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近年來，工業(yè)領域經常講“云、物、移、大、智”，即云計算、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、智能制造，似乎這就找到了工業(yè)轉型升級的方向和鑰匙。其實，真正要重點關注的，是集成電路芯片、關鍵基礎工具（比如數(shù)控機床、工業(yè)基礎軟件），如果這些做好了，“云、物、移、大、智”是可以根據(jù)具體需要隨時搭建的。如果數(shù)控機床、數(shù)控技術、工業(yè)基礎軟件做不好，那就只有長期受制于人，一切都是空談。

諸如高鐵、核電這類極端復雜的技術系統(tǒng)，中國也能連續(xù)實現(xiàn)創(chuàng)新突破，為什么在數(shù)控機床方面遲遲沒有太大的進展？數(shù)控機床不僅僅是一種關鍵基礎設備，更是一種一步一步將工作方法、知識經驗融入軟件和模型的“工作母機”。數(shù)控機床牽扯的應用領域極其廣泛，無可比擬的產業(yè)基礎性，使其真正凝聚了“整個工業(yè)領域百年以來的疊加式技術進步”。哪個工業(yè)國家一旦在數(shù)控機床的技術積累上落入下風，短時間內很難追趕上來。在此，我們基于工業(yè)、產業(yè)、商業(yè)三個維度系統(tǒng)闡述數(shù)控機床的進化迭代歷史。

 

第一維度：速度、精度和壽命

 

數(shù)控機床不僅僅是一種數(shù)字化的工具機（Machine tool），更是代表了傳統(tǒng)工業(yè)社會的一種思維方式——減材制造。數(shù)控機床要做的事情無非就是“車鉗銑刨磨”，將原材料當中不需要的部分一點一點減掉，通過彎折、鉆孔、切削、打磨，得到產品結構中的物理零部件。

 

這個操作過程當中，機床設備自然是速度越快、精度越高、壽命越長、代表性能越好。很長一段時間，數(shù)控機床在速度、精度、壽命上的性能提升主要通過最基礎的電子元器件得以實現(xiàn)。

 

數(shù)控機床的最初設想始于美國軍方，1948年，美國空軍在研制直升飛機螺旋槳葉片輪廓檢驗用樣板的時候遭遇瓶頸，因為樣板形狀復雜多樣，精度要求極高，要設計新型的特種加工設備以適應當時的特殊需求，“數(shù)字脈沖控制機床”的設想就由此誕生。

 

此后的25年當中，因為核心電子元器件的進化迭代，數(shù)控機床總共有五次更新?lián)Q代：第一代是由MIT（美國麻省理工學院）參與研發(fā)的三坐標數(shù)控銑床，由電子管元件作為數(shù)控裝置（1949年-1959年）；第二代是帶自動換刀裝置的數(shù)控機床，由晶體管元件和印刷電路板作為數(shù)控裝置（1959年-1965年）；第三代是由集成電路作為數(shù)控裝置的數(shù)控機床（1965年-1970年），體積小、功率消耗少，同時具有高可靠性和低成本優(yōu)勢；上世紀60年代末，出現(xiàn)了由一臺計算機直接控制多臺機床的群控系統(tǒng)（簡稱DNC），以及采用小型計算機控制的計算機數(shù)控系統(tǒng)（簡稱CNC），第四代數(shù)控裝置的典型特征就是“小型計算機化”；1974年以后更進一步，數(shù)控裝置開始采用微處理器、半導體存貯器，即微機數(shù)控時代（簡稱MNC）。

 

在這段歷史時期當中，數(shù)控機床的相關輔助部件也在持續(xù)進化迭代。比如實現(xiàn)高精度測繪，就要采用一個叫光柵的測量元件。直到如今，德國的海德漢公司與英國的雷尼紹公司，幾乎壟斷了光柵技術的全球市場，高精度的光柵，中國的數(shù)控產業(yè)也不是有錢就可以買到的，外國公司一般只向中國出口基本測量水平的光柵。

 

另外，機械加工的工藝技巧和管理水平也在持續(xù)沉淀優(yōu)化。比如小小一個M6螺桿，外徑公差在5.794-5.974毫米之間，內徑、牙距、材質以及表面處理都有相應量化指標。在日本、德國或者瑞士，不符合規(guī)定的標準件是很難找到的，因為根本賣不出去。他們在制造環(huán)節(jié)的初期就設法杜絕殘次品的出現(xiàn)，在后續(xù)幾十道工序中又有多年的優(yōu)化經驗和數(shù)據(jù)積累，加上市場充分競爭，這種最基礎的標準件十分便宜、十分可靠。

 

國內工廠因為缺乏工序優(yōu)化和數(shù)據(jù)積累的那段歷程，哪怕有了很好的數(shù)控機床設備，也難以保證產品不出現(xiàn)瑕疵。國內很多汽車制造企業(yè)在市場上采購零件回來以后，通過全檢才會采用，甚至為了確保質量可靠，就干脆訂做（要跟蹤從原材料到表面處理的全過程），哪怕一些小小的螺絲螺母也耗費大量成本。汽車產品的使用壽命可以取決于細微處的螺絲螺母，螺絲螺母的使用壽命取決于無數(shù)工序細節(jié)。

