在我國，數控技術與裝備的發展亦得到了高度重視，近年來取得了相當大的進步。特別是在通用微機數控領域，以PC平臺為基礎的國產數控系統，已經走在了世界前列。但是，我國在數控技術研究和產業發展方面亦存在不少問題，特別是在技術創新能力、商品化進程、市場占有率等方面情況尤為突出。在新世紀到來時，如何有效解決這些問題，使我國數控領域沿著可持續發展的道路，從整體上全面邁入世界先進行列，使我們在國際競爭中有舉足輕重的地位，將是數控研究開發部門和生產廠家所面臨的重要任務。

為完成此任務，首先必須確立符合中國國情的發展道路。為此，本文從總體戰略和技術路線兩個層次及數控系統、功能部件、數控整機等幾個具體方面探討了新世紀的發展途徑。

1　總體戰略

制定符合中國國情的總體發展戰略，對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。通過對數控技術和產業發展趨勢的分析和對我國數控領域存在問題的研究，我們認為以科技創新為先導，以商品化為主干，以管理和營銷為重點，以技術支持和服務為后盾，堅持可持續發展道路將是一種符合我國國情的發展數控技術和產業的總體戰略。

1.1　以科技創新為先導

中國數控技術和產業經過40多年的發展，從無到有，從引進消化到擁有自己獨立的自主版權，取得了相當大的進步。但回顧這幾十年的發展，可以看到我們在數控領域的進步主要還是按國外一些模式，按部就班地發展，真正創新的成分不多。這種局面在發展初期的起步階段，是無可非議的。但到了世界數控強手如林的今天和知識經濟即將登上舞臺的新世紀，這一常規途徑就很難行通了。例如，在國外模擬伺服快過時時，我們開始搞模擬伺服，還沒等我們占穩市場，技術上就已經落后了；在國外將脈沖驅動的數字式伺服打入我國市場時，我們就跟著搞這類所謂的數字伺服，但至今沒形成大的市場規模；近來國外將數字式伺服發展到用網絡（通過光纜等）與數控裝置連接時，我們又跟著發展此類系統，前途仍不樂觀。這種老是跟在別人后面走，按國外已有控制和驅動模式來開發國產數控系統，在技術上難免要滯后，再加上國外公司在我國境內設立研究所和生產廠，實行就地開發、就地生產和就地銷售，使我們的產品在性能價格比上已越來越無多大優勢，因此要進一步擴大市場占有率，難度自然就很大了。

為改變這種現狀，我們必須深刻理解和認真落實“科學技術是第一生產力”的偉大論斷，大力加強數控領域的科技創新，努力研究具有中國特色的實用的先進數控技術，逐步建立自己獨立的、先進的技術體系。在此基礎上大力發展符合中國國情的數控產品，從而形成從數控系統、數控功能部件到種類齊全的數控機床整機的完整的產業體系。這樣，才不會被國外牽著鼻子，永遠受別人的制約，才有可能用先進、實用的數控產品去收復國內市場，打開國際市場，使中國的數控技術和數控產業在21世紀走在世界的前列。

1.2　在商品化上狠下工夫

近幾年我國數控產品雖然發展很快，但真正在市場上站住腳的卻不多。就數控系統而言，國產貨仍未真正被廣大機床廠所接受，因此出現國產數控系統用于舊機床改造的例子較多，而裝備新機床的卻很少，機床廠出產的國產數控機床大多數用的都是國外的系統。這當然不是說舊機床的數控化改造不重要，而是說明從商品的角度看，我們的數控系統與國外相比還存在相當大的差距。

影響數控系統和數控機床商品化的主要因素除技術性能和功能外，更重要的就是可靠性、穩定性和實用性。以往，一些數控技術和產品的研究、開發部門，所追求的往往是一些體現技術水平的指標（如多少通道、多少軸聯動、每分鐘多少米的進給速度等等），而對影響實用性的一些指標和一些小問題卻不太重視，在產品的穩定性、魯棒性、可靠性、實用性方面花的精力相對較少。從而出現某些產品鑒定時的水平都很高，甚至也獲各種大獎。但這些高指標、高性能的產品到用戶哪兒卻由于一些小問題而表現不盡人意，最后喪失了信譽，打不開市場。這說明，高指標、高性能的樣機型的產品離用戶真正需要的實用、可靠的商品是有相當大的距離的，將一個高指標、高性能的產品變為一個有市場的商品還需作出大量艱苦的努力。

