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“工业母机”,处在关键十字路口

已有1738次阅读2022-05-06标签:
   工业母机是“生产设备的设备”,为装备制造业提供智能的生产设备和零部件,如工业机器人、发动机、汽车、工程机械、工业基础件等。它是工业生产中最重要的工具之一,在整个工业体系中处于基石的地位。

  作为工业制造产业链最核心的环节,工业母机的技术水平决定着一个国家或地区的工业制造能力,甚至是国家之间的综合竞争力。

  2008年全球金融危机爆发后,2009年机床产值萎缩至3851亿元。随着全球经济复苏,机床行业产值维持在5000亿~6000亿元,近十年没有显著增长。2019~2020年,全球机床产值继续下降。在新冠肺炎疫情的叠加影响下,2020年全球机床产值不足5000亿元,跌幅达到16.3%。

  多年来,我国占据全球第一生产和第一消费大国的席位。以2018年为例,全球各区域产值前三位的国家中,中国占比28%、日本17%、德国16%,中、日、德机床生产总值合计占比超过全球的60%。

  消费方面,中国机床消费总值占全球的35.3%,超过美国(9.4%)、德国(8.2%)、日本(7.4%)、韩国(4.9%)、意大利(4%)等第二至六位的总和。由此可见,我国在全球机床消费市场有着举足轻重的地位。

  然而,目前我国机床产业仍面临基础能力薄弱、进口依赖度高、人才难集聚等问题。工业母机“卡脖子”问题如何破解?

  中国机床行业面临的困境

  自20世纪90年代后期,我国原有机床产业研发体系瓦解,面向市场的新型研发体系一直没有建立起来。

  在上游设计、制造端,在材料、零部件以及经验等方面基础薄弱,难以支撑我国在高端机床领域实现全面自主;在下游应用端,离开了进口原料,高端机床在我国如同“破铜烂铁”一样无用武之地。

  仅以材料为例,我国基础材料均质性、切削性能等指标相对国外有较大差距,不仅高端刀具依赖进口,大量下游应用端的高端材料也严重依赖进口。

  在这种“内忧外患”的情况下,我国机床行业被欧洲、美国、日本等国家和地区迅速甩开,赶超乏力。

  2021年11月30日,工信部发布《“十四五”信息化和工业化深度融合发展规划》,我国制造业由此进入“两化”融合发展、推动产业结构调整升级的关键时期。

  然而,随着国民经济的发展以及产业结构的升级,中高档数控机床的应用越发普及,产品需求越来越大,供给却难以满足需求。低端产品贸易增加值低,向高端转型刻不容缓。

  数据显示,2018年我国高档数控机床,如五轴及以上加工中心自给率不到10%,其中龙门式加工中心及立式加工中心等的自给率不到1%。

  在高端领域,我国机床企业对于一些高端行业的需求难以触碰,甚至不敢触碰。比如在近年来的主机厂招投标过程中,有大量条件严格的验收指标,导致我国多数厂商知难而退,参与产线机床竞标的企业大多来自德国、日本或瑞士。

  在中端领域,日本机床以其可靠耐用的性能以及较便宜的价格牢牢占据了我国的中端市场。以卧式加工中心为例,日本森精机、山崎马扎克、日本大隈等企业占据了我国超过80%的市场。吉利、长城等国产汽车产线,基本都是德国、日本机床的天下。

  在低端领域,大量中小民营机床企业聚集在山东滕州(中国中小机床之都)、浙江玉环(中国经济型数控车床之都)等地,陷入低端混战。

  可以说,在低端领域,我国机床行业整体处于“还在自动化的路上,智能化刚刚起步”的阶段,以仿制为主,技术含量低,技术门槛极低,价格战“狼烟四起”。

  2008年,世界机床企业前10强中,日本有5家,德国有2家,中国有2家,美国有1家。中国的两家企业分别为沈阳机床和大连机床,而到2018年,两家企业纷纷跌出前20名,龙头企业沈阳机床2019年净利润约为-29.88亿元,亏损严重。



  值得深思的是,中国是世界第一机床生产和消费大国,年度机床的市场规模超过1500亿元,占据全球机床市场的1/3。

  如此大的市场容量,十年前我国还有世界TOP10的机床企业,十年后产业基础能力不断提高和产业体系不断健全的今天,为什么都“养”不出一家能打的机床企业呢?

