编者按：
　　工业的基础是装备制造业，装备制造业的“母机”是数控加工设备，数控加工设备最为核心的关键部件是号称“大脑”的数控系统，而五轴联动数控机床又被称为数控机床领域“皇冠上的明珠”，是各国核心支柱制造行业不可或缺的“战略物资”级关键装备。

　　在国务院国有资产监督管理委员会指出应加强的关键核心技术攻关领域中，“工业母机”排在高端芯片、新能源汽车之前，重要性不言而喻。面对日趋复杂的国际环境，唯有通过自主创新实现突破，真正完成高端“工业母机”的自主可控，才能有效助力我国制造业的整体提升与发展。

　　数控系统 破局之源

　　如果将替代人工的数控机床看作人体，那么传感器群组相当于神经系统与感官，床体结构相当于骨骼，电机及驱动相当于肌肉，而数控系统，则扮演着大脑的重要角色。

　　数控系统（Numerical Control System）是根据计算机存储器中存储的控制程序，执行部分或全部数值控制功能，并配有接口电路和伺服驱动装置的专用计算机系统。通过利用数字、文字和符号组成的数字指令来实现一台或多台机械设备动作控制，它所控制的通常是位置、角度、速度等机械量和开关量。

　　数控系统的起源可以追溯到20世纪50年代初，迄今已经历了半个多世纪、六个阶段的发展历程，六个阶段分别是第一代电子管数控系统、第二代晶体管数控系统、第三代集成电路数控系统、第四代小型计算机数控系统、第五代微型计算机数控系统，目前正在发展第六代PC数控系统。不难看出，数控系统与计算机及IT的发展历程紧密相关。

　　目前，国际主流高档数控系统基本采用NC（Numeric Control，数值控制）+PC（Personal Computer，个人计算机）结构，该结构是第五代数控系统向第六代数控系统的过渡型技术之一，其核心仍是第五代数控系统的嵌入式NC结构，80%以上的数控系统功能通过NC实现，其NC单元实时性较高，实时控制周期可以达到0.5ms。PC只完成必需的人机交互、数据通信和较少一部分计算功能。采用这一结构的数控系统运算能力和数据存储能力偏弱，较难实现复杂的智能算法，且开放性、扩展性、兼容性均有较大限制。

　　另有部分数控系统采用PC+现场总线结构，通过PC完成主要的数控计算功能，再将指令通过现场总线发送到电机驱动单元，进一步实现运动控制。该结构采用现场总线的方式，在分布式控制方面有一定优势，但现场总线软件定时的实时性能不高，能实现的实时控制周期在1ms以上，对比主流高档数控系统实时控制周期达到的0.5ms，差距很大，这直接影响着数控系统的高精度和高速性能。与此同时，该结构在智能算法的实现，以及开放性、扩展性、兼容性方面同样存在短板。

　　由此可见，在基于高性能PC的第六代PC数控系统上必定具备五个重要的基本性能，第一是强实时性，第二是强大的数值计算和数据存储能力，第三是强大的数据通信能力，第四是智能性，第五是兼具开放性、扩展性、兼容性与集成性。此外，第六代PC数控系统对于软件实时操作系统要求很高，基于DOS、Linux或Android最多达到1ms的实时控制周期要求，Windows实时性只能到55ms以上，因此选择合适的实时软件操作系统是自主研制高档数控系统的根本基础。

　　高档数控系统是高端数控机床的控制核心，其作为高端数控机床的大脑，是国外众多高端数控机床企业的重要战略布局方向。高档数控系统研制难度极高、技术性极强，一直被西方国家作为重要的“战略物资”实施出口限制。根据中国机床工具工业协会的数据，目前我国整机配套的中高档功能部件大量依赖进口，国内高档系统自给率不到10%，约90%依赖进口，其中从日本进口最多，约占三分之一，国产中高档数控系统加起来不到30%。这就为西方国家牵制我国制造业重要领域的发展提供了很大的“运作空间”。从根源扭转被动，成为我国数控机床产业发展面临的当务之急。

