科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(11-15)

2019年2月8日15:31:49科技日报【专题报道】亟待攻克的核心技术(11-15)已关闭评论 281 views

“适航,是航空发动机能否自由翱翔的放飞证。”中国民航适航审定中心结构强度室张弓博士说,这张放飞证是乘客安全的保证,由各国民航管理局代表公众认可并颁发,没有“适航”通行证,航空发动机好比束住翅膀的鸟。

一款航空发动机要想获取一张放飞证,必须经过一套非常严格的“适航”标准体系验证,涵盖设计、制造、验证和管理。每个分项又有一系列技术指标,仅设计就有气动、传热、结构、强度等等。

作为《中国民用航空规章》(CCAR)的组成部分,其中的CCAR33-R2(航空发动机)版的安全水平,与2009年11月2日生效的美国联邦航空管理局(FAA)的FAR33部(航空发动机适航规章)第30修正案水平一致。

“尽管在规章要求层面与FAA基本一致,但由于国产航空发动机型号匮乏,缺乏实际工程实践经验,使我国适航规章缺少相应的技术支撑。实际型号的适航验证工作,成为被卡在别国空域之外的关隘。”张弓说。

60年FAR33部修订34次,其中一项历时9年

一套严苛的“适航”标准体系永远处于动态之中。

“针对航空发动机使用过程中出现的问题,特别是安全问题,以及如何适应飞机运行所提出的更高要求,适航都要在总结研究中不断修订,这也促使适航安全标准持续提升。”张弓说。

美国在世界上处于执航空发动机适航标准牛耳的地位。自1958年成立FAA后,截至2015年1月,FAR33部已历经34次修订。“每一项修订,都蕴涵了长达数年的研究和技术积累。”张弓介绍说。

从活塞到涡轮,再从喷气到涡扇,航空发动机技术不断升级,适航标准也水涨船高。仅涡轮发动机,迄今只有一项条款未修订。

1989年7月19日,美国苏城,一起DC-10飞机的发动机发生非包容失效事故,造成111人死亡。FAA随即率世界四大航空发动机顶级制造商GE、普惠、罗罗和霍尼韦尔共同调研。结果发现,原有航空发动机适航条款隐含一项“假设存在”风险,即假设材料不含缺陷。而苏城失事的DC-10飞机发动机,恰是钛合金轮盘材料本身存在缺陷。

针对“假设材料不含缺陷”这一条款的修订,FAA联合美国西南航空发动机研究院,期间又经历了两次相关事故调查,从研究到发布咨询通告,再到2007年修订,正式发布3项咨询通告以及两项审定政策,历时长达9年。

“正是欧美大量在役航空发动机积累的数据,推动着适航技术不断发展。”张弓说。

FAA和EASA,技术标准最高,全球通飞

目前在国际上,以FAA和欧洲航空安全局(EASA)的适航审定影响力最大,认可度最高,双方互认。“在世界很多地方,由于技术标准赶不上美国和欧盟,大多直接参考FAA和EASA的标准,因此美欧的适航标准,也就成了国际民航业事实上的准入标准,基本全球通飞。”张弓说。

来自美国航空航天咨询公司数据,2016年,世界各国的民用航空发动机产量达27000台,除极少量俄罗斯制造外,欧美占据这一市场份额高达98%。目前世界上推力最大的航空发动机,是GE公司生产的GE90-115B,地面台架试验曾达到56.9吨最大推力,1995年11月正式投放商业市场后,用于波音777系列客机。

“在波音777类双发飞机延程飞行成熟之前,飞行要求90分钟航程保证有一个机场,因此国际航线必须沿大陆岸线设计,跨大洋飞行是不可想象的。”张弓说。

为提高经济性能,实现跨大洋飞行,飞机制造商提出“延程飞行”,要求航空发动机能提供单发延程飞行,时长远超90分钟的可靠性支持。

如何验证一款符合300分钟航程要求的发动机新型号?

