由北京市科委支持北京航空航天大學(xué)研制的大型金屬構(gòu)件激光成形增材制造成套裝備，該成果主要用于航空航天復(fù)雜構(gòu)件整體加工。


　　即使對于普通人，3D打印技術(shù)也不再是個陌生概念，人們津津樂道的是用半個小時就可以打印出一個微縮版的自己。但其實，除了這些“花哨”的玩法，3D打印已應(yīng)用于飛機關(guān)鍵零部件的制造等高端制造領(lǐng)域。


　　輕觸按鈕，床板的上半部徐徐抬起，折疊成一個舒適的輪椅。幾乎不用移動身體，老人就從床上直接出了門。這“變形輪椅”實際上是北京航空航天大學(xué)機械工程及自動化學(xué)院研發(fā)的“床椅一體化機器人”。


　　事實上，3D打印、“床椅一體化機器人”等智能裝備、以數(shù)控機床為代表的高端數(shù)控裝備，正是當(dāng)前全球制造業(yè)布局的戰(zhàn)略重點。金融危機后，尋求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型的北京，同樣將這三個領(lǐng)域作為發(fā)展高端制造業(yè)的突破口。2011年11月，北京市科委啟動實施了以這三個領(lǐng)域為重點支持方向的“北京高端數(shù)控裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)跨越發(fā)展工程（精機工程）”。


　　兩年多來，“精機工程”在北京高端裝備領(lǐng)域共投入科技經(jīng)費3億余元，帶動社會研發(fā)投入20億元。在3D打印等上述三個領(lǐng)域取得多項關(guān)鍵技術(shù)突破，并形成逐步完善的產(chǎn)業(yè)鏈。


　　另一組數(shù)字更能說明這一工程的意義?！熬珯C工程”實施，帶動2012年北京高端裝備制造業(yè)實現(xiàn)產(chǎn)值500億元，稅收20億元，利潤25億元。


　　北京3D產(chǎn)業(yè)鏈逐步完善


　　國內(nèi)3D技術(shù)最廣為人知的應(yīng)用是，我國首創(chuàng)用3D打印造飛機鈦合金大型主承力構(gòu)件，該技術(shù)成功應(yīng)用于國產(chǎn)大飛機C919上。這一技術(shù)由北京航空航天大學(xué)激光增材制造技術(shù)團(tuán)隊研發(fā)。


　　該團(tuán)隊成員湯海波告訴記者，3D打印技術(shù)是“增材制造”技術(shù)的俗稱，也稱“增量制造”、“添材制造”、“添加式制造”技術(shù)，是指依據(jù)三維CAD建模，在計算機自動控制下通過材料逐層添加堆積的成形制造技術(shù)。相對簡明通俗的可將3D打印技術(shù)分為“快速原型制造技術(shù)”和“高性能金屬構(gòu)件增材制造技術(shù)”兩類。


　　其中，大型金屬構(gòu)件激光增材制造裝備是發(fā)揮“變革性”的高性能金屬激光增材制造技術(shù)巨大潛力的設(shè)備基礎(chǔ)和必要手段，也是長期以來制約該先進(jìn)技術(shù)發(fā)展的“瓶頸”之一。


　　湯海波所在團(tuán)隊自開展高性能金屬激光增材制造技術(shù)以來，開展了其成套裝備技術(shù)研發(fā)，歷經(jīng)17年持續(xù)研究和完善，提出了“外置型”大型金屬激光增材制造裝備新思路，發(fā)明了“高效氣體充排—柔性密封”等系列核心關(guān)鍵技術(shù)，并自主開發(fā)出激光增材制造專用掃描路徑生成軟件、保障了制造零件的質(zhì)量和性能。


　　經(jīng)過5代系列科研型激光增材制造裝備的研發(fā)，激光增材制造數(shù)十種鈦合金、超高強度鋼大型復(fù)雜關(guān)鍵金屬零件在大型運輸機、艦載機、C919大型客機、殲擊機等多型飛機中裝機應(yīng)用，并多次作為“唯一方案”解決研制“瓶頸”，發(fā)揮了不可替代作用，同時使我國成為迄今世界上唯一掌握高性能大型金屬零件激光增材制造技術(shù)并實現(xiàn)工程應(yīng)用的國家。