　　消除隐患 时不我待

　　在国务院国有资产监督管理委员会指出应加强的关键核心技术攻关领域中，“工业母机”排在高端芯片、新能源汽车之前，其重要性和紧迫性可见一斑。

　　没有EUV（极紫外线）光刻机，无法生产7nm以下的芯片，但至少可以采用28nm~90nm的芯片从事生产。但若没有“工业母机”，高端制造业的升级就无从谈起，航空航天、导弹等所有高端装备都将备受掣肘。

　　在一般的机器制造中，“工业母机”所担负的加工工作量占机器总制造工作量的40%~60%。下游客户包括传统机械工业、模具行业、汽车工业、电力设备、铁路机车、船舶制造、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，涉及加工制造的金属领域都需要“工业母机”。

　　数控机床的品种、质量和加工效率直接影响着其他机械产品的生产技术水平，因此，机床工业的现代化水平和规模，是衡量一个国家核心制造能力的标准之一。高端数控机床更被誉为“国之重器”，但目前国内高端产品自给率不足10%。

　　“工业母机”之上，承载的是中国高端制造业的星辰大海。“工业母机”被“卡脖子”，就是中国制造业被“卡脖子”。

　　当前，由于美国牵头并联合40余个国家共同制订“瓦森纳协定”的严格限制，在以五轴联动数控机床为代表的高档数控机床领域持续对我国实行技术封锁和产品禁运，其他部分高档数控机床产品虽可通过正常渠道进入我国相关行业，但仍具有很多隐患。

　　第一，进口的高端设备中基本都配备有GPS模块，严格限制了设备的使用地点，同时具有“远程操控后门”的隐患；第二，进口高端设备通常需要提供设备的国家严格审查，基本上只能用于民用产品和普通工业品生产，严格限制应用于军工等重点行业；第三，进口的设备一般都会在功能和性能上做出限制，无法达到全功能和高端性能的使用状态；第四，高端设备配套的软件和工具包同样受限，严重影响使用效果；第五，设备的维护维修很困难，费用也极高，造成高额使用成本的问题；第六，购买高档数控机床设备的企业，必须允许机床企业的人员随时到现场考察。

　　我国军事工业、航空航天、船舶重工、发电能源、交通运输等支柱行业长期依靠从国外进口的高档数控机床来完成核心关键部件的加工制造，由于国外在此领域长期对我国进行技术封锁和产品禁运，为获得相关设备，需耗费大量资金和各类资源，对我国高端制造业发展一直具有极大限制，严重制约着我国高端制造业的快速提升和发展。唯有通过自主创新实现突破，真正完成高端“工业母机”的自主可控，才能有效助力我国制造业的整体提升与发展。因此，应尽快通过制定相应政策及措施来积极应对。

　　革故鼎新 对症下药

　　近十余年，国家在数控机床领域进行了长期的科研提升支持计划，虽然取得一定进步，但仍未能实现高档数控机床的本地化发展目标。特别是最近两年，随着国际政治局势的风云突变，“工业母机”的关键性愈发凸显。必须客观承认，高档数控机床技术从细分技术点到整体技术体系确实非常难突破，但这不应成为相关从业者的理由和借口，所以深入一线调研，进一步剖析深层次原因，是“工业母机”技术突破和产业提升所需的第一步重点工作，只有找到“病根”才能对症下药。

　　开展深度调研 制定合理规划

　　长期以来，国内机床企业和相关科研团队一直以机械设计、制造和装配技术（机械床身结构的实现技术）为核心，以仿制国外先进技术为目标，忽视了对数控机床的“大脑”——数控系统，以及电机、传感器、软件等关键内容的深入研究。而国外的相关技术是连续几十年积累，从低端起步逐步上升至现有水平的结果，无法在短期内快速仿制成功。

　　我国政府从国家发展战略的高度定下了“工业母机”全部自主可控且实现本地化发展的目标，但在当前的基础上，想要在短期内实现这一目标，只有在充分且深入调研国内基本情况的前提下，不以“出身”“头衔”和“规模”为评价标准，切实找到在关键软硬件领域已经取得实质突破的企业和科研团队，针对我国制造业急需的各层级装备需求，以国家利益为首，打破阻碍和限制，重新建立分层级、分目标的攻坚团队，充分发挥企业、科研院所和大专院校的已有优势，明确分工，全力实现突破。