FAA要在设计上,按相应的33.201条款,审查制造商以往的设计经验、技术参数以及风险的处理措施,同时要做一项3000循环实验,周期长达数月至十数月。即使如此严苛,这款发动机型号还要过之后一个时期的应用关,才能准予放飞。

目前,FAR33部条款以详细的分类“咨询通告”和“审定政策”等技术文件为支撑,成为引领航空发动机发展的标杆。“比如,规章要求吸入单只8磅大鸟时,发动机须达到什么状态,相应的咨询通告就会详细说明如何确定进气面积,从而确定发动机的转速以及试验要求等。”张弓说。

国产发动机型号匮乏,CCAR33尚缺乏工业实践支撑

我国航空发动机适航体系始建时间较早,主要参考FAA的FAR33部规章。

“别看只是引进翻译,但因为英语语境差异,以及工业实践缺乏,对许多条款理解各异,时常造成很大的技术分歧。”张弓告诉记者,曾经因一个“耐用性”条款中关于叶片包容的要求,就引起较大争议。

上述关于叶片包容的要求有两方面内容。一、必须对因转子叶片失效而引起的破坏具有包容能力;二、必须确定因转子叶片失效,穿透压气机和涡轮转子机匣后,转子叶片碎片的能量水平和轨迹。

又要机匣具备包容能力,又要计算叶片穿透后的能量水平和轨迹。这个条款岂不是自相矛盾?

经过长时间讨论,并通过到国外航空发动机制造企业实地探询,真相终于大白。原来,英文中的“穿透”,指的是轴(水平)向,而非径(直径)向,即计算叶片碎片喷出短舱进出口的能量和轨迹。

“还有,当我们费力理解并翻译出FAA规章后,随着在役航空发动机的应用,可能FAA规章又变了。”张弓认为,这也是后发国家面临的一大窘境。

按国际民航组织惯例,一款新产品想进入他国运行,首先要通过对方的适航取证。在双边的认可中,一般需要提供对等的航空产品,互相审查。没有自主研制的航空发动机,缺乏实际型号的适航验证工业实践,也就无法从技术层面支撑现有的适航规章体系,更无法与别国对等互认。

建立中国自己的适航体系,已上升为国家意志。“没有工业实践和验证技术来支持适航标准体系,就没有让产品进入国际市场的话语权。”张弓说,这也是具备完善适航体系的国家经常设置的行业壁垒。

2017年10月,中国民航适航审定中心正式成立,伴随着长江1000系列和涡轴16等国产发动机的研制,将给CCAR33适航规章提供迫在眉睫的支撑性技术文件。CCAR33必将越来越有话语权,也必将保障国产民用航空发动机在蓝天上自由安全地翱翔。(科技日报北京5月10日电)

12没有这些诀窍,我们够不着高端电容电阻

一部手机有几百个电容和几百个电阻,占了电子元件的大半。

中国是最大的基础电子元件市场,一年消耗的电阻和电容,数以万亿计。而最好的消费级电容和电阻,来自日本。

大批量一致性比不了日本

电容和电阻,是电子工业的黄金配角。电容市场一年200多亿美元,电阻也有百亿美元量级。市场的“头号玩家”是日本,占据一半以上份额,以村田、TDK等企业为代表;台湾地区位居次席;而中国大陆的产品多属于中低端。

“不能简单说我们不如别人,”电子工程师、瑞迪航科(北京)技术有限公司总经理武晔卿说,“在军用级别,国产电阻电容是能满足需求的;一些特殊的定制电阻,国内公司也能生产。我们比起日本有差距的,是在消费级的、大批量生产的元件上。”

手机、电脑、家用电器、汽车……消费类电子行业是电容电阻的最大用户。“这一领域,所谓高端的电容电阻,最重要的是同一个批次应该尽量一致。”武晔卿说,“日本这方面做得最好,国内企业差距大。”

武晔卿说,国内企业相当于“什么菜都会炒,但不保证每次炒出来是一个味儿”。

基础电子元件一批次可生产百万件,一致性对质量控制极端重要。比如某个电容不达标,可能会让手机充电更慢,因此手机各大品牌只采购大厂商的电容电阻。

“工艺、材料、质量管控上,国内企业相对薄弱。”武晔卿说,“有一些‘Know How(小窍门)’没掌握。”