另一方面，數控系統和數控機床不像家電類產品那樣易于大批量生產，應用環境也不那么簡單。數控產品是在生產環境中使用，面臨的是五花八門的工藝問題。如果開發部門對這些問題掌握得不透，就難以將產品設計得很完善。而且數控產品的某些問題在開發、試用，甚至鑒定時都難以發現。這就造成，同樣型號的數控機床在有的用戶那兒運行得很好，而在別的用戶那兒卻表現欠佳。或者同樣型號的數控機床用于加工某些零件工作得很好，但用于加工其他零件時卻不盡人意。出現這種情況，有時是用戶操作人員的水平問題，但有時就是數控產品本身潛在問題的暴露。為解決這一問題，國外一些公司設立了專門機構來測試考驗自己的產品，如為考驗新開發的數控系統，廠家自己設計和從生產實際中收集了大量零件程序，讓數控系統運行各種各樣的程序，一旦發現問題，即立即反饋給開發部門予以解決。經過這樣的測試考驗過程后，數控系統的潛在問題就大為減少。以往，我們的產品就很少進行這樣嚴格的全面的自我測試考驗。好些問題要等到用戶去給我們挑出來。這樣，即使一個小問題也將嚴重影響國產數控產品的聲譽。

因此，我們應充分重視上述問題，在商品化上切實狠下工夫，將其作為數控產業的主干來抓，貫穿于技術研究、產品開發、試制、生產等的全過程中，從而將我們已有的技術水平較高的數控產品變成真正有市場的好商品。

1.3　將管理和營銷作為產業發展重點

經過20來年市場風雨的沖擊，國人已越來越認識到，技術固然重要，但在市場經濟的環境下，要在激烈的全球競爭中獲勝，管理和營銷就顯得更為重要。例如，我國臺灣生產的數控機床不但占領了大陸市場的相當大的份額，而且還打進了美國市場。是臺灣數控機床的技術和質量超過美國了嗎？顯然不是。那他們靠的是什么？重要的一條就是在企業管理和產品營銷上下了工夫。而我們長期以來把主要精力放在開發技術和提高水平上，忽視了經營管理、市場開拓、產品營銷等方面的工作，結果在新技術、新產品開發出來以后，在產品質量提高以后，企業仍然處于產品銷售不暢的困境［1］。國內外的經驗說明，數控產品的競爭力不僅取決于技術，更取決于經營管理能力和營銷能力。

因此，從現在起我們應將管理和營銷作為產業發展重點，真正擺脫計劃經濟時代所遺留下來的思維方式和工作習慣的束縛，建立適應市場的高效、靈敏的運行機制和有效的激勵機制。通過這種機制，一方面切實加強企業管理，激發企業負責人和廣大職工的負責精神、創造精神和獻身精神，努力提高產品的競爭能力；另一方面充分調動企業內外、行業內外一切積極因素，大力加強市場開拓力度，奮力打通營銷渠道。可以堅信，有過硬競爭力的產品，再加上北京開關廠那樣的“找、掙、鉆、搶”精神，我們就一定能在市場競爭中取得勝利。

1.4　大力加強技術支持和服務

數控系統和數控機床作為典型的高技術產品，對用戶的技術支持和服務是相當重要的。以前國產數控產品喪失信譽的原因，除可靠性問題外，另一大問題就是缺乏有力的技術支持和服務。用戶花了很多錢買的數控機床或數控系統，一旦出現問題卻叫天天不應，叫地地不靈，以后誰還敢買我們的產品。因此，應將對用戶的技術支持和服務當成重要的日常工作來抓，使我們在市場上向縱深挺進時，有一個強大后方。因此，為了取得數控產品市場競爭的全面勝利，必須建立以技術支持和服務為核心的強大后方。當然，為贏得主動，后方也須主動出擊。目前，利用先進的信息技術手段（如網絡和多媒體），將為建立新一代立體化的技術支持和服務體系開辟新的途徑。

