机械一周解一惑系列：全球数控系统演进简史与中国国产化之路

本周关注：宏华数科、铁建重工、中铁工业、科德数控、华中数控。 数控机床集电子/计算机/控制/信息技术为一体。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术，实现按照零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行，从此NC技术就使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。随后，为了解决NC程序编制的自动化问题，采用计算机代替手工的自动编程工具（APT）和方法成为关键技术，计算机辅助设计／制造（CAD／CAM）技术也随之得到快速发展和普及应用。可以说，制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。数控系统（CNC系统）是数控机床的重要部分，有数控程序、输入输出设备、CNC装备（核心）、可编程控制器（plc）、主轴驱动单元和给进驱动单元（包括检测装备）等组成。数控系统随着计算机技术的发展而进步。 数控系统在AI赋能下有望加快插补技术进步。数控系统完成诸多信息的存储和处理的工作，并将信息的处理结果以控制信号的形式传给后续的伺服电机，这些控制信号的工作效果依赖于两大核心技术：①曲线曲面的插补运算，②机床多轴的运动控制。高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动控制的物理基础。现代数控机床普遍采用数字计算机通过软件实现轨迹插补。当前５轴联动插补可高效方便地实现各种复杂曲线和曲面插补的功能，并进一步发展样条插补和先进的速度、加速度、加速度变化率（Jerk）等控制功能，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技术。未来，数控系统还将发展自由曲面直接插补功能（SDI）并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹规划相结合，在考虑多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速度约束条件下，实现由3D模型驱动的刀轨生成和最优控制的多轴联动直接插补。 当下我国高端数控系统处在创新链链产业链加快融合阶段。改革开放初期，我国主要采用以“引进—消化—吸收”为主导的技术学习推动高档数控机床技术追赶，产业配套政策包括国企改革、特殊优惠折旧政策科技院所改制，以“十八罗汉”和“七所一院”为主导的产业链和创新链初步形成；21世纪进入自主创新阶段，2000-2010年推出“04专项”、863课题“高精尖数控机床”重点专项，2010-2020年，创新链与产业链加快融合，在重大专项支持下，一批专精特新民企崛起，部分国企龙头发挥产业链“链长”作用，产业创新生态系统优化，诞生了数控系统中的华中8型（2010年），i5（2015年）、华中9型（2019年）等国产优质产品，在3c、航空航天、激光加工、汽车制造等领域均实现高端数控系统突破。但目前我国高端数控系统与海外企业差距仍明显。国外高档数控系统基本都是驱控一体的全数字闭环控制系统。国内数控系统硬件体系架构主要以前三个阶段为主，目前有一代的差距。国外高档系统具有的纳米插补、力矩控制、前馈控制等核心技术都需要第四代全数字硬件架构支持，底层技术包括软件（芯片，海外工业控制专用芯片；CAE及CAM领域国内大部分加工厂都在使用国外功能简化的免费版），硬件（例如海德汉的光栅尺、多摩川或尼康的光电编码器，国内产品基本处于中低端市场）。我们预计到2025年我国数控系统规模达210-262亿元，目前数控系统外资占据绝大份额，特备是高端数控系统，替代需求强。 投资建议：建议关注国内高端数控龙头：华中数控、科德数控。 风险提示：宏观经济复苏低于预期风险，技术进步低于预期风险。 1数控系统全球演进历史即信息技术发展史 1.1数控机床集电子/计算机/控制/信息技术为一体 1952年世界第１台数控机床在美国麻省理工学院研制成功，这是制造技术的一次革命性跨越。