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多轴联动高档数控机床产业技术分析报告

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王靖娴、董兰军

  数控机床即数字控制机床,是一种装有程序控制系统的自动化机床。根据数控机床的性能、档次的不同,数控机床产品可分为高档数控机床、中档数控机床、低档数控机床。高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。

  长期以来,国产数控机床始终处于低档迅速膨胀、中档进展缓慢、高档依靠进口的局面,特别是国家重点工程需要的关键设备主要依靠进口,技术受制于人。《中国制造2025》将高档数控机床列为中国制造业的战略必争领域之一,《<中国制造2025>重点领域技术路线图》明确了高档数控机床未来发展目标,“到2020年,高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过70%;到2025年,高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%,中国的关键工序数控化率将从现在的33%提升到64%,高档数控机床与基础制造装备总体进入世界强国行列”。这对我国数控机床行业的发展起到了极大的助推作用。

  高档数控机床的需求侧将传导至供给侧,有力推动数控机床结构升级,而以生产高档数控机床的企业将迎来有利发展机会。

数控机床行业市场发展现状

  数控机床行业规模将超5000亿,进出口呈双双增长

  受益于我国汽车、航空航天、船舶、电力设备、工程机械等行业快速发展,对机床市场尤其是数控机床产生了巨大需求,数控机床行业成长迅猛。据前瞻产业研究院发布的《数控机床行业战略规划和企业战略咨询报告》统计,2014~2016年,我国数控机床销售收入均超过2400亿元;2016年,我国数控机床销售额为2630.4亿元,同比增长7.69%。


图1 2010-2016年我国数控机床行业销售规模情况1


图2 2018-2023年中国数控机床行业市场预期2

  我国数控机床由于技术发展以及下游市场的逐渐复苏等原因,仍会保持10~12%之间的增长速度,到2023年,我国数控机床行业的市场规模将突破5000亿元。

  据海关统计,2016年数控机床进口1.28万台,27.65亿美元,金额下降12.96%;出口2.93万台,8.42亿美元,金额下降12.03%。总体看,全行业进出口同比减少,与我国机械工业固定资产投资增速乏力有关(2016年我国固定资产投资增长8.1%,其中机械工业仅增长1.7%)。多数产品进出口下降,但数控折弯或矫平机床进出口量都保持增长,特别是出口增长幅度较大,说明国内需求结构发生了变化。3


  其中数控卧式车床进口3412台,3.51亿美元,金额下降14.81%;数控锻造或冲压机床进口514台,3.04亿美元,金额下降17.4%;数控折弯或矫平机床进口825台,1.75亿美元,金额增长0.33%;数控电加工机床进口1539台,1.54亿美元,金额下降12.86%。

  数控卧式车床出口8011台,2.44亿美元,金额下降12.24%;数控电加工机床出口3741台,1.25亿美元,金额下降15.38%;数控折弯或矫平机床出口5952台,1.03亿美元,金额增长10.48%。

  据海关统计,2017年数控机床进口1.59万台,30.98亿美元,金额增长12.02%;出口4.23万台,同比去年增长44.4%。总体看,全行业进出口比2016年快速好转,由去年的双双下降转为双双增长。一是全行业进口由去年的下降转为增长,而且增长幅度较大,尤其是数控龙门铣床、数控刃磨机床和数控电加工机床进口高速增长,说明国内市场需求显著增加。二是出口由去年连续下降转为较大幅度增长,形势转好。数控电加工机床、数控折弯矫平机床出口快速增长。

  行业整体投资热度下降,部分企业融资金额仍保持较高水平

  根据投中研究院及投资界的数据,整理了国内主要数控机床公司的投融资信息如表5。

表5 重点投融资企业5,6


  下游应用仍以汽车产业为主,高档数控机床是未来需求

  目前,数控机床行业下游应用领域涉及传统机械工业、汽车工业、电力设备、铁路机车、船舶、国防工业、航空航天工业、石油化工、工程机械、电子信息技术工业以及其他加工工业等。

图3 2016年数控机床行业下游行业消费占比情况


  从数控机床行业下游消费需求比重来看,汽车是主要的下游需求领域,消费占比约为40%;其次是航空航天,消费比重约为17%;模具和工程机械分别为数控机械第三和第四消费领域,占比分别在13%和10%左右。