　　有效整合现有资源 形成合力开展攻坚

　　以近期全新建立的中国机床产业链为基础，依托国家相关部门的深度支持，在深入调研和分析的基础上，整合数控机床企业和关键部件企业，集中优势兵力，在高档数控机床领域实现全新突破。建立关键部件攻坚小组、床身结构创新组、加工制造工艺优化组、新产品设计组、质量监控组等具体攻坚团队，各组内合理配备项目负责人、总体专家、研发工程师、应用工程师、高级技工，形成完整建制，并建立长效沟通机制，针对我国制造业急需的重点“卡脖子”装备，开展全面攻坚工作。

　　针对“工业母机”的扩展领域，进一步整合国内相关企业、科研院所和大专院校的优势资源，推动特种专用数控加工设备、高端电子产品制造设备等方面的高质量发展，形成广义的“工业母机”技术攻关发展机制，逐步实现“换道超车”的创新发展体系，为在更多领域实现对国外技术的“超越”打下良好的科研基础。

　　充分利用现有成果 实现快速突破

　　在充分调研的基础上，企业一线专家联合科研院所与大专院校专家，通过全面评价，甄别出相关技术的真实科研成果，动员拥有成果的企业或科研团队，通过政府和社会力量联合推动体制，采用“混改”或其他方式，并提供合理的回报，形成协同创新机制，快速集成和组合，在“工业母机”的各个领域实现产品化和产业化。

　　对于具备基础科研成果，但尚未直接落地的科研成果，政府和社会资本可以进行投资和扶持工作，帮助成果持有方进一步孵化落地，形成具有“碗里的、盘里的、锅里的、地里的”不同成熟度的科研成果催化机制，为持续提升的“专精特新”阶梯型创新体系打下良好基础。通过建立长效的创新驱动策略，合理推动“工业母机”领域的创新发展。

　　针对不同需求 细分市场定位

　　“工业母机”的分类广泛，拓展领域具有广阔的市场应用前景，但若将目光汇聚在高端领域这一根“独木桥”，必定会出现严重的资源浪费、恶性竞争、排斥异己、拔苗助长等问题，因此引导相关从业人员发挥各自优势，针对不同层面需求，细分市场定位，专注发力于各自擅长领域，才是最为合理和有效的方式之一。

　　通过紧密结合制造业发展趋势、各企业掌握的市场信息和具体行业的需求信息，理清“工业母机”的各级市场需求，确定正确的细分市场，帮助企业找到适合自己的市场定位和发展目标。这是一项非常重要但耗时较多的工作内容。做好这项工作，将对我国“工业母机”长期发展战略的可行性实施产生重要影响。

　　逐步建立人才梯队 针对性持续发展

　　我国目前的教育分类体制，在“数控技术”方面存在一定的不足之处。“数控技术”专业，一方面出现在中专技校阶段，但是以应用型人才培养为主；另一方面出现在硕士研究生以上阶段，大学本科阶段的专业缺失是一个严重的问题，没有系统的理论教学，研究生阶段也只能靠自学为主，短短两三年时间的学习不足以支持在数控领域开展相关科研工作。

　　没有系统的理论学习基础，进入工作岗位后从事相关的技术研发，同样会出现“捉襟见肘”的情况。没有良好且数量足够的基础人才队伍，很难筛选出优秀的“苗子”进行持续创新科研，这种局面也是阻碍我国“工业母机”快速发展的严重制约因素。根据市场需求和企业发展的实际需求，企业内部的研发部门更适合从事长期持续的科研工作，因此“工业母机”的科研人才梯队建设可以考虑企业合理联合科研院所和大专院校的方式，通过深入开展人才梯队建设，保证我国“工业母机”技术的长效提升。

　　精诚所至 金石为开

　　6月30日，《中国计算机报》记者前往陕西华拓科技有限责任公司（以下简称“华拓科技”），实地参观了该公司自主研制的五轴联动数控机床的整个工作流程，并与华拓科技董事长兼总经理石毅就“工业母机”的相关话题展开深入交流。

　　石毅于1990年进入西安交通大学，连续攻读10年，先后获得流体传动及控制专业学士学位，机电控制及自动化专业硕士学位和机械电子工程专业博士学位，毕业之后，曾参与多项国家级重点项目及子课题的研发与生产，作为第一发明人申请国家发明专利多项，已获十余项授权（含美国发明专利1项），在国内核心期刊发表论文10余篇。在相关技术领域积累了丰富的工作经验。2004年创立陕西华拓科技有限责任公司，并出任董事长兼总经理。

