一、 《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略意義
1.1 機械產(chǎn)品創(chuàng)新是機械工業(yè)科學(xué)發(fā)展的關(guān)鍵
我國今后的發(fā)展，要以科學(xué)發(fā)展為主題，以加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式為主線。加快轉(zhuǎn)變經(jīng)濟發(fā)展方式，必須加快推進產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整優(yōu)化，核心是產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新和升級換代。
經(jīng)過新中國60多年特別是改革開放30多年的奮斗，中國機械工業(yè)實現(xiàn)了歷史性的跨越式發(fā)展，制造業(yè)生產(chǎn)總值成為世界第一，我們國家已經(jīng)成為“制造大國”。但是，我們還不是“制造強國”，機械工業(yè)還沒有擺脫粗放型、外延式發(fā)展的模式，核心技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)掌握得不多，自主創(chuàng)新的產(chǎn)品少，附加值不高，核心競爭力不強。綜觀世界，中國制造既面臨其他新興發(fā)展中國家的低中端競爭，又面臨西方發(fā)達國家重振先進制造業(yè)的壓力，在全球制造產(chǎn)業(yè)新的調(diào)整中既面臨大好發(fā)展機遇，又面臨極為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。面臨的挑戰(zhàn)很多，問題主要有兩個：產(chǎn)品質(zhì)量問題和產(chǎn)品創(chuàng)新問題，因而，產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)該成為今后一段時期機械工程科技進步的主要方向。
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)實現(xiàn)我國機械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新和升級換代，非常必要，完全可能，對于我國機械工業(yè)的科學(xué)發(fā)展，具有重要的戰(zhàn)略意義。
1.2 數(shù)控化是全面創(chuàng)新機械產(chǎn)品的有效途徑
機械產(chǎn)品的創(chuàng)新可以有多種途徑，主要的有兩種方法：一是創(chuàng)新工作原理或者說工作裝置；二是創(chuàng)新運動的驅(qū)動和控制系統(tǒng)。傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖1所示，包括動力裝置、傳動裝置、工作裝置。工作裝置的創(chuàng)新是根本性的，極為重要，千百年來，人們一直在不斷創(chuàng)造出各種新的機械，形成了適用于完成各種不同任務(wù)的成千上萬的機械產(chǎn)品。數(shù)控化則是對于機械運動的驅(qū)動和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新，數(shù)控機械產(chǎn)品的構(gòu)成如圖2所示。
圖1.傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的構(gòu)成
數(shù)控化是創(chuàng)新機械產(chǎn)品的有效途徑，其核心的技術(shù)路線是用伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)取代傳統(tǒng)機械中的動力裝置與傳動裝置，更重要的是用計算機控制系統(tǒng)對機械運動與工作過程進行控制。數(shù)控技術(shù)的核心是數(shù)字化，是先進的信息技術(shù)與自動控制、機械制造技術(shù)相結(jié)合的集成技術(shù)，是機械產(chǎn)品創(chuàng)新的使能技術(shù)。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用引起機械產(chǎn)品本身的內(nèi)涵發(fā)生根本性變化，使機械產(chǎn)品的功能極大豐富，性能發(fā)生質(zhì)的變化，可以從根本上提高機械產(chǎn)品的水平和市場競爭力。
應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對機械產(chǎn)品進行創(chuàng)新具有以下顯著特點：
(1) 先進有效：產(chǎn)品功能、性能、質(zhì)量均極大提高，同時，機械結(jié)構(gòu)大大簡化，節(jié)省能源和材料；
(2) 由于實現(xiàn)了數(shù)字控制，為各種先進信息技術(shù)的進一步應(yīng)用乃至于將來實現(xiàn)智能化奠定了基礎(chǔ)；
(3) 可行性強：創(chuàng)新方案與技術(shù)路線具體明確、相關(guān)技術(shù)成熟可靠；
(4) 應(yīng)用面廣：適用于各行各業(yè)機械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新。
綜觀全球?qū)崿F(xiàn)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整和機械產(chǎn)品升級的歷程（圖3）：蒸汽機技術(shù)使機械工業(yè)由人力制作時代進入機械化時代，電氣技術(shù)使機械工業(yè)由機械化時代進入電氣化時代，數(shù)控技術(shù)正在使機械工業(yè)由電氣化時代躍升為數(shù)字化時代；在可預(yù)見的將來，機械工業(yè)將由數(shù)字化時代進入智能化時代。可以看到，對于驅(qū)動和控制系統(tǒng)的創(chuàng)新具有鮮明的特征，具有本質(zhì)的規(guī)律，可以普遍運用于各種機械產(chǎn)品創(chuàng)新，可以引起機械產(chǎn)品的升級換代，引起機械工業(yè)的深刻變革。這也是我們提出“數(shù)控一代”這樣一個概念的緣由和根據(jù)。