 

20世紀80年代以后，IT互聯(lián)網(wǎng)技術開始全面融入數(shù)控機床產業(yè)，數(shù)控裝置明顯趨向小型化、自動化、網(wǎng)絡化和智能化。由工業(yè)軟件來引導自動監(jiān)控刀具破損、自動檢測工件，加上PC+CNC智能數(shù)控系統(tǒng)，明顯增強了系統(tǒng)運行的速度和精度。過去40年當中，數(shù)控機床的發(fā)展方向就是“極其精確的系統(tǒng)控制”。這當中有三大特征：

 

技術立體融合

 

“云、物、移、大、智”不是單獨存在的，而是融合發(fā)展構建的一個關聯(lián)系統(tǒng)。如果以人體結構類比數(shù)控機床，數(shù)控系統(tǒng)是人的大腦，伺服驅動器是人的肌肉，電機是人的關節(jié)，傳感器是人的視覺，執(zhí)行部件（回轉工作臺或擺角銑頭）是人的手腳，機床本體（床身/裸機）是人的骨架，而云計算、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)則貫穿數(shù)控機床的整個神經網(wǎng)絡，相當于“能力倍增器”。

 

狀態(tài)精確控制

 

通過工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)和大量工業(yè)APP的支持，產品的設計問題、工藝問題、制造問題都可以在虛擬空間中完成，反復核查和檢查，狀態(tài)精確控制貫穿了產品的全壽命周期。畢竟，改進模型要比修補產品實物容易得多，諸多細節(jié)問題在虛擬空間中做了最優(yōu)調整，進入實物制造，精度、成本和可靠性得到最佳平衡。

 

大規(guī)模定制化生產

 

數(shù)控機床的工作過程越來越柔性化，比如西門子的安貝格工廠，每天生產6萬個PLC控制器，每個都不一樣，結構、總線、接口標準、通信協(xié)議、軟件和印刷板都是定制的，最初是0.5%的不合格品率，智能升級之后，不合格品率下降了幾個數(shù)量級，現(xiàn)在大概是百萬分之五。

 

第二維度：產業(yè)體系

 

2018年，中國工業(yè)產值已經超過美國+日本+德國的總和，可是中國仍算不上一流工業(yè)強國，數(shù)控機床就是其中一大短板。

 

1982年-2009年，世界第一的機床生產大國是日本，2010年中國機床工業(yè)實現(xiàn)趕超，可是中國制造的數(shù)控機床在核心數(shù)控系統(tǒng)和功能部件上，至今受制于人。因為核心設備能力不足，連帶整個材料工業(yè)、多個細分工業(yè)領域長期處于劣勢。比如中國稀土儲量是世界第一，但稀土在中國人手里就是土，因為中國缺少技術把它變成材料。這些材料技術都是用幾十年的積累研究出來的，通過各種實驗做出來的，這些材料能做到納米級，擱在手機芯片里面。這些都需要專門的機床設備，這些東西就德國和日本有。誰控制著材料和機床，誰就處于強勢地位，享受議價權和更多利潤。一個國家數(shù)控技術的進化迭代，取決于產業(yè)體系，又將投射于產業(yè)體系。

 

取決于產業(yè)體系

 

工業(yè)強國的最大根基是基礎工業(yè)（包括裝備、材料、工藝）。基礎工業(yè)受制于數(shù)控機床的工藝精度，但是高精度的數(shù)控機床也不能加工超過自身精度水平的零部件。那么，數(shù)控機床的工藝精度源于哪里？源于最精密的基礎裝備（包括數(shù)控機床、工業(yè)機器人等）加工基礎材料，得到基礎零部件和基礎裝備，即機器制造機器。這是一個“不斷自我強化的內在循環(huán)”，這一循環(huán)的關鍵影響因素，除了機械工業(yè)，更重要的是電子信息工業(yè)和材料工業(yè)。

 

美國制造業(yè)可以引進德國造的數(shù)控機床，但核心的數(shù)控系統(tǒng)、工業(yè)軟件美國是有技術主導能力的。美國基礎工業(yè)的深厚內力，主要源于電子信息工業(yè)的壟斷地位，全球的芯片和實時控制軟件幾乎都源于美國。比如，美國波音公司獨步全球的核心優(yōu)勢不是在機械部分，而是在軟件部分，1991年波音777的誕生用了七八百種工業(yè)軟件，2005年波音787的飛天用了8000種工業(yè)軟件，波音現(xiàn)在已經有8500種工業(yè)軟件，也只是滲入波音飛機的部分核心環(huán)節(jié)，如果算上外包的那些部分，這一數(shù)字更加驚人。

 

德國、日本的基礎工業(yè)由大量掌握技術訣竅的中小企業(yè)支撐，由西門子、三菱重工等大型企業(yè)來牽引，機械、電子、材料、工藝等各個方面的技術能力非常均衡。比如，數(shù)控機床的最大限制就是材料，高速加工時，包括主軸和軸承摩擦產生熱變形導致主軸抬升和傾斜、刀具磨損導致的誤差等，加工精度極高的數(shù)控機床，背后是材料工業(yè)的支持。

