新一代智能机床方兴未艾

在发展新一代智能机床方面,中国拥有产业先发优势、国内需求优势、网络信息技术基础优势,国外现有产业主导者则面临着升级惰性和存量市场自我替代压力

China Policy Review - - 目次 - □国研中心企业所课题组

国研中心企业所课题组

机床是工业母机,代表着国家工业化能力和科技发展水平。在智能互联时代,机床不再是单独运作的机器,而是可联网的智能加工终端,是智能工厂的核心环节,是工业互联网的重要载体。传统机床变成智能、可联网后,机床的功能得到极大延伸和改进,同时也促进了制造业生产方式、研发方式、商业模式的巨大变革。在大数据、物联网、人工智能技术加快与制造业融合的大背景下,中国必须抓住机遇,大力发展新一代智能机床,从根本上改变中国在基础装备上受制于人的局面。

新一代智能机床的主要特征

机床按智能化程度大小可分为新旧两代。早期低智能机床主要以装载封闭式总线模式的数控系统为主要特征。德国西门子、日本法那科等跨国公司都有自己的数控系统,同时有强大的功能部件研发和整合能力,在机床产业还没有进入高智能时代前一直处于产业主导地位,垄断了全球高端机床市场。封闭式总线数控系统改变了机床靠工 人手动操作的状态,使机床的加工质量、精度和效率有了大幅度提高,实现了机床自动化。但这种数控机床智能化水平仍然较低,运算能力低,更不互联,数控机床在加工物品的同时并不生产数据,也仍然是一台单个的机器。

最近十年间,随着互联网技术在工业中的加速应用,机床实现了联网,也开始生产数据,数据经过分析处理后又可以帮助机床实现功能优化。基于网络,人们可以在远程对机床进行控制;机床与机床之间,机床与其他生产设备,如生产线上的机器人等,通过网络实现了协同和交互,用户也可随时参与机床设计进而实现产品定制化。这种 基于互联网应用的机床可称为新一代智能机床。机床之所以能做到更高智能化,最重要的是用基于PC的开放式智能操作系统替代了原有封闭的总线式操作系统。PC平台和开放架构更符合互联网思维:由于设备之间的通信协议是标准的、开放的,所以数控系统相当于一个开放的平台,可以接入用户、供应商和不同来源的设备,可以根据需求的变化增加接入的设备,系统的延展性更好,更新换代的速度更快。

新一代智能机床的发展及其应用会带来重大系统性变革

新一代智能机床带来的变革

新一代智能机床的发展及其应用会带来重大系统性变革。1.推进制造业服务化。机床企业由产品制造商变成系统解决方案提供商。有了智能机床,机床生产商可采用租赁经营模式,不再只销售机床,还可在线出售加工能力,由卖产品转为卖服务。用户不用再购买机床,节省了设备投入成本。用户可根据加工需要随时租赁机床厂或第三方的机床加工能力,按需支付机床使用费,机床资源得到充分利用。提供加工服务的机床企业

可进一步增加和提升服务内容,如可向中小企业提供模具和产品设计、加工设计、生产线改造、智能工厂建设等系统性服务,增值服务创造的价值到一定阶段会超过机床本身,进而成为机床企业的主要收入来源。2.优化了生产方式,推动形成智慧工厂。数控机床一旦实现智能化升级和网络化互联,以机床为基点的新系统就呼之欲出。如基于云计算平台,企业可挖掘利用机床“生产”过程中沉淀下来的数据,为用户创造更多价值,更方便地为用户提供工业服务。如远程诊断、车间信息系统和在线工厂等。一旦进一步通过网络把多台智能数控机床连接在一起,一个智慧工厂的雏形便出现了。有网络权限的管理人员可以在移动终端或电脑上,通过互联网从远程掌控车间内所有机床的实时状态,甚至可以通过手持移动终端 (如智能手机)下达指令,安排车间的生产计划,并控制机床的操作。

3.打造出基于加工服务的产业生态,有助于形成自主的工业互联网平台。机床企业可以把数控系统、管理系统、研发平台、供应链等都放到云上,建立一个工业云平台,在这个平台上实现创新链、资金链、供应链、信息流、人才流的大范围共享、共生、交互、协同,进而形成一个以加工服务为中心、以加工数据为纽带的产业生态,从根本上改变传统的工业生产组织方式和产业分工体系。当云平台上搭载的功能越来越多,如将来有了交易功能、上云的企业也越来越多时,这个平台很可能成长为产业共用平台,即工业互联网平台。

中国有望抢得先机

中国在机床产业的智能化变革中有望抢得先机,这是由中国当前的独特优势及现有主导者变革惰性决定的。在发展新一代智能机床上,中国有三个独特优势。

其一,这一轮基于PC 平台设计的数控系统是中国企业率先实现的,已有先发优势,这与中国互联网技术发展迅速、信息技术人才多、国家对制造业智能化发展支持大等有很大关系。

其二,中国大中小企业的加工需求和智能化需求大。国内规模较大的一些制造企业,尤其在长三角、珠三角一带,纷纷加快了制造业的智能化升级步伐,对智能机床、机器人需求大,尤其需要能快速响应、性价比优势较明显的智能装备。市场调研发现,大量中小企业比较喜欢租赁机床和可联网的机床,这有利于降成本、减人员,并及时得到服务。很多中小企业甚至提出希望将模具设计、加工等环节全部社会化,自己只集中精力做力所能及、 且更擅长的产品设计、市场开发等环节,希望尽量减少重资产投入,尽量减少在加工环节的高端人才投入,这恰恰是发展智能机床的重大契机。

