高档数控装备介绍

高档数控装备及其共性技术

学院：机械工程学院

专业：工学5班

姓名：赵楠楠

学号：S[1**********]

目录

1. “工业4. 0”与中国制造2025 . .............................................................................................. 1

1.1 德国“工业4. 0” . .............................................................................................................. 1

1.2 中国制造2025 . .................................................................................................................. 1

2. 高档数控机床的发展 . .............................................................................................................. 2

2.1 高速高精度高效率是主流发展趋势 . ............................................................................... 3

2.2 数控机床的高可靠性 . ....................................................................................................... 3

3. 智能制造 . .................................................................................................................................. 4

3.1 美国的智能制造 . ............................................................................................................... 4

3.2 德国的智能制造 . ............................................................................................................... 4

4. 可靠性技术 . .............................................................................................................................. 5

参考文献........................................................................................................................................... 7

摘要

本文以德国的“工业4. 0”为起点，分析中国制造业的现状及问题，以及中国制造2025提出的背景和原因。剖析中国制造2025在各阶段的目标。阐述了目前高档数控装备的现状，主要应用的领域及其发展趋势。通过对智能制造的提出与发展的分析，结合美国、德国现阶段智能制造的现状，预测未来智能制造的发展方向及机床的智能制造。描述了可靠性的发展及其在工业领域中的应用，以及国内外机械装备可靠性的现状。提出当前可靠性应着重研究的领域。

关键词：工业4. 0，智能制造，可靠性，数控装备

1. “工业4. 0”与中国制造2025

迄今为止，人类历史已经历了三次工业革命。第一次工业革命即“工业1. 0”诞生于18世纪末，英国人瓦特发明的蒸汽机彻底改变了货物的生产方式，提高了动力系统和运输效率，因而该工业革命也被称为蒸汽机时代。第二次工业革命即“工业2. 0”开始于19世纪70代，本次工业革命在劳动分工的基础上，把零部件生产与产品装配成功分离，并利用电力驱动使得产品大规模地生产，产品批量生产的新模式从此诞生了。因而该工业革命也被称为电气化时代。20世纪70年代初，全球开始第三次工业革命即“工业3. 0"，该次革命一直延续到现在，电子信息技术是这次工业革命的核心技术，机器不仅承担了部分“体力劳动”，而且还承担了部分“脑力劳动”，从而提高了工业生产的自动化水平，人类从此进入信息化时代。

1.1 德国“工业4. 0”

“工业4. 0”是以智能制造为主导的第四次工业革命。世界主要发达国家，都有自己的“工业4. 0”战略计划，其中德国作为全世界制造业竞争力最强的国家之一，其“工业4. 0”受到世人瞩目，在全球最为关注。德国“工业4. 0”是德国面向未来竞争的总体战略方案。在全球信息技术领域中，德国强大的机械和装备制造业占据了显著地位。

德国“工业4. 0”战略，本质就是以机械化、自动化和信息化为基础，建立智能化的新型生产模式与产业结构川。其主要内容概括为“一个核心”、“两重战略”、“三大集成”和“八项举措”。

1.2 中国制造2025

“中国制造”历经长期的发展，建成了门类齐全、独立完整的制造业体系，对我国从农业大国转变为工业大国起到了重要作用。改革开放以来，“中国制造”

取得的巨大成就是“MADE IN CHIN A”，的产品遍布了全球，中国享有“世界工厂”的赞誉。

制造业不但是我国国民经济的支柱产业，也是我国经济增长的主导领域。在我国，采掘业、制造业、电力、煤气和水的生产及供应业是工业的组成部分，其中制造业占据了工业的主体部分。制造业提供了人们生存与发展所需要的物质产品，还能容纳大量不同阶层人员就业，缓解我国就业问题。

从总量来看，“中国制造”占有一定优势，但从质量来看，那些技术含量高、附加值高的品牌产品仍然被外资企业控制。从品牌来看，我国产品档次不高，拥有自主知识产权品牌的产品比例不高，缺乏世界知名品牌和具有国际竞争力的品牌。

信息化与工业化深度融合是建设制造强国、走新型工业化道路和转变发展方式的重要动力。目前，发达国家和地区已开始步入制造业与信息技术全面综合集成，以数字化、网络化应用为特点的新阶段。

我国制造业信息化发展不够均衡，不同行业之间的信息化程度具有较大的差距。石化、钢铁等行业的信息化程度相对较高，而纺织、轻工业等行业的信息化程度相对较低。由于经济发展水平的差距不同，地区之间制造业的信息化也有差异。不同规模企业信息化建设水平也不均衡，国有大中型制造业企业信息化水平较高。此外，信息基础设施建设和应用水平滞后于发达国家。

