机电一体化控制技术与系统

机电一体化控制技术与系统

第一题：分析工业2.0、工业3.0、工业4.0的主要技术特征

答：工业1.0是机械制造时代，即18世纪引入的机械设备制造时代；时间大概是18世纪60年代至19世纪中期。通过水力和蒸汽机实现了工厂机械化。这次工业革命的结果是机械生产代替了手工劳动，经济社会从以农业、手工业为基础转型到以工业、机械制造带动经济发展的新模式。

工业2.0是电气化与自动化时代，即20世纪初的电气化与自动化时代，时间大概是19世纪后半期至20世纪初。也就是在劳动分工基础上采用电力驱动产品的大规模生产；因为有了电力，所以才进入了由继电器、电气自动化控制机械设备生产的年代。这次的工业革命，通过零部件生产与产品装配的成功分离，开创了产品批量生产的高效新模式。

工业3.0是电子信息化时代，即20世纪70年代开始并一直延续至现在的信息化时代。在升级工业2.0的基础上，广泛应用电子与信息技术，使制造过程自动化控制程度再进一步大幅度提高。生产效率、良品率、分工合作、机械设备寿命都得到了前所未有的提高。在此阶段，工厂大量采用由 PC、PLC/单片机等真正电子、信息技术自动化控制的机械设备进行生产。自此，机器能够逐步替代人类作业，不仅接管了相当比例的“体力劳动”，还接管了一些“脑力劳动”。

工业4.0 概念是德国政府 2013 年《高技术战略 2020》确定的十大未来项目之一，并已上升为国家战略，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。"工业4.0" 是实体物理世界与虚拟网络世界融合的时代。美国早在若干年前就已提出"工业4.0"的概念。未来 10 年，基于信息物理系

(Cyber-PhysicalSystem，CPS) 的智能化，将使人类步入以智能制造为主导的 "第四次工业革命"。PLM (产品全生命周期)、全制造流程数字化以及基于信息通信技术的模块集成，将形成一种高度灵活、个性化、数字化的产品与服务新生产模式。链接 "虚拟" 和 "实体" 两个世界，将虚拟世界里的关系透明化正是 "工业4.0" 时代需要做的。未来产品 (譬如：机床、飞机、汽车等) 都应会有实与虚的价值接合。德国提出的 "工业4.0" 和美国的 CPS，核心要义都是制造业

基于 "数据分析" 的转型。因此，"工业4.0" 也应具备灵活、高效、柔性化特点。近几年开始流行的 "云计算大数据" 及 "AI 人工智能" 刚好弥补了 "工业4.0" 之前在技术方面缺失的环节。当然，传统制造业要想进行 "数据分析"，其 "软硬件" 也要进行升级，而占工作量 80% 的 "软件" 部分则必须先升级，从而再促进 "硬件" 的转型升级。这里所说的泛 "软件"，并不是指某一或某些类型的 "App 应用"，譬如：采用 "扁平化" 企业管理架构、引入 "物联网" 理念，把之前的 "工具属性" 应用加入一些 "自动化 (或智能)" 特性，把不太灵活且成本高昂的 "ERP (或 PLM)" 系统换成更灵活-智能的 "智能数字化平台"、产品 "设计-研发" 环节引入 "低成本-可动画-可 VR-可 AR-可定制" 的仿真数字模型、企业网络营销引入基于 "大数据 AI" 的电子商务理念等。

附图1

工业4.0发展主要体现为以下几个方面。其一，全方位互联。西门子、博世与蒂森克虏伯三大企业的研究人员表示，工业4.0的核心是万物互联。无论是机器设备、生产线、产品，还是工厂、供应商、用户，都将被一个庞大的智能网络连接成一体。这个智能网络由五个部分组成：无处不在的传感器、嵌入式终端系统、智能控制系统、通信设施、CPS。在智能网络的覆盖下，不同的产品与生产设备，甚至是整个“数字世界”与“物理世界”都能互联成一体。人与机器都可以通过智能网络来保持数字信息的持续交流。