数控机床采用数字编程、程序执行、伺服控制等技术，实现按照零件图样编制的数字化加工程序自动控制机床的轨迹运动和运行，从此NC技术就使得机床与电子、计算机、控制、信息等技术的发展密不可分。随后，为了解决NC程序编制的自动化问题，采用计算机代替手工的自动编程工具（APT）和方法成为关键技术，计算机辅助设计／制造（CAD／CAM）技术也随之得到快速发展和普及应用。可以说，制造数字化肇始于数控机床及其核心数字控制技术的诞生。 数控机床升级历史经历几个阶段：①60s初，集成电路和大规模集成电路电子计算机出现计算机在运算处理能力、小型化和可靠性方面的突破性进展，由基于分立元件的数字控制（NC）走向了的计算机数字控制（CNC），数控机床也开始进入实际工业生产应用；②80s，IBM推出PC电脑，由过去专用厂商开发数控装置（包括硬件和软件）走向采用通用的PC化计算机数控，同时开放式结构的CNC系统应运而生，推动数控技术向更高层次的数字化、网络化发展，高速机床、虚拟轴机床、复合加工机床等新技术快速迭代并应用；③21世纪开始，智能化趋势。 图1：数控机床发展历程及重要拐点 1.2数控机床关键和核心技术迭代与计算机信息技术一致 机床结构主要包括两大部分：机床的各固定部分（如底座、床身、立柱、头架等）、携带工件和刀具的运动部分，这两部分现在通称为机床基础件和功能部件。 随着技术的进步，当前，在同一台数控机床上实现“增材加工＋切削加工”功能的增减材混合加工新型结构机床已经进入实用化发展阶段。核心功能部件主轴/伺服驱动/控制方式也经历了智能化的演进过程。 图2：机床主机结构的演进 图3：数控机床主轴和伺服驱动方式的发展演进 1.2.1数控系统在AI赋能下有望加快插补技术进步 数控系统（CNC系统）是数控机床的重要部分，有数控程序、输入输出设备、CNC装备（核心）、可编程控制器（plc）、主轴驱动单元和给进驱动单元（包括检测装备）等组成。数控系统随着计算机技术的发展而进步： NC硬件系统：即由硬件电路来完成插补的数控系统，出现在1952-1965； CNC计算机数字系统：由硬件和软件共同完成数控的功能，具有柔性，出现在1974年以后。 图4：数控系统部件构成 CNC装置由硬件和软件组成，硬件一般是计算机的基本结构，还有数控机床特有功能的功能模块与接口单元，软件有管理软件和控制软件。 图5：CNC装置硬件 图6：CNC装置软件 数控系统完成诸多信息的存储和处理的工作，并将信息的处理结果以控制信号的形式传给后续的伺服电机，这些控制信号的工作效果依赖于两大核心技术：一个是曲线曲面的插补运算，一个是机床多轴的运动控制。 多轴联动控制技术是数控机床控制的核心技术之一。数控机床各进给轴（包括直线坐标进给轴和回转坐标进给轴）在数控装置控制下按照程序指令同时运动称为多轴联动控制。高档数控机床一般都具有３轴或３轴以上联动控制功能，多为４轴联动或５轴联动，各个进给坐标轴的运动一般由电动机在伺服驱动器控制下实现，因此，高性能的坐标轴进给伺服装置构成了实现多轴联动控制的物理基础。 轨迹插补也是数控机床控制的核心技术之一。实现插补运算的装置（或软件模块）称为插补器，现代数控机床普遍采用数字计算机通过软件实现轨迹插补。当前５轴联动插补可高效方便地实现各种复杂曲线和曲面插补的功能，并进一步发展样条插补和先进的速度、加速度、加速度变化率（Jerk）等控制功能，是高速度、高精度、高动态响应加工的核心技术。未来，数控系统还将发展自由曲面直接插补功能（SDI）并可望与基于人工智能和数字孪生的走刀轨迹规划相结合，在考虑多轴联动动力学模型以及轨迹误差和速度约束条件下，实现由3D模型驱动的刀轨生成和最优控制的多轴联动直接插补。 图7：多轴联动插补技术 1.2.2五轴联动数控系统特点 加工复杂曲面不仅要理论上可以加工，还需要考虑刀具和被加工的表面之间的相对位置关系。一方面如果刀具的姿态不合适会导致加工的表面质量低下；另一方面刀具还会和加工好的零件结构互相干涉，不调整刀具的相对姿态没有办法加工。这就需要赋予数控机床更多的运动自由度，使之更为灵巧。 