　　为改变中国在高档数控系统与机床领域长期受制于人的被动局面，石毅带领他的创业团队从2008年开始埋头于高档数控系统及数控机床技术领域，历尽千辛万苦，最终以完全自主知识产权的技术突破了国外的封锁，经国内权威专家鉴定为“具有国际先进水平”；最新一代的“云数控系统”技术获得美国发明专利授权，成为国内在数控系统领域唯一获得国外发明专利的技术，直接具备与国外同类技术竞争并进一步超越的潜力；进一步自主研制的五轴联动数控机床系列产品，打破了国外垄断，目前已具备批量生产能力，系列产品将会为国内制造业普及提升起到极大的推动作用。

　　在深入研发和多专业融合的基础上，石毅和他的团队成功研发了全球首创的数字曲面微滴喷射设备，将“数字印刷技术”直接从平面跃升到立体曲面，不仅可以完成具有复杂形状工件表面的全彩色立体喷墨打印，还可以深入扩展实现许多特殊材料在复杂曲面形状（包括大曲率凹面）基材表面对液体、胶体、融溶物质等多种流体进行微滴喷射的工作，且相比传统喷涂方式更加环保。

　　该设备在复杂曲面彩色无遮蔽精密喷涂及打印、曲面打印电路、微机械、微电子、生物医疗、化学检验及生产等众多领域具有极为广阔的应用前景。全球独创的技术获得国内外广泛关注，目前已经与中国商飞、沈飞、一汽等国内顶尖公司开展系列合作。华拓科技独立提交并由中国电子学会推荐的“如何实现高精密复杂硬曲面随形电路？”课题通过一百多位院士评审成功入选中国科协2022年十大“工程技术难题”，目前正在牵头制定中国电子学会相关团体标准。

　　谈及国内数控机床领域的发展现状，石毅认为，国内机床企业几十年来在机械设计和制造方面积累了很多经验，在中低端数控机床方面经验丰富，但在高端数控机床领域，由于缺乏基础知识和技术的有效应用，过分偏重了在机械方面的投入。首先，由于没有合适的自主可控高档数控系统和电气系统，长期忽视了数控系统与床身结构和电气系统的匹配特性优化内容，造成整体装配后无法有效保证设计要求的精度和动态特性等严重问题；其次，在生产加工部件的过程中存在“偷工减料”的行为（如国外高端设备在底座和机械部件铸造和粗加工后，要进行长达两三年的风吹日晒，甚至沉入海底的“自然时效”工序，即充分释放由于铸造和大切削量的粗加工带来的内部热应力，有效保证数控机床的机械部分长期不出现热应力释放不完全造成的变形问题；而我国部分机床企业采用短时间内简单热处理和超声波照射的人工时效方式，无法彻底释放热应力，长时间使用会出现床身变形，无法长期保持机床精度）；最后，在整体装调阶段，上述问题逐步显露出来，影响机床整体性能。

　　石毅表示，华拓科技格外重视数控系统的研发，从源头掌握数控机床技术的主动权。与国内多数数控企业研发思路不同，华拓科技采用多通用PC并行+通用数字I/O板卡构建了开放式、软件化的PC数控系统，既有PC采用多任务操作系统来完成大量计算、数据存储、数据通信等功能，又有并行实时操作系统实现实时控制（实时控制周期至少0.5ms，甚至更短）；最新的“云数控系统”技术进一步提升了设备智能性和配合精度的保证能力。

