数控机床是数字控制机床的简称，是一种装有程序控制系统的自动化机床。数控机床较好地解决了复杂、精密、小批量、多品种的零件加工问题，是一种柔性的、高效能的自动化机床，代表了现代机床控制技术的发展方向，是一种典型的机电一体化产品。
国产高端装备增量缺口巨大
从制造业品类齐全度及金额来看，中国已经成为全球领先的制造业大国。根据国家统计局统计，2004年至2019年，我国制造业规模持续增长。2019年，我国制造业GDP规模达26.92万亿。制造业的较快发展，带来对数控机床等生产工作母机的需求增加。
随着我国工业结构的优化升级，中国正在经历从高速发展向高质量发展的重要阶段，对作为工业母机的机床的加工精度、效率、稳定性等精细化指标要求逐渐提升，中高端产品的需求日益增加。在此大背景下，中国机床市场的结构升级将向自动化成套、客户定制化和普遍的换档升级方向发展，产品由普通机床向数控机床、由低档数控机床向中高档数控机床升级。
高端机床自主可控愈加迫切，进口替代需求巨大
中国国机床行业目前大而不强，亟须一个机床行业的“华为”，来推动和引导机床行业进一步向高端发展。全球范围内的主要机床制造大国包括德国、日本、美国、中国等。中国机床行业起步晚，但整体发展迅速，政府产业政策对机床行业的创新发展起了一定的引导作用，中国机床行业在技术、市场规模上都有显著增长，中国已经成为世界最大的机床产销国。数据显示，2019年，我国首次实现机床行业贸易顺差，进口机床需求下降主要是国内产品部分领域实现了进口替代，同时中美贸易摩擦加大了高端机床的进口限制。
随着国际局势持续演变，西方国家持续加强对华技术封锁。部分高端五轴联动数控机床完全无法从国外进口，导致国内重要企业的战略装备生产出现“卡脖子”的问题。中美贸易摩擦进一步加大了我国高端机床的进口限制，我国航空、航天、兵器、船舶、核、电子等急需五轴联动数控机床的军工行业面临全面封锁。机床行业急需产品结构升级，向更高端高技术含量机床市场突破。
未来下游市场规模巨大，国产化需求强烈
制造业转型升级，对高端机床的需求持续扩大。高端数控机床主要应用于航空、航天、核、电子、船舶、兵器、能源、汽车、模具、刀具等重点领域，特别是航空航天等军工领域，国产化需求强烈、存量市场规模巨大、市场增长可期。除航空航天、国防军工等重点领域对五轴数控加工有大量需求外，近年来汽车行业对五轴数控机床的需求逐渐增强，汽车行业零部件产品为实现节拍化批量生产，需要对加工装备大批量采购，因此其行业的转型升级的市场规模巨大，已成为五轴联动数控机床另一个具有大规模快速增长前景的市场。
数控机床未来发展趋势
1.新技术——五轴联动加工技术的推广及普及是行业未来的发展方向
工业上需要加工复杂的曲面，舰艇、飞机、火箭、卫星、飞船中许多关键零件的材料、结构、加工工艺都有一定的特殊性和加工难度，用传统加工方法无法达到要求，必须采用五轴联动、高速、高精度的数控机床才能满足加工要求。五轴联动数控机床在加工方面有着适用范围广、加工精度高、工作效率高等特点，符合未来机床的发展趋势，系航空、航天、汽车、船舶、精密仪器、发电机组等下游行业加工关键零部件的重要加工工具。
2.新业态——完成单一工序的单体机床需求逐步减少，完成多工序的柔性制造单元需求逐步增加
柔性制造单元是为满足多品种、小批量零件高效加工，以单台或多台五轴加工中心或复合化加工中心配合小型自动化物流装置组成的制造单元。随着下游生产企业竞争加剧以及成本上升，尤其是劳动力生产成本急剧上升以及劳动力短缺情况愈加频繁，开始导致更多无人化或少人化制造系统的出现，下游客户对多品种小批量快速响应加工市场的柔性制造单元需求将上升。柔性制造单元将以“数控机床+小型物流装置（工业机器人、自动交换托盘库、桁架机械手等）”成套设备出现，及时解决劳动力生产成本急剧上升的痛点，实现无人化或少人化。
3.新模式——由单一产品销售向智能制造系统集成方案方向发展
