數(shù)控技術(shù)的發(fā)展概述及未來展望

侯孟暉

摘 要：數(shù)控技術(shù)在工業(yè)自動化生產(chǎn)方面起著重要作用，是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中不可缺少的一部分。我國在數(shù)控技術(shù)方面起步較晚，基礎(chǔ)薄弱且沒有形成品牌效應(yīng)，但近些年來在中國智造2025、中德工業(yè)4.0項(xiàng)目以及“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的推動下實(shí)現(xiàn)了迅速的發(fā)展。未來大數(shù)據(jù)技術(shù)和量子信息技術(shù)的發(fā)展會對數(shù)控行業(yè)產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。數(shù)控技術(shù)會在功能上實(shí)現(xiàn)智能化，結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)模塊化，產(chǎn)品性能上更加追求高精度和高效率。

關(guān)鍵詞：數(shù)控技術(shù) 中國智造2025 大數(shù)據(jù) 量子信息技術(shù) 智能化

中圖分類號：TS642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-9082（2018）02-0-02

一、前言

數(shù)控技術(shù)（Numerical Control， NC），現(xiàn)在也被稱為計(jì)算機(jī)數(shù)控技術(shù)，是一種通過計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲/傳輸/分析/運(yùn)算功能來給出數(shù)字程序控制的指令，實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備相關(guān)操作控制的技術(shù)。世界上的第一臺數(shù)控機(jī)床在1952年誕生于美國，由此開啟了機(jī)械制造工業(yè)數(shù)字化時代的篇章。經(jīng)歷了60余年的發(fā)展，數(shù)控行業(yè)已經(jīng)形成了非常成熟的技術(shù)體系，數(shù)控技術(shù)在車輛交通、遠(yuǎn)洋船舶、航空航天、國防工業(yè)等高新技術(shù)領(lǐng)域扮演著舉足輕重的角色。

數(shù)控機(jī)床作為數(shù)控技術(shù)在工業(yè)生產(chǎn)流程中的典型應(yīng)用，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)與普通機(jī)床有機(jī)地結(jié)合起來，其既具備普通機(jī)床車削、沖壓零件等加工功能，也具有計(jì)算機(jī)數(shù)字化控制的特點(diǎn)。在工業(yè)生產(chǎn)中技術(shù)人員把零件的加工工藝路線、工藝參數(shù)、刀具的運(yùn)動軌跡、位移量、切削參數(shù)等信息按照數(shù)控機(jī)床規(guī)定的指令代碼編寫并將結(jié)果輸入到數(shù)控機(jī)床中，從而使數(shù)控機(jī)床實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)的功能。

我國數(shù)控技術(shù)的發(fā)展時間較短。數(shù)控系統(tǒng)是專業(yè)化程度極高的計(jì)算機(jī)科學(xué)工程應(yīng)用成果，我國缺乏足夠多的數(shù)控系統(tǒng)軟件開發(fā)人才，在機(jī)床機(jī)械制造方面積累的經(jīng)驗(yàn)也不充分，因此導(dǎo)致了我國的數(shù)控行業(yè)發(fā)展水平與世界一流之間還存在一定的差距。我國數(shù)控技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造精度、質(zhì)量性能等方面與國外先進(jìn)水平之間存在大概5-10年的差距，而在高精尖技術(shù)產(chǎn)品方面這一差距拉大到10-15年。目前我國國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床基本面向的是中低端市場，在市場數(shù)量占有率約為50%的基礎(chǔ)上價(jià)值量占有率僅為30%左右，其原因在于國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的關(guān)鍵功能部件嚴(yán)重依賴進(jìn)口，產(chǎn)品的可靠性沒有信譽(yù)保證，同時國內(nèi)企業(yè)普遍缺乏技術(shù)創(chuàng)新能力，導(dǎo)致了其產(chǎn)品競爭力的不足。

在電子信息技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展日新月異的今天，越來越多的國家開始重視數(shù)控機(jī)床的研發(fā)和生產(chǎn)，數(shù)控技術(shù)也隨之越來越成熟。在建設(shè)創(chuàng)新強(qiáng)國的戰(zhàn)略推動下，中國也逐漸注重高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和技術(shù)人才的培養(yǎng)，數(shù)控機(jī)床作為高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)中不可缺少的一部分，在近些年得到了空前的發(fā)展，并逐步開始在國際市場中逐漸嶄露頭角。

