国产数控系统的技术进步与应用成果

陈吉红

中国机床工具工业协会数控系统分会 湖北武汉 430223

中国机床工具工业协会数控系统分会理事长 陈吉红

1 序言

数控系统是数控机床装备的“大脑”，直接影响数控机床装备的功能、性能和技术水平的高低，而高档数控系统是高档数控机床的“芯片”。近5年，在错综复杂的国际环境下，国产数控系统产业迎难而上，不断突破。根据权威机构统计，近5年，国产数控系统的市场占有率实现了大幅提升，国产中高端系统占有率由不足1%提升到30%以上。具备五轴联动功能的国产高档数控系统批量进入市场，国产中高档数控系统在多通道、多轴联动等关键技术指标上已基本能够与国外数控系统同台竞技，为大飞机、新型战机和探月工程等国家重点工程提供了关键制造装备。国产数控系统在3C加工行业大放异彩，在玻璃机、多轴抛磨机床等方面与国外知名数控系统正面竞争，进入世界顶级智能手机公司核心供应链。

“十四五”期间，面对旺盛的市场需求，在国家的大力支持下，国产数控系统行业一定会在现有基础上，不断取得更大成绩。

2 数控系统的发展关系我国机床行业的发展

神舟飞天、蛟龙入海、墨子传信和北斗组网等以航空装备、海洋工程装备制造为代表的中国高端制造业发展势头迅猛，这些都离不开一种被称之为“工业母机”的装备——数控机床。数控系统作为数控机床的“大脑”，是决定数控机床功能、性能、可靠性及成本的核心部件，是制约我国机床行业发展的瓶颈。面对世界百年未有之大变局和中华民族伟大复兴战略全局，面对错综复杂的国际环境带来的新机遇和新挑战，机床工业成为支撑实现我国经济高质量发展的关键，被列为制造业核心竞争力提升的重大技术装备。

在逆全球化、价值链重塑的国际形势下，制造业产业安全、高档机床和数控系统自主可控迫在眉睫，发展高档数控机床和高档数控系统意义重大[1]。

3 国产数控系统迎来发展契机

（1）国家大力支持国产数控系统产业的发展 2009年以来，高档数控机床与基础制造装备国家科技重大课题专项（以下简称04专项）累计立项支持40多项课题，支持华中数控、广州数控、大连光洋和沈阳高精等国产数控系统骨干企业，立足自主创新，研制高档型、标准型数控系统，伺服驱动和伺服电动机。04专项实施期间，高档数控系统领域共申请专利600多项，其中发明专利400多项，共授权专利300多项，形成各项标准200多项。在数控系统产品方面，支持研制华中数控HNC-8/9型、广州数控GSK-25i/27i型、大连光洋GNC61/62型及沈阳中科数控GJ403/430系列高档数控系统。

大力支持伺服驱动及电动机测试，数控机床、数控系统及功能部件等标准研究，以及测试平台及测试体系建设。立项支持高档型数控系统关键共性技术、开放式数控系统支撑技术创新平台建设[2]。

大力支持一批航空、航天、航发、汽车、发电装备和船舶制造企业应用国产数控机床和数控系统。华中数控、广州数控、大连光洋及沈阳高精等企业所研制的高档型数控系统与数十类数千台高速、精密、五轴联动的高档数控机床实现配套。这些设备包括高速精密车削中心、高速立式加工中心、精密立式加工中心、车铣复合加工中心、高速卧式加工中心、精密卧式加工中心、九轴六联动砂带磨及数控工具磨床等高档数控机床。

大力支持万台数控机床配套国产数控系统应用工程、国产数控系统在大型机床零件加工中的应用及立式加工中心批量配套等的应用示范。

（2）相关省市大力支持数控机床和数控系统产业发展 国内“工业母机”重点区域如浙江、山东、广东和陕西等高度重视装备制造业，数控机床产业发展迅速，产品不断升级换代，对数控系统的市场需求扩大，给国产数控系统行业发展提供了很好机遇。例如，浙江台州市政府发布了加快推进机床装备产业高质量发展的“10条”政策，成立高档数控机床技术创新中心，旨在推动本市机床装备产业迈向全球产业链价值链中高端，打造自主创新高质量发展的行业典范。陕西省在西咸新区成立“秦创原”创新驱动平台，把制造业的“创新驱动”提升到了一个前所未有的高度。