近年来，下游企业对机床供应商提出了新的需求，趋向于与具备成套的设备生产能力、提供全套解决方案或承担更为复杂的工程总承包项目能力、自动化系统改造能力的供应商合作。拥有自动化、柔性化、智能化生产线“交钥匙”工程能力的智能制造系统集成商将可以满足客户个性化、定制化、差异化的生产需求，进而提高客户黏性。此外，国家和地方政策对制造业进行自动化生产线建设的鼓励也必将推动智能制造装备供应商向智能制造系统集成方案提供商转变。来源：中商产业研究院
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2019年10月23日～10月26日，“PTC ASIA 2019高新技术展区国际技术交流报告会”成功在上海新国际博览中心举办。本届报告会得到行业知名专家曾广商、王玉明二位中国工程院院士，国际同业组织VDMA金斯利先生和来自于中国、德国、日本、英国、美国的国际知名企业专家，国内知名院校和科研院所的大力支持。在此，我们深表荣幸并衷心感谢！报告会现场观众认真聆听、积极互动，良好的效果让我们倍感欣慰，这一切都激励着我们继续努力，为流体传动与控制技术进步添砖加瓦，为世界流体动力产业发展贡献新的力量！
为了让更多的同仁了解本届技术报告会实况，我们应行业需求对专家的精彩报告进行编辑整理，陆续发表在2020年《液压气动与密封》杂志和微信平台上(公众号：chpsa-yqm)，供学习分享。敬请关注！
PTC ASIA 2019 高新技术展区现场技术报告（之十七）
液压型风力发电机组基础理论与关键技术研究
——据燕山大学专家孔祥东报告录音整理
研究背景和思路
发展风电意义与潜力。风能作为一种清洁的可再生能源，是我国能源转型的重要支撑。肩负着支撑经济社会可持续发展的历史使命（十九大报告）。我国风能储量丰富(10%)，发展潜力巨大。我国风电占比较低(5.2%)，存在很多问题（见图1），技术进步潜力巨大。
图1 风电行业的问题
液压型技术优势。传统发电机型是双馈型和直驱型，传统机型存在传动冲击大，电能质量低，电网负担重等问题。液压型风电机组的特点是使用静液流体传动系统(无齿轮箱)，使用励磁同步发电机，这样就可以舍弃整流逆变装置。从而带来液压型的技术优势：无级调速，控制灵活；柔性传动，电能优质；功率调控，电网友好。
液压型风力发电机组研究思路。针对风力发电的要求以及传统风电机型存在的以下问题：风能负荷随机波动、发电机并网要求高、传动链可控变量少、多源宽频激励谐振、电网高质电能要求等，提出了五项面临的挑战：发电机转速的高精度控制、功率追踪及平滑高精度控制、故障穿越高响应高精度控制、多源宽频激励机组谐振抑制、调控传输能量具有调频能力。
研究进展
目前，国外有查普驱动公司、阿托斯公司、亚琛工业大学以及美国的明尼苏达大学在这个方面做了一些基础的研究工作。在国内，实际燕山大学从2009年就开始做这方面的工作，浙江大学、兰州理工大学、上海交通大学等一些学校也在做相关工作。
在研究方面，燕山大学主要有5项研究内容。
第一个研究内容是液压型风电机组并网转速高精度控制。研究了流量间接反馈控制方法，解决了发电机准同期并网转速高精度控制难题，实现了发电机柔性并网。流量间接反馈的控制方法（见图2）是利用了闭式泵控的基本原理，同时又解决了它效率低的问题。这样控制的效果，能够实现输出的转速稳定在1500±6r/min，也就是能够满足电网50±0.2Hz的要求；发电机并网冲击转矩能够控制在5%左右，冲击电流控制在9%左右。
图2 流量间接反馈控制方法
在并网转速控制技术方面，我们还提出了双变量联合控制方法（见图3），实现了随机波动风速下，输出转速稳定在1500± 4r/min，也就是能够满足电网50±0.13Hz的要求。