1.5　堅持可持續發展道路

可持續發展是下一世紀企業發展的重要戰略，我國數控產業要有大的發展也必須堅持走可持續發展的道路。綠色是實現可持續發展的重要途徑，其主要思想是清潔和節約。為此應大力加強綠色數控產品的開發，加速促進數控產品、數控產業以及整個制造業的綠色化，主要戰略措施應考慮以下幾方面：①有效減少產品制造及使用過程中的環境污染。如減少數控機床的鑄件結構，消除鑄造對環境的污染；將數控機床主軸的潤滑以油氣潤滑、噴油潤滑等取代油霧潤滑，減少對生產環境的污染；在精密數控機床及其運行環境的溫度控制中取消氟利昂制冷的恒溫技術；以電傳動代替機械傳動，減少噪聲污染。②大幅度降低資源消耗和能源消耗。如以軟件代替硬件，從而減少硬件制造的資源和能源消耗及污染，并減少產品壽命結束后硬件裝置的拆卸回收問題；以永磁驅動代替感應驅動，提高效率和功率因數，節約能源；以電傳動代替機械傳動，提高效率，減少能源消耗。③加強用數控技術改造傳統機床。這既符合運用信息技術和自動化技術改造傳統產業，使傳統產業生產技術和裝備現代化這一產業可持續發展的目標得以實現，又可取得巨大的經濟效益。我國擁有普通機床數百萬臺，加強用數控技術改造傳統機床將成為下世紀我國數控領域的重要發展方向。④大力發展綠色數控機床。綠色數控機床應是材料消耗少、能耗低、無污染，壽命長且便于拆卸回收的新型機床。例如，以并聯結構代替串聯結構就是開發綠色數控機床的一條途徑，這是因為并聯結構機床消耗的金屬材料僅為常規串聯結構機床的幾分之一，其加工量也比常規機床大幅度減少，特別是消除了大型結構件的鑄造，這將顯著降低機床制造過程中的能源消耗和對環境的污染。此外，并聯結構機床有利于采用電傳動，效率高，可有效降低使用中的能源消耗。

國際標準化組織制定了ISO14000環境管理標準，全球環境問題“法律化”的趨勢正在進一步發展，可持續發展將成為企業通向國際市場的通行證［2］。因此，我們的數控產品要在下一世紀走向國際市場，我們的企業就必須“從我做起，從現在做起”。

2　技術途徑

2.1　發展具有中國特色的新一代PC數控系統

數控系統是各類數控裝備的核心，因此通過科技創新首先發展具有中國特色的新型數控系統，將是推動數控產業化進程的有效技術途徑。

實踐證明，10年來我們所走的PC數控道路是完全正確的。PC機（包括工業PC）產量大、價格便宜，技術進步和性能提高很快，且可靠性高（工業PC主機的MTBF已達30年［3］）。因此，以其作為數控系統的軟硬件平臺不但可以大幅度提高數控系統的性能價格比，而且還可充分利用通用微機已有軟硬件資源和分享計算機領域的最新成果，如大容量存儲器、高分辨率彩色顯示器、多媒體信息交換、聯網通訊等。此外，以通用微機作為數控平臺還可獲得快速的技術進步，當PC機升級換代時，數控系統也可相應升級換代，從而長期保持技術上的優勢，在競爭中立于不敗之地。

目前，PC數控系統的體系結構有2種主要形式：（1）專用數控加PC前端的復合式結構；（2）通用PC加位控卡的遞階式結構。另外還有一種正在發展的數字化分布式結構。其方案是將由DSP等組成的數字式伺服通過以光纜等為介質的網絡與數控裝置連接起來，組成一完整的數控系統。這種系統雖然性能很好，但由于開發和生產成本太高，近期難以被國內廣大用戶所接受。我們認為，上述結構并不是符合中國國情的最好方案，適合中國國情的應是將所有數控功能全軟件化的集成式結構，因為這種結構的硬件規模最小，不但有利于降低系統成本，而且更重要的是可以有效提高系統的可靠性。