  未来,电子与通讯设备、航空航天装备、轨道交通装备、电力装备、汽车、船舶、工程机械与农业机械等重点产业的快速发展以及新材料、新技术的不断进步将对数控机床提出新的战略性需求和转型挑战。对数控机床的需求将由中低档向高档转变、由数字化向智能化转变、由通用机床向量体裁衣的个性化机床转变。

  数控机床的技术水平可以从机床的中央处理单位、分辨率、进给速度、多轴联动功能、显示功能、通讯功能方面体现。数控机床技术水平主要指标如表6。

表6 数控机床技术水平主要指标7


  高档数控机床

  高档数控机床是指具有高速、精密、智能、复合、多轴联动、网络通信等功能的数控机床。

  数控机床产品需求结构矛盾升级,高档产品国产化率低

  我国数控机床行业存在明显的供需矛盾,主要体现在低档数控机床的产能过剩和高档数控机床的供应不足而导致供给侧结构性失衡。由于低档数控机床行业门槛低,进入企业多,且近几年低档数控机床市场有效需求不足,该领域已经出现产能过剩的现象;另一方面,随着国民经济的发展以及产业结构的升级,高档数控机床的应用越加普及,产品需求越来越大,供给却难以满足需求。

  由于我国高档数控机床起步较晚,目前国产产能不能满足国内需求,国内大多数高档数控机床依赖进口。2016年,数控机床专项支持研发的高档数控系统已累计销售1000余套,国内市场占有率由专项启动前的不足1%提高到了5%左右,2017年我国高档数控机床的国产化率大约在6%左右,依然较小。但从需求方面看,2013年我国高档数控机床的需求占比已经达到了10%左右,2017年大约在15~20%之间,与6%的国产化率相比差距甚大。


图4 我国不同数控机床产品的国产化率情况2

  高档数控系统市场几乎为外资垄断,主要被发那科、西门子等国外巨头占据,国内只有南京埃斯顿、广州数控、华中数控等少数企业具备生产能力。

  目前行业整体竞争格局分为三个层次:

  第一层次为梅耶伯格、小松NTC株式会社、安永株式会社、莱玛特国际、日本创技、日本滨井、高鸟株式会社等,这些国际企业的产品技术含量高,价格较高,占据了行业的高端市场;

  第二层次为国内具备一定核心竞争力的企业,主要包括晶盛机电、宇环数控、苏州赫瑞特、江西新航科技及中国电子科技集团公司第四十五研究所等;

  第三层次为数量众多的低端企业,产品技术含量较低,同质化严重,缺乏核心竞争力,竞争非常激烈。

  多项政策刺激高档数控机床加快实现产业化

  启动于2009年的“国家科技重大专项”中的第4项“高档数控机床与基础制造装备”专项(04专项)指出,在“十二五”期间重点实施的内容和目标分别是:重点攻克数控系统、功能部件的核心关键技术,增强我国高档数控机床和基础制造装备的自主创新能力,实现主机与数控系统、功能部件协同发展,重型、超重型装备与精细装备统筹部署,打造完整产业链。国产高档数控系统国内市场占有率达到8%~10%。研制40种重大、精密、成套装备,数控机床主机可靠性提高60%以上,基本满足航天、船舶、汽车、发电设备制造等四个领域的重大需求。


  “04专项”的实施为国产数控系统的发展带来了契机。通过采用政、产、学、研、用的创新发展模式,下达一系列研究课题,重点支持武汉华中数控股份有限公司、广州数控设备有限公司、大连光洋科技集团有限公司、沈阳高精和航天数控等企业自主研发高档数控系统关键技术,实现高端装备国产化。

  2017年6月26日,科技部会同工业和信息化部组织召开了“04专项”成果发布会。会上,专项牵头实施单位工业和信息化部装备工业司罗俊杰副司长介绍,2009年至2016年,数控机床专项共安排课题562项,中央财政资金投入91.14亿元。累计申请发明专利3956项,立项国家及行业标准407项,研发各类新产品、新技术2951项,数控机床专项支持研发的高档数控系统已累计销售1000余套,国内市场占有率由不足1%提高到了6%左右8,新增产值约706亿元。高档数控机床水平持续提升,机床主机平均无故障时间从专项实施前的400~500小时已普遍提升至1200小时,部分产品达到2000小时以上。高档数控系统打破国外技术垄断,关键功能部件实现批量配套。9

