中國數(shù)控技術(shù)必須盡快突破技術(shù)遏制 １
數(shù)控系統(tǒng)是數(shù)字控制系統(tǒng)簡稱，英文名稱為Numerical Control System，早期是由硬件電路構(gòu)成的稱為硬件數(shù)控（Hard NC），1970年代以后，硬件電路元件逐步由專用的計(jì)算機(jī)代替稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控系統(tǒng)。數(shù)控系統(tǒng)之于機(jī)床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，中國數(shù)控技術(shù)必須盡快突破技術(shù)遏制
數(shù)控系統(tǒng)之于機(jī)床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，是大腦，是心臟。數(shù)控技術(shù)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對(duì)信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。另外，數(shù)控技術(shù)以高精度隨動(dòng)控制和多運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制為主要特征，與自動(dòng)火炮控制、雷達(dá)控制以及陀螺導(dǎo)航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎(chǔ)，具有典型的軍民兩用的應(yīng)用特征。
正是因?yàn)閿?shù)控技術(shù)軍民兩用的特征，國際競爭環(huán)境對(duì)中國數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報(bào)告的技術(shù)封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產(chǎn)，低端產(chǎn)品傾銷，渙散中國國內(nèi)的自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當(dāng)多的事實(shí)證明我們?cè)噲D通過引進(jìn)技術(shù)，“以市場(chǎng)換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場(chǎng)也丟了，技術(shù)卻沒換回來。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。中國通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場(chǎng)打開局面，形成了一定市場(chǎng)規(guī)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(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(shù)進(jìn)步。
行業(yè)專家坦言“中國數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平與世界發(fā)達(dá)國家相差起碼15年”。日本國際經(jīng)濟(jì)學(xué)家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號(hào)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(chǎn)汽車部件的機(jī)床年均工作時(shí)間高達(dá)3500小時(shí)，也只有日本制造的機(jī)床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機(jī)床，中國的汽車產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長谷川慶太郎預(yù)測(cè)：中國對(duì)日本的依賴只會(huì)越來越加強(qiáng)而不會(huì)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(xué)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(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看，文章的觀點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)喚起我們的憂患意識(shí)。
打破國外對(duì)我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對(duì)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(shù)控技術(shù)在近十年計(jì)算機(jī)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(shù)控控制器產(chǎn)品的基本特征，可以概括為專用的工業(yè)計(jì)算機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動(dòng)電機(jī)專用的工業(yè)電源；伺服電機(jī)產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機(jī)。針對(duì)這些產(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類似產(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(yùn)動(dòng)控制器制造領(lǐng)域，從中國產(chǎn)業(yè)全局看，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)特征是技術(shù)的軟件化。運(yùn)行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實(shí)現(xiàn)。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭將更多轉(zhuǎn)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。
反遏制的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心技術(shù)體系生長的自主創(chuàng)新平臺(tái)，從被動(dòng)的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃?dòng)的技術(shù)對(duì)抗。高端數(shù)控技術(shù)不僅僅是控制器的問題，而是關(guān)聯(lián)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、通訊、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及機(jī)床測(cè)試、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節(jié)都將對(duì)最終的設(shè)備控制效果產(chǎn)生影響。