　　湯海波表示，北京市科委高度重視和支持高性能金屬激光增材制造技術(shù)的發(fā)展，2012年以來北京市科技計劃重點項目“大型高性能金屬零件激光增材制造裝備樣機研制”旨在開發(fā)具有自主知識產(chǎn)權(quán)、引領(lǐng)高端裝備制造業(yè)的激光增材制造裝備樣機，2013年繼續(xù)資助該裝備的系列化、工程化發(fā)展。


　　除北航外，清華大學(xué)開展了多功能快速成形設(shè)備、熔融沉積制造設(shè)備、電子束制造設(shè)備、生物打印技術(shù)研究。中國科學(xué)院光電院、自動化所等院所以及中航625所等國家重要科研機構(gòu)，在軟件設(shè)計、金屬材料、激光器等方面都具有很強的技術(shù)優(yōu)勢。


　　此外，從材料研制和生產(chǎn)到數(shù)字化設(shè)計，再到關(guān)鍵部件研制和生產(chǎn)、整機研制和生產(chǎn)、應(yīng)用，北京具備全產(chǎn)業(yè)鏈的競爭優(yōu)勢。如何讓這些優(yōu)勢資源發(fā)揮更大效益？2009年以來，北京市有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)多次到北航等單位進(jìn)行專題調(diào)研，對相關(guān)技術(shù)發(fā)展做出重要批示，北京市科委系統(tǒng)調(diào)研掌握了3D打印、機器人等產(chǎn)業(yè)在北京的基本情況，在此基礎(chǔ)上啟動了一批重大科技項目。目前，投入科技經(jīng)費近6000萬元，帶動社會研發(fā)投入2億元。


　　同時，北京市科委積極打造公共服務(wù)平臺，如建設(shè)數(shù)字化制造業(yè)研發(fā)平臺及數(shù)字化制造業(yè)服務(wù)與培訓(xùn)基地。2011年、2012年連續(xù)在3D打印、機器人等新興產(chǎn)業(yè)布局了研發(fā)平臺，認(rèn)定北航、機械研究總院、清華、625所等單位組建的北京市級重點實驗室或工程技術(shù)研究中心。


　　支持北京DRC工業(yè)設(shè)計創(chuàng)意產(chǎn)業(yè)基地建設(shè)“3D打印”產(chǎn)業(yè)設(shè)計展示、制造服務(wù)、信息匯集、產(chǎn)業(yè)孵化、人才培訓(xùn)、國際交流、材料查詢和市場與政策研究等內(nèi)容，并已將其納入到北京市科委“首都科技條件平臺”體系內(nèi)。開設(shè)“3D打印”體驗館，推進(jìn)3D打印技術(shù)在普通大眾間的傳播和推廣。


　　除了實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破，商業(yè)模式創(chuàng)新也是產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少的環(huán)節(jié)。北京市推動相關(guān)單位利用電子商務(wù)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，建設(shè)了國內(nèi)首家在線3D打印電子商務(wù)服務(wù)平臺——3D打印電子商務(wù)叁迪網(wǎng)，2012年成功上線運行，以汽車設(shè)計、3C產(chǎn)品、裝備制造、動漫設(shè)計、個性化需求等為主要用戶，提供在線3D打印服務(wù)。


　　智能制造技術(shù)方興未艾


　　在新一輪科技革命中，發(fā)達(dá)國家大力倡導(dǎo)“再工業(yè)化，再制造化”戰(zhàn)略，提出智能機器人是實現(xiàn)未來制造業(yè)的關(guān)鍵技術(shù)。


　　前文提到的床椅一體化服務(wù)機器人主要由床體、座椅、信息與控制系統(tǒng)四大部分組成。該模塊化可變形的多功能床椅一體化系統(tǒng)即可自動從護(hù)理床變形為輪椅，又可從輪椅反向變換回護(hù)理床。在護(hù)理床狀態(tài)時，通過語音控制可以實現(xiàn)翻身、抬背與曲腿等功能，此外還配備了血壓、脈搏、體溫等生理參數(shù)監(jiān)測及報警系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)視頻娛樂與吃藥提醒系統(tǒng)等，可以與遠(yuǎn)方的子女進(jìn)行視頻情感交流；在輪椅狀態(tài)時，通過手柄控制輪椅可以在衛(wèi)生間、室內(nèi)和走廊等空間進(jìn)行移動，進(jìn)行大小便自理，也可自動尋路對接回床的功能。


