[size=6 ]數控技術(shù)崛起中的反遏制和技術(shù)對抗
裝備制造業(yè)的崛起是對中國工業(yè)現代化和國家綜合國力提升的重要支持。制造業(yè)進(jìn)步一方面提升物質(zhì)生產(chǎn)能力，解決關(guān)鍵裝備的制造問(wèn)題，另一方面制造業(yè)的共性技術(shù)軍民兩用，對國防和國家安全意義重大。數控技術(shù)是支持現代裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)群，直接決定制造裝備的功能和性能，是信息化帶動(dòng)工業(yè)化進(jìn)程中裝備層的關(guān)鍵技術(shù)，屬于支持先進(jìn)制造技術(shù)的重要基礎技術(shù)群。而且數控技術(shù)以高精度隨動(dòng)控制和多運動(dòng)協(xié)同控制為主要特征，與自動(dòng)火炮控制、雷達控制以及陀螺導航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎，具有典型的軍民兩用的應用特征。
1、國際競爭環(huán)境對中國數控技術(shù)崛起的遏制
正是因為數控技術(shù)軍民兩用的特征，國際競爭環(huán)境對中國數控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統”到考克斯報告的技術(shù)封鎖階段，到通過(guò)合資辦廠(chǎng)，本地化生產(chǎn)，低端產(chǎn)品傾銷(xiāo)，渙散中國國內的自主研發(fā)力量均可體現遏制意圖。相當多的事實(shí)證明我們試圖通過(guò)引進(jìn)技術(shù)，“以市場(chǎng)換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結果往往是市場(chǎng)也丟了，技術(shù)卻沒(méi)換回來(lái)。目前以日本FANUC和SIEMENS為首的控制器巨頭的產(chǎn)品壟斷市場(chǎng)80%以上，高端產(chǎn)品不僅壟斷，而且限制中國進(jìn)口。中國通過(guò)近20年持續不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數控廠(chǎng)商，在中低端市場(chǎng)打開(kāi)局面，形成了一定市場(chǎng)規模；但在技術(shù)密集的中高端控制器市場(chǎng)，國產(chǎn)控制器規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技術(shù)進(jìn)步。
行業(yè)專(zhuān)家坦言“中國數控機床技術(shù)水平與世界發(fā)達國家相差起碼15年”。日本國際經(jīng)濟學(xué)家長(cháng)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(lái)取決于日本》的文章。文章說(shuō)，在汽車(chē)制造業(yè)，生產(chǎn)汽車(chē)部件的機床年均工作時(shí)間高達3500小時(shí)，也只有日本制造的機床能保證連續5年性能不變�！皼](méi)有日本的機床，中國的汽車(chē)產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長(cháng)谷川慶太郎預測：中國對日本的依賴(lài)只會(huì )越來(lái)越加強而不會(huì )越來(lái)越削弱。這就意味著(zhù)“日本越來(lái)越有能力控制中國”�？陀^(guān)分析這篇文章，拋棄日本少數學(xué)者狂躁的心態(tài)，僅就裝備制造業(yè)中以數控系統為代表的制造裝備關(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看，文章的觀(guān)點(diǎn)是應當喚起我們的憂(yōu)患意識。
2、數控技術(shù)具有突破遏制的技術(shù)條件和產(chǎn)業(yè)條件
打破國外對我們數控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對國外技術(shù)的依存度，選擇有技術(shù)支持條件的關(guān)鍵技術(shù)作為突破口，主動(dòng)突破，才能爭取競爭上的主動(dòng)。數控技術(shù)在近十年計算機軟硬件技術(shù)和通信技術(shù)進(jìn)步的支持下，具備關(guān)鍵技術(shù)突破口的條件。從產(chǎn)業(yè)的角度看數控控制器產(chǎn)品的基本特征，可以概括為專(zhuān)用的工業(yè)計算機；伺服驅動(dòng)系統產(chǎn)品的特征是驅動(dòng)電機專(zhuān)用的工業(yè)電源；伺服電機產(chǎn)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(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國完全具備高端數控系統產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類(lèi)似產(chǎn)業(yè)特征的產(chǎn)品的產(chǎn)能是世界領(lǐng)先的。