幾十年的經驗表明，可靠性好壞是國產數控系統能否發展的關鍵。雖然影響數控系統可靠性的因素很多，但過大的硬件規模和較低的硬件制造工藝水平往往對可靠性造成最大的威脅。以往，國產數控系統在總體設計時由于種種原因的限制，不得不選用技術指標不太高的普通CPU，這樣，為完成數控的復雜功能往往需要由多個CPU來組成系統，有時還需另加一些專用或通用硬件電路來實現數控系統的一些高實時性功能（如細插補、位置伺服控制等），從而造成系統硬件規模龐大。對于數控系統這種批量不大的產品，在國內現有工藝條件下，很難從硬件制造的角度保證系統的可靠性，因而使得國產數控系統在生產現場的表現不佳，對國產數控系統的形象和聲譽造成嚴重影響，使得不少用戶現在還心有余悸。

因此，我們在開發新型數控系統時，應優先選用新型高性能CPU（如高主頻的Pentium II、Pentium III等）作為系統的運算和控制核心，并盡量用軟件來實現數控的所有功能。這樣，可大幅度減小系統硬件的規模。此外，還應在軟件設計、電源設計、接插件設計與選用、接地與屏蔽設計和施工等方面采用強抗擾高可靠性設計與制造技術，從而全面提高系統的可靠性。

由于一個新型高性能CPU可以代替數十個普通CPU（如80286、80386等），因此，在基于高性能CPU的PC平臺上不僅可以完成數控系統的基本功能（如信息處理、刀補計算、插補計算、加減速控制等）和開關量控制功能（內裝PLC），而且還可以完成伺服控制功能。這樣，以前由DSP完成的數字化伺服控制功能（如位置控制、速度控制、矢量變換控制等）均可由PC中的CPU完成，從而實現內裝式伺服控制，這不僅有效縮小了數控部分的硬件規模，而且還大幅度縮小了伺服控制部分硬件規模。

這種具有內裝PLC和內裝伺服控制的全軟件化集成式數控系統，其硬件規模將達到最小化，整個數控系統除一個PC平臺外，剩下的只有驅動機床運動的功率接口和反饋接口。這既有效提高了系統可靠性，又消除了信息傳遞瓶頸，提高了系統性能，同時還可顯著降低系統成本，使系統（包括電機）售價將可降至現有數控系統的一半左右。顯然，這種高性能、高可靠性、低成本的新型數控系統將具有極強的競爭力，有望為開創中國數控的新局面作出貢獻。

此外，集成化PC數控系統還有一大優點，就是容易實現開放式結構。這是因為，這種系統的硬件本身已經是完全開放的，構成開放式數控系統的工作完全在軟件上，只要制定好標準和協議，從信息處理、軌跡插補、加減速控制、開關量控制到伺服控制都可以實現開放，從而可大大方便用戶的使用。

2.2　推進數控功能部件的專業化生產

解決數控系統問題后，如何實現數控機床的模塊化設計與制造便是我國機床制造企業快速響應市場需求，在競爭中獲勝的另一關鍵。要實現數控機床的模塊化設計制造，必須解決數控機床功能部件的專業化生產問題。目前我國在這方面離實際需求還有相當大的差距。因此，在今后的若干年內，我們必須大力促進數控機床功能部件的開發和專業化生產。其要點如下：

(1)新型永磁電主軸單元　 電主軸已成為國際市場上最熱門的數控機床功能部件。但目前這類產品幾乎都為感應異步型，存在以下突出問題：①轉子上存在繞組，有大電流流過，因此轉子發熱嚴重，直接影響主軸精度；②低速出力小且轉矩脈動大，難以滿足寬范圍切削要求；③效率和功率因素低，不僅電機體積和重量大而且要求逆變器容量大、耗能多；④控制系統復雜、成本高。

因此，利用我國稀土永磁材料的優勢，開發新型大功率、高效率、寬調速范圍永磁同步型交流電主軸單元，將可有效解決現有電主軸存在的問題，形成具有中國特色的新一代電主軸產品。由于永磁電主軸的機械結構和控制系統都較感應異步型電主軸簡單，因此易于進行專業化大規模生產。當然，這還要攻克主軸支承（陶瓷軸承、流體動靜壓軸承、磁懸浮軸承）技術、高精度高速動平衡技術、高速驅動、檢測與控制技術、高可靠性安全保證技術等關鍵技術。