“中国制造”依赖廉价劳动力和大量消耗资源得以做大，其基础是脆弱的，所面临的忧患和挑战也是前所未有的。制约“中国制造”做大做强的一个重要因素是产业结构不合理，这主要体现在两个方面。一是产业类型主要集中在煤炭、钢铁、有色金属、石油等能源资源行业和劳动密集型产业，电子信息、高端装备制造、新能源等高新技术产业，所占的比例还较低。目前，资源消耗型、生产经营粗放型与劳动密集型依旧是我国产业结构的总体格局。产业结构的不合理使得产业升级缓慢。

为了让“中国制造”真正辉煌，使“中国制造”变为“中国服务”“中国创造”，有必要通过实“中国制造2025”战略，依靠长期不懈的努造施十年”最终在建国一百周年的时候，要实现中国成为制造强国的目标。到2025年，我们要进入世界强国之列。到2035年，“中国制造2035”赶超德国、日本、美国等制造业大国，进入世界强国的中位。到2045年，“中国制造2045”进入世界强国的领先地位。“中国制造2025 - 2045"将是中国制造业未来三十年发展的路线图，而“中国制造2025”是第一个十年的行动纲领。

2. 高档数控机床的发展

高档数控机床与基础制造装备领域主机产品根据其加工特点可以分为冷加

工和热加工，其中冷加工包括高速精密复合数控金切机床、重型数控金切机床、数控特种加工机床、大型数控成形冲压设备等，热加工包括重型锻压设备、清洁高效铸造设备、新型焊接设备与自动化生产设备、大型清洁热处理与表而处理设备、数控系统等，此外还包括功能部件、刀具、测量仪器等，设备的加工技术差别较大，关联性不强。

当今世界各国制造业广泛采用数控技术，以提高制造能力和水平，提高对动态多变市场的适应能力和竞争能力。各工业发达国家还将数控装备列为国家的战略物资，不仅采取重大措施来发展自己的数控技术及其产业，而且在“高精尖”数控关键技术和装备方而对我国实行封锁和限制政策。

现今高档数控装备的技术呈现了以下几种发展趋势:

1. 床自身几何精度和控制运动轨迹的精度不断提高，机床的加工速度和效

率大幅提高;

2. 机床的加工精度、可重复性和可信赖度不断提高，性能长期保持稳定，

能够在不同运行条件下完成多种加工任务；

3. 出现许多高性能和高可靠的新型功能部件，如高频电主轴、直线电机、

转矩电机、电滚珠丝杆等;

4. 机床智能化水平不断提高，结合当今高档数控系统的快速发展，具有自

优化、自监控、自诊断和预维护等功能的智能型、开放式、网络化的数控装备越来越多。

2.1 高速高精度高效率是主流发展趋势

高速切削是指速度高于常规速度的5—10倍的切削方式。高速加工(特别是高速铣削) 与新一代高速数控机床(特别是高速加工中心) 的开发应用紧密相关。近十多年来，刀具、伺服驱动、数字控制和机床等技术的不断进步，使得高速加工和高精加工，特别是高速切削(HSM)己在航空、航天、模具制造业中得到了广泛应用和推广，传统的电火花加工在很多场合己被高速切削所替代。

2.2 数控机床的高可靠性

数控机床的可靠性是数控机床产品质量的一项关键性指标。数控机床能否发挥其高性能、高精度、高效率，并获得良好的效益，关键取决于可靠性。衡量可靠性重要的量化指标是平均无故障工作时间。在数控系统可靠性大幅提高的同时，要求数控机床的可靠性也要大幅提高，这样才能提高数控装备的整机可靠性。

2.3 多轴联动加工和复合加工机床的发展

随着飞机产品飞行性能的提高，对现代航空零件加工精度的要求也逐步严格，复杂形状表而的精度误差从早期的±(0.15—0.30)mm 己经提高到±(0.08—0.