煎饼不难做,但人家做得更平整

MLCC(多层片式陶瓷电容器)是个典型,它是消费电子行业用量最大的基础元件,也是日本企业的强项。目前日本的MLCC产品可以做到1000层,中国产品在300层左右。

“MLCC就像千层酥,只不过小得多。”业内工作多年的电子工程师张光华说。MLCC米粒大小,是一个内有电极的陶瓷块儿,是几百层陶瓷和几百层金属叠压起来的。电容的原理是两电极夹一层绝缘介质,以储存电荷。介质层越薄,电容数值越大。

张光华说,制作MLCC有点像摊煎饼:陶瓷粉末浆,被刮刀摊平成厚度约1微米的涂层,再敷上去一层金属粉末浆,这就是陶瓷介质贴上了电极。之后,一大张薄膜被叠压、烘干、烧成瓷。

“烙千层的煎饼,很难平整。”张光华说,“各家水平不一样,要是‘煎饼’裂了一道缝,电容数值就不够大。”

很多环节影响质量:陶瓷浆和电极浆不配套,干燥时就会“起皮”;烘干太快出裂纹,烘干不彻底也会导致瑕疵;烧瓷要暴露于特殊气体;冷却太快会开裂……

张光华说,哪一环节不到位,产品就可能大比例不达标。客户要求是一百万个MLCC只允许一个不合格。

另外,MLCC很脆弱,同一种规格的产品,大品牌可能细节更优秀,更不易机械损坏。

日本企业定位高端

生产电容的企业,一般也生产电阻和电感等“被动元件”。工艺有相通之处。如消费电子产品用量最大的电阻:薄膜电阻,只有牙签头大小,以陶瓷为基底镀膜制造,工艺稍不精细,指标大打折扣。

材料是中国电子元件企业的短板:陶瓷浆涉及钛酸钡和氧化钛诸多陶瓷材料,还混合了有机胶等等,电极浆则混合了镍粉、铜粉和树脂等等,配方都需要钻研。质量最高的陶瓷浆和电极浆产自日本公司。日本巨头如村田和京瓷,从做材料起家,后来才制造电子元件。

武晔卿说,二战后日本专注民用电子,电子产业集聚,有利于村田这类材料企业延伸业务。“就好像生产面粉的厂子,自己也开了拉面店。”

数十年坚持基础研发的日本巨头,始终瞩目高端。去年底到现在,基础电子元件持续疯涨,武晔卿说,原因是日本几家巨头停产了利润率见薄的产品,集中精力于高端市场。

根据业界估计,随着手机更轻薄和频段更多,体积小性能好的元件用量会大大上升,iPhone使用的MLCC是手机中最多的,最新的iPhone要用上千颗。电脑和电视的用量比手机只大不小。

汽车(尤其是电动汽车)使用的电容和电阻更多,且元件质量要求苛刻,因为冲击、温度、粉尘和腐蚀等条件更恶劣,且不能有安全隐患。车用元件市场大,但技术门槛很高,未来可能会继续被日本巨头把持。(科技日报北京5月13日电)

13核心工业软件:智能制造的中国“无人区”

 

“德国最大的企业是哪家?西门子?大众?都不是,是SAP,一家引领德国工业4.0的工业软件公司。世界500强中,80%的公司都是它的客户。”5月16日,中国信息安全研究院总工程师夏刚研究员接受科技日报记者采访时说,而我国的核心工业软件领域,基本还是“无人区”。

工业软件缺位,为智能制造带来了“成长的烦恼”。譬如,芯片设计生产“必备神器”EDA工业软件,我国就不得不面临被国外生产制造商无预兆“卡脖子”的风险。

EDA软件水平代表一国电子产品设计能力

工业系统复杂到一定程度,就需要以计算机辅助的工业软件来替代人脑计算。工业软件“管辖范围”涉及原料供给调度、产品设计分析、工艺流程管理、工业控制、质量管理等诸多领域。

EDA,即电子设计自动化。用于辅助和实现EDA的软件,被归口为高等级“行业通用”工业软件。在先进制造的“流水线”上,没有先进EDA软件做产品设计,再高端的设备、再精湛的工艺,也得“歇菜”。

