張明辰 王坤

摘 要：高檔數(shù)控機床，特別是數(shù)控機床加工中心，作為高檔數(shù)控機床的最高水平，其在加工方面有著不可替代的優(yōu)勢。本文從全球角度出發(fā)，對數(shù)控機床加工中心技術(shù)的原理和分類作了梳理，找出國內(nèi)外研發(fā)主體的技術(shù)發(fā)展異同，給出進(jìn)一步發(fā)展數(shù)控機床加工技術(shù)的建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機床;領(lǐng)先企業(yè);發(fā)展模式

中圖分類號：TG659文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1003-5168（2019）14-0066-03

Machining Center Technology of CNC Machine Tools

ZHANG Mingchen WANG Kun

（Patent Examination Cooperation Jiangsu Center of the Patent Office， CNIPA，Suzhou Jiangsu 215000）

Abstract： High-grade CNC machine tools， especially CNC machine center， as the highest level of high- grade CNC machine tools， have irreplaceable advantages in processing. From the global point of view， this paper combed the principle and classification of CNC machine tool machining center technology， found out the similarities and differences of technology development between domestic and foreign R&D subjects， and gave suggestions for further development of CNC machine tool processing technology.

Keywords： CNC;leading enterprise;development model

1 研究背景

隨著我國國民經(jīng)濟(jì)和制造業(yè)的快速發(fā)展，對高檔數(shù)控機床提出了迫切的、大量的需求，特別是數(shù)控機床加工中心，作為高檔數(shù)控機床的最高水平，其在加工方面有著不可替代的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于航空航天、高技術(shù)船舶、軌道交通等重點制造業(yè)領(lǐng)域。但是，國內(nèi)對數(shù)控機床加工中心的研究和應(yīng)用起步較晚，加上數(shù)控機床加工中心的技術(shù)難度較大，以及西方工業(yè)發(fā)達(dá)國家將相關(guān)重點技術(shù)作為戰(zhàn)略物資實行出口許可證制度，長期在技術(shù)和產(chǎn)品方面對我國實行限制封鎖，導(dǎo)致我國數(shù)控加工技術(shù)與德國、日本等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比存在較大差距，國產(chǎn)數(shù)控機床加工中心在功能和性能上仍不夠完善，在一定程度上制約我國裝備制造業(yè)的發(fā)展水平[1，2]。

數(shù)控機床通常由控制系統(tǒng)、伺服系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、機械傳動系統(tǒng)及其他輔助系統(tǒng)組成?？刂葡到y(tǒng)用于數(shù)控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質(zhì)得到數(shù)據(jù)，對這些數(shù)據(jù)進(jìn)行解釋和運算并對機床產(chǎn)生作用;伺服系統(tǒng)根據(jù)控制系統(tǒng)的指令驅(qū)動機床，使刀具和零件執(zhí)行數(shù)控代碼規(guī)定的運動;檢測系統(tǒng)則是用來檢測機械執(zhí)行件的位移和速度變化量，并將檢測結(jié)果反饋到輸入端，與輸入指令進(jìn)行比較，根據(jù)其差別調(diào)整機床運動;機械傳動系統(tǒng)是由進(jìn)給伺服驅(qū)動元件至機床執(zhí)行件之間的機械進(jìn)給傳動裝置;輔助系統(tǒng)種類繁多，如固定循環(huán)、自動換刀等。為了研究數(shù)控機床加工中心專利申請在國內(nèi)外的發(fā)展情況，首先要明確數(shù)控機床加工中心的技術(shù)特點，加工中心（Machining Center）是隨著數(shù)控機床的發(fā)展而隨之產(chǎn)生的。從技術(shù)演變上來說，加工中心是從數(shù)控銑床發(fā)展而來的，與數(shù)控銑床的最大區(qū)別在于其具有自動交換加工刀具的能力，通過在刀庫上安裝不同用途的刀具，可在一次裝夾中通過自動換刀裝置改變主軸上的加工刀具，可實現(xiàn)銑、鉆、鏜、車等多工序加工，其“柔性”大，更換產(chǎn)品方便，能實現(xiàn)中小批、多品種柔性生產(chǎn)自動化，克服了高效自動化機床、自動生產(chǎn)線的“剛性”缺點，使用范圍廣，數(shù)量增加較快。