4 国产数控系统硕果累累

近5年，在国家和用户的大力支持下，国产高档数控系统取得了巨大进步，在技术上和市场应用两方面都实现了振奋人心的国产化替代。

（1）数控系统的关键技术指标达到国际先进水平 在高档数控系统关键技术方面，攻克了开放式平台技术、现场总线技术、高速高精控制技术、多通道及复合加工控制技术、双轴同步控制技术、纳米级高精度插补技术、智能化技术以及工业大数据互联通信等一批核心关键技术。华中数控、广州数控共同完成的“高性能数控系统关键技术及产业化”获国家科技进步二等奖。

华中数控对标国外先进高档数控系统，攻克了数控系统体系结构、现场总线、高速高精及五轴联动等一批关键技术，研制了3个规格的华中8型高档数控装置硬件平台和跨平台、全方位、多层次开放的高档数控系统软件平台，在功能、性能和可靠性方面达到国际先进水平，实现进口替代。华中8型系列高档数控系统（见图1）获国家科技进步二等奖，NCUC-Bus现场总线技术获湖北省技术发明一等奖。

图1 华中8型系列高档数控系统

华中数控将数控技术与人工智能技术深度融合，独创性地开发了基于“指令域”电控数据的感知分析、理论与大数据融合建模、智能优化“i代码”和“双码联控”等关键技术，首次将AI芯片嵌入数控系统，研制了华中9型系列新一代智能化数控系统（见图2），并成功开发了精度提升、工艺优化和健康保障等一批智能应用模块，应用在智能精密加工中心、智能五轴加工中心、智能凸轮轴磨床等一批智能机床上，推动了机床智能化创新发展。

图2 华中9型系列新一代智能化数控系统

（2）高档数控系统在重点领域已实现批量突破 高档数控系统支撑了04专项近百台主机首台首套研制，提升了机床行业产业链自主可控能力；支撑了04专项在航空、航天、航发和汽车等重点领域数千台机床和生产线应用示范工程和数控机床升级改造工程，对国家的国防安全、产业安全及核心技术的自主可控做出了贡献。国产高档数控系统在国防军工领域应用批量突破，极大地推动了国产高档数控系统产业化进展。据权威机构统计，国产中档数控系统市场占有率由04专项支持前的10%提高到60%以上，国产高档数控系统国内市场占有率由04专项支持前不足1%提高到30%以上。

1）华中数控。华中数控的高档型数控系统全面进入航空航天、汽车零部件、能源装备及船舶制造等领域。中、高档数控系统累计销售10万多台，在2000多家企业批量应用。其中，与04专项配套研制的10多类数千台高档数控机床已经在国家重点领域实现了批量配套。

由沈阳飞机工业集团有限公司、沈阳航空产业集团、沈阳航空制造有限公司和华中数控等企业合作建设的沈阳航空复杂结构件智能制造生产基地项目（见图3），是国内航空航天领域首条全部应用国产高档数控设备的智能制造生产线，同时也是航空航天领域配套华中8型五轴数控系统最多的智能制造生产线。项目由中央总控室、1条铝合金接头类卧式精密加工生产线，1条铝合金肋板类卧式加工生产线，1条铝合金大型框、梁类柔性加工生产线，1条钛合金接头类卧式精密加工生产线，1条钛合金大型框、梁类强力加工生产线，以及1条铝合金长桁类加工单元组成，同时还有车铣复合加工中心、铝合金接头类卧式精密加工中心。本项目总共有9条生产线，57台机床设备，其中五轴设备39台，配华中数控系统的机床49台，五轴联动机床33台。