EDA软件是在虚拟世界帮设计师“试错”的“实验员”。夏刚说:“它能极大提高电路设计效率。”

没有这个软件,设计者可能要经过若干次实物试验,才能做出一个合格设计。有了EDA软件,就能通过计算机“试错”,低成本设计出合格产品。通过EDA软件平台,设计者借由计算机自动完成逻辑编译、简化、分割、综合优化、布局、布线和仿真,直至对特定目标芯片完成各项工作。

“简单到收音机,复杂到英特尔酷睿i7的处理器都能通过EDA软件的电路设计与仿真技术来实现。能否设计出更高性能的CPU,既取决于设计团队的专业知识,也取决于表达专业知识的EDA软件。因此,一个国家的EDA软件水平,代表着其电子产品设计能力的高下。”上海交通大学网络空间安全学院副教授陈秀真说。

缺乏先进原生工业技术,我国EDA难“全能”

我国也有自主EDA软件。夏刚表示,例如华大EDA和EasyEDA等产品,做了多年技术积累,拥有一大批成功用户案例。对于模拟电路或全定制设计电路,国产EDA与美国主流EDA工具相较,设计原理上并无差异,但软件性能却存在不小差距,主要表现在对先进技术和工艺支持不足,和国外先进EDA工具之间存在“代差”。这种“代差”可被“数字化”:仅国外EDA三大巨头公司Cadence、Synopsys及Mentor,就占据了全球该行业每年总收入的70%。

这样的差距,源自国产EDA软件在部分工艺技术上的缺失。模拟电路或全定制设计电路,主要需要原理图、版图、DRC工具等EDA软件。这类软件规模不大,性能和可靠性要求却甚高,对工艺依赖程度高。通常,为满足设计需要,设计工程师要对芯片生产厂家提供的某些工艺参数修改、调整并验证。因此,模拟电路设计除需要上述主流EDA功能外,还需要针对芯片生产厂家提供的EDA软件进行分析和验证,以及二次开发,并要通过自动检查分析工具来保证芯片可靠性。

这类特殊的专业软件,国内EDA厂商只能“分情况”供应。对于设计一款既可通过全自动EDA软件设计,也可采用半自动或手工流程来设计的小规模数字电路,尚能“hold”住。

对只能依靠全自动综合工具和布局布线工具来完成设计的大规模数字电路,国产EDA软件则显“力不从心”。

“大规模集成电路最先进的设计和生产工艺,都源自美国等国家。没有原生的先进工业技术,是我国EDA工具无法‘全能’的根本原因。”研发自主操作系统的天津麒麟公司总裁孔金珠研究员说。

成立于1984年的美国Xilinx公司,主要研发、制造并销售高级集成电路、EDA软件设计工具。该公司首创了现场可编程逻辑阵列(FPGA)技术,与传统方法比,利用该EDA软件客户能更快设计和验证电路,大幅缩短电子设备制造商产品开发周期,降低开发风险。

“Xilinx干了30多年的FPGA技术,国内这一技术才发展多少年?这中间的技术代差,怎可能一蹴而就取而代之?”夏刚举例解释了自主EDA软件的“痛点”。他说,我国芯片设计生产一直高度依赖国外软件。这让国产EDA软件企业,不得不追着“一直被模仿,从未被超越”的国外同行去开发。作为“跟随者”,国产EDA软件能获得的用户体验和反馈也少,导致了目前的差距。

“EDA软件还只是工业软件中的冰山一角,由此可见我国自主工业软件之殇。发展自主工业操作系统+自主工业软件体系,刻不容缓。”孔金珠说。

破冰工业软件之困 亟须发挥“举国体制”优越性

“我们要集中力量解决软件和信息技术服务业核心技术创新能力不强、生态构建能力较弱等卡脖子问题。”不久前在广西南宁召开的全国信息化和软件服务业工作座谈会上,工信部副部长陈肇雄说。

夏刚等专家呼吁,要保护好工业软件发展的“生态”。“我国芯片和操作系统领域留下的教训,就包括生态缺失。我们要吸取这一教训,才能最终把我国自主工业软件实实在在植入制造业。”