因此，跳出狹義的運動(dòng)控制器制造領(lǐng)域，從中國產(chǎn)業(yè)全局看，數控系統產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數控系統產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)特征是技術(shù)的軟件化。運行在數字控制器和伺服驅動(dòng)器上的軟件承載了系統的主要功能和性能的實(shí)現。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭將更多轉化為基于軟件技術(shù)、控制技術(shù)和制造技術(shù)的智力層面的比拼和以技術(shù)融合為特征的工程層面的比拼。
3、突破技術(shù)遏制的關(guān)鍵是建立適合核心技術(shù)體系生長(cháng)的自主創(chuàng )新平臺
反遏制的關(guān)鍵是構建適合核心技術(shù)體系生長(cháng)的自主創(chuàng )新平臺，從被動(dòng)的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃?dòng)的技術(shù)對抗。高端數控技術(shù)不僅僅是控制器的問(wèn)題，而是關(guān)聯(lián)電機、驅動(dòng)、測量、通訊、計算機軟硬件技術(shù)以及機床測試、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節都將對最終的設備控制效果產(chǎn)生影響。
以高速高精度高響應運動(dòng)控制為例來(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。從FANUC公開(kāi)的材料上看，控制分辨率提升到納米可以將被加工產(chǎn)品的精度提高一倍，表面質(zhì)量提高一倍。但這一結果需要控制器全面的技術(shù)提升。對于高速度運動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現而言，基于超前讀機制的運動(dòng)軌跡分析和預測是必需的。這一機制將對系統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(dòng)控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補器的計算精度要從1個(gè)um提升到1個(gè)nm，計算字長(cháng)要增加三位，有效計算精度要提升3個(gè)數量級。軟件平臺要支持相應字長(cháng)的計算。另一方面控制節拍也需要相應提高，否則單純的指令精度提高沒(méi)有意義。這當然對系統的計算負荷有更高的需求，系統硬件平臺要具有更高的速度。僅在控制器內實(shí)現這個(gè)分辨率是不夠的，還要將這個(gè)控制量送給伺服驅動(dòng)裝置。由于有效字長(cháng)的擴充，控制節拍的提高，相應通訊代寬的需求也要提高。對伺服通訊問(wèn)題一定要采用數字方式，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(wèn)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(jīng)提升到200萬(wàn)線(xiàn)-400萬(wàn)線(xiàn)了，這樣才能夠與現有的機械裝置配合實(shí)現納米級控制。我們國內的控制器產(chǎn)品的傳感器大多在2000或2500左右。這種傳感技術(shù)的差距直接導致我們的驅動(dòng)裝置的調速比上不去，速度平穩性有差距。高分辨率的傳感器還面臨另一個(gè)問(wèn)題就是傳感器接口問(wèn)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字通訊協(xié)議是必須要解決的問(wèn)題。伺服本身高精度控制的問(wèn)題也是必須要解決的問(wèn)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(wèn)題直指高精度伺服控制的核心問(wèn)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(guò)程中許多控制技術(shù)都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識別、滑膜控制和變參數控制等等。
實(shí)現高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅動(dòng)裝置是不夠的。電機設計本身就是直接影響運動(dòng)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(dòng)器實(shí)現低速的平穩控制。許多高精度驅動(dòng)裝置的廠(chǎng)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(shù)與伺服驅動(dòng)技術(shù)是部門(mén)割裂的，有的甚至沒(méi)有電機技術(shù)支持單搞伺服驅動(dòng)。在研究高精度運動(dòng)控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們在控制算法的相關(guān)研究中的時(shí)間和實(shí)施成本。在仿真技術(shù)支持的同時(shí)，還需要研制有關(guān)的試驗平臺，用來(lái)評價(jià)運動(dòng)控制的效果，評價(jià)伺服驅動(dòng)和電機的性能。例如，如何評價(jià)低速平穩性和剛度等。