數(shù)控機床的零部件主要包括機床構(gòu)型、傳動驅(qū)動結(jié)構(gòu)、控制、測量指示和附件。機床構(gòu)型是數(shù)控機床的機械主體。根據(jù)其相關(guān)結(jié)構(gòu)，將機床構(gòu)型進(jìn)一步細(xì)分為工作臺、框架、擺頭和刀庫。數(shù)控機床通常所采用的傳動驅(qū)動分為電動、氣動和液壓三種形式?？刂剖俏遢S數(shù)控機床的核心，其主要功能是將加工信息數(shù)據(jù)用計算機處理之后，控制機床的動作。根據(jù)控制采用的技術(shù)手段，將控制進(jìn)一步細(xì)分為誤差補償、基于工件特征、人機交互和控制結(jié)構(gòu)。測量指示單元是用于檢測和指示機床狀態(tài)的重要部分。按照測量對象，可將測量指示進(jìn)一步分為刀具狀態(tài)、機床狀態(tài)、工件特性。附件是用于保持機床部件或刀具良好的工作狀態(tài)或者有關(guān)機床安全的構(gòu)件。根據(jù)構(gòu)件所起的作用，將附件進(jìn)一步細(xì)分為安全防護(hù)、排屑和冷卻。

2 數(shù)控機床的發(fā)展

隨著數(shù)控機床的發(fā)展，加工中心（Machining Center）隨之產(chǎn)生并高速發(fā)展。加工中心是用于加工復(fù)雜形狀工件的一種高效率自動化機床，其將傳統(tǒng)的機械設(shè)備與現(xiàn)代數(shù)控系統(tǒng)有效結(jié)合起來，實現(xiàn)了工件一次裝夾后即可進(jìn)行銑削、鉆削、鏜削、鉸削和攻絲等多種工序的集中組合加工。加工中心的自動化集成高、效率優(yōu)，尤其對形狀比較復(fù)雜、精度要求較高以及更換相對頻繁的工件，加工中心具有良好的加工效率及經(jīng)濟(jì)效益。加工中心不僅是衡量一個國家科技發(fā)展水平的重要標(biāo)志，也是國際間科技競爭的重點。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和工業(yè)自動化水平的不斷提高，制造業(yè)向著高、精、尖方向發(fā)展，特別是汽車、船舶、電子技術(shù)、航空航天的迅猛發(fā)展，對加工中心的速度、精度和生產(chǎn)效率要求也越來越高，主軸轉(zhuǎn)速在12 000r/min以上、移速度大于40m/min的高效、高精、高速化加工中心已經(jīng)成為數(shù)控機床行業(yè)流行的趨勢。此外，打破工藝界限，機床的復(fù)合加工也是當(dāng)今數(shù)控機床發(fā)展的一大趨勢。同時，隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展，為了滿足制造業(yè)生產(chǎn)柔性化、制造自動化的發(fā)展需求，加工中心的智能化程度不斷提高。

3 數(shù)控機床領(lǐng)先企業(yè)

3.1 日本發(fā)那科（FANUC）

日本的發(fā)那科（FANUC）公司創(chuàng)建于1956年，是當(dāng)今世界上數(shù)控系統(tǒng)科研、設(shè)計、制造、銷售實力最強大的企業(yè)，其占據(jù)全球70%的市場份額。在數(shù)控機床加工中心的專利申請方面，發(fā)那科的申請量也高居世界第一位，主要集中在控制方面。使用刀尖位置數(shù)據(jù)和表示字符或圖案的數(shù)據(jù)來獲得工具中心軸的方向，再使用點的坐標(biāo)和工具中心軸矢量來創(chuàng)建同時用于五軸控制的NC數(shù)據(jù)。