对于可能出现的EDA软件禁售,专家认为既有利好,也要警惕。如果禁售长达数十年,迫使我国在EDA软件领域不得不“自力更生”,像核物理和导弹武器领域那样,可能促进现有EDA软件的实用化水平在短期内大幅提高。而“短暂禁售”则很令人担忧,如果大多数国内用户侥幸使用盗版并等待解禁,极可能伤害国内EDA软件企业自主研发的积极性。

“EDA软件面临的危机和机遇,大体能反映其他工业软件的境遇。建议把工业软件的发展,放到航空、航天、兵工、船舶等行业同等重要的地位,发挥‘举国体制’优越性,破解工业软件受制于人的局面。”夏刚说。(科技日报长沙5月16日电)

14烧不出大号靶材,平板显示制造仰人鼻息

一块小小的玻璃,不仅可以导电发光,还可以幻化出形式各异的文字和静态、动态的炫目影像,这就是人们如今已司空见惯的各色平板显示屏。

玻璃本身不导电,也不发光,奥妙全在于背后涂装的一层薄薄透明导电膜。就是这层不足头发丝直径五百分之一的膜,背后有一块看不见的“靶”。

“全国有20余家靶材生产制造商,但能做超过32英寸靶材的,我们还是‘零’!” 在这个行当搞了20多年研发的郑州大学教授、河南省资源与材料工业技术研究院原总工程师孙本双告诉科技日报记者。

问题出在尺寸上

在有色金属的“朋友圈”里,铟锡的氧化物是实现电学传导和光学透明的绝佳组合。

作为有色金属氧化物,简称为ITO的氧化铟锡在平板上具有很好的导电性和透明性,它还可切断对人体有害的电子辐射、紫外线及远红外线,是平板显示器制造的重要原料。在薄膜状时,它是略显茶色的透明物质;在块状时,呈黄偏灰色。

但它并不是像油漆一样被刷到平板玻璃上使用,而是先被制作成标准尺寸的固体靶材,由操纵磁控溅射的“枪手”,不断“射击”,将其气化溅镀到玻璃基板或柔性有机薄膜上,形成一层ITO膜。这层膜的厚度因功能需求而有不同,一般在30纳米至200纳米。

ITO靶材不仅用于制作液晶显示器、平板显示器、等离子显示器、触摸屏、电子纸、有机发光二极管,还用于太阳能电池和抗静电镀膜、EMI屏蔽的透明传导镀膜等,在全球拥有广泛的市场。

ITO靶材外形很像瓷砖,由来却远比瓷砖煅烧复杂得多——人们把氧化铟和氧化锡粉末按严格的比例混合后,经过一系列生产工艺加工成地板砖的形状,再层层摞叠到一个特制的炉子里,经过1700摄氏度高温气氛烧结,形成黑灰色的陶瓷半导体。通常靶材尺寸越大,溅射到平板上的拼缝就越少,价值也越高。

但就在尺寸的问题上,国内ITO靶材企业一直鲜有突破,而后端的平板显示制造企业也要仰人鼻息。

技术和工艺是个难迈的坎

ITO靶材核心技术长期把持在日本三井、东曹、日立、住友、VMC和韩国三星、康宁等大企业手里。

对国内的企业来说,技术和工艺是个难迈的坎。由于ITO靶材是由高温烧结而成,烧结技术工艺决定了产品质量,功夫不到家的话,最常出现批次质量不稳定的问题。溅射到屏上,有的ITO膜表面出现“麻点”;有的在蚀刻时容易出现直线放射型的缺划或电阻偏高带;还有的会出现微晶沟缝。

当谈到生产装备与国外的差距时,孙本双教授叹息说:“差远了!”烧结大尺寸ITO靶材,需要有大型的烧结炉。国外可以做宽1200毫米、长近3000毫米的单块靶材,国内只能制造不超过800毫米宽的。“这如同人家已经在烧制大型地板砖,我们还只能烧小瓷砖。” 孙本双说。