12)mm ，表而粗糙度Ru 从（1. 6—6. 4）m 提高到（0. 8—1. 6）m 。对于以机翼梁、机身框、翼肋及壁板为典型代表的飞机机体结构件，以及以机匣、整体叶盘、叶片和轴、盘为典型代表的航空发动机零件，既要保证零件的表而质量，又要保证加工的位置精度和形状精度，这些零件，一般都要求一次装卡，一次定位加工成形，只有多轴联动的加工中心才能满足上述要求。

从高档数控装备不断创新的过程中可以看出，充分利用当今技术领域里的最新成就，特别是利用机床关键功能部件和数控系统关键技术的最新成果，是不断提高高档数控装备制造和应用水平的关键。中国要加速机床工业的发展，最关键的还是要提高整体素质，只有加速培养大批配套的专家和人才，机床工业才能真正加快发展速度，高档数控机床、刀具和配套件也才能切实地做到真正过关。真正做到人才一流、科研一流、创新一流和竞争力一流。

3. 智能制造

智能制造在国际上尚无权威界定，1988年首次由美国Wright 与Bourn 。教授提出:通过集成知识工程、制造软件系统、机器人视觉和机器控制对制造技工的技能和专家知识进行建模，以使智能机器人在没有人工干预的情况下进行小批量生产。林汉川等认为智能制造由最初的制造自动化扩展到生产的柔性化、智能化和高度集成化，范畴包括智能制造前端的工业设计、工业制造设计的智能产品、智能制造方式方法的应用等五个领域。

大数据、云计算等信息技术正在发生新的变革，世界新一轮科技革命和产业变革蓄势待发，智能制造成为世界各国竞争一的焦点，美、德、日等纷纷制定以重振制造业为核心的战略，依靠能源革命、智能制造等，夯实制造业创新发展基础，构建制造强国新优势。

3.1 美国的智能制造

美国着力打造智能制造战略支撑平台，创建全国制造业创新研究网络，由联邦政府出资10亿美元，自2012年起10年内创建15个制造业创新研究所，着重研发和推广3D 打印技术，进行数字化设计、工程和制造等过程的技术和流程研发与应用。同时构建完善的配套政策体系，加强技术创新政策，促进制造业创新、研发和劳动力技术提升; 改善投资经营环境，提供新税收优惠政策，改革投资美国的审批制度; 为美国制造业创造公平竞争一和开拓海外市场的条件。

3.2 德国的智能制造

德国高度重视制造产业的智能化，早在上世纪90年代初制定了“生产2000”产业计划，2011年汉诺威工业博览会上，德国相关协会提出工业4.0的初步概念，

2013年正式实施以智能制造为主体的“工业4.0”战略，并纳人《高技术战略2020》中，正式成为一项国家战略，以确保德国制造业的米来。“工业4.0”旨在通过充分利用信息通讯技术和网络空间虚拟系统相结合，将制造业向智能化转型，项目涉及智能化生产系统及过程的智能工厂，以及生产物流管理、人机互动以及3D 技术在工业生产过程中应用的智能生产。凭借在工业过程中广泛应用的信息和通信技术、强大的机械和装备制造业、在眠人式系统和自动化工程方面的高技术水平和全球市场的领导地位。

面对数字化制造时代的到来，全球机床工具行业顺应时代发展的趋势，推出了一系列新技术与新产品。这些技术和产品具备鲜明的数字化生产装备的特点，具有完整先进的网络方案、强大的通信功能、灵活兼容的开放性和丰富的应用软件，实现了数控系统由“机床控制器”向“数字化制造管控器”转变，数控机床由“制造机器”向“数字化单元”转变。与此同时，一些著名企业利用长期从事数控技术研发积累的特有技术优势和经验，推出数字化工厂智能解决方案，协助客户从软硬两方面共同推动数字化工厂的建设和发展。

高效与自动化是机床性能的重要标志。现代机床以减少和降低生产过程人工参与、缩短加工时间、实现长时间少人或无人连续高效生产为目标，不断取得新成果新进展。高效与自动化紧密相连，高效的机型设计与工业机器人以及现代信息与自控技术的完美结合，成就了现代高性能装备的高速发展。

机床智能技术将环境、加工对象、加工要求、加工过程、装备自身等随机变化的因素，通过传感和多信息融合技术进行识别、判断、控制、调整、优化、补偿、提示、建议、预测、报警，从而获得传统控制技术在质量、效率、效能、安全等方面不曾达到的高度。智能技术是现代自控技术的制高点，是构成产品竞争力的新的重要因素。机床智能技术近年取得的众多成果将在本届展会得到充分展现。包括温度、速度、加速度、负载、功率、质量、惯性、位置、振动、图形、语音、加工要求等多种因素的智能控制技术，极具智慧，精细奇巧，令人惊叹，足以让我们深刻感受智能技术的无穷魅力和智能时代正在快速向我们走来。

4. 可靠性技术

随着现代工业技术的飞速发展，机械设备日趋复杂、精密、高效、智能化。对于航空发动机、燃气轮机、高端压缩机组、高速列车、高档数控机床等重大装备，其质量与性能的竞争主要体现为可靠性的竞争。