其三,中国大数据、云计算、图形仿真、人工智能、新一代移动通信技术 (5G) 等发展迅速,对机床智能化提供了强大支撑。如目前已有企业开始将5G通信技术用于企业内机床数据的无线传输和运动控制,这让率先实现工业4.0 的德国企业受到很大威胁,德国已有专家提出,“在智能机床时代,德国企业因为通信技术相对落后,很可能会输给中国。”

现有产业主导者的惰性给中国企业提供了反超的机会。外国数控巨头就是在这个阶段遇到了巨大障碍。它们的数控系统大多还是嵌入式或包括嵌入式的系统,虽然加上网卡也能够上网,但是联网的设置非常复杂,还需要对整个系统软件进行修改。即使联上网以后,也因为嵌入式芯片的计算处理能力有限,无法支撑高级的网络应用。

从技术上讲,这些巨头也能开

发基于 PC的可联网数控系统。实际上它们现在也在往通用计算机系统上转型,但没有想象中那么简单。嵌入式系统中的软件与PC 平台之间存在兼容性障碍,不能把原来的软件算法直接嫁接到PC 平台上,所以转型就需要推倒原来的系统架构重新开发。但这些巨头过去已经取得市场优势地位,原先的软件、算法都是它们积累多年的技术优势,为维护这种优势就不断让升级换代的系统兼容过去的系统,想要彻底放弃并不容易。例如,西门子最新推出的 840D 数控系统是基于 PC的芯片,但是因为有技术兼容的历史包袱,一步不可能跨出很远。最典型的是 840D 的 PLC( 可编程逻辑控制器)仍然采用传统的方式,需要有单独的芯片承载,因为这是它传承多年的一个产品。

推倒重来,意味着现存巨头们的新系统将需要再度经受市场的验证,长期积累在原来系统中的经验会大量丧失。因此,在巨头的优势还存在的条件下,如果没有足够的远见和壮士断腕的意志,没有勇气去冒既有市场份额和利润突然下降的风险,就难以研发出革命性的新技术。即使出来新技术,也缺乏内在动力去推广应用和实现自我替代。这反过来却帮助市场后进者超越既有的领先者。

中国要加快发展新一代智能机床

发展新一代智能机床是中国机床工业自改革开放以来难得的一个重大机遇。它的意义不仅是能为中国机床工业提供一个自主、可用的 数控系统,更重要的是以其改变工业模式和制造方式的潜力,为中国迈向新工业革命开辟一条路径。政府部门需要在主要依靠市场机制促进产业创新的同时,在研发、推广应用等方面给予政策支持。1.给创新者较充分的时间和足够包容。中国机床产业总体上是落后的,想利用智能化实现反超,挑战巨大。要让机床肌体强壮,不仅要克服基础性短板,如功能部件仍然不过关、精度可靠性指标落后等,还要跨界创新,大量集成过去装备制造业所不熟悉的互联网、通信、大数据、仿真等技术,打造智能机床。为此必须给创新者留出时间,对一次甚至是多次重大失败也要给予足够宽容,对探索不同技术路线要包容,鼓励技术颠覆。2.在研发上鼓励跨界创新。机床重大专项应更大力度向智能化领域倾斜,吸收更多跨界的专家、科研人员参与机床重大专项评审、讨论、研发,支持跨学科、跨专业、跨行业、跨企业组织研发体系。3.支持重点机床企业转型发展。国内主要机床企业在向智能化转型过程中普遍遇到了体制机制落后、机床基础性技术能力偏弱、智能化人才短缺、后续投入不足等问题。应加快这些企业自身改革,不能寄希望在落后的企业体制上生长出有持续竞争力的智能化能力。要下决心推进国有机床企业混合所有制改革和分离办社会职能、处置僵尸企业、“三供一业”改革等,使这些骨干企业能轻装上阵、再发新枝。4.从需求侧入手,支持智能机床推广应用。为安全起见,军工等重要敏感性行业应使用本国智能机

国内主要机床企业在向智能化转型过程中普遍遇到了体制机制落后、机床基础性技术能力偏弱、智能化人才短缺、后续投入不足等问题

床。对用户与机床企业联合开发、自己率先应用首套装备等这种研用一体化的做法和实践,可给予更多支持。对中小企业租赁机床、机床企业出租机床等可考虑在税收、融资等方面给予支持,增强中小用户黏性,帮助机床企业减少重资产投入风险。5.强化制造业数据管理和安全利用。智能机床产生大量蕴含经济价值的生产数据,其中有些还涉及客户需求信息乃至用户个人隐私,如果管理不当会损害用户利益,这也是很多企业不敢大面积使用智能机床的一个担忧。一方面,可充分发挥市场作用,鼓励机床企业通过合同与客户协商明确数据产权、流通、使用和销毁条款,解除客户担忧。另一方面,要发挥好政府在数据法规制定、个人信息保护、加强市场监管、数据备份和网络安全漏洞检测通报等方面的作用,确保数据安全存放和公平使用。

数控机床一旦实现智能化升级和网络化互联,以机床为基点的新系统就呼之欲出。

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