二、數(shù)控行業(yè)發(fā)展的宏觀環(huán)境

1.中國制造2025

中國制造2025是為了推動我國由目前的制造大國逐步轉(zhuǎn)型升級成為真正意義上的制造強(qiáng)國而出臺的重要發(fā)展綱領(lǐng)。中國制造2025的重點(diǎn)主攻方向即為智能制造，旨在沿循工業(yè)化與信息化深度融合的發(fā)展主線，依托互聯(lián)網(wǎng)迅猛發(fā)展并廣泛滲透到傳統(tǒng)制造行業(yè)中的趨勢背景，在包含了高檔數(shù)控機(jī)床和機(jī)器人的十個核心關(guān)鍵領(lǐng)域進(jìn)行重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)，以期促進(jìn)中國制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級，讓簡單代工的中國制造升級成為具備雄厚科創(chuàng)實(shí)力支撐的中國創(chuàng)造，中國裝備真正成為國內(nèi)制造業(yè)的中流砥柱，中國品牌在國際市場上真正受到認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)工業(yè)基礎(chǔ)能力的強(qiáng)化與工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量的提升，讓中國制造業(yè)真正躋身美國、德國、日本所在的世界先進(jìn)陣營，智能制造、綠色制造、尖端制造成為中國制造的新名片。

數(shù)控系統(tǒng)是制造裝備中的關(guān)鍵基礎(chǔ)部件，其關(guān)鍵技術(shù)的創(chuàng)新能極大地提升我國數(shù)控機(jī)床的核心競爭力。在中國制造2025的戰(zhàn)略推動下實(shí)施的“高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造裝備”國家科技重大專項(xiàng)已經(jīng)初步補(bǔ)上了我國高檔數(shù)控機(jī)床“缺心少腦”的短板，在五軸聯(lián)動機(jī)床精度的檢測標(biāo)準(zhǔn)、以8萬噸大型模鍛壓力機(jī)為代表的重型數(shù)控鍛壓/沖壓設(shè)備、精密臥式加工中心、數(shù)控立柱移動立式銑車床等重點(diǎn)產(chǎn)品項(xiàng)目上已經(jīng)達(dá)到國際一流水平。截止2016年專項(xiàng)投入力量研發(fā)的國產(chǎn)高檔數(shù)控系統(tǒng)已經(jīng)初步具備了產(chǎn)品競爭力并在逐漸擴(kuò)大國內(nèi)市場的占有率，以滾動功能部件為例，市場占有率相較于2009年的不足5%提升到約20%，多項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)和測試水平都躍居世界先列。在中國制造2025的頭一個十年，數(shù)控機(jī)床專項(xiàng)將進(jìn)一步助力我國基礎(chǔ)制造裝備水平的穩(wěn)步發(fā)展提升。

2.中德工業(yè)4.0項(xiàng)目合作

工業(yè)4.0最初是由德國政府提出的概念，德國是傳統(tǒng)的工業(yè)制造強(qiáng)國，在高精數(shù)控機(jī)床方面西門子作為老牌的生產(chǎn)企業(yè)一直享有很高的聲譽(yù)。工業(yè)4.0作為其頒布的《德國2020高技術(shù)戰(zhàn)略》中的十大未來項(xiàng)目之一，旨在依托互聯(lián)網(wǎng)及人工智能等計(jì)算機(jī)新技術(shù)的發(fā)展提升制造機(jī)器強(qiáng)化訓(xùn)練與自我學(xué)習(xí)的能力，實(shí)現(xiàn)對整個工業(yè)生產(chǎn)流程和產(chǎn)品質(zhì)量的超精確控制和最優(yōu)化配置。2014年中德雙方簽署的《中德合作行動綱要》中就明確指出兩國政府需要出臺具體的激勵政策，推動企業(yè)積極參與到工業(yè)4.0的進(jìn)程中，最終達(dá)到工業(yè)的數(shù)字化。