在1700摄氏度的“丹炉”中,靶材烧结需要6至10天。高温气氛烧结需要高浓度氧气参与,这项工艺也不易控制。长时间烧,很容易导致产品不均匀,成品率低。

在产出效率方面,日式装备“牛气”,月产量可达30吨至50吨,我们年产量只有30吨——而进口一台设备价格要花一千万元,这对国内小企业来说无异于天价。

目前,也有部分仿制的设备,但耐火材料不过关,难耐烧结工艺所需的烈火考验,烧结炉总体质量差强人意。“这需要生产技术与装备国产化重大专项的支持。”孙本双说。

质量不稳定、不过关的材料,谁见谁怕。各色终端生产厂家盘算下来还是觉得买国外进口的省事,久而久之,依赖进口成了“瘾”。

功能性产品:有色金属大国之痛

每年我国ITO靶材消耗量超过1千吨,一半左右靠进口,用于生产高端产品。受有色金属期货价格波动和技术封锁等因素叠加作用,长期以来价格高企,成品价格最高达每公斤6千至8千元,占据企业不小的成本。

“资料显示,我国半导体产品的进口花费超过石油”。2017年度何梁何利基金奖获得者、昆明理工大学副校长杨斌教授说。

在中国,半导体重要原料铟、锡的采选、冶炼水平已处于世界顶尖水平,产量和品级也堪称世界一流。全球近80%的高品质铟、锡来自中国,日企长期购买中国铟锭。

“但我们缺乏下游功能性产品和足够长的产业链,只能赚取原材料的初级利润,比如高品质、大尺寸的ITO靶材,就是粉末冶金和半导体行业的痛。”杨斌教授说,国内的大尺寸靶材都只在实验室阶段,技术是一个难点,难以实现量产则是关键。

随着近十年来国内LCD产业的发展和PDA、电子书等触摸式输入电子产品的悄然兴起,尤其是目前,随着有机发光二极管(OLED)以及其他显示器件的发展,对ITO靶材制成工艺和设备有了更新、更高的期待。未来一段时间内,这仍是一个有前景的产业。

国内小规模、低层次、做了二十年之久的“靶”,因没能走上世界前沿而长期依赖进口,如今得到了“回报”。近年,由于中国市场巨大,“小靶”国产能力有了大幅上升,这时国外垄断企业“釜底抽薪”,开始在价格上进行打压,一下子把ITO靶材价格降到800元一吨,一度接近价格最高点时的十分之一,国内20多个企业蒙受了巨大的损失,部分企业甚至奄奄待毙。

“但反过来说,价格低建设成本也低,这也是洗牌的机会。”孙本双说,如果有国家扶持,保留五六家重点企业,同时加快技术攻关,将实验室的技术转化量产,我们有望在大尺寸领域突破,并淘汰一部分国外企业。(科技日报昆明5月17日电)

15算法不精,国产工业机器人有点“笨”

两台机器人分别控制双层托盘,让其不断地倾斜、转动,另一台机器人控制机械臂在托盘上十个障碍物间不停地穿行而不受阻碍。这段工业机器人演示视频让人看得眼花缭乱。“这可是人家2009年的技术,我们现在也无法做到”,资深机器人从业者马龙感慨地说。

想要完成如此复杂的动作,工业机器人的大脑——核心控制器必须足够聪明。但由于没有掌握核心算法,国产工业机器人“大脑”还不够聪明,稳定性、故障率、易用性等关键指标远不如工业机器人“四大家族”发那科、ABB、安川、库卡(以下简称“四大家族”)的产品。

据统计,我国已经连续5年成为世界第一大机器人应用市场,但高端机器人仍然依赖于进口。核心算法的差距,是国产工业机器人向高端制造迈进的拦路虎。

算法欠账多 国产“大脑”爱出错

作为工业级产品,衡量机器人优劣主要有两个标准:稳定性和精确性。核心控制器是影响稳定性的关键部件,有着工业机器人“大脑”之称。而软件相当于语言,把“大脑”的想法传递出去。

要讲好这门“语言”,需要底层核心算法。“四大家族”可以出售伺服系统、减速器、编码器等关键部件,但对核心算法一直秘而不宣,绝不外泄。

核心算法差距过大,导致国产机器人稳定性不佳,故障率居高不下。“参数自整定,抑震算法,转矩波动补偿……”某国内机器人企业技术总监孙尧(化名)掰着手指头,一项项算给科技日报记者,“算法的差距,拖慢了整个系统的响应速度和稳定精度。”