图3 沈阳航空复杂结构智能制造生产基地

航空发动机最核心、制造难度最高的是“一盘一匣两片”（涡轮盘、机匣、导向叶片及工作叶片），零件结构复杂、加工精度高，表面粗糙度及表面质量要求高，其先进制造技术对相应的数控机床与装备需求十分迫切。华中8型数控系统已在航空发动机制造领域数十家用户单位的数百台设备上成功应用，并且在2021年央视《动力澎湃》节目中精彩亮相。

2022年12月6日，央视新闻频道《焦点访谈》栏目报道了系列科技成果转化为现实生产力的典型案例。其中，上海交大智邦科技有限公司联合四川普什宁江机床有限公司、武汉华中数控股份有限公司等单位研制的国产装备轿车动力总成加工生产线（见图4），已在上汽通用汽车有限公司投入使用。这条轿车动力总成加工生产线，由5台PT-50卧式加工中心和多台关节、桁架机械手组成，其中OP30/OP50/OP90工序的卧式加工中心配套华中HNC-848D高档数控系统。实践证明，从数控系统、电主轴到工装夹具、刀库，由国产化的功能部件组成的全国产高端加工中心完全能够满足高档汽车动力总成的加工需求。

图4 国产装备轿车动力总成加工生产线

2）科德数控。科德数控研制的高端数控装备 在航空、航天、能源和汽车等国家重点领域实现首台套应用，实现了具有核心技术和自主知识产权的高端数控机床和高端数控系统在功能、性能、可靠性的迭代提升。

航天科工三院采用科德数控自主研制的6类22台五轴数控机床，组建了行业首条以国产高端装备为主的发动机关键零件生产线，采用AGV小车、桁架机器人、自动化工装夹具及在线检测系统等智能制造手段，在生产MES管控系统的组织下，实现了发动机关键零件的自动化生产。该条生产线投产后的设备综合利用率达到70%，生产效率提升30%，人员缩减50%以上。充分验证并提升了国产五轴机床、数控系统及核心功能部件的水平，增强了重点用户领域批量使用国产高档数控机床的信心。

科德数控系统为航天科工三院建成的五轴立式加工中心柔性自动化生产线（见图5）顺利投产，实现了不限品种、数量的柔性生产，最少可以实现15h以上两个班次无人值守的自动化生产，是国内首条五轴加工中心组建、高柔性化的自动化生产线，相比由人员值守运行的机床，大大提高了生产效率和生产稳定性，机床稼动利用率从40%～60%提升至90%以上。

图5 五轴立式加工中心柔性自动化生产线

3）沈阳中科数控。沈阳中科数控与黎明发动机公司、沈飞公司等重点企业合作，推广国产高档数控系统。例如，数十台磨床、镗床、加工中心，以及3台激光打孔机床配套蓝天数控系列数控系统，实现将国产数控系统批量应用到航空发动机典型零件的加工。

基于开放式数控技术平台，通过与激光设备厂商、航空制造领域的用户密切合作，沈阳中科数控开发出双通道11轴超快激光加工专用数控系统。系统解决了多通道控制、RTCP、高速程序预处理、焦距测量、三维测量、光路切换、四光楔扫描及功率检测等关键技术。设备适用于金属、非金属等材料表面的微结构处理，如微腔、型腔、盲孔、通孔、异型孔、异型槽及复杂形貌微结构的加工等，并在航空制造领域进行应用，解决了航空发动机叶片打孔加工的技术瓶颈。

4）广州数控。广州数控在04专项的支持下，开发出新一代标准型数控系统，实现产品更新换代，产品在关键功能、性能和可靠性方面达到国外同类主流数控系统同等水平，用户认可度和国内市场占有率显著提升。广州数控每年销售数控系统（见图6）10万套以上，占国内同类产品配套总量的50%，超过国际著名数控系统厂商同类产品在中国的年度销售配套数量，成为国际上标准型数控系统年产量第二的公司。

图6 广州数控系列化数控系统

广州数控为天津长征航天、上海航天、上海商飞、沈飞集团、成发集团、西航集团、沈阳黎明、无锡透平和贵州黎阳等航空航天企业配套高端装备数控系统近百台。

（3）国产数控系统在3C加工领域实现进口替代 除了高端领域，在许多细分领域，国产数控系统与国外系统同台竞技、分庭抗礼。华中数控、上海维宏等企业针对3C、木工和激光等行业对高速、高精、多轴和多通道数控系统的巨大需求，研制并批量销售了高速钻攻中心、玻璃机、抛光机及木工机等数控系统数万台套。