在其后的發(fā)展中，發(fā)那科針對如何提升數(shù)控系統(tǒng)的加工精度以及加工效率進(jìn)行著重研發(fā)。其中，對于如何提高加工精度，發(fā)那科主要研發(fā)了利用控制刀具以及利用控制方法進(jìn)行運動補償以及優(yōu)化插補方法，通過設(shè)置驅(qū)動軸的加速度參數(shù)不超過CPU容量，減少軌跡誤差。通過曲線內(nèi)插方法分割成直線軸與轉(zhuǎn)動軸，分別求出修正指令，并合成直線軸用修正指令點和轉(zhuǎn)動軸用修正指令點的各成分求出合成修正指令點，生成并插補通過該合成修正指令點的曲線。發(fā)那科還重點關(guān)注如何修正刀尖位置以及如何提高加工過程中的實時顯示能力，使用實際的反饋信息，使刀具前端的運動軌跡能在視覺上被識別，從而顯示刀具相對于工件的進(jìn)給方向。同時，可在刀具的運動軌跡上實時地顯示伺服軸的轉(zhuǎn)速，從而能根據(jù)刀具的不同軌跡點位置來調(diào)整伺服軸的轉(zhuǎn)速，以便進(jìn)一步改善加工精度。此外，發(fā)那科還通過優(yōu)化加工路徑中特殊點的加工過程來提高加工效率，能在加工過程中準(zhǔn)確地根據(jù)刀具角度的變化來調(diào)整刀具轉(zhuǎn)速，從而使加工過程更加順暢，并縮短加工時間，避免加工路徑中特殊點處的刀具轉(zhuǎn)速調(diào)整過大，從而優(yōu)化加工過程中刀具轉(zhuǎn)速的調(diào)控，縮短加工時間。

3.2 德國德瑪吉（DMG）

德國德瑪吉（DMG）集團(tuán)是全球領(lǐng)先的切削機床制造商，生產(chǎn)銷售有DMG五軸聯(lián)動立式加工中心，共有DMP、DMC、DMU、DMF、HSC五個系列。德國DMG集團(tuán)在五軸數(shù)控機床方面的全球?qū)＠暾埩课痪拥?，專利布局在各主要生產(chǎn)、使用和銷售大國。德國DMG集團(tuán)專利申請中最主要的技術(shù)分布在控制方面，在附件排屑和傳動驅(qū)動方面也有所涉及。

在控制方面，基于工件特征，通過偵測工件夾持情形確定當(dāng)前狀態(tài)與目標(biāo)狀態(tài)間的偏差，依據(jù)偏差對確定的控制數(shù)據(jù)進(jìn)行變換來產(chǎn)生變換控制數(shù)據(jù)，避免刀具錯誤或不精確加工。針對齒輪加工，根據(jù)預(yù)設(shè)的齒根面幾何形狀確定接觸斑點區(qū)域，確定參數(shù)以改變預(yù)設(shè)的齒根面幾何形狀，根據(jù)修改的齒根面幾何形狀生成控制數(shù)據(jù)，避免后處理，通過基本幾何形狀參數(shù)生成幾何形狀數(shù)據(jù)，并以此生成路徑數(shù)據(jù)。刀具的旋轉(zhuǎn)軸通過第一行對應(yīng)各個點的所在列的共同平面自我定向，避免刀具的固定轉(zhuǎn)軸運動以及增大刀具磨損問題。另外，基于人機交互，實現(xiàn)數(shù)控加工的可視化、可控化。在排屑方面，通過合理設(shè)置排屑槽的位置，增強收集和移除積聚碎屑的能力;在傳動驅(qū)動方面，設(shè)置用于固定機床的銑刀頭的收容裝置，實現(xiàn)單個機床滾銑形成齒輪。

3.3 華中科技大學(xué)

華中科技大學(xué)是一所綜合研究型大學(xué)，很早就對大批量生產(chǎn)自動線和各類專用機床進(jìn)行研究，其數(shù)控技術(shù)和數(shù)控系統(tǒng)的研究與開發(fā)在國內(nèi)處于領(lǐng)先水平，研究成果轉(zhuǎn)化形成相當(dāng)規(guī)模的產(chǎn)業(yè)。