其二，全方位集成。“工业4.0”是信息化产业与工业化产业融会贯通的产物。“集成”也因此成为德国“工业4.0”战略的关键词。前述的由CPS控制的智能网络，可以实现人与人、人与机器、机器与机器、服务与服务四个层次的全方位互联。如此一来，整个工业生产就完成了纵向、横向、端对端三个层次的高度集成。纵向集成主要指企业内部物流、信息流、资金流、各个部门、各个生产环节、产品生命全周期的集成。企业内部所有因素的无缝连接，是一切智能化转型的基础。横向集成主要指不同的企业借助工业4.0这一价值链及物联网所完成的全方位资源整合。通俗地说，就是企业与其他企业能够做到全方位无缝合作。例如，实时提供各种产品与服务，联合进行研产供销，从产品研发、生产制造到经营管理，整个流程都实现综合集成。总之，各个企业在工业4.0时代需要信息共享与业务协同。从某种意义上说，“端到端的集成”是德国专家率先提出的一个新概念。但是社会各界对这个概念的理解有差异。所谓“端到端”，指的是产业链各环节价值体系的重构。“端到端的集成”是围绕产品全生命周期的价值链而展开的。通过工业4.0整合价值链上各个不同企业的资源，如创造集成供应商、制造商、分销商，并让各自的客户信息流、物流和资金流在价值链中集成为一体。

其三，精准的实时大数据分析。德国不同行业对工业4.0的理解各异。比如，有的人认为工业4.0时代的核心是数据。提出这个观点的是德国机械设备制造业协会与全球第二大云公司——德国SAP公司的专家。在SAP高级副总裁柯曼看来，企业对实时大数据的精准好比汽车的前挡风玻璃。在第四次工业革命中，呈爆炸式增长的数据对于整个工业体系的价值远远超过之前三个时代的传统工业生产体系。CPS的推广与各种智能终端、智能传感器的普及，会源源不断地产生数据。这些渗透到整个产业链与产品全生命周期的海量数据，正是第四次工业革命的基石。其四，层出不穷的创新。从本质上说，第四次工业革命的转型过程，正是制造业全面创新升级的发展过程。制造工艺、产品研发、商业模式、产业形态、组织形式等领域的创新，将会变得层出不穷。

其五，全方位、全纵深的转型。德国几个行业协会与西门子、博世、蒂森克虏伯等知名企业，在学术探讨中指出，推动制造业服务化转型是第四次工业革命的核心理念。随着工业4.0时代的到来，物联网与服务网络将全面渗透到工业体

系的各个角落，将传统的生存方式转变为具有个性化、智能化色彩的产品及服务的生产模式。传统的大规模定制将让位于多元化的个性化定制。企业此前采用的是生产型制造模式，但在工业4.0时代将逐渐转型为服务型制造模式。而依赖廉价劳动力与资金投入的传统要素驱动模式，将被创新驱动的发展模式所取代。云计算、物联网等新信息技术，为传统的制造业带来崭新的产业链协同开放创新模式，以及用户参与式创新。整个社会的创新激情，将被工业4.0彻底激活。

第二题：分析中国最先进的数控机床与国际最先进的数控机床各自的技术水平与特点

答：2.1 国内先进数控机床近几年发展

我国的数控机床无论从产品种类、技术水平、质量和产量上都取得了很大的发展，在一些关键技术方面也取得了重大突破。据统计，目前我国可供市场的数控机床有1500种，几乎覆盖了整个金属切削机床的品种类别和主要的锻压机械。这标志着国内数控机床已进入快速发展的时期。