圖3：機械產(chǎn)品的升級換代
1.3 當(dāng)前是中國機械產(chǎn)品升級換代的最佳機遇期
當(dāng)前，我國機械工業(yè)正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時期，全世界的機械工業(yè)也正處于產(chǎn)品數(shù)字化發(fā)展時期。由“電氣一代”到“數(shù)控一代”是一場深刻的變革，必然要經(jīng)過艱難的攀登過程。在這方面，西方發(fā)達國家已經(jīng)先行了60年，還要經(jīng)過數(shù)十年才能完成這樣一個歷程。對于中國機械工業(yè)來說，經(jīng)過我們大家的艱苦奮斗，一定能夠在較短時間內(nèi)完成這一場變革，完成向“數(shù)控一代”的進軍，這是中國機械產(chǎn)品升級換代的最佳機遇，是中國機械工業(yè)跨越式發(fā)展的最佳機遇。主要理由是：
(1) 需求強大：需求是最強大的發(fā)展動力。由于國民經(jīng)濟持續(xù)快速發(fā)展，由于國際國內(nèi)市場的激烈競爭，數(shù)控機械產(chǎn)品的市場需求越來越旺盛，企業(yè)產(chǎn)品創(chuàng)新積極性越來越高漲。我們現(xiàn)在面臨的形勢是：一要數(shù)控技術(shù)應(yīng)用于中、低檔機械產(chǎn)品，以提升產(chǎn)品的市場競爭力；二是要攻克高端數(shù)控機械產(chǎn)品，以滿足經(jīng)濟、社會、國防等方面日益提高的需求。
(2) 技術(shù)支持：數(shù)控技術(shù)的落后是長期以來制約我國機械產(chǎn)品創(chuàng)新與質(zhì)量的一個重要因素。經(jīng)過多年來對數(shù)控技術(shù)的持續(xù)攻關(guān)，特別是由于電機技術(shù)、功率器件技術(shù)、控制技術(shù)、計算機技術(shù)的突破性進展，我國的數(shù)控產(chǎn)業(yè)已經(jīng)基本形成，國產(chǎn)經(jīng)濟型數(shù)控系統(tǒng)已主導(dǎo)國內(nèi)市場，中檔數(shù)控系統(tǒng)形成了產(chǎn)業(yè)規(guī)模，高檔數(shù)控系統(tǒng)也已經(jīng)掌握關(guān)鍵技術(shù)。我國的數(shù)控技術(shù)已發(fā)展到了技術(shù)成熟、質(zhì)量可靠的階段，全面推廣應(yīng)用的條件已經(jīng)成熟。
(3) 人才隊伍與應(yīng)用示范帶動：數(shù)控機械產(chǎn)品的創(chuàng)新需要掌握數(shù)控技術(shù)、機械設(shè)計與制造技術(shù)、產(chǎn)品領(lǐng)域知識等復(fù)合型知識結(jié)構(gòu)的人才，這也是長期以來影響我國機械產(chǎn)品創(chuàng)新的一個重要原因。經(jīng)過多年努力，我們在人才隊伍和應(yīng)用示范方面已具備了良好的基礎(chǔ)。
1.4. 《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標(biāo)
2011年初，18位院士提出了關(guān)于實施《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的建議，中央領(lǐng)導(dǎo)同志高度重視、親切關(guān)懷，科技部、工信部、發(fā)改委等深入調(diào)研、認真部署，已于近日正式啟動了《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新應(yīng)用示范工程》。
《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》既是數(shù)控技術(shù)應(yīng)用工程，更是機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程；既有機械工業(yè)發(fā)展強大需求的推動，又有成熟數(shù)控技術(shù)的支撐；要充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，采取協(xié)同創(chuàng)新技術(shù)路線，在整個機械行業(yè)推進有組織的創(chuàng)新。
《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的戰(zhàn)略目標(biāo)是：在機械行業(yè)全面推廣應(yīng)用數(shù)控技術(shù)，在5--8年內(nèi)，實現(xiàn)各行各業(yè)各類各種機械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新，使中國的機械產(chǎn)品整體升級為“數(shù)控一代”，為我國機械工業(yè)從“大”到“強”的跨越式發(fā)展做出重大貢獻。
二、 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)實現(xiàn)機械產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)路線
2.1 從X52K到XK714到XHK714到XHK714/3-5
數(shù)控機械產(chǎn)品的出現(xiàn)是以數(shù)控加工機床的誕生為標(biāo)志的。20世紀(jì)40年代末，美國帕森斯公司提出了應(yīng)用計算機控制機床加工樣板曲線的設(shè)想，并與麻省理工學(xué)院合作，于1952年研制成功世界上第一臺三坐標(biāo)立式數(shù)控銑床。它的誕生標(biāo)志著機械制造數(shù)字控制時代的開始。
(1) X52K立式銑床概述
如圖4所示的X52K普通立式銑床傳動系統(tǒng)圖，為實現(xiàn)不同的刀具切削速度，X52K立式銑床設(shè)計了復(fù)雜的主傳動和進給傳動變速系統(tǒng)。
圖4. K52K立式銑床傳動系統(tǒng)