　　目前，該服務(wù)機器人已處于小批量試制階段，目前已經(jīng)投產(chǎn)10余臺套，在北京市四季青鎮(zhèn)國家級模范敬老院等單位應(yīng)用示范已一年，極大地提高了臥床老人的自理能力，大大減輕了護(hù)理人員的勞動強度，得到了護(hù)理人員和老人的高度認(rèn)可。


　　據(jù)國際機器人聯(lián)合會（IFR）預(yù)計，到2014年我國工業(yè)機器人需求量將達(dá)3.2萬臺，成為全球最大的需求國。然而，國產(chǎn)機器人在國內(nèi)的市場占有率不足30%，并多為在進(jìn)口產(chǎn)品的基礎(chǔ)上再做應(yīng)用開發(fā)或提供成套設(shè)備，因此進(jìn)口產(chǎn)品占據(jù)絕大部分市場。我國機器人總體技術(shù)上與國際先進(jìn)水平相比還有很大差距，產(chǎn)品性價比較低。傳感器、高性能伺服電機、精密減速器等關(guān)鍵部件長期依賴進(jìn)口并且受制于人。


　　北京的戰(zhàn)略部署有望帶頭改變這一局面。目前，北京已初步形成“數(shù)字化設(shè)計、關(guān)鍵部件、整機和應(yīng)用”的智能服務(wù)機器人全產(chǎn)業(yè)鏈，具備壯大發(fā)展產(chǎn)業(yè)的有利形勢。為了進(jìn)一步壯大該產(chǎn)業(yè)，北京市已投入市科技經(jīng)費支持北大、工道風(fēng)行、中電華強、北航、信息科技大學(xué)、博創(chuàng)興盛、自動化院、中航625所等企業(yè)、高校和院所及用戶單位聯(lián)合開展醫(yī)療康復(fù)機器人、反恐機器人、搜救機器人等服務(wù)機器人，以及焊接機器人、水下焊接機器人等工業(yè)機器人的研制、應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)化。


　　同時，梳理北京智能機器人領(lǐng)域產(chǎn)業(yè)鏈上下游的優(yōu)勢資源，深度挖掘行業(yè)需求，積極籌建產(chǎn)業(yè)鏈上下游協(xié)同的聯(lián)盟，搭建交流平臺，跟蹤國內(nèi)外技術(shù)前沿，聯(lián)合技術(shù)攻關(guān)、開拓市場，形成行業(yè)發(fā)展合力。


　　“智能機器人是一種戰(zhàn)略高技術(shù)，可以形成戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，蓋茨曾經(jīng)預(yù)言它會像計算機一樣走進(jìn)每個家庭?！北本┖娇蘸教齑髮W(xué)教授、“床椅一體化服務(wù)機器人”項目負(fù)責(zé)人陳殿生告訴記者，當(dāng)前整個國家都尋求產(chǎn)業(yè)升級的大背景下，北京寄予該領(lǐng)域重點關(guān)注具有重要意義。


　　“北京具有技術(shù)優(yōu)勢，同時還可以挖掘許多此前國家項目支持過的項目，讓它們產(chǎn)業(yè)化。因此，這是一個具有廣闊發(fā)展空間的領(lǐng)域?！彼f。


　　高端數(shù)控裝備獲跨越式發(fā)展


　　2012年3月16日，北一數(shù)控機床公司成功研制出的“高速鐵路關(guān)鍵零件高效雙龍門專用加工中心”在中國北車集團(tuán)實現(xiàn)應(yīng)用。這是“精機工程”實施以來研制出的第一個國產(chǎn)重大裝備，突破了專用機床設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù),形成了自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益。


　　同年11月7日，北一機床又成功研制出數(shù)控重型龍門機床，填補了國內(nèi)空白。這兩項技術(shù)的突破，既有助于北一機床實現(xiàn)大發(fā)展，也印證了“精機工程”實施路徑的合理性。


