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        “工業母機”,處在關鍵十字路口

          工業母機是“生產設備的設備”,為裝備制造業提供智能的生產設備和零部件,如工業機器人、發動機、汽車、工程機械、工業基礎件等。它是工業生產中最重要的工具之一,在整個工業體系中處于基石的地位。

          作為工業制造產業鏈最核心的環節,工業母機的技術水平決定著一個國家或地區的工業制造能力,甚至是國家之間的綜合競爭力。

          2008年全球金融危機爆發后,2009年機床產值萎縮至3851億元。隨著全球經濟復蘇,機床行業產值維持在5000億~6000億元,近十年沒有顯著增長。2019~2020年,全球機床產值繼續下降。在新冠肺炎疫情的疊加影響下,2020年全球機床產值不足5000億元,跌幅達到16.3%。

          多年來,我國占據全球第一生產和第一消費大國的席位。以2018年為例,全球各區域產值前三位的國家中,中國占比28%、日本17%、德國16%,中、日、德機床生產總值合計占比超過全球的60%。

          消費方面,中國機床消費總值占全球的35.3%,超過美國(9.4%)、德國(8.2%)、日本(7.4%)、韓國(4.9%)、意大利(4%)等第二至六位的總和。由此可見,我國在全球機床消費市場有著舉足輕重的地位。

          然而,目前我國機床產業仍面臨基礎能力薄弱、進口依賴度高、人才難集聚等問題。工業母機“卡脖子”問題如何破解?

          中國機床行業面臨的困境

          自20世紀90年代后期,我國原有機床產業研發體系瓦解,面向市場的新型研發體系一直沒有建立起來。

          在上游設計、制造端,在材料、零部件以及經驗等方面基礎薄弱,難以支撐我國在高端機床領域實現全面自主;在下游應用端,離開了進口原料,高端機床在我國如同“破銅爛鐵”一樣無用武之地。

          僅以材料為例,我國基礎材料均質性、切削性能等指標相對國外有較大差距,不僅高端刀具依賴進口,大量下游應用端的高端材料也嚴重依賴進口。

          在這種“內憂外患”的情況下,我國機床行業被歐洲、美國、日本等國家和地區迅速甩開,趕超乏力。

          2021年11月30日,工信部發布《“十四五”信息化和工業化深度融合發展規劃》,我國制造業由此進入“兩化”融合發展、推動產業結構調整升級的關鍵時期。

          然而,隨著國民經濟的發展以及產業結構的升級,中高檔數控機床的應用越發普及,產品需求越來越大,供給卻難以滿足需求。低端產品貿易增加值低,向高端轉型刻不容緩。

          數據顯示,2018年我國高檔數控機床,如五軸及以上加工中心自給率不到10%,其中龍門式加工中心及立式加工中心等的自給率不到1%。

          在高端領域,我國機床企業對于一些高端行業的需求難以觸碰,甚至不敢觸碰。比如在近年來的主機廠招投標過程中,有大量條件嚴格的驗收指標,導致我國多數廠商知難而退,參與產線機床競標的企業大多來自德國、日本或瑞士。

          在中端領域,日本機床以其可靠耐用的性能以及較便宜的價格牢牢占據了我國的中端市場。以臥式加工中心為例,日本森精機、山崎馬扎克、日本大隈等企業占據了我國超過80%的市場。吉利、長城等國產汽車產線,基本都是德國、日本機床的天下。

          在低端領域,大量中小民營機床企業聚集在山東滕州(中國中小機床之都)、浙江玉環(中國經濟型數控車床之都)等地,陷入低端混戰。

          可以說,在低端領域,我國機床行業整體處于“還在自動化的路上,智能化剛剛起步”的階段,以仿制為主,技術含量低,技術門檻極低,價格戰“狼煙四起”。

          2008年,世界機床企業前10強中,日本有5家,德國有2家,中國有2家,美國有1家。中國的兩家企業分別為沈陽機床和大連機床,而到2018年,兩家企業紛紛跌出前20名,龍頭企業沈陽機床2019年凈利潤約為-29.88億元,虧損嚴重。

          值得深思的是,中國是世界第一機床生產和消費大國,年度機床的市場規模超過1500億元,占據全球機床市場的1/3。

          如此大的市場容量,十年前我國還有世界TOP10的機床企業,十年后產業基礎能力不斷提高和產業體系不斷健全的今天,為什么都“養”不出一家能打的機床企業呢?