  2015年3月,国务院常务会议审议通过的《中国制造2025》中提及了10大重点领域,“高档数控机床”就囊括其中。根据行动纲领,我国要开发一批精密、高速、高效、柔性数控机床与基础制造装备及集成制造系统;加快高档数控机床、增材制造等前沿技术和装备的研发;以提升可靠性、精度保持性为重点,开发高档数控系统、伺服电机、u赢电竞lol、光栅等主要功能部件及关键应用软件,加快实现产业化;加强用户工艺验证能力建设。

  《<中国制造2025>重点领域技术路线图》明确了高档数控机床未来的发展目标:到2020年,高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过70%,数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到60%、10%,主轴、丝杠、导轨等中高档功能部件国内市场占有率达到50%;到2025年,高档数控机床与基础制造装备国内市场占有率超过80%,其中用于汽车行业的机床装备平均无故障时间达到2000小时,精度保持性达到5年;数控系统标准型、智能型国内市场占有率分别达到80%、30%;主轴、丝杠、导轨等中高档功能部件国内市场占有率达到80%;高档数控机床与基础制造装备总体进入世界强国行列。

  根据《<中国制造2025>重点领域技术路线图》,未来在高档数控机床领域的发展重点是:

  1.重点针对航空航天装备、汽车、电子信息设备等重点产业发展的需要,开发高档数控机床、先进成形装备及成组工艺生产线。针对电子信息设备加工装备,重点开发20000~60000r/min高速钻攻中心、五轴联动高速加工中心、PSA贴敷机等。针对航空航天装备大型结构件制造与装配装备,重点开发铝/镁/钛/高温合金等难加工材料用多轴联动龙门数控铣床、五坐标蒙皮镜像加工机床等。

  2.高档数控系统。重点开发多轴、多通道,高精度插补、动态补偿和智能化编程、具有自监控、维护、优化、重组等功能的智能型数控系统;提供标准化基础平台,允许开发商、不同软硬件模块介入,具有标准接口、模块化、可移植性、可扩展性及可互换性等功能的开放型数控系统10。

  多轴联动数控机床符合机床行业未来的发展趋势

  工业上需要加工复杂的曲面,舰艇、飞机、火箭、卫星、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,用传统加工方法无法达到要求,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。多轴联动是在一台机床的多个坐标轴上同时运动,刀具或工件可在数控系统控制下同时协调运动,从而完成复杂形状零件的加工。

  以五轴联动加工中心为代表的高档数控机床作为难度最大、应用范围最广的数控机床技术,在加工方面有着不可替代的优点,符合未来机床的发展趋势,被认为是航空航天、船舶、精密仪器、发电等行业加工关键部件的最重要加工工具。在飞机典型结构件、航天复杂与精密结构件、飞航导弹发动机零部件等领域实现批量示范应用,为大飞机、新型战机、探月工程等国家重大专项和重点工程提供了关键制造装备。

  五轴联动数控机床具有适用范围广、加工质量精、工作效率高的优点:

  (1)更广的适用范围:五轴机床能够加工一般三轴联动机床不能加工或者无法一次装夹加工完成的连续光滑的自由曲面。例如航空发动机转子、大型发电机转子、大型船舶螺旋桨等。由于五轴联动数控机床在加工过程中刀具相对于工件的角度可以随时调整,避免了刀具的加工干涉,可以完成三轴联动机床不能完成的许多复杂的加工。

  (2)更精的加工质量:五轴机床可以提高自由空间曲面的加工精度、加工效率和加工质量。相对于三轴数控机床加工一般的型腔复杂的工件,五轴数控机床可以在一次装夹中完成加工,并且由于五轴数控机床加工时可以随时调整位姿角,五轴数控机床可以以更好的角度加工工件,避免了多次装夹,大大提髙了加工效率、加工质量和加工精度。

  (3)更高的工作效率:五轴机床的工作效率显著提升。在传统三轴数控机床加工过程中,大量的时间被消耗在搬运工件、上下料、安装调整等时间上。五轴数控机床可以完成数台三轴数控机床才能完成的加工任务,大大节省了占地空间和工件在不同加工单元之间运转的时间和花费,工作效率显著提升,相当于普通三轴数控机床的2~3倍。