近年来我国机床行业不断承担为国家重点工程和国防军工建设提供高水平数控设备的任务。如国产XNZD2415型数控龙门混联机床充分吸取并联机床的配置灵活与多样性和传统机床加工范围大的优点，通过两自由度平行四边形并联机构形成基础龙门，在并联平台上附加两自由度串联结构的A、C轴摆角铣头，配以工作台的纵向移动，可完成五自由度的运动。该构型为国际首创。基于RT一Linux开发的数控系统具有的实时性和可靠性，能在同一网络中与多台PLC相连接，可控制机床的五轴联动，实现人机对话。该机床的作业空间4.5mx1.6mx1.2m，A轴转角±1050,C轴连续转角0一4000，主轴转速(无级)最高10000r/min，重复定位精度±0.01mm，可实现三维立体曲面如水轮机叶片，导叶的五轴联动高速切削加工。

超精密球的加面车床为陀螺仪工提供了基础设备，这类车床也可用于透镜模具、照相机塑料镜片、条型码阅读设备、激光加工机光路系统用聚焦反射镜等产品的加工。

高速五轴龙门铣床采用铣头内油雾润滑冷却、横梁预应力反变形控制等技术。这类铣床可用于航空、航天、造船、水泵叶片、高档模具等的加工。

目前我国已经可以供应网络化、集成化、柔性化的数控机床。同时，我国也已进入世界高速数控机床和高精度精密数控机床生产国的行列。目前我国已经研制成功一批主轴转速在8000—10000r/min以上的数控机床。我国数控机床行业近年来大力推广应用CAD等技术，很多企业已开始和计划实施应用ERP、MRPII 和电子商务。

据国内数控专家介绍，随着电子信息技术的发展。世界机床业已进入了以数字化制造技术为核心的机电一体化时代，其中数控机床就是代表产品之一。目前，欧、美、日等工业化国家已先后完成了数控机床产业化进程，而我国从上个世纪80年代开始起步，仍处于发展阶段。

业内人士指出，“十五”期间，我国机床行业发展迅猛的主要原因是市场需求旺盛。固定资产投资增速快，汽车和机械制造行业发展迅猛，外商投资企业增长速度加快所致。

与机床迅猛发展的现状相比，作为机床“心脏部件”的数控系统，2005年销量虽然超过3万台，但处于低档的经济型数控系统占据较大比重。业内专家不无忧虑地表示，国产数控系统近几年虽有很大发展，但仍无法阻止进口数控系统垄断的局面。从2002年起，我国就步入世界最大的机床消国同和最大进口国，仅以2004年为例，我国机床消费量占世界机床产值的20%。2005年消费量仍在增长。在我国机床消费额中，进口机床占据了半壁江山，其中绝太多数是数控机床。

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。究其原因，国内本土数控机床企业大多处于“粗放型”阶段，在产品设计水平、质量、精度、性能等方面与国外先进水平相比落后了5-10年；在高、精、尖技术方面的差距则达到了10-15年。同时我国在应用技术及技术集成方面的能力也还比较低，相关的技术规范和标准的研究制定相对滞后，国产的数控机床还没有形成品牌效应。同时，我国的数控机床产业目前还缺少完善的技术培训、服务网络等支撑体系，市场营销能力和经营管理水平也不高。更重要原因是缺乏自主创新能力，完全拥有自主知识产权的数控系统少之又少，制约了数控机床产业的发展。

目前，我国进口的数控系统基本为德国西门子（SIMENS）和日本发那科（FANUC）两家公司所垄断，这两家公司在世界市场的占有率超过80%。在国内尚无自主知识产权高端数控系统替代的前提下，西门子和发那科拥有绝对的价格优势。加上高性能数控系统具有超越经济价值的战略意义，发达国对出口中国的数控系统始终有所限制，甚至像五轴联动以上的高性能数控系统产品绝对禁止向中国出口。