以高速高精度高響應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制為例來說明這個(gè)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(chǎn)品的精度提高一倍，表面質(zhì)量提高一倍。但這一結(jié)果需要控制器全面的技術(shù)提升。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，基于超前讀機(jī)制的運(yùn)動(dòng)軌跡分析和預(yù)測(cè)是必需的。這一機(jī)制將對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運(yùn)動(dòng)控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補(bǔ)器的計(jì)算精度要從1個(gè)um提升到1個(gè)nm，計(jì)算字長要增加三位，有效計(jì)算精度要提升3個(gè)數(shù)量級(jí)。軟件平臺(tái)要支持相應(yīng)字長的計(jì)算。另一方面控制節(jié)拍也需要相應(yīng)提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當(dāng)然對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺(tái)要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)分辨率是不夠的，還要將這個(gè)控制量送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由于有效字長的擴(kuò)充，控制節(jié)拍的提高，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高。對(duì)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(cè)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(jīng)提升到200萬線～400萬線了，這樣才能夠與現(xiàn)有的機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。我們國內(nèi)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(dǎo)致我們的驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)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(gè)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(qiáng)調(diào)HRV（高響應(yīng)矢量控制），三菱強(qiáng)調(diào)OMR（優(yōu)化機(jī)械響應(yīng)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(yīng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)。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(chǔ)。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術(shù)都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識(shí)別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。
實(shí)現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動(dòng)裝置是不夠的。電機(jī)設(shè)計(jì)本身就是直接影響運(yùn)動(dòng)控制效果的重要因素。對(duì)于永磁同步伺服電機(jī)而言，良好的反電勢(shì)正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動(dòng)裝置的廠商本身也是電機(jī)制造商。在很多國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，電機(jī)技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是部門割裂的，有的甚至沒有電機(jī)技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動(dòng)。在研究高精度運(yùn)動(dòng)控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們?cè)诳刂扑惴ǖ南嚓P(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(yàn)平臺(tái)，用來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制的效果，評(píng)價(jià)伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的性能。例如，如何評(píng)價(jià)低速平穩(wěn)性和剛度等。
數(shù)控系統(tǒng)之于機(jī)床，就像CPU（中央處理器）之于電腦，是大腦，是心臟。數(shù)控技術(shù)是改造傳統(tǒng)機(jī)械加工裝備產(chǎn)業(yè)、構(gòu)建數(shù)字化企業(yè)的重要基礎(chǔ)，它的發(fā)展一直備受人們關(guān)注。數(shù)控機(jī)床以其卓越的柔性自動(dòng)化的性能、優(yōu)異而穩(wěn)定的精度、靈捷而多樣化的功能引起世人矚目，它開創(chuàng)了機(jī)械產(chǎn)品向機(jī)電一體化發(fā)展的先河，因此數(shù)控技術(shù)成為先進(jìn)制造技術(shù)中的一項(xiàng)核心技術(shù)。另一方面，通過持續(xù)的開發(fā)研究以及對(duì)信息技術(shù)的深化應(yīng)用促進(jìn)了數(shù)控機(jī)床性能和質(zhì)量的進(jìn)一步提升，使數(shù)控機(jī)床成為國民經(jīng)濟(jì)和國防建設(shè)發(fā)展的重要制造裝備。另外，數(shù)控技術(shù)以高精度隨動(dòng)控制和多運(yùn)動(dòng)協(xié)同控制為主要特征，與自動(dòng)火炮控制、雷達(dá)控制以及陀螺導(dǎo)航控制技術(shù)具有共性的技術(shù)基礎(chǔ)，具有典型的軍民兩用的應(yīng)用特征。
正是因?yàn)閿?shù)控技術(shù)軍民兩用的特征，國際競爭環(huán)境對(duì)中國數(shù)控技術(shù)崛起的遏制意圖明顯。從“巴統(tǒng)”到考克斯報(bào)告的技術(shù)封鎖階段，到通過合資辦廠，本地化生產(chǎn)，低端產(chǎn)品傾銷，渙散中國國內(nèi)的自主研發(fā)力量均可體現(xiàn)遏制意圖。相當(dāng)多的事實(shí)證明我們?cè)噲D通過引進(jìn)技術(shù)，“以市場(chǎng)換技術(shù)”的美好愿望只是一廂情愿，結(jié)果往往是市場(chǎng)也丟了，技術(shù)卻沒換回來。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。中國通過近20年持續(xù)不斷的技術(shù)攻關(guān)和市場(chǎng)培育，誕生了一批數(shù)控廠商，在中低端市場(chǎng)打開局面，形成了一定市場(chǎng)規(guī)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(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(shù)進(jìn)步。