 

投射于產業(yè)體系

 

如果數(shù)控機床、數(shù)控技術實現(xiàn)創(chuàng)新突破，可以有效投射于產業(yè)體系的各處毛細血管。比如航空母艦用的電磁彈射技術，技術原型就是數(shù)控產業(yè)的直線電機技術，因為中國的直線電機技術已經成熟了，才可以繼美國、俄羅斯之后第三個接近實現(xiàn)艦載機的電磁彈射起飛。瑞士制造了世界上最精巧的鐘表產品，就是因為瑞士達到了精密制造的極致，同樣重量的數(shù)控機床，瑞士貨的價值最高，是中國貨的10倍，日本貨的價值可比肩德國，是中國貨的3.5倍。

 

中國制造業(yè)要實現(xiàn)轉型升級，數(shù)控產業(yè)的長期弱勢就是一個很大的掣肘。不僅機床設備的數(shù)控系統(tǒng)要依賴德國、日本這些傳統(tǒng)工業(yè)強國的開放程度，更要考驗中國工程技術人員的學習適應能力，那些習慣使用日本發(fā)那科（FANUC）系統(tǒng)的技工，幾乎操作不了德國西門子（Siemens）產品（換一個品牌的數(shù)控系統(tǒng)就不會工作了）。

 

中國要發(fā)展機器人產業(yè)，風口一來，泡沫就來了，惡性低價競爭隨處可見。因為基礎的數(shù)控產業(yè)不強，控制器、減速器、伺服電機都受制于人，機器人用的RV減速器，日本一個帝人公司就占了70%的全球份額。中國機器人公司拼技術的空間就很有限了，只能拼成本價格，大量的低端競爭吹起了一個一個產業(yè)泡沫。

 

第三維度：商業(yè)模式

 

百年以來，數(shù)控機床的進化迭代主要集中在物理層面，即精度、速度和壽命。可是，物理性能做到了極致，將會面臨商業(yè)上的發(fā)展瓶頸。

 

計算機以納米級的精度進行計算，控制設備工作進程，每秒鐘讀取和傳輸?shù)臄?shù)據(jù)流量，超過一個人一生的閱讀能力。更重要的是，設備制造的品質壽命已得到空前提高。就像德國“雙立人”菜刀，要人民幣一兩千元一把，賣這么貴，是因為“雙立人”菜刀質量太好，用二三十年都不會壞——“雙立人”恰恰被自己產品的高質量打敗。因為一般收入的，不會買這么貴的菜刀，買得起“雙立人”菜刀的，幾十年后才會再來買。

 

當今時代，那些高端數(shù)控機床、工程機械，質量太好了，用幾十年都不會壞。那些昂貴的機器設備，買家終究是有限的，又不可能像賣牙膏、方便面那樣，有老客戶重復購買，開發(fā)新客戶又特別困難。如果機床產業(yè)的商業(yè)模式還停留在賣設備的階段，那是難以持續(xù)的，近年國內機床銷量的斷崖式下跌就是證明。

 

數(shù)控機床行業(yè)面臨類似于“諾基亞時代與蘋果時代的交叉口”。十幾年前的諾基亞手機，通話好、質量佳、摔不壞，幾乎做到了極致，但蘋果iPhone誕生之后，競爭的重點已經不是摔不摔得壞了。因為大眾已不再喜歡long long life的產品了，而是偏向即時享用。

 

美國白宮信息物理系統(tǒng)專家組的一位成員曾直言：“未來的工業(yè)競爭將從實體世界轉至‘不可見’的世界，以往的創(chuàng)新集中在實體世界，而現(xiàn)今這一情況已出現(xiàn)變化，創(chuàng)新正從實體的‘蛋黃’轉向更具創(chuàng)新空間的數(shù)據(jù)和服務‘蛋白’。賣機床不是賣那噸鋼鐵，賣的是生產力。”

 

工業(yè)圈有一個老故事：福特汽車公司的一臺電機出了故障，很多人幾個月修不好，請來德裔工程師斯坦門茨，兩天就排除故障。他用粉筆在電機外殼上劃了一條線，然后告訴眾人：“打開電機，在記號處把里面的線圈減少16圈就好。”果然，問題解決了。斯坦門茨的報價是10000美元，粉筆劃線值1美元，知道在哪里劃線值9999美元。機器設備只是一堆鋼鐵，know-how（技術訣竅）和know-why（工程原理）才是真正的生產力。

 

現(xiàn)今，很多數(shù)控機床企業(yè)已經不再是傳統(tǒng)的機床買賣、加價銷售、賺取利潤，而是選擇租賃設備，按小時、按加工數(shù)量收費，結算的依據(jù)就是機床運轉所傳輸回來的數(shù)據(jù)。機床運行過程中的數(shù)據(jù)采集、傳輸，經過“解讀和可視化”以后，你在手機APP上就能實時查看設備的運轉情況，替代了傳統(tǒng)管理。

 

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