但我国发展数控机床仍然存在的问题我国于1958年研制出第一台数控机床，发展过程大致可分为两大阶段。在1958—1979年间为第一阶段，从1979年至今为第二阶段。第一阶段中对数控机床特点、发展条件缺乏认识，在人员素质差、基础薄弱、配套件不过关的情况下，一哄而上又一哄而下，曾三起三落、终因表现欠佳，无法用于生产而停顿。主要存在的问题是盲目性大，缺乏实事求是的科学精神。在第二阶段从日、德、美、西班牙先后引进数控系统技术，从日、美、德、意、英、法、瑞士、匈、奥、韩国、台湾省共11国家(地区)引进数控机床先进技术和合作、合资生产，解决了可靠性、稳定性问题，数控机床开始正式生产和使用，并逐步向前发展。在20余年间，数控机床的设计和制造技术有较大提高，主要表现在三大方面：培训一批设计、制造、使用和维护的人才；通过合作生产先进数控机床，使设计、制造、使用水平大大提高，缩小了与世界先进技术的差距；通过利用国外先进元部件、数控系统配套，开始能自行设计及制造高速、高性能、多轴联动加工的数控机床，供应国内市场的需求，但对关键技术的试验、消化、掌握及创新却较差。至今许多重要功能部件、自动化刀具、数控系统依靠国外技术支撑，不能独立发展，基本上处于从仿制走向自行开发阶段，与日本数控机床的水平差距很大。存在的主要问题包括：缺乏象日本“机电法”、“机信法”那样的指引；严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；元部件和数控系统不配套；企业和专业间缺乏合作，基本上孤军作战，虽然厂多人众，但形成不了合力。主要概括为以下四个方面的原因：

1.缺乏政府相关政策的引导。我国数控机床产业化低，与国外发达国家数控机床产业相比仍有很大差距。

2.先进技术引进却未消化。对国外技术重引进、轻消化吸收的问题仍很突出。据有关方面介绍，韩国用1美元引进先进技术，用5美元进行消化吸收，而中国用1美元引进先进技术，用0.2美元进行消化吸收。要注重国外先进技术的引进、消化、吸收与自主创新能力提高的有机结合。

3.缺乏高

素质专家人才。严重缺乏各方面专家人才和熟练技术工人；缺少深入系统的科研工作；缺乏吸引高层次、高素质人才创新创业的环境，造成数控机床领域共性关键技术的持续创新能力不足。4.产学研相结合体系未形成。适应市场经济需求的以企业为主体、产学研相结合的技术创新体系尚未形成，无法有效整合相关技术、产业和资源优势，形成合力开展联合攻关，共同打造技术创新平台。数控机床的机械结构设计、制造的配套环节、集成技术和制造工艺等方面比较落后。据统计，我国大型高性能超精机床每年生产不足千台，不到德国、日本的1/20。

2.2国外先进数控机床的发展现状

机电一体化产品在国外迅猛发展主要表现在以下四个方面：机电一体化产品几乎遍及所有制造领域。数控机床是机电一体化的典型产品，在工业发达国家已占其机床总数的30-40%；工业机器人的拥有量在未来10年将以25-30%的速度增长。智能机器人将逐步进入生产、流通、信息、办公、管理、娱乐、家庭等诸多领域；从机电一体化的单机向整个制造过程的集成化过渡。将制造系统、分析设计系统、经营管理系统、信息数据系统通过计算机及通信网络联系起来，形成计算机集成制造系统(CIMS)，这是当今世界范围内制造业发展的总趋势；激光技术进入机电一体化领域。激光技术与机械电子技术相结合，郎人们常说的光机电一体化，不仅大大扩展了应用领域，甚至使一些行业出现重大变革；微细加工技术与设各突飞猛进。微电子技术及其产业的高度发展，带动了大量高技术的兴起徽细加工技术和装各不仅支持了电子产业的发展，而且对微机械的诞生和发展也起到了决定性的作用。

数控机床是集计算机、微电子、信息、传感、测试、机械制造技术为一体的高度机电一体化的产品，包括数控金属切削机床、锻压机床、铸造机械、木工机床等彀其相关配套件。目前，数控机床主要指的是那些由主机、数控系统和相关配套件组成的金属切削机床和锻压机床。