(2) X52K立式銑床的數(shù)控改造
數(shù)控改造是一條可用較少投入有效提高現(xiàn)有機械性能的途徑，很能說明數(shù)控產(chǎn)品創(chuàng)新的技術(shù)路線。X52K立式銑床的數(shù)控改造包括兩個方面，首先是機床進給系統(tǒng)的改造，其方案是：將原工作臺進給電機與齒輪進給箱拆除，將原普通絲杠替換為滾珠絲杠，然后用三個伺服電機分別驅(qū)動機床的升降、縱向和橫向坐標(biāo)軸，不僅機械傳動系統(tǒng)大大簡化，而且可實現(xiàn)精確的無級變速。改造后單個坐標(biāo)軸的傳動方案如圖5所示。
圖5. X52k銑床數(shù)控改造后單個坐標(biāo)軸的傳動方案
另一個方面是增加一個計算機數(shù)控系統(tǒng)對機床運動和工作過程進行控制。數(shù)控改造后的X52K銑床具備三坐標(biāo)（三個進給軸）聯(lián)動的能力，可根據(jù)輸入的零件加工程序?qū)Ω鬟M給坐標(biāo)軸進行精確協(xié)調(diào)的運動控制，從而可加工具有曲線曲面輪廓的復(fù)雜形狀零件，機床的加工精度、效率、柔性、自動化程度均大大提高。
(3) X52K的產(chǎn)品升級 —— XK714數(shù)控立式銑床
從系統(tǒng)的角度出發(fā)重新進行設(shè)計，對X52K立式銑床進行產(chǎn)品升級，得到數(shù)控立式銑床產(chǎn)品XK714，如圖6所示。就
 
圖6.數(shù)控立式銑床XK714整機 圖7.數(shù)控立式銑床XK714傳動系統(tǒng)圖
總體方案而言，XK714數(shù)控立式銑床與X52K立式銑床的數(shù)控改造大體一致，即：① 工作裝置基本不變；② 進給運動和主軸運動均用速度精確可控的伺服電機取代原普通電機和機械變速與傳動機構(gòu)（如圖7所示）；③ 增加一個計算機控制系統(tǒng)對機械運行過程進行自動控制。由于是重新設(shè)計的新產(chǎn)品，XK714數(shù)控立式銑床更好地體現(xiàn)了機與電的有效融合，即：其機械系統(tǒng)的設(shè)計更好地考慮了伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的特點，而其伺服電機驅(qū)動系統(tǒng)的設(shè)計則與機械系統(tǒng)的特性有更合理的匹配。
XK714數(shù)控立式銑床可進行銑、鏜、鉆、擴等多種工序的加工，特別是具有三軸（三坐標(biāo)）聯(lián)動的功能，適合加工各種形狀復(fù)雜（如箱體、殼體、曲線曲面輪廓等）的零件，同時，可有效節(jié)省工藝裝備與縮短生產(chǎn)準(zhǔn)備周期，提高零件加工質(zhì)量與生產(chǎn)效率。
(4) XK714的產(chǎn)品升級 —— XHK714三坐標(biāo)立式加工中心與XHK714/3-5五坐標(biāo)立式加工中心
在XK714數(shù)控立式銑床的基礎(chǔ)上，增裝刀庫和自動換刀裝置，升級為三坐標(biāo)立式加工中心XHK714。由于具備自動換刀功能，XHK714的自動化程度有顯著提升，適宜于加工形狀復(fù)雜、工序多、要求高、需用多種類型普通機床和刀具夾具且經(jīng)多次裝夾和調(diào)整才能完成加工的零件。
進一步在工作臺上增加一個兩坐標(biāo)數(shù)控轉(zhuǎn)臺，即升級為五坐標(biāo)聯(lián)動的立式加工中心XHK714/3-5（如圖8所示）。與三坐標(biāo)相比，五坐標(biāo)聯(lián)動機床可使刀具相對于工件呈任意姿態(tài)，從而可給加工更大的自由度，理論上能夠一次裝夾完成工件裝夾部分外的其余表面的完全加工；可以加工在三坐標(biāo)機床上由于存在刀具干涉而難以完成的復(fù)雜曲面零件，例如發(fā)動機葉輪；可以選擇更有效的刀具和采用最有效的刀具相對工件的姿態(tài)進行加工。
圖8.XHK714/3-5五坐標(biāo)立式加工中心
進而，通過傳感、控制、信息處理、人工智能等技術(shù)的升級，可使產(chǎn)品性能和智能化程度不斷提高，如實現(xiàn)智能編程、自適應(yīng)控制、機械幾何誤差補償、熱變形誤差補償、三維刀具補償、運動參數(shù)動態(tài)補償、故障監(jiān)控與診斷等。
.2 應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機械產(chǎn)品的技術(shù)路線
總結(jié)從X52K到XK714到XHK714和XHK714/3-5的產(chǎn)品創(chuàng)新升級過程，比較圖1和圖2，數(shù)控機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品之間存在一個相同點和兩個不同點。
(1) 相同點：兩者的工作裝置基本相同。
(2) 不同點之一在于動力傳動系統(tǒng)。在數(shù)控機械產(chǎn)品中，傳統(tǒng)機械中作為動力源的普通電動機被具有動力與變速功能的伺服電動機取代，使傳統(tǒng)的機械變速機構(gòu)得以取消或極大簡化，機械傳動鏈大幅度縮短；同時，每個機械運動由單獨的伺服電機驅(qū)動、并由計算機控制系統(tǒng)進行協(xié)調(diào)和控制，用 “電聯(lián)系”取代了各執(zhí)行裝置之間的機械傳動聯(lián)系，傳動機構(gòu)大大簡化。
(3) 不同點之二是數(shù)控機械產(chǎn)品擁有一個具有強大信息處理與控制功能的計算機控制系統(tǒng)，也可以說是增加了一個“大腦”。計算機控制系統(tǒng)使數(shù)控機械的運動可根據(jù)需要進行任意的控制，從而使數(shù)控機械具有多功能、高柔性、高精度、高效能、高可靠和操作方便等特征；同時，計算機控制系統(tǒng)強大的信息處理能力使得其智能化成為可能，使產(chǎn)品性能進一步發(fā)生質(zhì)的變化。
歸納起來，應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機械產(chǎn)品的設(shè)計流程如圖9所示。先是進行總體方案設(shè)計，確定運動與控制方案，再是進行四個方面的設(shè)計：