以苹果公司为代表的高端手机外壳精密打磨抛光，在技术指标、精度和美观等方面要求更高，需要大量的高端研磨抛光设备。在五轴抛光加工领域，华中数控与湖南宇环数控机床公司深度合作，创新致胜，充分利用华中8型五轴RTCP技术，突破技术壁垒，共同研发的五轴抛光设备（见图7），获得了富士康、捷普集团、蓝思科技等国内外多家苹果产业链高端客户群体，为世界手机品牌制造商提供优质的解决方案。

图7 配置华中8型数控系统的五轴抛光设备

5 国产数控系统发展任重道远

经过近5年的努力，国产高档数控系统取得了巨大进步。但是，我们清醒地认识到，在市场认同度和占有率方面，与国际巨头企业相比，国产高档数控系统仍然存在一定的差距。

（1）国外机床企业多年形成的“市场生态圈”难以打破 国外优势机床企业在中国市场耕耘多年，已拥有了很好的市场品牌与客户美誉度，大多数客户已经习惯于使用他们的产品，形成了一个“市场生态圈”。国产高档机床在国外优势机床企业形成的“市场生态圈”下艰难发展，导致了国产机床试错机会不足，缺少充分市场化竞争下的技术迭代改进机会。

（2）重点领域批量示范应用还需加强 近年来，国产高档数控机床为火箭、卫星、航空发动机、核电和大飞机等国家重大专项和重点工程提供了关键制造装备，解决了相关领域所需关键装备的“有无问题”。但是，在航空、航天、汽车和3C等重点领域大规模、多品种的批量配套使用方面还需要多方努力。

（3）产业链自主化有短板 据统计，我国航空、航天等重点领域所需的五轴加工、复合加工、重型和龙门等加工装备的高档数控系统主要是进口品牌。高档数控系统一直受制于国外的技术封锁，是制约我国机床装备迈向高端化的主要短板。

（4）研发经费投入不足 目前，国家高度重视国产数控机床的研发，04专项等项目也在此领域投入巨大的人力、物力和资金，国产数控机床取得了一定突破[3]，但与国外巨头几十年的经验积累和巨大的研发、市场投入相比，我国对国产高档数控机床的投入仍然存在较大差距。

6 抓住历史机遇，振兴民族数控产业

党的二十大报告指出：推进新型工业化，加快建设制造强国。支持专精特新企业发展，推动制造业高端化、智能化、绿色化发展。这充分体现了党和国家对制造业、对数控系统等核心技术自主可控的高度重视，国产数控系统产业要把握历史机遇，继续努力奋斗。

（1）国产数控系统市场潜力巨大 具体如下。

1）高端制造业带动高档数控系统需求。随着制造业的发展，中国已经逐步成为世界第一大机床市场。根据国家统计局发布的数据显示，2022年1—7月，全国制造业投资同比增长9.9%，其中装备制造业投资增长19.4%。在高端制造中，舰艇、飞机、火箭、卫星和飞船中许多关键零件的材料、结构、加工工艺都有一定的特殊性和加工难度，必须采用多轴联动、高速、高精度的数控机床才能满足加工要求。因此，高档数控机床是航空航天、汽车、船舶和发电设备制造等领域必需的关键设备。

2）新能源汽车发展带动高端数控机床国产化。据中国汽车工业协会统计，2022年1—8月，新能源汽车产销分别完成397万辆和386万辆，同比增长1.2倍和1.1倍。基于新能源汽车对续航能力的需求，对零件的轻量化、刚性的要求，需要高端机床提供零件制造的解决方案。专家预测，在更新与新增需求共振下，未来几年机床行业仍将保持较高景气度。