图3 双变量联合控制方法第二个研究内容是液压型机组的功率追踪及平滑高精度控制。研究了复杂工况下多目标寻优的功率追踪控制策略，提高了风能利用效率，实现了功率高精度平滑控制。一定风速下，风轮的转速对应某一个转速下，它才能够吸收最大的风能，这是一个功率追踪的要求。再有就是发电的时候怎么能保证输出的电能最平稳，以克服风的波动，这也是一个要求。我们做了两项工作：一个是发电机组功率追踪优化控制技术，我们提出了功率追踪的控制方法（见图4），风能利用效率较传统机型提高了4%；另一个是提出了功率平滑的控制方法（见图5），功率平衡的因子较传统机型可以提高2～3倍。
图4 功率追踪控制方法
图5 功率平滑控制方法第三个研究内容是液压型风电机组低电压穿越控制。研究了低电压穿越分层控制方法，解决了电网故障工况下发电机脱网的难题，实现了机组故障穿越高响应高精度控制。一旦电网出现故障，电压跌落了以后，剩余的发电功率要能够要耗散或者存储，同时要求发电机不能脱网。所以我们提出了低电压穿越分层控制方法（见图6）：有功功率响应时间较传统机型提升1倍；电流冲击抑制能力较传动机型提升1倍。
图6 分层控制方法第四个研究内容是落地式液压机型谐振机理及主动抑制。研究了机组谐振参数设计准则和系统模态主动调控策略，解决了多源宽频激励下机组谐振的难题，提高了机组运行可靠性。采用液压长管路,实现变量马达、发电机的落地安装，进一步降低了机舱重量，使设备便于安装维护，落地式液压机型构型（见图7）。但落地机型在随机风宽频激励下容易引起谐振。针对此问题，采用阻抗匹配理论，揭示了机组模态与可控参量之间的映射规律。提出宽频激励下机组谐振主动抑制方法（见图8），实现对系统模态的动态调整，避开即时激励频率。解决了宽频激励下，落地机型谐振抑制的难题。谐振峰值衰减50%以上。
图7 落地式新构型及谐振机理
图8 谐振主动抑制方法第五个研究内容是储能式液压型风电机组调频控制。研究了虚拟惯性补偿控制和自适应调频控制方法，解决了风电机组能量储放和调配难题，支撑电网稳定运行。三相电不能存储，电网频率稳定的本质是发电量和用电量的实时动态平衡。为了提高液压型风电机组的调频能力，在变量马达和发电机中间串联液压储能子系统，提高机组整体惯量。通过调整液压储能子系统能量的储放，使风电机组参与电网调频。提出了基于虚拟惯性补偿的调频控制方法（见图9），实现了风电机组调频控制。
图9 储能式新构型及调频控制方法基于这种构型，在功率闭环的基础上，增加储能子系统调频控制器。通过BP神经网络动态调整PID控制参数（见图10），实现了液压型风电机组调频能力优于国标要求。
图10 自适应调频控制方法
研究规划
经过十年的刻苦攻关，完成了上面一些基础研究工作。主要核心内容就是通过控制变量马达摆角，实现对系统流量的控制，进而实现对变量马达转速（发电机转速）的控制。完成这些基本工作以后，我们就要和电网去匹配，期望通过液压的方式，实现电网友好，为风电摘掉“垃圾电”的帽子。
下一步我们研究思路是向着智能风电迈进，期望风电机组满足智能电网的需求。智能电网是将先进的传感测量技术、信息技术、通信技术、计算机技术、自动控制技术和原有的输、配电基础设施高度集成而形成新型电网，来实现高供电的安全性和可靠性、减少电网的电能损耗、实现与用户间的互动、减小对环境的影响、为用户提供增值服务、高能源效率。我们的研究目标是将闭式液压传动系统、液压储能子系统引入风力发电装备，将人工智能控制技术和数字液压技术相结合，设计研发高电能质量、高寿命和高可靠性的风力发电装备，实现风力发电装备和机组集群的智能化。 研究内容为：①源网侧多源信息智能预测与感知；②液压型风电机组输出功率智能调控；③液压型风电机组负荷频率智能调控；④多发电机组之间集群多时间尺度协调控制。
通过上述的研究，期望实现单一液压型风电机组智能化，进一步实现群网，以支撑智能电网建设。这里面核心内容是液压系统控制，那么如何把液压控制和智能电网充分地结合起来开发智能电源，也是我们要考虑的问题。
产业化推广