中德合作的工業(yè)4.0希望引發(fā)以智能制造為主導(dǎo)的又一次工業(yè)革命，其本質(zhì)是利用信息物理系統(tǒng)將生產(chǎn)中的制造、供應(yīng)、銷售信息數(shù)據(jù)化、智慧化，并形成有效的信息共享和交流的網(wǎng)絡(luò)，最終實(shí)現(xiàn)快速、有效且富有個性化的完整產(chǎn)品智能供應(yīng)體系的建立?？梢钥闯?，信息與交流是工業(yè)4.0最大的特征。

工業(yè)4.0時代的數(shù)控行業(yè)將運(yùn)用智能監(jiān)控、遠(yuǎn)程診斷、云服務(wù)、大數(shù)據(jù)分析、狀態(tài)及時推送等智能服務(wù)，使得生產(chǎn)制造更加靈活可控，產(chǎn)品供應(yīng)的客戶體驗(yàn)將更加全面深入。同時整個數(shù)控行業(yè)的機(jī)床利用率、工作可靠性以及適用范圍都將得到大幅度的提升。隨著信息交互的廣泛深入，以數(shù)控系統(tǒng)為例的產(chǎn)品開發(fā)周期將顯著縮短，未來數(shù)控行業(yè)市場復(fù)雜的個性化的需求將能被可重構(gòu)、適應(yīng)能力強(qiáng)的研發(fā)/生產(chǎn)/制造系統(tǒng)以相較于當(dāng)下更低的成本來滿足?？偟膩碚f，在未來工業(yè)4.0的環(huán)境下，數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品的市場競爭力和整個行業(yè)的發(fā)展能力都能得到不斷的提高。因此當(dāng)下的中國數(shù)控行業(yè)應(yīng)當(dāng)抓住這一利好政策帶來的寶貴機(jī)遇，實(shí)現(xiàn)自身的跨越式發(fā)展。

3.互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略推動

近些年伴隨著以人工智能為代表的計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)越來越廣泛地滲透到傳統(tǒng)的工業(yè)生產(chǎn)體系和普通人的日常生活中。互聯(lián)網(wǎng)+戰(zhàn)略旨在利用互聯(lián)網(wǎng)的平臺，依托電子信息技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等的飛速發(fā)展和普遍應(yīng)用，把新興的互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)和包括傳統(tǒng)行業(yè)在內(nèi)的各行各業(yè)結(jié)合起來，在新的領(lǐng)域創(chuàng)造一種新的生態(tài)。一個典型的例子即是作為主要業(yè)務(wù)為搜索引擎的互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)百度開始涉足無人駕駛汽車領(lǐng)域，在國外Google公司的人工智能開發(fā)成果也在自動駕駛汽車上開始路測。隨著高新計(jì)算機(jī)技術(shù)在數(shù)控機(jī)床上應(yīng)用的比例逐漸升高，在可預(yù)見的未來，必定有越來越多的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)資源和投資涌入到相應(yīng)行業(yè)中，這將會對包括數(shù)控機(jī)床在內(nèi)的傳統(tǒng)機(jī)械電子行業(yè)帶來巨大的沖擊。因此國內(nèi)的數(shù)控系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)或生產(chǎn)企業(yè)都應(yīng)當(dāng)抓住這一互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展大潮所帶來的機(jī)遇與挑戰(zhàn)并存的關(guān)鍵期實(shí)現(xiàn)數(shù)控系統(tǒng)技術(shù)、市場等領(lǐng)域的“彎道超車”。

三、前沿技術(shù)對數(shù)控行業(yè)的影響

1.以大數(shù)據(jù)為依托的信息化技術(shù)

近年來依托互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)以及電子信息技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能等研究領(lǐng)域蓬勃發(fā)展。最典型的例子是Google公司的AlphaGo圍棋人工智能，該程序之所以能連續(xù)打敗世界著名棋手李世石和柯潔，很重要的一點(diǎn)在于其存儲了數(shù)量及其巨大的棋譜信息。它在作每一步的決策時，自動搜索與現(xiàn)局面最相似的棋譜，從而做出決策，并且把每次對決的信息都存儲起來，這樣就形成了不斷的學(xué)習(xí)決策能力。