(2)廉價的高性能伺服系統　目前，一套進給交流伺服系統（驅動器+電機）的價格一般都在萬元以上，主軸伺服系統的價格高達數萬元，已成為降低國產數控機床成本的一大障礙。因此，應配合新型集成化國產數控系統的發展，大力開發廉價的高性能內裝式伺服系統。由于內裝式伺服的硬件部分只有電機和功率接口，充分利用我國的永磁資源優勢，通過專業化生產可以把電機的造價降下來，而采用智能化的IPM模塊作為功率接口也很便宜，因此將內裝式進給伺服的價格控制在數千元以內，將內裝式主軸伺服的價格控制在2萬元以內，將是完全可能的。

(3)直線交流伺服系統　 直線交流伺服系統是下一世紀數控機床不可缺少的功能部件，目前我國還沒有成熟產品，因此應加強研究、開發和推廣應用。考慮到常規機床的防磁問題較難解決，而并聯機床的防磁相對容易，因此可為常規結構機床開發感應異步型直線電機，為并聯結構機床開發永磁同步型直線電機，從而揚長避短，構成符合實際應用要求的新型高速高精度進給系統。在此基礎上，可進一步開發將驅動與支承合二為一的磁懸浮工作臺。

(4)零傳動數控轉臺與擺頭　 數控轉臺與擺頭是多坐標數控機床的關鍵部件，傳統的采用高精度蝸桿蝸輪等傳動的轉臺與擺頭不僅制造難度大、成本高，而且難以達到高速加工所需的速度和精度，因而必須另辟蹊徑開發新型零傳動（無機械傳動鏈）數控轉臺和擺頭，以促進我國高速高精度多坐標數控機床的發展。

(5)高速高精度檢測裝置　 高速高精度是下世紀數控機床發展的主題，這不但需要高性能的控制和驅動，同時還需要高品質的檢測環節，因此應在現有技術基礎上，進一步開發0.1 μm以上精度的高速(60 m/min以上)線位移傳感器和100萬脈沖/r的角位移傳感器，此類技術國外對我國是封鎖的。

2.3　加速數控機床的全國產化，打好市場翻身仗

數控產業化的最終成功將體現在數控機床的全國產化和市場占有率上。在上述總體戰略指導下，采取抓兩頭（低價位數控機床和高速高效數控機床）、帶中間（普通數控機床）、促重型（重型關鍵裝備）的方針，將是在國內市場上快速收復失地，在國際市場上穩步進軍，最終打贏國產數控機床市場翻身仗的一種有效戰術和策略。關于普通數控機床的發展已有許多文章作了專門論述，因此下面僅就低價位數控機床、高速高效數控機床和重型數控機床的發展問題作一討論。

(1)大力發展低價位數控機床　 低價位機床是功能滿足用戶要求(無功能浪費)、技術指標適中、可靠性好、價格便宜的普及型數控機床。這類機床已成為國際市場上數控機床的發展趨勢之一，也是國內眾多用戶渴求的產品，其市場前景相當廣闊。然而，如果采用國外數控系統（包括伺服）按照傳統思路來發展低價位機床，是很難將價格降至廣大用戶所能接受的水平的。因此，采用本文提出的新型集成化國產數控系統來發展高性能的低價位數控機床，將是一條最有希望成功的道路。只要有一定批量，由此構成的全國產普及型數控車床的售價完全可以控制在10萬元以內，三坐標數控銑床可控制在15萬元左右，加工中心可控制在20萬元左右。此價位的國產數控機床將是具有較強競爭力的。

(2)加速開發高速高效數控機床　 高速高效是數控機床發展的另一大潮流。發展高速高效數控機床的技術途徑可有以下幾條：①通過提高切削速度和進給速度，從而達到成倍提高生產效率，有效提高零件的表面加工質量和加工精度并解決常規加工難以解決的某些特殊材料（如鋁鈦合金、模具鋼、淬硬鋼）和特殊形狀零件（如復雜薄壁零件）的高效加工問題。②通過工藝復合，減少工件的安裝次數，有效縮短搬運和裝夾時間。例如，將五面五軸加工中心與立車復合構成萬能加工中心，可實現一次裝卡完成零件的大部分（或全部）加工。③采用高速高精度圓周銑加工孔和以螺旋軌跡插補實現不鉆底孔的直接攻絲等新加工方法，大幅度減少換刀次數，提高加工效率。④為數控機床開發智能尋位加工功能，消除對精密夾具和人工找正的依賴，有效縮短單件小批加工的準備時間。

