行业｜高端数控机床

学习笔记：高端数控机床

久旱逢甘霖，mentor让我了解一下高端数控系统，这又是一个完全陌生的领域，之前问组内其他实习的学长姐，在这里想最陡峭地学习是做什么工作，他们说就是熟悉一个新行业，告别给券商研究所打工一年多，我发现一级做研究比二级相对自由(?)，在这里熟悉这个行业从知网来得比从研报快一点(?)。

不构成专业性也没发现逻辑，小白入门级别的笔记而已。

值得一提的是，让我喜出望外的一篇文章是今年3月发表在《管理世界》上的《我国高档数控机床技术追赶的特征、机制与发展策略》，颇具讽刺意味的是，作为一个商科混子，想学习一个全新的赛道，居然还是回到经管类核心期刊上。

这篇文章与我之前读过的大多数经管学术论文不同，没有一点实证和理论模型，采用的案例分析法，我认为这是一篇极好的案例报告。此外，知网上另有一个叫“高档数控机床的高端制造模式”的系列，包含6篇文章，后面很多点作者拿来与国产车车做类比，我觉得还挺有趣的。

数控机床是制造业的“工业母机”，是制造机器的机器，所有高端装备制造业都离不开数控机床产业的支持，该技术很大程度上决定了一个国家装备制造业的水平和国家科技发展水平。

（注：这里pure one老师说缺乏一个tech的def，那我就写一下～）

数控机床是数字控制机床（Computer numerical control machine tools）的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。该控制系统能够逻辑地处理具有控制编码或其他符号指令规定的程序，并将其译码，用代码化的数字表示，通过信息载体输入数控装置。经运算处理由数控装置发出各种控制信号，控制机床的动作，按图纸要求的形状和尺寸，自动地将零件加工出来。

2.1.1 技术特征

高档数控机床集计算机控制、高性能驱动和精密加工技术于一体，具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等性能及基础性、战略性的意义，涵盖高端减材切削、等材成形、增材制造等关键装备及其控制系统、功能与基础部件，是解决航空发动机叶轮、叶盘、叶片及船用螺旋桨等高端装备制造业关键工业产品切削加工的唯一手段。

2.1.2 产品特征

高档数控机床由刀具、主轴、滚珠丝杠、导轨、卡盘、转台等核心功能部件以及主机、数控系统3大部分构成，是具备高成本、技术密集型、高端定制等特征的复杂产品系统，有着较长的创新周期、较高的设计难度和复杂的供应网络.

2.1.3 行业特征

高、中、低3种技术水平的数控机床划分（刘云，2023）

1）Function：功能配置

一般情况下，产品的功能越多，其结构和控制系统就越复杂（如需要增加联动轴数），产品的设计制造难度就越大，从而产品的价格也就越高。但并不是说功能越多越好，机床只需要配置满足基本使用需求的功能即可。

2）Machining Accuracy：加工精度

机床的加工精度取决于其关键零部件的几何精度、装配质量、机床的动静态特性、机床的切削用量、机床的使用环境等综合因素，加工精度越高，设计制造难度就越大。

一般情况下，国产机床的加工精度大致为0.008mm-0.010mm，而国际先进水平为0.002mm-0.003mm。

3）Quality：产品质量
4）Machining efficiency：加工效率

提高加工效率的措施很多，如增加机床的轴数、提高机床的功能复合度、实现多刀加工、采用高速重载加工技术、改进工装等。

5）Informationization：信息化程度

例如，智能编程能力、图形化编程能力、组线能力、与生产管理系统的通信能力、加工过程的监控能力、加工数据的分析处理能力、机床运行状况的监控能力、加工参数的自主调节能力等。

目前国际领先品牌包括日本的发那科、三菱和德国的西门子、海德汉。

6）Cost：寿命周期成本

一台机床的成本包括生产成本、服役成本和回收处理成本。

高精度、多功能机床的结构复杂，花费成本高。

7）Environment：寿命周期环境特性

以上简称FAQMICE。

需要注意的是，不能仅依靠精度或联动轴数定义机床档次；目前行业普遍认为5轴以上的为高档数控机床，而两轴联动的为低档；然而更重要的是产品质量和能否满足用户需求，因此需要综合考虑包括性能稳定、加工效率、寿命等因素。

一句话概述就是：低端价格混战、中端竞争乏力、高端技术缺失。国产机床产业存在严重失衡，机床制造企业缺乏向高端发展的动力和能力，一旦中低端产品有需求，企业便会争夺有限的中低端市场。

2022年我国数控机床产业规模约为3825亿元，据中国海关总署数据显示，截至2022年中国机床出口量为137.56万台，同比下降53.7%。出口金额为842.36百万美元，同比下降3.2%。