          究其原因,主要是企業的產品競爭力不足,機制體制不夠靈活,落后于國際企業,最終導致中國機床企業陷入進退兩難的境地。

          目前,國內機床行業兼并重組序幕已經拉開,國內競爭格局有望持續優化。2019年4月和12月,中國通用技術集團相繼對大連機床集團和沈陽機床集團實施重組,這意味著我國機床產業在重重困難與挑戰面前,將開展新一輪產業格局重塑。

          做一臺機床和一個產業是兩碼事

          機床行業是高技術門檻、高專業分工而且需要長期積累的典型。德國擁有完整的工業體系,學徒制、雙元制等教育體系為制造業提供了源源不斷的高質量“新鮮血液”,同時企業嚴謹務實,追求在“窄領域”做強。在這基礎上,德國誕生了1300余家單項冠軍企業,為德國高端機床行業的發展提供了“豐沃土壤”。

          日本企業更加崇尚代際傳承、技術傳承,不做自己不熟悉的領域,追求精益求精。在這一文化的主導下,日本現有長壽企業數量高達3900家。其中,大量著名機床企業的壽命已綿延幾代人,歷久不衰,比如山崎馬扎克(成立于1919年)、發那科(成立于1956年)、森精機(成立于1951年)、小松(成立于1945年)等。

          中國機床企業在取得了一定成績后,往往會加大步伐,選擇激進的發展策略。

          沈陽機床曾投入10多億元的研發費用,打造世界首臺互聯化的智能數控系統i5,并在i5的基礎上研發了i5數控機床。沈陽機床將i5定位為機床行業的“蘋果”,以顛覆傳統機床行業的商業模式,但最終因為步子邁得太大而宣告失敗。雖然i5數控機床在2016年獲得了1萬臺訂單,但巨量的訂單并沒有帶來利潤,反而帶來了14億元的虧損。

          同樣,大連機床在完成混合所有制改革后,大干快上,喊著“像造汽車一樣造機床”的口號,最終導致融資資金斷裂,欠下數百億元的債務。

          機床行業進步僅靠資本驅動是難以成功的,需要的是市場化的機制。即便投資對象是技術,資本看重的也是技術可以帶來的獨占性資源。但是,對于機床行業而言,其技術進步并不能帶來商業暴利。

          據市場估算,機床的市場容量僅相當于其生產對象市場容量的2.5%,而真實數據恐怕連1%都還不到。曾經輝煌的“十八羅漢”基本早就進入市場,但目前全部不盡如人意。中國母機行業目前最值得關注的企業,如大連光洋、北京精雕、上海拓璞等,有一個共性,就是在數控系統及特色工藝上下了很大功夫,與用戶行業緊密結合協同創新,在機床銷售后仍提供軟件升級、工藝升級等服務。

          事實上,機床目前已演化為主機本體、數控系統、核心功能部件三個關鍵體系。即使是主體本體也需要結合用戶行業來優化設計,在數控系統及核心功能部件上,傳統機床企業沒有顯著優勢。致力于提升中國機床水平,甚至不被“卡脖子”,我國必須改進的是數控系統的軟件部分以及與主機本體、功能部件運行的有機融合。

          如果作為科技攻堅戰,那么我國的科研人員完全有能力打造一臺世界級的機床。例如625所、北一機等大院、大所就開發過很多優質的設備。

          但是做一臺機床和做一個機床產業完全是兩碼事,機床與高鐵、核電設備之類的裝備制造有本質的不同:機床行業是完全市場化運營的,國家意志最多能夠維持幾家重點企業的經營,但發揮不了決定性作用。

          如果傾盡全力不惜代價,那么國產機床廠家有能力打造出一款超級精良的機床,但不惜代價打造出來的試點項目只能作為大國重器保障軍工,真正投入市場就會顯得缺乏競爭力。

          “脖子”卡在哪

          目前我國機床行業核心“卡脖子”產品在于高檔數控機床,如五軸五聯動加工中心,其具有高效率、高精度的特點,工件一次裝夾就可完成五面體的加工。五軸五聯動加工中心對一個國家的航空、航天、軍事、科研、精密器械、高精醫療設備等行業有著舉足輕重的影響力。

          在核心零部件方面,如高強度的銑刀、鏜刀、金剛鉆頭也制約著我國機床行業的應用,特別是加工具有超高強度的板材、管材及復雜構件等。高精度微米絲桿和高精度微米導軌是機床加工精度的核心保障,將直接影響機床加工產品的精度和品質。

          在數控軟件方面,盡管國內也有很多企業正在自行研發,但是在穩定性、兼容性和實用性等方面,還是與國外先進的機床制造廠商有一定差距。原因在于材料科學、工藝、規劃上的距離使國產機床的絲杠、導軌、伺服電機、力矩電機、電主軸、編碼器等首要功能部件大部分還要依賴國外產品。

          技術上,主要在加工精度、可靠性、傳感器技術和智能化方面有所制約。

          1.加工精度

          機床是一個復雜的機電信息系統,在加工過程中會受到靜力學、動力學、振動以及熱的影響。僅以內部熱影響為例,它包括電機轉動切割磁感線生熱、絲杠導軌運動摩擦生熱、切削過程生熱等數十甚至數百項影響因素,而產生的熱量又會造成零件的受熱變形,造成刀具及材料性能的變化,最終疊加體現在加工誤差上。