多轴联动技术

  全球多轴联动技术相关专利数量

  多轴联动技术相关专利最早出现在美国和德国,随后日本的相关技术也开始萌芽,三国在多轴联动技术相关专利数量上并驾齐驱。中国从1992年开始申请了第一篇多轴联动技术的相关专利,标志着中国开始进入多轴数控机床研究领域。

  1998~2004年,全球在多轴联动技术领域的专利综述基本保持一致;2005年,各国相关机构纷纷开始进入多轴联动数控机床领域,专利申请量大幅增长,从2005年的34项/年,增长到2013年的319项/年。中国在该领域的专利申请量增速较快,从2005年的14项/年,增长到2013年的274项/年,占全球专利申请量的86%。


图5 多轴联动技术相关专利申请量变化趋势


图6 多轴联动相关专利技术主题布局

  多轴联动专利技术热点主要分布在

  (1)零件三维建模,包括曲线/曲面的生成、编辑、剪裁、拼接、过渡、偏置等;

  (2)工艺参数,包括刀具类型、刀轴控制方式、刀位轨迹、切削参数等;

  (3)后处理器技术,包括通用后置处理器、专用后置处理器、独立接口的后置处理器;

  (4)数控加工仿真技术,包括几何仿真和物理仿真。

  重点机构关注程序控制、数据处理与机床零部件等技术

表7 重点机构关注领域


  专利申请量排名前12的机构包括机电产品、数控系统供应商以及科研高校(表7)。可以看出,国内机构在近三年的专利申请比例普遍高于国外机构,珠海市旺磐精密机械有限公司、大连理工大学和华中科技大学近三年专利申请比分别为93%、54%和42%。TOP机构的专利技术布局领域主要为程序控制、数字计算/数据处理、机床零部件等方面。

  国内专利申请较多的机构为华中科技大学、广州技术学院、珠海市旺磐精密机械有限公司、上海交通大学与和大连理工大学。其中,华中科技大学、上海交通大学和大连理工大学主要关注多轴联动数控机床的程序控制和数据处理系统;其他机构更关注多轴联动数控机床的零部件及结构。

  在华布局专利数量最多的为大隈株式会社、三菱电机和波音。主要布局技术方向为程序控制、数字计算/数据处理等方面。

  上述数据表明,多轴联动数控机床专利逐步从机床零部件开始向数控机床的控制调节及数据处理系统发展,在机床零部件、技术工艺专利饱和的情况下,数控机床的控制调节及数据处理系统将成为该行业的发展重点。

  多轴联动数控机床具备潜在投资价值的技术

  多轴联动技术主要用在对复杂零件的加工上,包括以下几项技术要求。(1)零件三维建模技术。(2)加工工艺参数选取。(3)刀具路径轨迹的生成。(4)后处理技术。(5)数控加工仿真技术。

  01 专利技术一:零件的三维建模技术

  复杂零件的数控加工工艺过程是一个由众多决策活动所构成的复杂过程,而这个过程的首要环节是建立被加工零件的几何模型,模型创建的好坏将直接影响刀具轨迹的好坏。建模的主要技术内容包括:曲线、曲面的生成、编辑、剪裁、拼接、过渡、偏置等。

  02 专利技术二:加工工艺参数选取

  加工工艺参数的选取必须根据机床的性能、加工刀具的类型以及零件加工质量而定,这样才能提高生产效率。

  多轴联动加工中心在加工零件时,由于旋转和摆动部件的加工条件可变,自动换刀器需要频繁更换刀具,因此旋转和摆动部件,自动换刀更容易失效,成为多轴加工中心弱项。

  在国内,应用最为广泛的数控加工刀具按结构一般分为:整体式、镶嵌式、减振式、内冷式和特殊形式;刀具材料主要有以下几种:高速钢、硬质合金、涂层刀具、陶瓷刀具、人造金刚石、立方氮化硼等。

  除此之外,加工参数的合理选择也直接影响着数控加工的效率与产品的质量,其中不同刀具类型的选用、多轴数控加工中刀轴的控制方式、刀位轨迹的规划、切削参数的选择都是近年来国内外研究的热点。其目标是如何在满足给定设计规范要求和提高加工效率的同时尽可能的延长刀具的使用寿命。