数控机床产业链（张根保，2023）

因为标的企业是做高端数控的，所以这次先聚焦高端机床。

我国在高端机床技术的突破，受到西方国家的强力打压（包括“巴统协议”、“瓦森纳协议”和“东芝事件”）；加上国产机床的发展历史远比进口机床短，以及长期采用面向低端产品的低端制造模式，新技术研发和积累薄弱，目前高端机床国内市占率不足10%。高端机床是国产机床最大的短板，国产高端机床与进口机床在性能、质量、技术水平等方面还存在全方位的差距。

目前一些国产机床制造企业存在浮躁情绪，不夯实基础就企图追赶技术创新，从开始设计智能数控系统架构开始到编写完所有代码，随即在机床上大面积应用，前后仅5年时间，无法与国外的几十年的产品相提并论。

高端数控系统属于需要精雕细琢的行业，很难取得像电动车一样颠覆性的突破（勿cue），因此许多企业试图弯道超车十分困难，以目前两大国际领先品牌西门子和发那科为例：

西门子从1964年推出数控系统产品（不包括研发时间），到1984年推出其代表性产 品840系统，前后历经20年。

发那科公司于1956年推出数控系统（不包括研发时间），到上世纪80年代推出其代表性产品F6和F11系列产品，前后经历近30年时间，也经历了无数次的改进和提升。

数控机床产业非常适合集群式发展，在相对集中的区域集中，各个上中游产业打造完整的产业链，可以产生很大的效益：降低物流成本和断供风险、实现资源共享和协同发展。

中国台湾的机床工业的90％集中在台中市，在高度聚集的背景下台湾省机床产业形成了精细的分工合作体系——

一个主机厂有几十家、上百家配套企业，但在台中地区1-1.5小时车程范围内几乎能采购到所有的配套件。主机厂集中精力于产品开发、关键件加工和机床装配、调试等，配套企业可以集中精力研究主机厂的要求，做最好的功能部件，这种集群制造模式对机床产业快速发展发挥重要作用。

在电动汽车领域，国产汽车的表现势不可挡，竞争力已经得到极大的提升，总体销量已经处于世界第一的地位。造成这一现象的总体原因不外乎两点：国产汽车的科技水平不断提高，产品的质量也得到很大的改观。

目前国产机床行业缺乏一套适用于高端产品的高端制造模式。以汽车产品为例，汽车产品与机床产品具有一定的相似性，都属于复杂的机电一体化产品，研究汽车行业的发展模式具有一定的示范效应，在国产机床行业向高端制造模式转型时，可以借鉴汽车行业的发展模式。

3.4.1 研发能力

1）汽车行业通过合资、引进、消化、吸收基本掌握了汽车生产的主要技术，大部分企业都建立了完整的正向设计研发体系，具备自主研发能力。

2）汽车行业一般都有完善的试验体系，在产品研发阶段（包括整车和配套件）都要进行大量的试验，找到最佳设计参数和工艺参数，因为质量和可靠性主要是试验出来的；当前国产机床制造企业最大的短板是缺乏试验体系，采用新材料、新结构、新工艺时，仅凭经验和类比去确定参数，难于保证产品质量。

3）汽车行业非常重视制造工艺，研发阶段制定了完整、详尽的制造工艺，通过3件试验样机、15件工程样机和50件量产样机逐步完善制造工艺；目前国产机床制造企业很少拥有完整的正向研发体系，一般在产品设计定型后再编制，缺乏各阶段样机的制造和试验。

3.4.2 标准化

标准化是现代工业的基石，没有标准化就没有产品的互换性，也不可能降低制造成本，更难于保证制造质量。

汽车行业一直高度重视标准化工作，大多数车企制定大量详尽的管理标准、产品标准、技术标准和操作标准，通过标准化来保证管理水平。之所以国产汽车的质量近几年有了很大的进步，标准化工作的落实是一个重要原因，如汽车行业的零件加工工艺，各种加工参数非常详细、具体，不同的操作工根据同一份工艺文件操作就可以得到质量基本相同的零件。

然而一些机床制造企业的装配工艺文件，文件整体上都比较简单，缺乏必要的检测环节，工艺参数不够具体、不够量化，那么不同操作工人装配就会造成不同的效果。国产机床行业要走向高端化，就必须有足够高的标准化意识，在企业管理、产品设计、加工制造等方面制定各种科学合理的标准。

3.4.3 质量控制

从前，国产品牌靠低廉的价格吸引用户，而产品质量往往被诟病，而近几年国产汽车的销售业绩大涨，也是源于产品的质量和可靠性已与合资品牌不相上下。汽车行业一般沿着供应链建立起完整且运行有效的质量控制体系，因此下游的整车厂的质量控制能够延伸到中上游的各供应商，正是由于汽车制造企业高度重视质量控制，近半个世纪以来都是车企在率先应用最前沿的质量管理理论和控制技术。

国产机床的质量包括加工精度、精度寿命、性能稳定性、可靠性、环保性、安全性、智能化等几项指标，质量不仅是口碑，还是打造品牌的保障，特别是提升功能部件和数控系统的可靠性和稳定性。