  究其原因,主要是企业的产品竞争力不足,机制体制不够灵活,落后于国际企业,最终导致中国机床企业陷入进退两难的境地。

  目前,国内机床行业兼并重组序幕已经拉开,国内竞争格局有望持续优化。2019年4月和12月,中国通用技术集团相继对大连机床集团和沈阳机床集团实施重组,这意味着我国机床产业在重重困难与挑战面前,将开展新一轮产业格局重塑。

  做一台机床和一个产业是两码事

  机床行业是高技术门槛、高专业分工而且需要长期积累的典型。德国拥有完整的工业体系,学徒制、双元制等教育体系为制造业提供了源源不断的高质量“新鲜血液”,同时企业严谨务实,追求在“窄领域”做强。在这基础上,德国诞生了1300余家单项冠军企业,为德国高端机床行业的发展提供了“丰沃土壤”。

  日本企业更加崇尚代际传承、技术传承,不做自己不熟悉的领域,追求精益求精。在这一文化的主导下,日本现有长寿企业数量高达3900家。其中,大量著名机床企业的寿命已绵延几代人,历久不衰,比如山崎马扎克(成立于1919年)、发那科(成立于1956年)、森精机(成立于1951年)、小松(成立于1945年)等。

  中国机床企业在取得了一定成绩后,往往会加大步伐,选择激进的发展策略。

  沈阳机床曾投入10多亿元的研发费用,打造世界首台互联化的智能数控系统i5,并在i5的基础上研发了i5数控机床。沈阳机床将i5定位为机床行业的“苹果”,以颠覆传统机床行业的商业模式,但最终因为步子迈得太大而宣告失败。虽然i5数控机床在2016年获得了1万台订单,但巨量的订单并没有带来利润,反而带来了14亿元的亏损。

  同样,大连机床在完成混合所有制改革后,大干快上,喊着“像造汽车一样造机床”的口号,最终导致融资资金断裂,欠下数百亿元的债务。

  机床行业进步仅靠资本驱动是难以成功的,需要的是市场化的机制。即便投资对象是技术,资本看重的也是技术可以带来的独占性资源。但是,对于机床行业而言,其技术进步并不能带来商业暴利。

  据市场估算,机床的市场容量仅相当于其生产对象市场容量的2.5%,而真实数据恐怕连1%都还不到。曾经辉煌的“十八罗汉”基本早就进入市场,但目前全部不尽如人意。中国母机行业目前最值得关注的企业,如大连光洋、北京精雕、上海拓璞等,有一个共性,就是在数控系统及特色工艺上下了很大功夫,与用户行业紧密结合协同创新,在机床销售后仍提供软件升级、工艺升级等服务。

  事实上,机床目前已演化为主机本体、数控系统、核心功能部件三个关键体系。即使是主体本体也需要结合用户行业来优化设计,在数控系统及核心功能部件上,传统机床企业没有显著优势。致力于提升中国机床水平,甚至不被“卡脖子”,我国必须改进的是数控系统的软件部分以及与主机本体、功能部件运行的有机融合。

  如果作为科技攻坚战,那么我国的科研人员完全有能力打造一台世界级的机床。例如625所、北一机等大院、大所就开发过很多优质的设备。

  但是做一台机床和做一个机床产业完全是两码事,机床与高铁、核电设备之类的装备制造有本质的不同:机床行业是完全市场化运营的,国家意志最多能够维持几家重点企业的经营,但发挥不了决定性作用。

  如果倾尽全力不惜代价,那么国产机床厂家有能力打造出一款超级精良的机床,但不惜代价打造出来的试点项目只能作为大国重器保障军工,真正投入市场就会显得缺乏竞争力。

  “脖子”卡在哪

  目前我国机床行业核心“卡脖子”产品在于高档数控机床,如五轴五联动加工中心,其具有高效率、高精度的特点,工件一次装夹就可完成五面体的加工。五轴五联动加工中心对一个国家的航空、航天、军事、科研、精密器械、高精医疗设备等行业有着举足轻重的影响力。

  在核心零部件方面,如高强度的铣刀、镗刀、金刚钻头也制约着我国机床行业的应用,特别是加工具有超高强度的板材、管材及复杂构件等。高精度微米丝杆和高精度微米导轨是机床加工精度的核心保障,将直接影响机床加工产品的精度和品质。

  在数控软件方面,尽管国内也有很多企业正在自行研发,但是在稳定性、兼容性和实用性等方面,还是与国外先进的机床制造厂商有一定差距。原因在于材料科学、工艺、规划上的距离使国产机床的丝杠、导轨、伺服电机、力矩电机、电主轴、编码器等首要功能部件大部分还要依赖国外产品。