据国际咨询机构预测，今后世界上数控机床将以较高的速度发展，在金切机床中几乎所有品种均可实现数控化；数控系统向高度集成(采用64位CPU)、高分辨率(0.1um)、小型化方向发展。机械加工向工序复合化、智能化方向发展。未来工厂将广泛应用数控机床、柔性加工单元和柔性加工生产线，最终实现计算机集成制造系统。工厂可以灵活地根据用户需要，在短时间内设计、制造出全新

的产品，实现更高精度、效率和效益。1.高精度化。国外效控系统的设定单位由

1um发展到0.1um和0.01um。1992年7月，日本FANUC公司在庆祝该公司成立二十周年的新成果展示会上，展示了实现纳米加工的整套技术，实现了0.001um ／脉冲的控制系统，能牍利执行每个脉冲当量为0．001um的伺服单元，伺服电机、气浮丝杠、气浮主轴等部件，能检测纳米级精度的高精度检测反馈系统。据资料介绍，这是世界上第一个真正实现纳米加工的成套技术。2、高速化。快速行程已从24m／min提高到240m／min(当设计单位为1um时)，加工中心的切削进给速度可达10m／min以上。数控系统已从16位微机发展到32位、64位机，或用40多个CPU 的结构。FANUC公司开发的15B数控系统就采用了64位微机的RISC技术(压缩、优化程序、消除跟踪误差)。 3、高可靠性。FANUC公司的计算机数控系统的平均无故障工作时 (MTBF)是0.01次／月·台，即实现了100个月里出现一次故障的高可靠性t从而使机器人也实现了0.013次／月·台的高可靠性(另一种说法是国外数控系统的MTBF在1万小时以上)。4、系统化。在新厂筹建和老厂扩建过程中，人们已注意到了耍在系统工程观念指导下来添置数控机床、柔性加工单位及柔性制造系统、机器人等机电一体化产品。德国的维勒尔公司已经给世界各国提供了上百条柔性制造系统。FANUC公司还在筑波科学城中按计算机集成制造系统(O1MS)的五层结构建成CIMS模式的工厂。富士通公司建立了绍津CIMS工厂，富士电机也建立了吹上C1MS工厂}德国的西门子公司建立了CIMS 数控系统制造厂。5、微型化。FANUC公司由于采用了64位傲处理嚣、RISC技术、SMT技术(表面涂装技术)，用液晶显示器代替CRT及三维立体安装等新技术．已将16、18等新数控系统鳍小到原有数控系统的1/3。同时，已开始与其它公司，政府部门合作，开展了徽型机器人的研制工作。用于医学顿域的傲型机器人要能进入人体，执行打通血管阻塞的任务，还要在任务完成后自动退出人体。

6、智能化。视觉、触觉、模糊逻辑控制等智能化工作仍在积极进行。如FANUC 公司展示的7轴双腕智能化机器人。日本在无人化工厂的研制上长期保持l～2个示范工厂的状态现已打破，目前已有7个无人化工厂。FANUC公司在无人化工厂的研制上每年投入1亿美元的研制费。

7、由传统的万能机床向机床功能专用化和产品多样化发展。由于机床的万能性和多功能性，造成机床结构复杂、制造周期长、成本也相应提高。用户往往只需要都分功能，但付出的却是多功能的代

价，功能浪费了，根不经济。现在机l床制造业从品种少、批量大的生产转换为多品种、专业化和小批量生产。对每一种具体的机床产品来说，它的功能应该是有限的，适合用户特定需要的，尽量步带不必要的功能。8、以模块化设计实现产品多样化，功能专用化，已成为当前机床发展的主流。这类机床是较为专用化的机床。这类机床在机床镑售额中所占的比重，过去5～10年为3%，现在已达到10%，再过5～lO年，将达到50%以上。生产企业要为每个不同的用户专门设计机床，而规格和功能完全相同的机床将缸来愈少。甚至于以后有可能不再出现。