(1) 適配伺服驅(qū)動系統(tǒng)：用速度可控的伺服電機取代普通電動機是數(shù)控機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品的一個重要差別。適配伺服驅(qū)動系統(tǒng)的內(nèi)容包括：根據(jù)被控對象的要求確定系統(tǒng)的組成、控制方式（開環(huán)、半閉環(huán)、全閉環(huán)、混合閉環(huán)）、驅(qū)動電機類型（步進電動、直流伺服電機、交流伺服電機）與大小、功率驅(qū)動裝置、檢測裝置以及校正（補償）方式及其參數(shù)，并進行仿真試驗檢驗各種工作狀態(tài)下系統(tǒng)的性能。
圖9.應(yīng)用數(shù)控技術(shù)創(chuàng)新機械產(chǎn)品的設(shè)計流程
(2) 適配計算機控制系統(tǒng)：數(shù)控機械產(chǎn)品與傳統(tǒng)機械產(chǎn)品最本質(zhì)的差別在于前者擁有一個具有強大信息處理與控制功能的計算機控制系統(tǒng)（簡稱數(shù)控系統(tǒng)）。適配數(shù)控系統(tǒng)首先需要根據(jù)數(shù)控機械產(chǎn)品的性能指標(biāo)確定其數(shù)控系統(tǒng)需要具備的功能，包括運動控制、邏輯控制、測量、人機交互、編程、補償、保護、通信、監(jiān)測與診斷等常規(guī)方面的功能以及其它可能需要實現(xiàn)的特殊功能。然后確定系統(tǒng)的實現(xiàn)方案，從數(shù)控機械產(chǎn)品開發(fā)者的角度，其數(shù)控系統(tǒng)的實現(xiàn)可直接購買市場上的數(shù)控系統(tǒng)產(chǎn)品、委托數(shù)控系統(tǒng)生產(chǎn)商進行開發(fā)或聯(lián)合開發(fā)。
(3) 研制應(yīng)用軟件系統(tǒng)：從數(shù)控機械產(chǎn)品的使用角度，一般需要通過一個自動編程軟件系統(tǒng)來有效獲得控制數(shù)控機械運行的工作程序。數(shù)控編程系統(tǒng)的性能不僅直接決定數(shù)控機械產(chǎn)品的可使用性與柔性，影響產(chǎn)品的工作質(zhì)量和效率，而且由于數(shù)控機械產(chǎn)品種類繁多，具體任務(wù)各不相同，其編程系統(tǒng)也千差萬別，因此編程系統(tǒng)是數(shù)控機械產(chǎn)品開發(fā)的重要內(nèi)容。
(4) 設(shè)計機械、檢測系統(tǒng)：機械系統(tǒng)高剛度、低摩擦、低慣量化；選配合適的傳感檢測裝置等。
三、 機械產(chǎn)品的全面創(chuàng)新與升級換代
機械產(chǎn)品數(shù)以萬計，大都可以通過數(shù)控化實現(xiàn)產(chǎn)品創(chuàng)新，提升到“數(shù)控一代”的水平，從根本上提高產(chǎn)品的功能、性能和競爭力。
3.1 制造裝備類機械產(chǎn)品的數(shù)控化升級換代
制造裝備是發(fā)展國民經(jīng)濟與國防建設(shè)的基礎(chǔ)裝備，產(chǎn)品范圍涉及各行各業(yè)，其技術(shù)水平?jīng)Q定著整個國民經(jīng)濟和國防現(xiàn)代化的水平。各種制造裝備（如表1）均可以通過數(shù)控化以創(chuàng)新升代。
表1：可數(shù)控化以創(chuàng)新升代的部分制造裝備產(chǎn)品
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行業(yè)名稱
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典型產(chǎn)品
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3521
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金屬切削機床
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車床，鉆床、鏜床、磨床、齒輪加工機床、螺紋加工、銑床、刨床、插床、拉床、電加工、鋸床、組合機床cechuang
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3522
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金屬成形機床
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鍛壓、錘擊、模壓、彎曲、折疊、 矯直、剪切、沖壓、開槽、拉絲機床
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3523
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鑄造機械
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自動造型線、造型機、落沙機、清理機、壓鑄機
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3524
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金屬切割及焊接設(shè)備
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金屬切割設(shè)備、金屬焊接設(shè)備。
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3611
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采礦、采石設(shè)備
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礦石開采設(shè)備、礦石篩選、分類、分離、洗選、軋碎機械
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3612