针对液压型风电机组的产业化推广，我们希望通过政府主导，与企业合作来推进液压型风电机组产业化。目前我们跟秦皇岛市的正时乐液压技术有限公司正在建设一个样机。目前已经把地基做完了，下面要进一步把装置做出来。依托燕山大学提供的技术支持和解决方案，利用液压型风能-液压能装置进行风力发电、海水淡化，以期达到创造良好的社会效益和经济效益，进而推进产业化，实现产品的推广。
通常海水淡化是通过电网为海水淡化装置提供电能，那如果不用电网而用风能来做呢？就是直接用风能去驱动海水泵等装置，有风就有能量，所以用风能做海水淡化就可以节约能源（见图11）。有助于绿色可再生能源的进一步开发和利用。
图11 风力发电和海水淡化框架
知识产权情况
我们在“液压型风力发电机组”这方面申请了十几项专利，授权9项，其中转化2项，发表了60余篇高水平论文，参与液压型风电机组相关研究的博士、硕士研究生共20余人。这里面我们也承担了很多企业的项目和国家自然科学基金、青年科学基金等。而且关于液压型风电机组的控制技术也得到了国家科学技术学术出版基金的资助，2019年底就可以由机械出版社出版，希望大家能够在阅读的过程当中，给我们提出宝贵的意见。
客观评价
在客观评价方面，浙江大学杨华勇院士、哈尔滨工业大学姜继海教授和南京理工大学李小宁教授都给出了很高的评价。一致认为“该成果代表了我国液压型风力发电领域的最新研究成果，达到了国际领先水平。对推动我国科学技术的进步具有重要作用，对打破国外技术垄断，形成自主知识产权意义重大”
应用和效益情况
针对液压型风电机组的应用效益方面，2010年与上海财宇投资有限公司开展了合作，然后在燕山大学实验室里面做了试验台，并跟正时乐液压设备有限公司进行产业化推广，我们也跟南京工程学院合作，所以，我们基础工作一直在往前走，希望能够有更好的转化成果展现给大家。这是经济效益（见图12）。
图12 经济效益
下面介绍一下这项技术的社会效益。第一、液压型的风电机组的环境适应性还是很强的，适用于海上、孤岛或偏远地区。我们现在在做样机，小的可以做到20kW、50kW，100kW、150kW，然后往大里做，大功率等级的液压型风电机组的优势是可以做模块化组合。当然这里关键的问题就是液压元件的效率和可靠性，在海洋、在高山，元件的寿命能否适应恶劣的环境。如果这些问题解决了，应该能够为当地的社会建设做贡献，改善人民的生活，尤其在偏远的农村、孤岛，可以就地取材，就地发电。第二、液压型风电机组的电网适应性好，电能质量高，有利于提高可再生能源的渗透率来保护生态环境。由于采用液压传动系统取代齿轮箱，不用整流的逆变装置，这就使得我们这个机舱重量大大减轻，实际机舱重量减轻以后使整个塔架的重量也减轻、地基的重量减轻、安装成本降低，尤其可以使电能质量提高，这是其他机型不可替代的。第三、液压型的风力发电机组易于推广和应用，我们想先在海水淡化方面做一些工作，可以有效降低能源消耗，降低成本，缓解水资源紧张。第四、促进上下游产业发展，在这个方面我们也在努力。开始我们实验室是选用了赫格隆的马达当泵使，后面选择了力士乐的变量泵当马达用，我们也希望国内企业能跟我们一起合作，完成关键元件的研制。当液压型风电机组真正变成产品的时候，一定要有我们国产元器件在这个系统当中，否则会受制于进口，所以在这个方面，我们希望能够跟有志于液压风力发电的高校、企业进行合作，来推进这项技术成果的应用。应该讲这项技术在促进行业进步和提高行业竞争力的作用和意义是很明显的，这项成果应该说解决了行业关键技术难题，达到了国际领先水平，支撑国家电网建设、国防建设、环境保护和经济建设，能够促进和引领行业产业与学科的发展。实际上我们有很多学科是可以相互渗透的，在这个方面我们希望再进一步地把这个工作做得更好。
该文刊登于我刊2020年第9期
本刊编辑 张婷婷整理
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