上面僅以高速高精度運動(dòng)控制技術(shù)為例說(shuō)明高檔控制器技術(shù)是一個(gè)耦合緊密的技術(shù)學(xué)科群。作為高端數控技術(shù)的技術(shù)創(chuàng )新體系應當具有技術(shù)鏈的完整性，因此我們稱(chēng)這樣的技術(shù)創(chuàng )新體系為“技術(shù)創(chuàng )新平臺”。這樣的技術(shù)創(chuàng )新平臺建設投入是巨大的。以日本FANUC 公司為例，在技術(shù)上保持領(lǐng)先，在產(chǎn)量上居世界第一，該公司現有職工3674人，科研人員超過(guò)600人，月產(chǎn)能力7000套，銷(xiāo)售額在世界市場(chǎng)上占50％，研發(fā)投入為銷(xiāo)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(guò)包括高等院校和其他研究機構在內，以產(chǎn)業(yè)鏈和技術(shù)聯(lián)為內在聯(lián)系的企業(yè)技術(shù)創(chuàng )新聯(lián)盟，整合技術(shù)資源，形成新型的產(chǎn)學(xué)研創(chuàng )新組織，在國家有關(guān)政策支持和指導下實(shí)現相關(guān)多技術(shù)緊密耦合的創(chuàng )新技術(shù)平臺，才可能實(shí)現技術(shù)跨越。
4、把握數控核心技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向
充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，把握數控核心技術(shù)的發(fā)展動(dòng)向，有所為有所不為。處于后進(jìn)競爭狀態(tài)的中國裝備控制器產(chǎn)業(yè)必須充分利用新的技術(shù)手段，把握數控技術(shù)的發(fā)展方向，根據自己的實(shí)際情況，有所為有所不為，形成后發(fā)優(yōu)勢，加快技術(shù)進(jìn)步的步伐，才能實(shí)現追趕和跨越。
首先需要明確中國數控技術(shù)需要的發(fā)展方向。我們可以從SIEMENS數控系統對華出口限制的方向中受到啟發(fā)。這些功能絕大多數十被認為直接影響歐洲裝備核心競爭力的功能。
SIEMENS的數控系統專(zhuān)門(mén)分為出口型和標準型。出口型中對大量功能群進(jìn)行了限制。非歐盟用戶(hù)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(gè)重要的技術(shù)方向：
（1）復雜運動(dòng)規律的控制技術(shù)。
上表中的“螺旋線(xiàn)插補2D+6”、“5軸加工程序包”、“多軸插補（4軸）”都屬于這一技術(shù)方向。復雜型面和曲線(xiàn)的運動(dòng)控制屬于數控基礎中的基礎技術(shù)，也是負責工藝裝備的現實(shí)需求。特別是五軸加工控制技術(shù)，是復雜曲面加工的基礎支持技術(shù)。該技術(shù)是關(guān)系到航空航天制造業(yè)、武器裝備制造業(yè)、動(dòng)力裝備制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。
（2）多軸耦合關(guān)系運動(dòng)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(dòng)數值耦合和曲線(xiàn)列表插補”，“電子齒輪單元”，“連續修正”，“測量2級”都體現了上述特征。上述功能的共性特征是某坐標軸運動(dòng)不再是受計劃性軌跡執行，而是與其他軸的運動(dòng)或邏輯量具有某種耦合關(guān)系或者協(xié)同關(guān)系，即實(shí)時(shí)插補過(guò)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(jīng)典插補運動(dòng)控制的重要補充。
（3） 開(kāi)放式結構。
上表中的“開(kāi)放式結構NC核心編譯循環(huán)”和“同步操作”都屬于這一技術(shù)方向�！伴_(kāi)放式結構NC核心編譯循環(huán)”引擎支持用戶(hù)將自己編寫(xiě)的控制功能加入系統中，并可按照指定的執行頻度周期性執行。而“同步操作”是用戶(hù)以高級語(yǔ)言的形式約定執行條件和執行動(dòng)作。這兩項功能分別體現了控制系統不同層次的開(kāi)放，一種是執行引擎的開(kāi)放，另一種是用戶(hù)語(yǔ)言層面的開(kāi)放。這類(lèi)的技術(shù)顯然有利于主機廠(chǎng)的快速響應工藝需求，將自己專(zhuān)有的技術(shù)融入到控制器中，二次開(kāi)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(shù)的融合。