3）五轴技术普及化。目前，五轴数控技术普及化加快，在模具、汽车零部件、激光加工等领域广泛应用。例如，三维五轴激光切割机的核心单元技术——五轴联动数控系统，长期被国外数控企业垄断，导致出现系统故障时售后服务难等一系列问题。2022年，华工激光与华中数控合作，共同研发的系列三维五轴激光切割智能装备面向汽车、热成形行业交付数百台，实现了中国智造的新突破。

（2）对“十四五”期间发展国产数控系统行业的建议 具体如下。

1）建议国家进一步重视数控系统产业。数控系统作为“工业母机”——机床的“大脑”，数控系统体系结构、现场总线、高速高精和五轴联动等关键技术是国外对中国“卡脖子”的关键技术，关系到我国国防安全、产业安全和工业信息安全。关键核心技术是要不来、买不来、讨不来的，只有把高档数控系统关键核心技术掌握在自己手中，才能从根本上保障我国高档机床产业安全和高质量发展。

从未来的技术趋势来看，数字化、网络化、智能化等赋能技术与数控机床的深度融合，数控机床向智能机床转型，机械制造向智能制造生产线、智能制造车间升级，高档数控系统是必不可少的关键技术平台载体、智能制造车间设备互联的重要数据和控制端口。如果没有自主可控的国产高档数控系统技术平台，我国高档机床产业向数字化转型和智能化升级，就会“缺芯少脑”，我国机床产业的技术创新和市场竞争也都将会受制于人。

当前，世界性的科技革命和产业变革历史性交汇，以工业互联网和智能制造为主导的第四次工业革命正在兴起。云计算、大数据、物联网和人工智能等新一代信息技术与制造业的深度融合，正在引发对制造业研发设计、生产制造、产业形态和商业模式的深刻变革。机床的智能化对制造业的发展和机床产业本身都具有重要影响。

因此，建议国家进一步重视数控系统产业，全力支持国产高档数控系统实现突破。特别是要聚集资源，加大投入，大力支持技术迭代、测试验证、应用示范，集中力量解决高端机床数控系统“卡脖子”问题。

2）建议国家实施数控系统和机床自主可控应用工程。面向重点领域对高档数控机床的市场需求，“用产学研政”深度融合，进一步缩小在性能、成套性和可靠性等方面与国外的差距。从自主可控和工业信息安全的高度，继续在航空航天、汽车等重点制造领域，开展国产数控系统“应用示范”，提高国产数控系统的技术成熟度，从“可用”到“好用”，从“跟跑”到“并跑”，全面实现国产化 替代。

在国家重点技改项目中，开展数控系统进口替代审核，优先选用国产数控系统；在政府采购招标中不指定国外数控系统，建立公平市场竞争环境；鼓励用户优先选用国产数控系统；加大力度宣传应用国产数控系统的成功应用案例；提高用户对国产数控系统的市场认同度。

3）建议国家实施高档数控系统和机床智能化升级工程。应用人工智能等新一代信息技术，研发新一代智能数控系统，以自主感知、自主学习、自主决策和自主执行，实现优质、高效、安全、可靠和低耗的数控加工。支持主机厂与系统厂联合，开发工艺知识融合的主机厂专有数控系统；应用机电耦合优化、动态误差补偿技术等智能化技术，提升机床精度、性能和可靠性，推动国产机床“由丝入微”。开发一批高速高精、多轴联动、复合化和智能化的高档数控机床。支持主机厂批量配套和推广应用国产数控系统，推动国产高档数控系统从“备胎”，转正成为国产高档机床的“主配”和“标配”[4]。

7 结束语

国产数控系统产业发展是一个长期的过程，我们不仅要在正面市场毫不退让，还要在细分市场有所作为，这样，才能逐步提升国产中高档数控系统的品牌地位，进一步提高市场占有率。“十四五”期间，我们希望国家、企业、用户等一起努力，一方面，支持国产数控系统企业“匠心苦干”，缩小与国外的差距。应用人工智能等新一代信息技术，研发新一代智能数控系统，推动数控机床智能化升级。另一方面，继续在航空、航天、汽车等重点制造领域，推动国产数控系统“应用示范”，进一步提高国产数控系统的技术成熟度，全面实现国产化替代。

20221228