  技术上,主要在加工精度、可靠性、传感器技术和智能化方面有所制约。

  1.加工精度

  机床是一个复杂的机电信息系统,在加工过程中会受到静力学、动力学、振动以及热的影响。仅以内部热影响为例,它包括电机转动切割磁感线生热、丝杠导轨运动摩擦生热、切削过程生热等数十甚至数百项影响因素,而产生的热量又会造成零件的受热变形,造成刀具及材料性能的变化,最终叠加体现在加工误差上。

  欧洲在这方面已经能够建立对应的物理模型,能够通过高精度仿真的方式,模拟分析加工误差来源,并加以补偿,提高加工精度,但目前我国企业甚至对电机转动切割磁感线生热这一热源项尚没有扎实的基础性研究。

  2.可靠性

  在可靠性方面,我国自主生产的数控机床与进口产品相比还存在不小的差距。德国德玛吉(DMG)公司对其生产的机床有严格的质量控制体系,公司允许的返修率在数年前已经低至1.8次/(千台·年),比目前国内的返修率低至少一个量级。

  机床的可靠性主要分为三个方面,分别是静态特性、动态特性和热特性,而机床的切削性能则主要取决于动态特性。正是这个动态特性几乎被国内机床界所忽略。

  这个看似“疏忽”的根本原因其实是我国缺乏对于基础机理的研究,对机床特性的工程数据库积累不足,从而无法对这些尺寸机型正确标定。工程化经验不足,又没有行业共性技术的支撑,这是我国机床界的一个缺陷。这一缺陷造成使用我国机床的厂商经常需要将机床退回供应商返修,重新标定。

  3.传感器技术

  有效、完备的控制系统是机床实现高加工精度和智能化的前提,而完善、合理的传感器系统则是控制系统的核心硬件基础。德国、瑞士、日本、美国等国机床企业在漫长的发展过程中积累了大量技术诀窍,了解所需传感器的数量、种类、精度、安装位置等相关信息。

  以德玛吉目前市场上的五轴削铣加工中心DMC80FDduoBLOCK为例,一台机床在关键部位配备了包括温度、力、振动、润滑液流量、冷却液温度等在内的超过60个传感器。

  通过传感器,所需的机床及加工信息可以被精准、实时地收集,通过适当的控制方法,及时完成在线修正补偿。

  4.智能化

  智能化是实现机床“自学习、自适应、自诊断”甚至是“自决策”的一个完整过程。目前,欧洲的机床智能化水平较高,以德玛吉的CELOS为例。目前这款机器已经能够大幅优化人机交互,将机床功能组块化,开发成类似App的功能,用户可以在面板上更加简便、快捷地进行加工编程操作。

  此外,CELOS已实现加工过程的高精度仿真,加工中心在接收加工指令程序段后,可首先将加工过程通过建模仿真的方式直接可视化,呈现给工业机床的操作者。

  机床智能化的核心是需要在完善的传感器系统的基础上,叠加以大数据、人工智能等方法,实现加工过程、参数、路径、速度曲线的自动优化,对可能产生的冲突做出提前预警,对内外部干扰因素做出修正补偿,保证精度等功能。

  但不论是大数据还是现阶段在机床领域应用的人工智能,都要以大量的经验数据为基础。

  以刀具的智能优化为例,我们可以通过传感器对其扭矩加以实时监测,并通过扭矩监控破损。如果刀具损坏,切削阻力和扭矩会迅速增大。但是,如果想进一步对刀具寿命进行预测并对磨损提前预警,则需要以大量刀具磨损前的扭矩曲线作为经验基础。

  这项研究在欧洲开展已久,成果显著。智能化的背后是知识和经验的数字化、可编辑化。如果没有数据基础,机床的稳定性和高精度就不能实现,智能化控制就是一句空话。

  “卡脖子”突破路径

  机床行业是我国建设制造强国的必争之地,处在“十字路口”的中国机床工业,急需转变发展方式,寻求新的突围之路。

  (一)基础研究

  工业母机是战略性、基础性产业,事关产业基础高级化和制造业转型升级,因此,首先要关注基础研究,建立自己的原创工业体系。

  我国工业机床行业因为起步较晚,一直面临落后、模仿、追赶的困境,因急于求成,始终没有建立一种自给自足、技术原创、持续发展的工业体系。

  因此,从战略布局上,我国必须心平气和地去研究事物的根本,脚踏实地地聚焦基础研究,在“863”“973”项目布局上向基础研究进一步倾斜。

  我国需要结合工作母机产业发展特征,完善对基础性、战略性、前沿性科学研究和共性技术的支持机制,实现国家各类科技计划的有效衔接,发挥国家自然科学基金在基础研究和原始创新研究方面的引导和支持作用,倡导先进工艺多学科交叉研究、母机装备原始创新研究。