整车厂会帮助供应商改善产品质量，使得配套件的性能与主机和其他配套件相匹配，这一点尤其值得机床行业去学习。机床的主机和功能部件间、各功能部件间、电气控制与机械结构间都存在大量的性能匹配问题。

我国高档数控机床技术追赶历程（刘云，2023）

我国高档数控机床重点领域加速技术追赶的主要机制（刘云，2023）

4.2.1 重大专项的引导支持

“高档数控机床与基础制造装备”国家重大科技专项（04专项）实施之初采用先行先试的策略，立项支持了华中数控、广州数控、大连光洋、沈阳高精和航天数控等5家数控系统企业自主研发高档数控系统。

04专项”以国内高档数控系统企业为牵头单位，集聚主机企业、高校、科研院所及行业用户企业等优势创新主体，开展高档型、标准型数控系统、伺服驱动和伺服电机研制等技术和产品的协同攻关。累计立项支持40多项课题，投入研发经费达20多亿元，其中，国拨经费超过了10亿元。此前，类似课题的拨款支持力度不超过1000万元。

4.2.2 主机牵引推动技术协同攻关

其中值得注意的是，重点领域实现技术追赶的主要机制之一是主机牵引推动关键核心技术协同攻关，包括：

       1）数控系统企业要在充分研究主机用户工艺的基础上，开展研究和开发；

2）针对主机用户反映强烈的产品可靠性和精度保持性问题，重点攻关；

3）数控系统必须在主机上考核。

研制高档型数控系统的过程中，华中数控以劲胜智能、巨高机床、鼎泰智能等主机企业的需求为牵引，开展高速高精控制、多轴多通道等关键核心技术的协同攻关，成功研制出达到国际先进水平的“华中8型”系列高性能数控系统，为相关主机产品提供了高档数控系统配套解决方案。

为解决国产高档数控系统的技术成熟度和市场认同度问题，华中数控免费向用户提供了几百台测试样机，还采取了降价、垫资、包销机床等方式，免费提供调试、测试、编程、培训、包修等超常规的服务，在提升国内主机企业和用户企业使用国产高档数控系统意愿的同时，也使得新产品的功能、性能和可靠性在规模化应用中得到了考核与验证。

随着“互联网+”时代的到来和智能数控机床的普及，国内主机企业对于高档数控系统提出了更高要求。华中数控与江西佳时特、秦川机床集团、山东蒂德、湖大海捷等主机企业协同攻关、密切合作，在“华中8型”的基础上，围绕主机企业数字转型需求，进一步开发出适用于智能精密加工中心、智能五轴加工中心、智能高速轮毂加工中心、智能车削中心、智能凸轮轴磨床、智能螺杆磨床、智能滚齿机等多种类型智能机床的“华中9型”数控系统，推动了数控系统的智能化转型升级，实现了数控系统的迭代创新（刘云，2023；陈吉红，2022）。

4.2.3 用户参与并主导新技术新产品应用示范

“04专项”在高档数控系统关键核心技术攻关，引入了以中国航空工业集团沈阳飞机工业（集团）有限公司（以下简称“沈飞”）为代表的用户企业参与。沈飞与华中数控共同组建了“联合攻关小组”，先后参加了华中科技大学牵头的第二期“高档数控系统关键共性技术创新平台”和“高档数控系统及其应用产业技术创新战略联盟”项目，深度参与“华中8型”等高档数控系统的技术攻关。

4.2.4 产学研用

[1]张根保,罗天洪. “高档数控机床的高端制造模式”(六):数控机床高端制造理念和特征[J]. 计算机集成制造系统,2023,29(09):3208-3215.

[2]张根保,罗天洪. “高档数控机床的高端制造模式”(五):数控机床向高端转型的必要性[J]. 计算机集成制造系统,2023,29(08):2862-2870.

[3]张根保. “高档数控机床的高端制造模式”(三):国产数控机床的生产方式研究[J]. 计算机集成制造系统,2023,29(05):1443-1451.

[4]李丽,张根保. “高档数控机床的高端制造模式”(二):国产数控机床的竞争格局研究[J]. 计算机集成制造系统,2023,29(04):1346-1356.

[5]张根保. “高档数控机床的高端制造模式”(一):数控机床的档次划分方法研究[J]. 计算机集成制造系统,2023,29(03):887-895.

[6]刘云,郭栋,黄祖广. 我国高档数控机床技术追赶的特征、机制与发展策略——基于复杂产品系统的视角[J]. 管理世界,2023,39(03):140-158.

[7]陈吉红. 问渠哪得清如许，为有源头活水来——立足高水平科技自立自强，打赢关键核心技术攻坚战[J]. 世界制造技术与装备市场,2022,(04):26-28.

    本周五应该有一个国产数控系统赛道研究的会议访谈，而我彼时应该在考雅思口语，希望可以嫖到有录音吧！