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包裝機械
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固體物料充填包裝、液體灌裝、封口、貼標(biāo)、容器成型包裝、裹包、收縮包裝、真空包裝、捆扎打包、包裝線、包裝容器加工、包裝專用材料加工
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3613
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建筑工程用機械
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挖掘，推土、鏟裝，筑路壓實，樁工，路面機械，砼機械，砼制品機械，鋼筋及預(yù)應(yīng)機械
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3614
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建筑材料生產(chǎn)專用機械
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水泥、水泥制品、玻璃及玻璃纖維、建筑陶瓷、磚瓦的各種生產(chǎn)、攪拌成型機械
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3615
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冶金專用設(shè)備
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金屬冶煉、軋制、鑄造專用設(shè)備
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3622
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橡膠加工專用設(shè)備
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煉膠機
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3623
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塑料加工專用設(shè)備
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注塑機、壓延機、擠出機、吹塑機
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3624
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木材加工機械
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加工木材、木質(zhì)板材及木制品專用機械
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3629
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其他非金屬加工專用設(shè)備
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石墨焊條或類似礦物材料加工用機械；鑄造用砂模的成型機械
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3631
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食品、飲料、煙草工業(yè)專用設(shè)備
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米面食品、果品蔬菜、餅干糕點、糖果巧克力、豆制品、屠宰肉類、蛋品、乳品等的加工設(shè)備、飲料機械、冰淇淋冷飲機械、卷煙加工
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3632
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農(nóng)副食品加工專用設(shè)備
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種子精選機，糧食加工機械，棉花加工機械，油料加工機械，茶葉加工機械，薯類加工機械
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3633
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飼料生產(chǎn)專用設(shè)備
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飼料粉碎機、飼料顆粒機、飼料攪拌機等
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3641
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制漿和造紙專用設(shè)備
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制漿、造紙、紙加工及紙制品生產(chǎn)機械和設(shè)備
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3642
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印刷專用設(shè)備
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膠印機、制版設(shè)備、裝訂機械
