施。

4 可靠性相關(guān)技術(shù)

機(jī)床可靠性技術(shù)已成為機(jī)床行業(yè)最主要的關(guān)鍵技術(shù)之一，也是一直影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床市場信譽(yù)和競爭力的主要問題。經(jīng)過數(shù)十年的發(fā)展和積累，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床可靠性技術(shù)研究雖然在可靠性建模、故障分析、可靠性設(shè)計(jì)、可靠性試驗(yàn)和可靠性增長等方面取得了明顯進(jìn)展，但與國外機(jī)床相比還處于落后狀態(tài)。數(shù)控機(jī)床是一個(gè)故障模式多樣、故障機(jī)理復(fù)雜、故障可修復(fù)的復(fù)雜系統(tǒng)，其可靠性研究在技術(shù)上多學(xué)科相互交叉、時(shí)間上貫穿機(jī)床全生命周期、空間上涉及多部門協(xié)同，是一項(xiàng)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。國產(chǎn)機(jī)床可靠性所面臨的核心技術(shù)問題是，需針對(duì)機(jī)床全生命周期強(qiáng)化可靠性試驗(yàn)、建模、分析、設(shè)計(jì)等方面的基礎(chǔ)研究，深入開展機(jī)床制造可靠性、裝配可靠性、早期故障排除可靠性、使用可靠性、維修性設(shè)計(jì)和預(yù)防性維修策略等可靠性技術(shù)研究，提高可靠性數(shù)據(jù)積累能力，提出數(shù)控機(jī)床整機(jī)、功能部件和關(guān)鍵零件的可靠性概率設(shè)計(jì)方法，深入研究故障產(chǎn)生的物理本質(zhì)、故障相關(guān)性、故障模式及規(guī)律，重視維修性和可用性，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和使用全生命周期內(nèi)的可靠性增長，加快凝練出國產(chǎn)機(jī)床可靠性技術(shù)體系，制定可靠性技術(shù)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，提高國產(chǎn)機(jī)床可靠性[23-24]。

圖2 高檔數(shù)控機(jī)床產(chǎn)學(xué)研用深度融合Fig.2 Deep integration of industry-university-institute-user of advanced CNC machine tool

推動(dòng)技術(shù)發(fā)展的相關(guān)對(duì)策

1 產(chǎn)學(xué)研用深度融合

高檔數(shù)控機(jī)床作為制造業(yè)的核心裝備，其設(shè)計(jì)、制造和使用涉及多學(xué)科多領(lǐng)域的基礎(chǔ)理論和關(guān)鍵技術(shù)，整個(gè)生命周期需科研院所、機(jī)床制造企業(yè)、功能部件廠商和底層用戶等多個(gè)層面的共同參與，分工合作，這樣才能把高檔數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)掌握在自己的手中。高檔數(shù)控機(jī)床的技術(shù)需求來源于制造企業(yè)，技術(shù)應(yīng)用也在制造企業(yè)，但相應(yīng)的基礎(chǔ)研究卻在高校和科研院所。因此，高校和院所應(yīng)當(dāng)面向企業(yè)和用戶需求，發(fā)揮自身在基礎(chǔ)理論研究方面的深厚功底，在機(jī)理研究透徹的基礎(chǔ)上，形成一批國產(chǎn)機(jī)床設(shè)計(jì)、制造及使用所亟需的關(guān)鍵核心技術(shù)，即應(yīng)是支撐設(shè)計(jì)、制造和應(yīng)用的工具軟件和工藝規(guī)范，支撐企業(yè)開發(fā)新產(chǎn)品或?qū)崿F(xiàn)改造和升級(jí)，努力使關(guān)鍵核心技術(shù)在機(jī)床企業(yè)發(fā)揮作用。同時(shí)，國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)應(yīng)該摒棄傳統(tǒng)機(jī)床組裝思維，實(shí)施全面性、持續(xù)性、長期性的規(guī)劃與布局，與科研院所深度融合，走國產(chǎn)機(jī)床自主創(chuàng)新的道路。另外，國內(nèi)機(jī)床用戶也要發(fā)揮其對(duì)工藝熟悉的優(yōu)勢，積極反饋一線需求與信息，規(guī)劃好整機(jī)研制技術(shù)需求。此外，機(jī)床產(chǎn)業(yè)發(fā)展需建立關(guān)鍵技術(shù)的有效促進(jìn)、突破與評(píng)估機(jī)制，以及真正技術(shù)人才的合理評(píng)價(jià)、培育和激勵(lì)機(jī)制，努力形成科研院校、制造企業(yè)和用戶相互依存的健康產(chǎn)業(yè)生態(tài)，實(shí)現(xiàn)各自在整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈上的協(xié)同與集成，避免重復(fù)性研究，通過優(yōu)勢互補(bǔ)，深度融合，共同促進(jìn)核心技術(shù)和共性技術(shù)的掌握與自主創(chuàng)新，促進(jìn)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床向高端發(fā)展（圖2）。

2 關(guān)注數(shù)控機(jī)床整機(jī)集成設(shè)計(jì)技術(shù)