机械设备可靠性包括设计可靠性、制造可靠性、运行可靠性、维修可靠性和管理可靠性等。其中，设计可靠性和制造可靠性保证了产品生产过程中的可靠性水平，属于“先天因素”; 而运行可靠性与设备使用条件、所处环境、使用时间、零件退化失效等因素有关，具有时变性、动态性和特殊性，属于“后天因素”。

同一台设备，在不同的运行条件与环境下，其运行可靠性必然不同。

机械设备在设计可靠性和制造可靠性的保障条件下，生产出厂的机械设备交付给企业用户后，在设备全生命周期的运行服役过程中，所创造的价值远远比设备自身的价值高得多。运行可靠性评估的目的就是动态掌握设备运行状态、保障运行安全和创造经济效益。

20世纪70年代中期，随着数控机床在工业发达国家的普及和先进功能的不断增加，机床的故障问题开始引起行业的关注。英国机床工业协会的STEWART 采用数控机床用户现场跟踪试验的方法收集了数控机床的现场故障数据，并对数控机床进行了故障分析，并于1977年在Macclesfield 国际可靠性会议上做了关于数控机床可靠性的报告，报告指出:由于机床故障导致机床的停机时间占整个机床考核时间的7.6%，每个月机床平均发生1—2次故障。

我国机械设备的可靠性与国际先进水平相比还有很大差距，是制约我国由“制造大国”走向“制造强国”的瓶颈之一。例如，我国可以研制出技术参数与国际水平接近的数控机床，但在机床的可靠性方面，与国外先进水平相差甚远，平均无故障时间几乎相差1倍。

数控机床可靠性技术研究经历30余年，在机床的可靠性建模、故障分析、可靠性设计和可靠性试验等方面取得了明显进展。本领域学术水平不断提高，研究成果为机床行业产品可靠性水平的提高和产品的升级提供了技术支持。目前正在形成可靠性动态建模、故障树智能化应用、可靠性综合设计、功能部件可靠性台架加速试验、机床故障的远程监控和故障预警等数控机床可靠性技术领域的研究热点。

在机床企业建立产品的可靠性技术管理体系，以保障产学研合作研发的顺利实施和可靠性技术研究成果在企业的有效应用。同时，不断提高机床企业的可靠性技术自主研发能力，使企业逐渐成为数控机床可靠性的技术研发主体。

参考文献

[1]刘洪民, 姜黎辉, 王中魁. 制造业共性技术研发的知识管理评价体系构建[J].科研管理,2016,(S1):379-386.

[2]王友发, 周献中. 国内外智能制造研究热点与发展趋势[J].中国科技论坛,2016,(04):154-160.

[3]李金华. 德国“工业4.0”与“中国制造2025”的比较及启示[J].中国地质大学学报(社会科学版),2015,(05):71-79.

[4]吕铁, 韩娜. 智能制造:全球趋势与中国战略[J].人民论坛·学术前沿,2015,(11):6-17.

[5]吕铁, 吴福象, 魏际刚, 李义平, 吴晓波, 张建平, 王佳宁.“中国制造2025”的六重玄机改革传媒发行人、编辑总监王佳宁深度对话六位知名学者[J].改革,2015,(04):5-25.

[6]王影, 冷单. 我国智能制造装备产业的现存问题及发展思路[J].经济纵横,2015,(01):72-76.

[7]吴先华, 盛巧燕, 陈易天. 从“中国制造”到“中国智造”——2014《中国工业经济》青年作者学术研讨会观点综述[J].中国工业经济,2014,(11):82-89.

[8]傅建中. 智能制造装备的发展现状与趋势[J].机电工程,2014,(08):959-962.

[9]杨兆军, 陈传海, 陈菲, 李国发. 数控机床可靠性技术的研究进展[J].机械工程学报,2013,(20):130-139.

[10]何正嘉, 曹宏瑞, 訾艳阳, 李兵. 机械设备运行可靠性评估的发展与思考[J].机械工程学报,2014,(02):171-186.

[11]良辰. 我国高档数控装备发展中应重点关注的问题——访全国高校先进制造技术与机床研究学会秘书长梅雪松[J].航空制造技术,2013,(Z1):65-67.

[12]骆正清, 戴瑞. 共性技术的选择方法研究[J].科学学研究,2013,(01):22-29.

[13]张晓璐. 高档数控机床与基础制造装备领域技术路线图的方法研究[J].机电产品开发与创新,2011,(03):10-12.

[14]王太勇, 乔志峰, 韩志国, 董靖川, 支劲章. 高档数控装备的发展趋势[J].中国机械工程,2011,(10):1247-1252+1259.