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3643
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日用化工專用設(shè)備
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洗滌用品、口腔清潔用品、化妝品、香精、香料、動物膠、感光材料及其他日用化學(xué)制品專用生產(chǎn)設(shè)備
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3644
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制藥專用設(shè)備
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化學(xué)原料藥和藥劑、中藥飲片及中成藥專用生產(chǎn)設(shè)備
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3646
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玻璃、陶瓷和搪瓷制品生產(chǎn)專用設(shè)備
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玻璃制品、玻璃器皿專用機械，陶瓷器等類似產(chǎn)品專用機械，搪瓷制品生產(chǎn)設(shè)備
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3649
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其他日用品生產(chǎn)專用設(shè)備
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工藝美術(shù)品生產(chǎn)專用機械
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紡織專用設(shè)備
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紡織纖維預(yù)處理、紡紗和針織機械
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皮革、毛皮及其制品加工專用設(shè)備
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制革、皮毛鞣制及其制品的加工生產(chǎn)過程中所使用的各種專用
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服裝加工專用設(shè)備
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縫紉機，生產(chǎn)加工各種面料服裝、鞋帽，以及洗衣店所使用的類似機械
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電子電工機械專用設(shè)備
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光學(xué)加工機械、集成電路專用設(shè)備
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例1：注塑機的數(shù)控化創(chuàng)新升代
注塑成形是最有效的塑料成形方法，注塑機在塑料成形機械中占有十分重要的地位。我國是全球最大的注塑機生產(chǎn)國，產(chǎn)量占世界年產(chǎn)量的70％以上。
與傳統(tǒng)的液壓式注塑機相比，數(shù)控注塑機的工作裝置基本不變，其主要變化在于： (1) 采用伺服電機驅(qū)動配合滾珠絲桿和同步齒形帶傳動取代了液壓注塑機的液壓泵、液壓缸、液壓馬達等構(gòu)成的液壓驅(qū)動系統(tǒng)（如圖10所示）； (2) 采用計算機數(shù)控系統(tǒng)取代了液壓注塑機的模擬量電液控制系統(tǒng)。與液壓注塑機相比，數(shù)控注塑機具有如下優(yōu)點：
(1) 提高精度及穩(wěn)定性：可實現(xiàn)復(fù)雜的控制功能，柔性好，具有優(yōu)良的控制精度和穩(wěn)定性，生產(chǎn)的產(chǎn)品質(zhì)量好且穩(wěn)定。
(2) 提高生產(chǎn)效率：由于伺服電機有優(yōu)良的高速性，且其控制系統(tǒng)容易實現(xiàn)復(fù)雜的同步重疊動作，可大大提高生產(chǎn)效率；同時，數(shù)控系統(tǒng)可“智能”設(shè)置、調(diào)整和優(yōu)化工藝參數(shù)，使生產(chǎn)效率與質(zhì)量進一步提高。
(3) 節(jié)能與環(huán)保：消耗電力可以減少40％左右，噪音低、無油污染。
圖10. 數(shù)控注塑機主要部件結(jié)構(gòu)
1-模具開合伺服電機；2-塑化伺服電機；3-射膠伺服電機；4-調(diào)模變頻電機
5-脫模伺服電機；6-螺桿加熱器；7-射臺移動電機
3.2 其它機械產(chǎn)品的數(shù)控化升級換代
除制造裝備外，國民經(jīng)濟各行業(yè)以及國防軍工中的眾多其它機械產(chǎn)品也可以數(shù)控化以實現(xiàn)創(chuàng)新升代（如表2）。
表2：可數(shù)控化以創(chuàng)新升代的部分其它機械產(chǎn)品
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行業(yè)名稱
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產(chǎn)品舉例
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國防軍工裝備
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火炮、雷達、坦克、艦艇、飛行器、航天器