“工厂里一百多台‘四大家族’设备,一年也出不了几次故障;如果用国产机器人,故障率可能是人家几倍。”沈阳霹雳科技有限公司技术合伙人、资深机器人软件工程师周超说。

因此,部分客户宁愿买二手进口机器人,缴纳一笔不菲的“重新开机费”,也不愿意使用国产机器人。

“好的算法,几千行就能让机器人稳定运行不出故障;差的算法,几万行也达不到人家的水准,”周超介绍,“就好比两个司机开车,刚拿驾照的新手和经验丰富的赛车手,上路之后差距一目了然。”

知其然,不知其所以然,正是核心算法多年来欠账的结果。

不掌握核心算法,生产精度需求不高的产品还勉强可以,但倘若应用到航天航空、军工等高端领域,就只能依赖进口工业机器人了。

“打个比方,底层核心算法好比手机操作系统,我们更多在做APP。虽然做基础研究投入大、回报低,做APP赚钱快,但只做APP,永远也无法超过苹果和谷歌,”周超说,“况且一旦别人对你封锁系统,APP做得再好用也无济于事。”

软件卡脖子 定价权拱手让人

算法的差距不只体现在核心控制器上,更拖慢了伺服系统响应的速度。

机器人每完成一个动作,需要核心控制器、伺服驱动器和伺服电机协同作战。打个比方,就像一场“战争”,“将军”下令进攻;“传令兵”传递进攻信号;得令的“士兵”向指定位置冲锋。

现在“四大家族”的产品已经进化到“将军”通过4G信号直接指挥“士兵”;而国产机器人尚停留在传令兵时代,速度当然就慢了许多。

“如果不掌握核心算法,这一差距很难被缩小。”马龙告诉科技日报记者。据他介绍,对于单台伺服系统,国产机器人动态与静态精度都很高,但高端机器人一般同时有6台以上伺服系统,用传统的控制方法难以取得好的控制效果。

多台伺服系统需要“大脑”提前进行计算。通过底层算法,国外核心控制器可以通过伺服系统的电流环直接操作电机,实现高动态多轴非线性条件下的精密控制,因此“四大家族”的机器人响应速度更快、定位更准确。

由于算法、软件的差距,最终产品的售价也天差地别。以伺服系统为例,即使核心元器件几乎完全一样,成本其实相差无几,但国外的产品售价贵10倍。

“这是因为国产伺服系统基本都使用自带软件库,国外企业限制很多高级功能,不向我们开放,比如位置环的S曲线功能,你想要这个功能,就得掏钱买人家的产品,定价权就这样让出去了。”马龙说。

鼓励企业投入研发 机器人未来可期

尽管与“四大家族”相比差距明显,但专家、从业者都比较看好国产机器人的未来。

从技术上看,硬件的发展已有几十年历史,几无秘密可言;软件方面,我国拥有数量庞大的IT从业人口,“现在,我们很多企业也可以集成出高水准的工业机器人产品,”周超说,“但完全自主知识产权、拥有关键部件核心技术的国产工业机器人,还需要经验、时间与整个产业链的积累、打磨。”

工业机器人市场有点像几年前的智能手机市场。只要熟悉产业链、供应链,很快就能“攒”出一台机器人产品。但想要掌握核心技术,却并不那么容易。当某一项技术取得突破,等待市场检验、慢慢成熟时,国外厂商很可能会压低该零部件的价格,提供功能更成熟、价格更便宜的方案,导致国内企业投入与回报不成正比,这也是很多企业不愿意在底层研发上投入的原因。

“作为从业者,我们希望能有更多以技术为导向的政策,只要技术达标,就给予企业一定的市场空间,在实践中慢慢打磨产品,吃透核心技术,鼓励企业将更多的人力、财力投入到研发当中,这样才能让国产工业机器人真正在世界的舞台上唱主角,”马龙说。

weinxin
扫码,关注科塔学术公众号
致力于成为国内领先的科研与学术资源导航平台,让科研工作更简单、更有效率。内容专业,信息准确,更新及时。
avatar