數(shù)控機(jī)床產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量與棋譜數(shù)據(jù)比起來有過之而無不及，但很多數(shù)據(jù)都是動態(tài)的，用了一次之后就丟掉了，沒有對數(shù)據(jù)價(jià)值進(jìn)行有效評估，將一些重要的工藝參數(shù)作為普通數(shù)據(jù)丟棄掉了，這樣就造成加工每一個不同的零件，都有需要工程師重新設(shè)置加工參數(shù)，十分繁瑣而麻煩。如果能像Google的人工智能程序AlphaGo一樣，將每一次加工零件的參數(shù)存儲下來，對每一個特征的參數(shù)集中管理。下一次加工一個全新的零件，系統(tǒng)就會根據(jù)模型的幾何形狀自動搜索數(shù)據(jù)庫中相似的加工實(shí)例，自己進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，加工完成之后，再將這一次的加工信息儲存起來，這樣數(shù)控機(jī)床也就形成了學(xué)習(xí)與決策能力。當(dāng)然，大數(shù)據(jù)的來源也不只限于實(shí)際加工過程。清華大學(xué)機(jī)床數(shù)控技術(shù)研究領(lǐng)域的專家葉佩青教授曾經(jīng)提出開發(fā)“數(shù)控加工APP”的構(gòu)想，即將世界各地的技術(shù)人員聯(lián)系起來，由計(jì)算機(jī)互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的科技人員提供數(shù)據(jù)分享平臺，實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)流程中的加工者提供工藝參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)控加工的互聯(lián)互通，這樣可以極大地提高效率。在目前“互聯(lián)網(wǎng)+”戰(zhàn)略的積極推動下，大數(shù)據(jù)技術(shù)已經(jīng)廣泛地滲透到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，在可預(yù)見的未來這一技術(shù)的應(yīng)用將為數(shù)控行業(yè)的發(fā)展提供強(qiáng)勁的動力。

2.量子信息技術(shù)

大數(shù)據(jù)技術(shù)是在信息技術(shù)上的錦上添花，并沒有實(shí)現(xiàn)數(shù)控技術(shù)中核心領(lǐng)域的革命性突破。真正引發(fā)信息技術(shù)革命的是原理創(chuàng)新，而量子信息技術(shù)最為目前最前沿的信息技術(shù)，蘊(yùn)藏著無窮的潛能。所謂量子信息技術(shù)，最核心的內(nèi)容在于量子計(jì)算和量子通信。量子計(jì)算利用了量子的疊加態(tài)。 對于普通的門電路， 每一個開關(guān)只有1和0兩種可能的狀態(tài)，在一次實(shí)際的計(jì)算過程中只有1或0一種狀態(tài)，這就說明，每一個門開關(guān)只能參與一項(xiàng)運(yùn)算，如果想要實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算就只能增加門開關(guān)的數(shù)量，這就大大限制了計(jì)算速度的提高。而對于一個量子，不僅有 1和0兩種狀態(tài)，還擁有疊加態(tài)，人們可以控制外部條件使得該疊加態(tài)實(shí)例化，這樣一個量子可以同時參與兩項(xiàng)運(yùn)算，兩個量子就可以同時參與四項(xiàng)運(yùn)算，最終運(yùn)算速度呈指數(shù)化增長，真正實(shí)現(xiàn)并行計(jì)算。量子通信利用了量子的糾纏原理。 處于糾纏狀態(tài)的兩個量子，不管距離多遠(yuǎn)，當(dāng)一個量子的狀態(tài)發(fā)生變化，另一個量子的狀態(tài)也將發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了信息的光速傳播。這一原理曾經(jīng)被愛因斯坦評價(jià)為“鬼魅般的超距離傳輸”，現(xiàn)在已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室中得到證實(shí)。從量子信息技術(shù)這幾個基本的概念就能看到其對數(shù)控行業(yè)的有著極其重大的意義。由于技術(shù)水平的限制，目前的數(shù)控行業(yè)為了能夠使機(jī)床實(shí)現(xiàn)實(shí)時控制， 不得不采用插補(bǔ)算法， 這是數(shù)控機(jī)床技術(shù)的重要一環(huán)，這是限于技術(shù)水平的無奈之舉，因?yàn)橐揽楷F(xiàn)在計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，稍微復(fù)雜的計(jì)算就會產(chǎn)生嚴(yán)重的滯后。量子計(jì)算速度快的優(yōu)勢將會使得數(shù)控系統(tǒng)響應(yīng)時間大大縮短，并且沒有超調(diào)。數(shù)控系統(tǒng)內(nèi)部的數(shù)據(jù)傳遞大量依靠高頻電磁信號，但工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境充斥著各種電磁干擾，使得數(shù)控系統(tǒng)運(yùn)行不穩(wěn)定。而量子通信具有天然的抗干擾能力和保密能力，能夠完美解決高頻干擾問題。隨著量子信息技術(shù)的不斷突破，我們有理由相信未來數(shù)控行業(yè)會發(fā)生革命性的變化。