          歐洲在這方面已經能夠建立對應的物理模型,能夠通過高精度仿真的方式,模擬分析加工誤差來源,并加以補償,提高加工精度,但目前我國企業甚至對電機轉動切割磁感線生熱這一熱源項尚沒有扎實的基礎性研究。

          2.可靠性

          在可靠性方面,我國自主生產的數控機床與進口產品相比還存在不小的差距。德國德瑪吉(DMG)公司對其生產的機床有嚴格的質量控制體系,公司允許的返修率在數年前已經低至1.8次/(千臺·年),比目前國內的返修率低至少一個量級。

          機床的可靠性主要分為三個方面,分別是靜態特性、動態特性和熱特性,而機床的切削性能則主要取決于動態特性。正是這個動態特性幾乎被國內機床界所忽略。

          這個看似“疏忽”的根本原因其實是我國缺乏對于基礎機理的研究,對機床特性的工程數據庫積累不足,從而無法對這些尺寸機型正確標定。工程化經驗不足,又沒有行業共性技術的支撐,這是我國機床界的一個缺陷。這一缺陷造成使用我國機床的廠商經常需要將機床退回供應商返修,重新標定。

          3.傳感器技術

          有效、完備的控制系統是機床實現高加工精度和智能化的前提,而完善、合理的傳感器系統則是控制系統的核心硬件基礎。德國、瑞士、日本、美國等國機床企業在漫長的發展過程中積累了大量技術訣竅,了解所需傳感器的數量、種類、精度、安裝位置等相關信息。

          以德瑪吉目前市場上的五軸削銑加工中心DMC80FDduoBLOCK為例,一臺機床在關鍵部位配備了包括溫度、力、振動、潤滑液流量、冷卻液溫度等在內的超過60個傳感器。

          通過傳感器,所需的機床及加工信息可以被精準、實時地收集,通過適當的控制方法,及時完成在線修正補償。

          4.智能化

          智能化是實現機床“自學習、自適應、自診斷”甚至是“自決策”的一個完整過程。目前,歐洲的機床智能化水平較高,以德瑪吉的CELOS為例。目前這款機器已經能夠大幅優化人機交互,將機床功能組塊化,開發成類似App的功能,用戶可以在面板上更加簡便、快捷地進行加工編程操作。

          此外,CELOS已實現加工過程的高精度仿真,加工中心在接收加工指令程序段后,可首先將加工過程通過建模仿真的方式直接可視化,呈現給工業機床的操作者。

          機床智能化的核心是需要在完善的傳感器系統的基礎上,疊加以大數據、人工智能等方法,實現加工過程、參數、路徑、速度曲線的自動優化,對可能產生的沖突做出提前預警,對內外部干擾因素做出修正補償,保證精度等功能。

          但不論是大數據還是現階段在機床領域應用的人工智能,都要以大量的經驗數據為基礎。

          以刀具的智能優化為例,我們可以通過傳感器對其扭矩加以實時監測,并通過扭矩監控破損。如果刀具損壞,切削阻力和扭矩會迅速增大。但是,如果想進一步對刀具壽命進行預測并對磨損提前預警,則需要以大量刀具磨損前的扭矩曲線作為經驗基礎。

          這項研究在歐洲開展已久,成果顯著。智能化的背后是知識和經驗的數字化、可編輯化。如果沒有數據基礎,機床的穩定性和高精度就不能實現,智能化控制就是一句空話。

          “卡脖子”突破路徑

          機床行業是我國建設制造強國的必爭之地,處在“十字路口”的中國機床工業,急需轉變發展方式,尋求新的突圍之路。

         。ㄒ唬┗A研究

          工業母機是戰略性、基礎性產業,事關產業基礎高級化和制造業轉型升級,因此,首先要關注基礎研究,建立自己的原創工業體系。

          我國工業機床行業因為起步較晚,一直面臨落后、模仿、追趕的困境,因急于求成,始終沒有建立一種自給自足、技術原創、持續發展的工業體系。

          因此,從戰略布局上,我國必須心平氣和地去研究事物的根本,腳踏實地地聚焦基礎研究,在“863”“973”項目布局上向基礎研究進一步傾斜。

          我國需要結合工作母機產業發展特征,完善對基礎性、戰略性、前沿性科學研究和共性技術的支持機制,實現國家各類科技計劃的有效銜接,發揮國家自然科學基金在基礎研究和原始創新研究方面的引導和支持作用,倡導先進工藝多學科交叉研究、母機裝備原始創新研究。

          相關原始創新研究的部署應接續支持重點研發計劃、科技重大專項,基礎研究成果應結合有關專項的攻關任務進行貫徹、擴散及融入。重點研發計劃的具體成果,如樣機、工藝等應在有關專項中持續開展應用驗證和推廣示范。