9、发展经济型数控机床和加工中心也成为当前数控机床发展的一种趋势。经济型(国外多称为廉价型)数控机床，加工中心，是美国、日本等国的机床业作为一个参与市场竞争的新策略而再现的。10、“电子——机械”商品化。一般认为机电一律化商品，机械部分成本较高。现在国际市场上机电一体化商品中的“电子”部分的比啻I不断增加。FANUC公司正准备将成本中的电子都分增加到占60%，机械部分占40%，即形成以“电子”为主，以“机械”为辅的机电一体化商品。

从以上内容可以看出，中国自己的数控机床在不断的发展之中。其速度突飞猛进，与国际先进水平之间的差距是有缩小的趋势的。但国产数控机床依然存在许多的问题，例如，缺乏政府相关政策的引导，缺乏核心技术等。这使得民族品牌与国际品牌之间存在着较大的差距，无法与其竞争。因此，我国应大力发展机床产业，从各个方面使之进步，争取早日达到日本、德国等国家的水平。

第三题：讨论中国制造2025计划与机电一体化技术的关系答：中国制造2025的实现与否取决于中国在近十年科学技术水平能否得到跨越式发展，中国现代工业化之路能否无阻畅通，而在这一切条件下，机电一体化技术显得尤为重要。下表摘自国务院关于印发《中国制造2025》的通知

附表2

从图表中我们可以看出机电一体化技术的重要性，例如，表中数字化研发设计工具普及率和关键工序数控化率与机电一体化技术密切相关。《中国制造202 5》将推进国家制造业创新中心建设、智能制造、工业强基、绿色发展和高端装备制造5项重点工程。

《中国制造2025》最重要的是提出了中国制造的‘三步走’战略。我国当前工业发展与英、法、韩等国同处于“第三梯队”，日、德处于“第二梯队”，

而作为“第一梯队”的美国不仅从创新、后发优势到整体制造水平上都遥遥领先。因此，第一步要力争用10年时间迈入制造强国行列，“也就是迈入日德行列”；第二步就是要与日德齐头并进；第三步则是在建国100年，综合实力进入世界制造强国前列。此次战略规划的提出有其独特背景，当前，我国面临着全球产业竞争格局的重大调整。金融危机后，发达国家纷纷提出“再工业化”战略，如美国制造业回归、德国工业4.0、日本制造业发展计划，同时发展中国家也在积极参与全球产业再分工。据统计，如果美国现在的制造业成本是100，我国已经达到96，我国制造业总体成本已经与发达国家持平，因此，我国制造业面临着发达国家和发展中国家‘双重挤压’的挑战，抢占新一轮制造业制高点的任务非常迫切。

同时，3D打印等新一轮科技革命和产业复苏正在孕育；我国互联网贸易已走在世界前列，对制造业信息化和制造业融合起到带动作用；经济发展环境也在发生重大变化。在这种新常态下，“我国经济正处在重要战略转折期，阶段性特征非常明显，我国工业已经发展到了中后期阶段。

我国当前的经济下行并不是因为周期性影响或是国外需求不足，而是我国发展到中后期，制造业长期积累的矛盾和环境资源的约束限制所导致的综合结果。因此，再延续前30多年的高速增长是不可能的。未来我国工业经济增长在7％~ 8%将成为常态。“工业是转变发展方式的主战场，加快转变经济发展方式重点在工业，难点在工业，出路也在工业。通过推动工业转型升级，形成经济增长新动力，塑造国际竞争新优势，我们必须抓住这个机遇。”

在中国制造2025目标的实现进程中，机电一体化技术正在扮演核心角色并将变得越来越重要。中国制造2025目标的每一项指标或多或少与机电一体化技术的

应用都有关联。可以预见的是，机电一体化技术在不久的未来将会越来越举足轻重。