四、數(shù)控技術(shù)未來的發(fā)展趨勢

1.功能的發(fā)展趨勢

數(shù)控技術(shù)未來的功能的發(fā)展趨勢主要集中在界面圖形化功能、科學(xué)計(jì)算可視化功能和多媒體技術(shù)功能的實(shí)現(xiàn)和增強(qiáng)上。界面的圖形化將極大地降低用戶的操作復(fù)雜程度，科學(xué)計(jì)算的可視化可以極大地提高數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)研發(fā)的效率，而多媒體技術(shù)功能能確保數(shù)控系統(tǒng)更加全面智能地處理多方面的信息，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)的即時監(jiān)控，提高水平。

2.結(jié)構(gòu)的發(fā)展趨勢

數(shù)控技術(shù)未來的結(jié)構(gòu)發(fā)展趨勢主要集中在模塊化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化等方面。數(shù)控機(jī)床結(jié)構(gòu)的模塊化以及各個功能模塊的專門化都可以增強(qiáng)數(shù)控系統(tǒng)的適用范圍，豐富數(shù)控系統(tǒng)的種類層次。網(wǎng)絡(luò)化和集成化能夠保證數(shù)控系統(tǒng)可以從以往對于“點(diǎn)和線”的監(jiān)測控制升級到“面和體”，這樣來適應(yīng)未來的數(shù)控市場對于產(chǎn)品的動態(tài)需求，也更加方便大數(shù)據(jù)等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與數(shù)控系統(tǒng)的無縫對接。

3.產(chǎn)品性能的發(fā)展趨勢

未來數(shù)控技術(shù)的發(fā)展趨勢必定包含對于產(chǎn)品的高性能的追求，以數(shù)控機(jī)床為例，要在高速、高效的性能方面有進(jìn)一步地提升，在實(shí)際生產(chǎn)過程中縮短切割時間，不斷提高生產(chǎn)效率。未來的數(shù)控技術(shù)要具有更高的精度，從當(dāng)前“外科手術(shù)式”的高精密加工的狀態(tài)過渡到超精密加工的狀態(tài)，在完善數(shù)控加工工藝的基礎(chǔ)上不斷提高產(chǎn)品的精密度。

五、結(jié)束語

未來數(shù)控技術(shù)必將以更廣泛的行業(yè)適用范圍、更優(yōu)的產(chǎn)品生產(chǎn)結(jié)構(gòu)、更高的準(zhǔn)確加工精度、更好的用戶實(shí)際體驗(yàn)為目標(biāo)不斷發(fā)展。當(dāng)前我國的數(shù)控行業(yè)與世界一流之前仍然在技術(shù)和市場占有率上都存在一定的差距，但是在中國制造2025、工業(yè)4.0以及互聯(lián)網(wǎng)+等宏觀戰(zhàn)略的推動下，我國的數(shù)控行業(yè)已經(jīng)取得了一定的成就并正在努力躋身世界先列，我們有理由相信未來中國的數(shù)控技術(shù)能夠取得長足的發(fā)展，成為中國創(chuàng)造的嶄新名片。

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