         。ǘ⿷醚芯

          我國高端制造裝備產業的發展模式應由“跟蹤引進吸收”逐步向“并行自主創新”以及進一步的“原始創新領跑”轉變。

          我們要進一步深化國家科技體制改革,針對航空、航天、軍工等國家重大需求,探索高端制造裝備全產業鏈協同創新模式。

          要梳理核心技術、關鍵元器件、工藝和裝備的短板問題以及“缺鏈”“斷鏈”環節,以高端制造裝備協同創新中心為基礎組建“產學研用”聯合體。

          要組織全產業鏈協同創新、技術攻關,建立上游、中游、下游分工合作、利益共享的產業鏈組織新模式。

          以正在建設的制造業創新中心為基礎,我國要對現有分散在高等院校和科研院所的國家重點實驗室、國家工程實驗室、工程研究中心等進行優化重組,建立“產學研用”長效合作機制,形成分布式、網絡化的新型科研機構集群。

         。ㄈ┊a業化

          我國要培養一批技術先進、世界領先的企業,使其發揮“龍頭”作用,帶動產業上下游協同發展,提高行業的整體競爭力,從而形成具有持續創新能力、技術全球領先的產業集群。

          引導競爭力不強的機床企業實施轉型,使之成為民生領域或國防軍工領域專用裝備的提供商、制造業轉型升級與智能化改造的領頭羊、制造業整體解決方案的一體化供應商。

          引導中小企業向“專精特”方向發展和成長,通過稅收優惠或金融支持鼓勵其深耕基礎零部件、材料、元器件、傳感器、各類工業軟件以及專用裝備等細分領域,實現差異化發展。

         。ㄋ模⿷脠鼍

          在宇航及深空探測制造裝備方面,解決新一代中型、大型運載火箭量產對成套裝備的迫切需求,突破飛行器大型構件和復雜構件批量、高效、精密制造的技術瓶頸,滿足深空探測飛行器對復雜構件輕量化、結構功能一體化的重大需求。

          在大型飛機制造裝備方面,突破大尺寸鈦合金、碳纖維復合材料以及異性材料疊層的航空結構件高速切削、增減材復合以及大部件高精度互換性制造等技術問題,實現航空裝備的高性能、高精度、高效率、低成本制造。

          在航空發動機制造裝備方面,產業化推廣發動機典型部件制造的國產化裝備,突破航空發動機關鍵零部件高溫合金、高強度合金、復合材料的集成設計制造、高效和高精制造技術瓶頸,解決進口依賴問題。

          繼續完善船舶及海工大型柴油機缸體、曲軸、齒輪和船用燃氣輪機葉片、渦輪軸、葉盤等先進成套技術裝備。突破大型艦船關鍵部件制造技術、大型船用螺旋槳推進器整機加工裝備、深海焊接/探測及深海工作站制造裝備等,推進艦船增材制造現場維修成套裝備發展,實現關鍵裝備自主可控。

          針對動車組車體、客車車體等大型復雜型面加工需求,研制智能磨拋系統和柔性打磨工具;針對轉向架、變速箱、輪對等關鍵零組件制造需求,開發專用高效加工成套裝備及生產線。重點開發新能源汽車變速箱高效加工、近凈成型裝備及成組工藝生產線,研制高效加工與成型、在線檢測與裝配成套裝備及生產線。

          面向新一代慣性儀表制造、多目標紅外探測及高精度智能導引等領域,亟須集中優勢力量,快速突破超精密加工機床技術瓶頸,推動超精密制造領域相關基礎理論、測量技術、超精密機床制造技術、在線測量與智能控制技術的重大發展,探索形成超精密加工及高端機床自主研發的高效創新模式。

         。ㄎ澹┕膭钫

          優化國家科技成果采購體系,將各類科技成果編制目錄、簡介進行宣傳推廣。國資企業技術改造采購應優先使用國家科技成果,優先采購國產高端裝備,或者確定一定比例對成果產品實行稅費補貼,切實減輕制造業企業的負擔和經營成本。

          改革調整企業稅費比例,降低公共服務價格,探索新的制造業融資方式,引導金融機構降低制造業企業的融資成本。制定優惠政策,改變制造業企業留人難、人才流失的困境。

          改革高等院校和職業院校的學科評估指標體系,在學科評估、人才選拔、人才培養的各項指標方面,倡導注重實效。通過科研實踐培養勇于創新、善于創新、獻身實業的工程技術人才,加強論文、專利等研究成果的工程化導向。

          針對制造專業人才培養,在打牢基礎、淡化專業的同時,應加強智能制造傳感器、軟件及大數據等方面的知識積累與研究實踐。

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        我和一个三十少妇
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