  03 专利技术三:刀具路径轨迹的生成技术

  刀具路径轨迹是利用计算机提供的虚拟制造环境,以零件的三维数字模型为研究对象,根据所选用的加工方法、刀具类型、走刀方式和加工余量等切削参数进行刀具路径计算,并生成刀具中心点在工件上所走过的轨迹。

  刀具路径轨迹的生成技术是实现复杂零件数控加工工艺优化设计中最重要、也是最关键的环节。刀具路径轨迹设计质量的好坏也直接决定了复杂零件在实际加工中的可行性、加工质量、加工效率和加工成本。合理的刀具路径轨迹除了要满足无干涉碰撞、轨迹光滑、切削负荷均匀等基本要求外,还应该满足良好的通用性、可靠的稳定性、极高的编程效率和质量较高的程序代码等要求。

  04 专利技术四:后处理器技术

  后置处理技术是将自动编程得到的刀轨数据转变成机床能够读取的NC加工代码,是连接计算机辅助编程软件CAM与实际加工机床的桥梁。刀位轨迹只有经过后置处理才能生成符合实际加工需要的数控程序,它的合理应用与数控机床的高效运行密不可分。因此后置处理技术是数控加工工艺设计的关键技术之一。

  目前,常用的后置处理器大体上可以分为三大类:

  (1)通用后置处理器。但由于机床的具体结构形式以及所使用的操作系统各不相同,目前还无法实现以一套通用后置处理系统适用于所有的数控机床。

  (2)专用后置处理器。根据机床的构造形式、自动编程软件和机床操作系统的不同,开发其专门的后置处理器,使得到的数控程序能够直接用于此机床的加工。但缺点是编程、建模过程复杂,对编程人员的能力要求较高,劳动量较大。

  (3)独立接口的后置处理器。这种类型的后置处理器的特点是它具有支持主流数控系统的CAD/CAM接口。它的后置处理功能齐全,不仅可以进行数控加工过程仿真,而且还可以进行数控系统控制过程仿真,所以价格比较昂贵。

  05 专利技术五:数控加工仿真技术

  在真实加工之前,数控加工仿真系统利用计算机提供的可视化模拟加工环境,对刀具路径和材料切除过程等产品加工的本质过程进行虚拟加工,将仿真过程中反映出来的问题直观明了的显示出来,并在计算机上直接进行修改或变更,从而预防真实加工过程中的不良状况,确保加工方法和加工工艺的合理性。数控加工仿真是提高复杂曲面数控编程效率并保证产品质量的重要措施。

  目前,计算机图形学仿真主要可以分为两大类,即几何仿真和物理仿真,常见的仿真软件有Mastercam、UG、VERICUT、NCV等。这些仿真软件可在计算机上逼真动态的显示加工过程中机床、刀具的相对运动和工件材料的去除过程,并进行过切/欠切、机床与夹具、刀具的碰撞过程检验,在计算机上实现零件的快速模拟制造加工。

  参考文献

  1 前瞻产业研究院数控机床行业报告.https://bg.qianzhan.com/trends/detail/506/171102-8fa7c52d.html

  2 前瞻产业研究院数控机床行业战略规划和企业战略咨询报告.https://www.qianzhan.com/analyst/detail/220/180413-f5aaaee8.html

  3 郑国伟.机床工具行业2017年进出口展望与建议[J].制造技术与机床,2017(4):7-8.

  4 郑国伟.机床工具行业2017年进出口情况与2018年展望[J].制造技术与机床,2018(4):7-8.

  5 投资界.http://search.pedaily.cn/k%e6%95%b0%e6%8e%a7%e6%9c%ba%e5%ba%8a-t5-p1

  6 根据投中研究院提供数据整理

  7 中国产业信息网.http://www.chyxx.com/industry/201801/604170.html

  8 杜芳.高档数控机床技术工艺齐突围.中国工业报,2017.08.08.第005版.

  9 http://www.jc35.com/news/detail/65588.html

  10 国家制造强国建设战略咨询委员会.《中国制造2025》重点领域技术路线图.2015年10月.

(作者单位:中科院文献情报中心咨询服务部)