  相关原始创新研究的部署应接续支持重点研发计划、科技重大专项,基础研究成果应结合有关专项的攻关任务进行贯彻、扩散及融入。重点研发计划的具体成果,如样机、工艺等应在有关专项中持续开展应用验证和推广示范。

  (二)应用研究

  我国高端制造装备产业的发展模式应由“跟踪引进吸收”逐步向“并行自主创新”以及进一步的“原始创新领跑”转变。

  我们要进一步深化国家科技体制改革,针对航空、航天、军工等国家重大需求,探索高端制造装备全产业链协同创新模式。

  要梳理核心技术、关键元器件、工艺和装备的短板问题以及“缺链”“断链”环节,以高端制造装备协同创新中心为基础组建“产学研用”联合体。

  要组织全产业链协同创新、技术攻关,建立上游、中游、下游分工合作、利益共享的产业链组织新模式。

  以正在建设的制造业创新中心为基础,我国要对现有分散在高等院校和科研院所的国家重点实验室、国家工程实验室、工程研究中心等进行优化重组,建立“产学研用”长效合作机制,形成分布式、网络化的新型科研机构集群。

  (三)产业化

  我国要培养一批技术先进、世界领先的企业,使其发挥“龙头”作用,带动产业上下游协同发展,提高行业的整体竞争力,从而形成具有持续创新能力、技术全球领先的产业集群。

  引导竞争力不强的机床企业实施转型,使之成为民生领域或国防军工领域专用装备的提供商、制造业转型升级与智能化改造的领头羊、制造业整体解决方案的一体化供应商。

  引导中小企业向“专精特”方向发展和成长,通过税收优惠或金融支持鼓励其深耕基础零部件、材料、元器件、传感器、各类工业软件以及专用装备等细分领域,实现差异化发展。

  (四)应用场景

  在宇航及深空探测制造装备方面,解决新一代中型、大型运载火箭量产对成套装备的迫切需求,突破飞行器大型构件和复杂构件批量、高效、精密制造的技术瓶颈,满足深空探测飞行器对复杂构件轻量化、结构功能一体化的重大需求。

  在大型飞机制造装备方面,突破大尺寸钛合金、碳纤维复合材料以及异性材料叠层的航空结构件高速切削、增减材复合以及大部件高精度互换性制造等技术问题,实现航空装备的高性能、高精度、高效率、低成本制造。

  在航空发动机制造装备方面,产业化推广发动机典型部件制造的国产化装备,突破航空发动机关键零部件高温合金、高强度合金、复合材料的集成设计制造、高效和高精制造技术瓶颈,解决进口依赖问题。

  继续完善船舶及海工大型柴油机缸体、曲轴、齿轮和船用燃气轮机叶片、涡轮轴、叶盘等先进成套技术装备。突破大型舰船关键部件制造技术、大型船用螺旋桨推进器整机加工装备、深海焊接/探测及深海工作站制造装备等,推进舰船增材制造现场维修成套装备发展,实现关键装备自主可控。

  针对动车组车体、客车车体等大型复杂型面加工需求,研制智能磨抛系统和柔性打磨工具;针对转向架、变速箱、轮对等关键零组件制造需求,开发专用高效加工成套装备及生产线。重点开发新能源汽车变速箱高效加工、近净成型装备及成组工艺生产线,研制高效加工与成型、在线检测与装配成套装备及生产线。

  面向新一代惯性仪表制造、多目标红外探测及高精度智能导引等领域,亟须集中优势力量,快速突破超精密加工机床技术瓶颈,推动超精密制造领域相关基础理论、测量技术、超精密机床制造技术、在线测量与智能控制技术的重大发展,探索形成超精密加工及高端机床自主研发的高效创新模式。

  (五)鼓励政策

  优化国家科技成果采购体系,将各类科技成果编制目录、简介进行宣传推广。国资企业技术改造采购应优先使用国家科技成果,优先采购国产高端装备,或者确定一定比例对成果产品实行税费补贴,切实减轻制造业企业的负担和经营成本。

  改革调整企业税费比例,降低公共服务价格,探索新的制造业融资方式,引导金融机构降低制造业企业的融资成本。制定优惠政策,改变制造业企业留人难、人才流失的困境。

  改革高等院校和职业院校的学科评估指标体系,在学科评估、人才选拔、人才培养的各项指标方面,倡导注重实效。通过科研实践培养勇于创新、善于创新、献身实业的工程技术人才,加强论文、专利等研究成果的工程化导向。

  针对制造专业人才培养,在打牢基础、淡化专业的同时,应加强智能制造传感器、软件及大数据等方面的知识积累与研究实践。
 
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