　　多年來，北京高端裝備制造領(lǐng)域堅持走“高端、高效、高輻射”的道路，積累了較雄厚的技術(shù)實力，形成了門類較齊全、技術(shù)較先進(jìn)的整機和功能部件產(chǎn)品?！笆晃濉逼陂g，年均銷售增速在20%以上，在全國名列前茅；年均利潤率13%，遠(yuǎn)高于全國平均水平5%，居全國首位；產(chǎn)值數(shù)控化率超過70%，遠(yuǎn)高于全國平均水平53.2%。


　　在此基礎(chǔ)上，以“精機工程”為契機，北京承擔(dān)了國家“高檔數(shù)控機床與基礎(chǔ)制造裝備”科技重大專項（簡稱04專項）近1/3的研發(fā)任務(wù)，承擔(dān)課題數(shù)量和經(jīng)費額均居于全國首位。通過產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合，完成了一批數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究課題，積累了寶貴的研究成果和研發(fā)經(jīng)驗，培養(yǎng)了高水平的研發(fā)隊伍，形成了一批研發(fā)服務(wù)平臺，為北京數(shù)控裝備產(chǎn)業(yè)技術(shù)跨越發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。


　　在軌道交通領(lǐng)域，正如前文所述，支持北一數(shù)控機床公司采用國產(chǎn)關(guān)鍵功能部件，包括國產(chǎn)主軸單元、靜壓蝸桿（X方向進(jìn)給系統(tǒng)）等關(guān)鍵功能部件，成功研制出“高速鐵路關(guān)鍵零件高效雙龍門專用加工中心”。經(jīng)中科院院士徐性初領(lǐng)銜的專家組鑒定，成果達(dá)“國際先進(jìn)、國內(nèi)領(lǐng)先”水平。同時作為用戶技改的重要組成部分。積極引導(dǎo)和支持北一采用國產(chǎn)主軸單元、靜壓蝸桿等關(guān)鍵功能部件，并實現(xiàn)整機突破；同時，作為“精機工程”實施以來研制出的第一個國產(chǎn)重大裝備成功應(yīng)用于高鐵領(lǐng)域，完成了從裝備到技術(shù)的交鑰匙工程，凸顯了工程實施效果，產(chǎn)生了較好的經(jīng)濟效益和社會效益。


　　在航空航天領(lǐng)域，為滿足航空產(chǎn)業(yè)對高端專機的應(yīng)用需求，北京市科委支持中航625所和北京機電院公司聯(lián)合北航等共同研制用于飛機典型零件加工的高檔數(shù)控裝備，其中高速五軸聯(lián)動加工中心等高檔專機已在成飛、沈飛等航空用戶實現(xiàn)示范應(yīng)用。該成果打破了國外封鎖，實現(xiàn)了進(jìn)口替代。


　　此外，北一機床承擔(dān)的“數(shù)控重型橋式龍門五軸聯(lián)動車銑復(fù)合機床”課題成功研制的3臺數(shù)控重型龍門機床被列為國家04專項十大標(biāo)志性設(shè)備，填補了國內(nèi)空白。目前，3臺機床已實現(xiàn)應(yīng)用。


　　同時，“精機工程”實現(xiàn)了部分關(guān)鍵功能部件與數(shù)控系統(tǒng)的突破和應(yīng)用：北京市科委支持北京凱恩帝公司開展高性能數(shù)控系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用，并成功通過國家質(zhì)量檢測中心驗證，在北京機電院五軸葉片加工中心和葉輪加工中心上實現(xiàn)應(yīng)用?？商娲糠謬馔惍a(chǎn)品，降低了主機廠配套成本；以整機需求為牽引，深度挖掘功能部件的工作著力點，布局科技項目，開展精密光柵、滾珠絲杠副等關(guān)鍵部件，顆粒阻尼、智能監(jiān)測與診斷系統(tǒng)等共性技術(shù)攻關(guān)、產(chǎn)業(yè)化和應(yīng)用。


　　當(dāng)前，科技對經(jīng)濟社會發(fā)展的支撐引領(lǐng)作用日益凸顯，北京市科委將繼續(xù)推進(jìn)“精機工程”的深入實施，把北京建設(shè)成為國際一流的高端數(shù)控裝備創(chuàng)新制造中心。


　　(來源:科技日報)