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交通運輸設(shè)備
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飛機、火車、汽車、輪船
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起重運輸設(shè)備、工程機械
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塔式起重機、汽車起重機、裝載機、叉車
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醫(yī)療儀器設(shè)備
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CT、心電圖機、伽瑪?shù)?/span>
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科研教學(xué)儀器設(shè)備
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質(zhì)譜儀、微陣列制作儀
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辦公用機械
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打印機、復(fù)印機、繪圖機、銀行辦公機器
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服務(wù)業(yè)專用設(shè)備
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智能售汽售油機
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例2：多管火箭炮的數(shù)控化創(chuàng)新升級
多管火箭炮的快速準(zhǔn)確裝填和高精度自動操瞄是提高火箭炮機動性能和打擊能力的關(guān)鍵，其裝填和操瞄裝置可以通過伺服電機驅(qū)動和計算機控制以實現(xiàn)數(shù)控化創(chuàng)新升級（如圖11所示）。
新一代火箭炮可以大大提高其機動性能，縮短戰(zhàn)斗反應(yīng)時間，提高射速和火力密度，提高射擊準(zhǔn)確性以及對目標(biāo)的突襲能力和效果，并且可以與先進的戰(zhàn)場管理系統(tǒng)一道，使火箭炮具有與多個目標(biāo)同時快速交戰(zhàn)的能力，同時還可減輕操作人員的工作強度，提高工作效率，有效提高火箭炮的戰(zhàn)斗力與生存力。
圖11.數(shù)控化多管火箭炮
3.3 全面創(chuàng)新、升級換代
《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》需要克服許多困難，最突出的還是要克服人們思想認識上的困難。有的同志畏難情緒嚴(yán)重，認為數(shù)控化創(chuàng)新很神秘、很難搞，缺乏勇氣，缺乏信心；有的同志看不起推廣應(yīng)用工作，覺得不上檔次，沒有水平，缺乏興趣，缺乏激情。我們要解放思想，勇于創(chuàng)新，堅持“頂天立地”的正確方向，盡好盡快地推進各種機械產(chǎn)品的數(shù)控化創(chuàng)新，同時創(chuàng)造一大批高端數(shù)控機械產(chǎn)品。
華中科技大學(xué)東莞工研院與廣東的企業(yè)密切結(jié)合，研制出幾十種數(shù)控機械產(chǎn)品，大大提高了產(chǎn)品的水平和競爭力，受到企業(yè)界的熱烈歡迎。這里介紹的兩個創(chuàng)新產(chǎn)品實例，產(chǎn)生了良好的經(jīng)濟效益與社會效益。
例3：編織機的創(chuàng)新升代
我國是毛紡編織大國，僅東莞大朗鎮(zhèn)每年生產(chǎn)毛衣超過3億件。目前，國內(nèi)毛衣生產(chǎn)主要依靠簡單的機械完成，全國有100余萬臺手動編織機（橫機）。手動橫機效率低下，操作工人的勞動強度很大。
數(shù)控橫機（如圖12所示）的單機編織速度比手工橫機提高5-8倍；每個工人可同時操作5臺設(shè)備，大大提高生產(chǎn)效率；與毛衣設(shè)計CAD/CAM系統(tǒng)集成，大大提高毛衣花色品種、質(zhì)量與市場競爭力。
圖12. 數(shù)控編織機
1、橫機機身 2、電源按鈕組 3、羅拉 4、針板(針床)
5、操縱桿 6、機頭 7、防護罩 8、天桿 9、右收線
10、輸紗器 11、天線臺 12、觸摸顯示屏 13、夾線
14、左收線 15、運行指示燈
例4：木工機械的創(chuàng)新升代
傳統(tǒng)木工機械由于功能單一，效率低下，污染嚴(yán)重。
數(shù)控高速木材復(fù)合加工中心（如圖13所示）的加工精度高、生產(chǎn)柔性好、工序復(fù)合、具備很高的生產(chǎn)效率，并且安全可靠，粉塵、噪聲污染低，具有很好的市場前景。
圖13.數(shù)控木工機械
數(shù)控化使機械產(chǎn)品裝備了“大腦“，開辟了機械產(chǎn)品創(chuàng)新的廣闊空間，不斷引領(lǐng)機械產(chǎn)品攀登新的高峰；與此同時，在機械設(shè)計理論上和學(xué)術(shù)上能夠做出高水平的貢獻。這里舉兩個創(chuàng)新實例。
5：光刻機精密工作臺
光刻機是IC制造中最關(guān)鍵、最復(fù)雜和最昂貴的設(shè)備（如圖14所示）。超精密工作臺是高精度光刻機核心關(guān)鍵裝置，要求實現(xiàn)加速度高至2g、速度1m/s以上、精度為納米級的6自由度運動；對于100nm線寬的掃描曝光，要求定位精度<10nm，硅片臺和掩模臺間的同步平均誤差<5nm、均方誤差<12nm，幾乎接近物理極限，常規(guī)機械制造工藝無法實現(xiàn)。