　　该系统拥有以下特性：第一，以多工业PC并行计算完成多轴联动控制、分级插补、刀具补偿、螺距补偿、RTCP（旋转刀具中心点管理）、S曲线加减速平滑、万行加工程序前瞻预处理等复杂计算功能；第二，主操作PC运行在Windows操作系统下，与IT同步发展，具有很强的CPU运算能力、大内存、大数据存储功能，还具有完整的有线或无线网络通信能力，同时可与CAD/CAPP/CAM/CAT软件直接集成，配合相关I/O板卡及传感器还可以完成在线状态监控、故障诊断和动态补偿功能；第三，实时控制PC运行在强实时软件操作系统下，具备最小0.1ms的实时插补周期，配合通用I/O板卡即可完成驱动控制、实时反馈的功能，有效保证各种实时控制功能的实现；第四，可以有效扩展远程服务PC和冗余控制PC，以进一步支持实现基于工业互联网的各类远程服务和冗余能力；第五，各PC间通过工业以太网实现连接，具有进一步扩展到多台PC和多块I/O板卡的集成能力，开放性强，可以有效实现更多通道、更多轴的联动能力，甚至可以同时控制多台设备的协同工作，配合不同的现场总线通信板卡，即可具有集成更多工业自动化功能的能力，成为更为灵活的通用控制器；第六，全软件化的实现方式更便于实现开放性、兼容性和扩展性，开放式的通用网络通信接口和软件扩展能力具备直接与工业互联网、物联网、大数据、云计算、人工智能有效融合的机会。

　　从多足昆虫的仿生学原理获得启发，“云数控系统”分为“小云数控系统”和“大云数控系统”两层，二者组合成为针对智能加工设备内部和多设备之间交互式协同加工方式的整体控制系统。系统采用多个PC并行完成数控主模块功能，并结合多个嵌入式测控单元（云测控子节点）实现对数控加工设备各部件的微调控制，实现了智能化“云结构”机床控制系统的基本硬件框架，将智能部件、部件间协同工作、内部“云网络”引入设备内部，有效实现了具备自调整、自优化功能的智能加工设备控制结构，大大提高了加工性能。

　　在生产车间，石毅为记者演示了桌面式微型五轴联动数控机床的操作流程，基于先进的设计理念和配套的数字化软件，工作人员可以如使用个人电脑一样，对机床进行实时操控、监控，极大降低了操作先进数控机床的培训成本。

　　驱动电机及驱动器是数控机床中使用最多且要求最高的零部件之一，直线驱动主要采用伺服电机及驱动器或直线电机及驱动器。目前，国内伺服电机及配套产品在电机本体方面已有长足进步，但在伺服驱动器方面（尤其是自适应控制驱动能力）仍有较大差距，影响机床加工性能。直线电机方面国内差距更大，尚处于起步阶段。

　　石毅介绍，华拓科技正在采用自主原创且独有的曲面电路直接打印技术试制电磁线圈直接打印技术，目前的电磁线圈漆包线直径最小为0.1mm左右，曲面电路的厚度最小则为0.01mm，一旦突破，在保证电磁力的前提下，伺服电机电磁线圈的体积将大为减小，内部结构也将有效优化，极有可能为我国高端电机的发展开辟一条“换道超车”的途径。

　　采访最后，石毅不无感慨地对记者表示，这些拥有完全自主知识产权的先进技术背后，是创业近二十年间遇到的不计其数的困难和打击，在资金有限和疫情影响的情况下坚守到今天并不容易，但整个团队“希望中国的装备制造业能够腾飞，为中国的伟大复兴事业做出贡献”的初衷始终未曾改变，“我们这些从业人员真心愿意以钱学森、邓稼先等前辈为榜样，全力以赴做好自己的工作”。

编后语：
　　近期，多项政策与会议聚焦“工业母机”产业高质量发展，为行业发展送来“春风”。

　　在今年5月召开的“第三届工业母机高质量发展论坛”上，工业和信息化部表示将坚持“需求导向、场景牵引、中试验证、串珠成链”，着力提升自主创新能力，推动产业提质升级，加强市场应用推广，培育完整产业生态，推动“工业母机”产业高质量发展。

　　国务院国有资产监督管理委员会党委在近期召开的扩大会议上强调，要指导推动中央企业加大在新一代信息技术、人工智能、集成电路、工业母机等战略性新兴产业布局力度，推动传统产业数字化、智能化、绿色化转型升级。

　　与此同时，一些民营企业抓住行业转型机遇，定位中高档数控机床产品，围绕汽车、消费电子、高端装备等下游行业需求进行产品开发，机床品质逐渐提升，与同等进口机床相比兼具价格优势，已逐渐在市场竞争中崭露头角。

　　未来，这股来自民营企业的力量不应被忽视，它们很有可能成为本土机床行业的骨干企业，并为我国高端数控机床带来新的成长机会。

来源：中国计算机报