行業(yè)專家坦言“中國數(shù)控機(jī)床技術(shù)水平與世界發(fā)達(dá)國家相差起碼15年”。日本國際經(jīng)濟(jì)學(xué)家長谷川慶太郎，在日本《呼聲》月刊2005年5月號(hào)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(chǎn)汽車部件的機(jī)床年均工作時(shí)間高達(dá)3500小時(shí)，也只有日本制造的機(jī)床能保證連續(xù)5年性能不變。“沒有日本的機(jī)床，中國的汽車產(chǎn)業(yè)將寸步難行”。 長谷川慶太郎預(yù)測(cè)：中國對(duì)日本的依賴只會(huì)越來越加強(qiáng)而不會(huì)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(xué)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(guān)鍵部件技術(shù)和產(chǎn)品上的差距上看，文章的觀點(diǎn)是應(yīng)當(dāng)喚起我們的憂患意識(shí)。
打破國外對(duì)我們數(shù)控技術(shù)遏制的主要手段就是降低對(duì)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(shù)控技術(shù)在近十年計(jì)算機(jī)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(shù)控控制器產(chǎn)品的基本特征，可以概括為專用的工業(yè)計(jì)算機(jī)；伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)產(chǎn)品的特征是驅(qū)動(dòng)電機(jī)專用的工業(yè)電源；伺服電機(jī)產(chǎn)品的特征是裝有高精度位置反饋原件的高精度電機(jī)。針對(duì)這些產(chǎn)品特征，從產(chǎn)業(yè)角度看，中國完全具備高端數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)條件的，有些具有類似產(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(yùn)動(dòng)控制器制造領(lǐng)域，從中國產(chǎn)業(yè)全局看，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)突破是具有產(chǎn)業(yè)支持條件的。數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的另一個(gè)特征是技術(shù)的軟件化。運(yùn)行在數(shù)字控制器和伺服驅(qū)動(dòng)器上的軟件承載了系統(tǒng)的主要功能和性能的實(shí)現(xiàn)。因此在這一產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的競爭將更多轉(zhuǎn)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。
反遏制的關(guān)鍵是構(gòu)建適合核心技術(shù)體系生長的自主創(chuàng)新平臺(tái)，從被動(dòng)的技術(shù)追趕變?yōu)橹鲃?dòng)的技術(shù)對(duì)抗。高端數(shù)控技術(shù)不僅僅是控制器的問題，而是關(guān)聯(lián)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)、測(cè)量、通訊、計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)以及機(jī)床測(cè)試、仿真等技術(shù)的技術(shù)學(xué)科群。這些技術(shù)環(huán)節(jié)都將對(duì)最終的設(shè)備控制效果產(chǎn)生影響。
以高速高精度高響應(yīng)運(yùn)動(dòng)控制為例來說明這個(gè)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(chǎn)品的精度提高一倍，表面質(zhì)量提高一倍。但這一結(jié)果需要控制器全面的技術(shù)提升。對(duì)于高速度運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)的實(shí)現(xiàn)而言，基于超前讀機(jī)制的運(yùn)動(dòng)軌跡分析和預(yù)測(cè)是必需的。這一機(jī)制將對(duì)系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)提出更高的要求。軌跡平滑和加加速度控制都是在高速運(yùn)動(dòng)控制中避免沖擊的必要技術(shù)手段。插補(bǔ)器的計(jì)算精度要從1個(gè)um提升到1個(gè)nm，計(jì)算字長要增加三位，有效計(jì)算精度要提升3個(gè)數(shù)量級(jí)。軟件平臺(tái)要支持相應(yīng)字長的計(jì)算。另一方面控制節(jié)拍也需要相應(yīng)提高，否則單純的指令精度提高沒有意義。這當(dāng)然對(duì)系統(tǒng)的計(jì)算負(fù)荷有更高的需求，系統(tǒng)硬件平臺(tái)要具有更高的速度。僅在控制器內(nèi)實(shí)現(xiàn)這個(gè)分辨率是不夠的，還要將這個(gè)控制量送給伺服驅(qū)動(dòng)裝置。由于有效字長的擴(kuò)充，控制節(jié)拍的提高，相應(yīng)通訊代寬的需求也要提高。對(duì)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(cè)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(jīng)提升到200萬線～400萬線了，這樣才能夠與現(xiàn)有的機(jī)械裝置配合實(shí)現(xiàn)納米級(jí)控制。我們國內(nèi)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(dǎo)致我們的驅(qū)動(dòng)裝置的調(diào)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(gè)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(qiáng)調(diào)HRV（高響應(yīng)矢量控制），三菱強(qiáng)調(diào)OMR（優(yōu)化機(jī)械響應(yīng)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(yīng)的電流環(huán)設(shè)計(jì)。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(chǔ)。在解決這一核心矛盾的過程中許多控制技術(shù)都可以有所作為，包括各種狀態(tài)識(shí)別、滑膜控制和變參數(shù)控制等等。
實(shí)現(xiàn)高精度控制，僅依靠控制器和伺服驅(qū)動(dòng)裝置是不夠的。電機(jī)設(shè)計(jì)本身就是直接影響運(yùn)動(dòng)控制效果的重要因素。對(duì)于永磁同步伺服電機(jī)而言，良好的反電勢(shì)正旋性，很小的齒槽力將非常有利于伺服驅(qū)動(dòng)器實(shí)現(xiàn)低速的平穩(wěn)控制。許多高精度驅(qū)動(dòng)裝置的廠商本身也是電機(jī)制造商。在很多國內(nèi)的研究機(jī)構(gòu)中，電機(jī)技術(shù)與伺服驅(qū)動(dòng)技術(shù)是部門割裂的，有的甚至沒有電機(jī)技術(shù)支持單搞伺服驅(qū)動(dòng)。在研究高精度運(yùn)動(dòng)控制中，仿真技術(shù)將極大的縮短我們?cè)诳刂扑惴ǖ南嚓P(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(yàn)平臺(tái)，用來評(píng)價(jià)運(yùn)動(dòng)控制的效果，評(píng)價(jià)伺服驅(qū)動(dòng)和電機(jī)的性能。例如，如何評(píng)價(jià)低速平穩(wěn)性和剛度等。
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