要實現(xiàn)光刻機的高速、大行程、6自由度納米級精度運動，除合理的運動結(jié)構(gòu)與精密檢測技術(shù)外，關(guān)鍵在于控制、核心在于補償。其補償?shù)膬?nèi)容包括臺體質(zhì)量與質(zhì)心位置誤差、6自由度運動耦合干擾誤差、粗微動耦合干擾、電機與驅(qū)動非線性誤差、電路噪聲與延時誤差、測量干擾誤差、環(huán)境與溫度變化誤差等。通過補償控制，我國研制的100nm光刻機工作臺實現(xiàn)了高速高精的技術(shù)要求；同時，零部件制造精度并非很高，裝配與安裝要求甚至不比普通精密機床要求高。
圖14.光刻機
例6：精密鑄造數(shù)控凝固裝置
航空發(fā)動機的單晶葉片，主要由精密鑄造成型，制造要求極高。應(yīng)用數(shù)控技術(shù)對凝固過程進行精確控制，以實現(xiàn)葉片材料結(jié)構(gòu)和性能都能符合極高的設(shè)計要求，提高了單晶葉片的質(zhì)量和制造效率。
數(shù)控化應(yīng)用于鑄造機械、鍛壓機械、焊接機械、熱處理機械等熱加工裝備的創(chuàng)新，在國際上也是最新的發(fā)展趨向，有著巨大的發(fā)展前景。
四、 《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》的組織實施
《“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》既是技術(shù)推廣工程也是產(chǎn)品創(chuàng)新工程：對數(shù)控技術(shù)而言是技術(shù)推廣工程，對于各行各業(yè)的機械產(chǎn)品而言是產(chǎn)品創(chuàng)新工程?！?ldquo;數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新工程》是一個復(fù)雜的大系統(tǒng)工程，必須依靠有組織創(chuàng)新和協(xié)同創(chuàng)新。
4.1 有組織創(chuàng)新
充分發(fā)揮我國的制度優(yōu)越性，總體規(guī)劃、分步實施、重點突破、全面推進，動員千軍萬馬，實行有組織的創(chuàng)新。
(1) 總體規(guī)劃、頂層設(shè)計：制定國家與各行業(yè)、各地方、各企業(yè)的數(shù)控化機械產(chǎn)品創(chuàng)新升級的總體規(guī)劃和推廣計劃（路線圖）。國家和行業(yè)主管部門與地方科技部門聯(lián)動，行業(yè)和地方組織企業(yè)實施，中央和地方共同支持。要努力加強相關(guān)行業(yè)數(shù)控機械產(chǎn)品技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的制定，以推進數(shù)控技術(shù)的普及和提高。
(2) 重點突破、典型示范：從全國范圍內(nèi)篩選代表性區(qū)域、行業(yè)和企業(yè)，由國家重點支持實施示范工程，然后進一步在全國范圍內(nèi)全面推廣：
企業(yè)：龍頭企業(yè)實施、上下產(chǎn)業(yè)鏈互
行業(yè)：典型行業(yè)示范、其他行業(yè)推廣
區(qū)域：重點區(qū)域入手、逐步全面鋪開
(3) 技術(shù)攻關(guān)、推廣應(yīng)用：加強對數(shù)控機械產(chǎn)品共性關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)攻關(guān)，進而在行業(yè)內(nèi)和地區(qū)內(nèi)進行全面推廣應(yīng)用。
(4) 人才培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)：學(xué)校、科研機構(gòu)全面動員，大力開展數(shù)控機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的人才培養(yǎng)與專業(yè)培訓(xùn)，特別是要廣泛動員與強力組織對廣大企業(yè)家和設(shè)計工程師的培訓(xùn)。組織各方面力量，努力以幾種模式提供數(shù)控機械產(chǎn)品創(chuàng)新設(shè)計的技術(shù)服務(wù)：1)企業(yè)委托設(shè)計；2)與企業(yè)聯(lián)合設(shè)計；3)為企業(yè)進行人員培訓(xùn)，由企業(yè)自主設(shè)計。
4.2 協(xié)同創(chuàng)新
以企業(yè)為主體、市場為導(dǎo)向、政產(chǎn)學(xué)研用緊密結(jié)合，推進協(xié)同創(chuàng)新。
(1) 科技部、工信部等國務(wù)院有關(guān)部門將實行強有力的領(lǐng)導(dǎo)，建立領(lǐng)導(dǎo)機構(gòu)，推進頂層設(shè)計，提供政策和資金支持，加強宏觀管理。各行業(yè)主管部門和地方科技部門將加強組織實施管理，認真制定行業(yè)規(guī)劃和推廣計劃，落實各方面保障措施。
(2) 建立各個層面的產(chǎn)學(xué)研用創(chuàng)新聯(lián)盟，將各行業(yè)、各地方具有技術(shù)優(yōu)勢的生產(chǎn)企業(yè)、高校、研究院所、用戶企業(yè)組織起來，形成數(shù)控機械產(chǎn)品創(chuàng)新聯(lián)盟。
(3)企業(yè)是面向市場的主體，是財政投入的主體，當(dāng)然是技術(shù)創(chuàng)新的主體。市場的驅(qū)動和企業(yè)的積極性是產(chǎn)品創(chuàng)新成功的關(guān)鍵，必須從根本上調(diào)動企業(yè)家、管理者和工程師的積極性。同時，高校和科研院所中蘊藏著為我國機械工業(yè)貢獻力量的巨大積極性，要采取有力措施，動員他們、組織他們、依靠他們。政產(chǎn)學(xué)研用協(xié)同創(chuàng)新，形成中國特色的“數(shù)控一代”機械產(chǎn)品創(chuàng)新體系，團結(jié)奮斗，努力完成這樣一個偉大的創(chuàng)新工程。
我們有一個共同的奮斗目標(biāo)：經(jīng)過5~8年的時間，中國的機械產(chǎn)品全面升級為“數(shù)控一代”，再經(jīng)過10年左右的時間，到2030年，中國的機械產(chǎn)品全面升級為“智能一代”，整體上走到世界前列，為中國的現(xiàn)代化做出基礎(chǔ)性、戰(zhàn)略性的貢獻。 |