在我國現實條件下如果沿用傳統思路是難以實現上述途徑的，因此，必須立足國情，結合實際勇于創新，大膽探索新的道路。 考慮到常規數控機床在總體結構上基本上采用工件和刀具沿各自導軌共同運動的方案，一方面由于機床傳動環節剛性不足和導軌中的摩擦阻力較大，使運動部件難以獲得高的進給速度；另一方面由于工件、夾具和工作臺的總質量比較大，使之難以獲得高的加速度。此外，傳統機床結構是一種串聯開鏈結構，組成環節多、結構復雜，并且由于存在懸臂部件和環節間的聯接間隙，不容易獲得高的總體剛度，因此難以適應高速高效加工的特殊要求。為此，開發國產高速高效數控機床時，可采用工件固定，以直線電機組成并聯短鏈直接驅動主軸和刀具運動、將高速高精度傳動與高剛度支撐合二為一的適合于高速高效加工中心的新型結構。采用該結構的高速高效數控機床不但速度高、剛度高，如果在傳動與控制上處理得當，可以達到比常規機床更高的加工精度和加工質量，而且具有機械結構簡單，零部件通用化、標準化程度高，制造成本低，易于經濟化批量生產等顯著優點。因此，沿此思路發展高速高效數控機床將是一條符合國情、易于取得成功的道路。

(3)突破重型數控機床的設計制造技術　 重型數控機床（特別是多坐標重型數控機床）是國民經濟和國防生產中的重大關鍵設備，屬于戰略物資，真正先進的重型數控機床國外是不可能賣給我們的，因此，在我國下世紀數控產品的發展中必須依靠自己的力量進行解決。發展重型數控機床必須有過硬的基礎，我們在數控機床國產化的進程中應不斷總結經驗，加強基礎技術和關鍵技術研究，充分發揮我國產學研相結合的優勢，各部門通力合作、共同努力，爭取在下世紀初取得突破性進展。

目前，在發展重型數控機床中除需加強基礎理論研究外，還應加強其關鍵技術研究。例如，重型機床的控制就是需要加以特殊解決的關鍵問題。因重型機床加工的工件特別昂貴不允許報廢，為了確保機床工作可靠，在數控系統中可采用雙（或多）CPU冗余工作方案，以確保運算和控制的絕對正確，并在出現故障時自動診斷、自動修復或自動替補，確保加工不出問題。此外，在電源上可采取雙蓄電池供電的全隔離供電方案，即一組電池在給系統供電時，可對另一組電池進行充電，電網與控制系統是完全隔離的。這就徹底消除了重型車間中電網電壓波動厲害、干擾嚴重對數控系統造成的影響，從而有效保證系統的可靠性。又如，重型數控機床的驅動也是一大關鍵問題。當行程長度超過5 m，普通滾珠絲桿就難以勝任大負荷的傳動，因此目前一般采用預加負載的雙齒輪-齒條機構、靜壓蝸桿-蝸母條機構、四足（或雙足）爬行進給機構等來實現長行程傳動。但這些方案存在結構復雜、速度和加速度低、動態性能差、難以達到高精度、維護保養復雜等問題。為此可發展陣列式高效直線電機直接驅動技術和空間并聯機構驅動技術，以新的途徑來解決重型數控機床的高速、高精度驅動問題。除此之外，機床結構的優化設計、長行程精密檢測、重力變形補償、切削力變形補償、熱變形補償等也是重型數控機床中必須解決的關鍵問題，必須予以充分重視。

3　結語

制定符合中國國情的總體發展戰略，確立與國際接軌的發展道路，對21世紀我國數控技術與產業的發展至關重要。本文在對數控技術和產業發展趨勢的分析，對我國數控領域存在的問題進行研究的基礎上，對21世紀我國數控技術和產業的發展途徑進行了探討，提出了以科技創新為先導，以商品化為主干，以管理和營銷為重點，以技術支持和服務為后盾，堅持可持續發展道路的總體發展戰略。在此基礎上，研究了發展新型數控系統、數控功能部件、數控機床整機等的具體技術途徑。