上表中的“內部驅動(dòng)變量評價(jià)”就屬于這一技術(shù)方向。伺服驅動(dòng)裝置的性能直接影響整個(gè)數控系統的控制表現和整個(gè)裝備的性能表現。因此，伺服驅動(dòng)相關(guān)技術(shù)也成為高端控制器技術(shù)群的重要基礎。由于伺服驅動(dòng)裝置嵌入式系統的特點(diǎn)，運算資源、存儲資源和人機交互能力的局限性，伺服系統參數的可視化和優(yōu)化需要通過(guò)上位的數字控制器來(lái)實(shí)現。因此，控制器技術(shù)與伺服驅動(dòng)技術(shù)的技術(shù)融合就成為數控技術(shù)發(fā)展的重要方向。這一技術(shù)特點(diǎn)可以從許多控制器產(chǎn)品中得到映證。
上述四大技術(shù)方向對數字化裝備的進(jìn)步非常重要。我國的數控技術(shù)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(shù)遏制的技術(shù)策略
在技術(shù)實(shí)施的策略上，充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段是重要的技術(shù)策略。近十年來(lái)計算機軟硬件技術(shù)的進(jìn)步為我們在數控技術(shù)領(lǐng)域實(shí)現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(shí)也簡(jiǎn)化了系統的硬件體系結構。多樣的嵌入式操作系統為控制器軟件提供了方便的應用接口。包括工業(yè)現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)的計算機通信技術(shù)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(shù)的日趨成熟為軟件質(zhì)量的保障和軟件體系結構的可持續發(fā)展提供了指導。電力電子技術(shù)的進(jìn)步為更大功率的伺服驅動(dòng)提供了安全可靠的支持。上述技術(shù)僅是近十年工程技術(shù)領(lǐng)域進(jìn)步的很小部分，充分關(guān)注工程技術(shù)領(lǐng)域通用技術(shù)的進(jìn)步，使新技術(shù)成為我們的后發(fā)優(yōu)勢，對于我們加速技術(shù)追趕實(shí)現技術(shù)跨越意義重大。
在技術(shù)實(shí)施策略上，充分實(shí)現制造技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的融合是重要的技術(shù)策略。制造技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的融合是符合數控技術(shù)鏈的技術(shù)特征的。制造技術(shù)是數控技術(shù)需求的源泉，開(kāi)發(fā)符合中國產(chǎn)業(yè)模式和制造技術(shù)特點(diǎn)的控制器是拉動(dòng)國產(chǎn)控制器技術(shù)進(jìn)步的重要動(dòng)力，也是發(fā)揮控制器競爭優(yōu)勢的基本出發(fā)點(diǎn)�？刂萍夹g(shù)是數控技術(shù)的主體內容，是技術(shù)鏈的核心。計算機技術(shù)是數控技術(shù)的重要支持。一方面在計算機仿真技術(shù)支持下，通過(guò)對制造過(guò)程的物理過(guò)程仿真，為控制技術(shù)提供基本的控制模型和控制策略的依據；另一方面計算機技術(shù)也是控制技術(shù)實(shí)施的重要載體。因此，在數控技術(shù)學(xué)科群建設和技術(shù)鏈鏈接過(guò)程中要充分實(shí)現制造技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的融合。
6、結論
我國的數控技術(shù)的進(jìn)步和發(fā)展除了技術(shù)本身的問(wèn)題外，還需要國家政策的鼓勵和扶持，以及制造裝備廠(chǎng)商的支持。特別是要解決首臺首套的應用示范工程，一方面將國內外數控技術(shù)水平的差異量化，明確國產(chǎn)控制器的努力方向；另一方面，打破進(jìn)口品牌的神話(huà)，為國產(chǎn)品牌的數控產(chǎn)品的應用推廣提供機遇。中國的數控技術(shù)趕超世界先進(jìn)水平是任重而道遠，相信在建設創(chuàng )新型國家的社會(huì )氛圍下，通過(guò)以企業(yè)為核心的新型產(chǎn)學(xué)研創(chuàng )新模式組織下，充分利用通用技術(shù)領(lǐng)域的新技術(shù)手段，實(shí)現制造技術(shù)、控制技術(shù)和計算機技術(shù)的融合，通過(guò)堅持不懈的努力，自主創(chuàng )新，逐步打破技術(shù)封鎖和遏制，加速技術(shù)進(jìn)步，是大有希望的。
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