高檔數(shù)控機(jī)床是典型的復(fù)雜機(jī)電集成系統(tǒng)，內(nèi)容上涵蓋機(jī)、電、控制等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，從組成上可劃分為數(shù)控、伺服、機(jī)械和加工工藝4個(gè)部分，整個(gè)生命周期又可分為設(shè)計(jì)、制造和使用3個(gè)階段。隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)數(shù)控機(jī)床的使用要求越來越高，其使用工況往往復(fù)雜多變，造成每個(gè)組成環(huán)節(jié)表現(xiàn)出不同的特點(diǎn)，而各個(gè)環(huán)節(jié)的性能好壞對(duì)最終零件的加工效率和質(zhì)量都有直接影響。此時(shí)，傳統(tǒng)的數(shù)控、伺服、機(jī)械環(huán)節(jié)之間的割裂設(shè)計(jì)，機(jī)床與工藝缺乏統(tǒng)籌考慮的機(jī)床研制流程很難滿足用戶的高標(biāo)準(zhǔn)和高要求，因而需要從加工工藝研究出發(fā)，面向高精度高效率的加工目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床整機(jī)的集成設(shè)計(jì)。綜合考慮機(jī)床的復(fù)雜運(yùn)行工況，尤其是多軸聯(lián)動(dòng)高速、高加速條件下的機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和數(shù)控系統(tǒng)物理特性的變異與演變，實(shí)現(xiàn)機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性主動(dòng)設(shè)計(jì)、伺服控制系統(tǒng)先進(jìn)控制與補(bǔ)償、機(jī)電耦合系統(tǒng)高精度聯(lián)動(dòng)控制，以及在使用階段的考慮工藝系統(tǒng)特性的高效高精度加工工藝規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)數(shù)控機(jī)床服役時(shí)機(jī)床工藝系統(tǒng)與工藝過程的最佳匹配。

3 加快技術(shù)突破與適度自主創(chuàng)新

數(shù)控機(jī)床關(guān)鍵技術(shù)的突破與自主創(chuàng)新是推進(jìn)數(shù)控機(jī)床研制水平不斷提升的源頭，也是推動(dòng)其向高端發(fā)展的重要保障。但是必須清醒認(rèn)識(shí)到，任何技術(shù)的突破和創(chuàng)新必須尊重其發(fā)展的必然規(guī)律，是要在長期的積累基礎(chǔ)上才能實(shí)現(xiàn)的，是量變到質(zhì)變的過程。針對(duì)數(shù)控機(jī)床這樣一種涉及多學(xué)科知識(shí)，同時(shí)必須產(chǎn)學(xué)研用融合才能做好的機(jī)電裝備，要想實(shí)現(xiàn)真正的創(chuàng)新還有很長的路要走。根據(jù)我國目前數(shù)控機(jī)床單元技術(shù)以及整機(jī)技術(shù)的現(xiàn)狀，以及基礎(chǔ)研究方面的積累，機(jī)床行業(yè)在加快技術(shù)突破與自主創(chuàng)新時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注以下3個(gè)方面：第一，應(yīng)注重單元技術(shù)的突破與創(chuàng)新，根據(jù)目前我國所掌握的機(jī)床相關(guān)技術(shù)現(xiàn)狀，欲想實(shí)現(xiàn)機(jī)床的整機(jī)或全方位創(chuàng)新，應(yīng)該是很難的，但是如果在某些單元技術(shù)層面有所突破應(yīng)該是可能的。第二，應(yīng)注重與新技術(shù)相結(jié)合來提高機(jī)床的性能或擴(kuò)展其功能，例如借助互聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)在設(shè)備的遠(yuǎn)程診斷或遠(yuǎn)程維護(hù)等方面是大有作為的，還可借助手機(jī)APP等軟件為用戶的使用提供方便。第三，應(yīng)注重對(duì)用戶工藝的研究，在此基礎(chǔ)上，開發(fā)專用機(jī)床或增加機(jī)床的專用功能等方面均有比較大的創(chuàng)新或突破空間。

4 瞄準(zhǔn)機(jī)床智能化發(fā)展趨勢

智能化是當(dāng)前數(shù)控機(jī)床發(fā)展的主要趨勢，在加快國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床核心技術(shù)研究的同時(shí)，抓住機(jī)床智能化發(fā)展方向?qū)μ嵘龜?shù)控機(jī)床整體性能和促進(jìn)制造業(yè)向高端發(fā)展具有重要意義。當(dāng)前，需重點(diǎn)從數(shù)控機(jī)床單機(jī)智能化著手，重點(diǎn)研究：加工前單機(jī)的智能預(yù)測，優(yōu)化加工工藝，減小工藝輔助時(shí)間；加工過程中的單機(jī)運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控、感知、智能診斷與調(diào)整，復(fù)雜工況的工藝自學(xué)習(xí)、邏輯推理、優(yōu)化決策與自適應(yīng)控制功能；加工后的在機(jī)智能檢測與在線評(píng)估。在單機(jī)智能技術(shù)掌握的基礎(chǔ)上，向智能生產(chǎn)線、智能工廠發(fā)展。由于企業(yè)大數(shù)據(jù)具有巨大的隱形價(jià)值，其中包括諸多有益的工藝信息與知識(shí)，可通過生產(chǎn)線與大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代化技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，積極提升機(jī)床制造企業(yè)和用戶的智能制造水平，實(shí)現(xiàn)真正的“中國智造”。

結(jié)束語

國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床經(jīng)歷數(shù)十年的發(fā)展與積累，已經(jīng)取得了長足進(jìn)步，但與國外機(jī)床相比，雖然外形上相似，功能上基本接近，但性能差距還很大。為此，國內(nèi)機(jī)床產(chǎn)業(yè)應(yīng)當(dāng)清醒認(rèn)識(shí)自主能力薄弱，核心技術(shù)、關(guān)鍵功能部件受制于人的現(xiàn)狀，抓住信息化與智能化的結(jié)合契機(jī)與發(fā)展方向，加快推動(dòng)產(chǎn)學(xué)研用深度融合，專心致力于基礎(chǔ)研究的積累、核心技術(shù)的突破，注意適度創(chuàng)新，努力實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床性能“質(zhì)”的提升。

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