图8：空间中的六个自由度 由于我们所处的三维空间的相对运动只包含六个自由度（3个平动自由度以及3个转动自由度），五坐标联动就是使数控机床在具有空间上x、y、z三个方向的平动自由度外，又增加了两个方向的转动的自由度，再加上刀具本身的用于切削的转动自由度，这样刀具和工件之间的相对运动就有了全部的六个自由度，使得刀具和工件之间可以呈现任意的相对位置和相对姿态。 属于五轴联动机床的RTCP（旋转刀具中心编程）功能：从根本上说，主要是改变了插补运算的流程。没有RTCP功能的机床，其插补的运算对象是刀具旋转中心，也就是刀轴点，而开启RTCP功能的机床，则变成了刀尖点，有效提升了加工精度。 图9：关闭RTCP和打开RTCP指令转换流程 图10：关闭RTCP和打开RTCP指令插补运算中心差异 1.3加工效率和精度持续持续提升 从1960年-2020年，制造生产中总的加工时间（包括切削时间、辅助时间和准备时间）减少到原加工时间的16％，即加工效率显著提升；另一方面，“切削时间、辅助时间、准备时间”这三者之间的占比也逐渐趋向一致，因此，未来提高加工效率，不仅要着眼于工艺方法优化改进和提高自动化程度，还需要从生产管理的数字化、网络化和智能化的角度，有效缩短待工时间。此外，各种加工工艺方法和机床（或装备）技术的发展带来了加工精度的持续提高，其精度提升是一个长时间技术累积和不断迭代的过程（精密加工提高１个精度数量级的时间超过20年）。 图11：制造技术应用与加工效率 图12：加工工艺装备与加工精度 2我国高端数控系统国产化之路 2.1当下处于创新链与产业链加快融合阶段 改革开放初期，面对同西方发达国家数控技术的巨大差距，我国主要采用以“引进—消化—吸收”为主导的技术学习推动高档数控机床技术追赶，产业配套政策包括国企改革、特殊优惠折旧政策科技院所改制，以“十八罗汉”和“七所一院”为主导的产业链和创新链初步形成；21世纪开始，进入自主创新阶段，2000-2010年推出“04专项”、863课题“高精尖数控机床”重点专项，2010-2020年，创新链与产业链加快融合，在重大专项支持下，一批专精特新民企崛起，部分国企龙头发挥产业链“链长”作用，产业创新生态系统优化，诞生了数控系统中的华中8型（2010年），i5（2015年）、华中9型（2019年）等国产优质产品。 图13：我国高档数控机床技术追赶历程 2.2“04”专项是我国高端数控系统国产化重大举措 攻克高档数控系统是“04专项”的主要实施目标之一。在重大专项引导和支持下，高档数控机床领域产学研用主体，围绕航空航天、船舶、汽车制造、发电设备制造等战略性新兴产业重大应用需求，通过协同攻关突破了一系列关键核心技术的“卡脖子”问题，研制出一批具有自主知识产权的高档数控系统，并在战略性新兴产业形成了规模化应用。 图14：我国高档数控机床重点领域加快技术追赶的主要机制 2.2.1重大专项加大对重点领域核心技术攻关的引导和支持 “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（即科德数控）、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。经过2年多的努力，5家企业攻克了数控系统软硬件平台、高速高精、多轴联动、总线技术和纳米插补等一系列高档数控系统关键技术，研制出全数字总线式高档数控系统产品样机，实现了从模拟接口、脉冲接口到全数字总线控制、高速高精的技术跨越。2012年，“04专项”对数控系统的任务部署转向重点对标，确立了“高档数控系统瞄准国外具有五轴联动、多通道、高速高精和车铣复合功能的最先进的数控系统”“中档普及性、标准型技术瞄准市场占有率最大的进口数控系统”两大标靶，技术攻关单位公开招标的结果是：华中数控、大连光洋承担了高档型数控系统开发和应用验证课题，广州数控、华中数控承担了标准型数控系统开发及产业化课题。 2.2.2主机牵引推动关键核心技术协同攻关 主机牵引主要强调3个方面，一是“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”；二是“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”；三是“数控系统必须在主机上考核”。 在研制高档型