華中科技大學(xué)在數(shù)控機床加工中心領(lǐng)域的專利申請量位列國內(nèi)第二，對控制方面的技術(shù)有較全面的發(fā)展。通過對刀具路徑進(jìn)行規(guī)劃，獲得較優(yōu)的加工路徑，提高了切削效率和加工質(zhì)量;滿足多軸數(shù)控機床的后置處理需求，具有求解速度快、求解精度高的優(yōu)點;考慮機床幾何結(jié)構(gòu)誤差的多軸數(shù)控加工后置處理方法，彌補了傳統(tǒng)后置處理方法的不足，可以實現(xiàn)包含機床幾何結(jié)構(gòu)誤差的多軸后置處理，有助于提高機床加工過程中的運動精度，提高零件加工質(zhì)量;利用弱剛性刀具加工，使刀具變形，有效減少或抑制零件尺寸超差，確保一次成型，無需多次復(fù)切，保證了加工效率和加工精度;實現(xiàn)機床故障時運行狀況以及數(shù)控面板操作記錄等的直觀顯示和查看，為數(shù)控機床的維護(hù)維修提供參考，并提升了數(shù)控機床的維修效率。

3.4 沈陽機床

沈陽機床（集團(tuán)）有限公司是國內(nèi)最大的金屬切削機床制造企業(yè)，涵蓋加工中心、激光切割機等數(shù)控機床以及普通車床、臥式鏜床等普通機床。沈陽機床非常重視數(shù)控機床加工中心的產(chǎn)品研發(fā)與專利保護(hù)，是國內(nèi)申請人在該領(lǐng)域申請量最多的公司。

沈陽機床在加工中心領(lǐng)域布局的專利數(shù)為88件，其中62件授權(quán)，但有效案件為47，占授權(quán)案件的75%，可見沈陽機床對專利布局比較重視。其中，機床零部件的專利申請量占48%，車鏜削技術(shù)及測控技術(shù)的專利申請量占比分別為25%和19%，而其他銑削、磨削技術(shù)領(lǐng)域的專利申請量所占比重則比較低。由此可見，沈陽機床在車鏜削技術(shù)、測控技術(shù)和機床零部件技術(shù)這三個領(lǐng)域具有一定的技術(shù)積累和研發(fā)實力，同時也表現(xiàn)出這三個技術(shù)領(lǐng)域是沈陽機床當(dāng)前研發(fā)的熱點方向。

4 數(shù)控機床發(fā)展新模式

“共享經(jīng)濟(jì)”是互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要趨勢和方向。隨著信息技術(shù)從移動通信進(jìn)入制造領(lǐng)域，加之“共享經(jīng)濟(jì)”浪潮席卷我國各行各業(yè)，機床行業(yè)也可探索一條共享發(fā)展之路。在裝備制造業(yè)智能化發(fā)展的大背景下，沈陽機床突破束縛，抓住機遇，探索出“共享機床”發(fā)展新模式，成為轉(zhuǎn)型升級的一個全新破題點。“共享機床”應(yīng)用“共享經(jīng)濟(jì)”的發(fā)展模式，對于供給方來說，通過在特定時間內(nèi)讓渡物品的使用權(quán)或提供服務(wù)，來獲得一定的金錢回報;對需求方而言，不直接擁有物品的所有權(quán)，而是通過租、借等共享的方式使用物品。

沈陽機床擁有原創(chuàng)數(shù)控系統(tǒng)i5核心技術(shù)。“共享機床”概念具體為政府出地出廠房、沈陽機床提供設(shè)備和服務(wù)，讓創(chuàng)業(yè)者可以享受到共享經(jīng)濟(jì)資源合理化服務(wù)，并通過借助互聯(lián)網(wǎng)跨時空、無邊界和促共享的特性，推出新型的共享商業(yè)模式——“租賃模式”。沈陽機床不再以傳統(tǒng)的機床買賣、加價銷售、賺取利潤為主，而是以“零首付”把機床租賃給客戶，按小時或者按加工量收費，結(jié)算的依據(jù)是機床運轉(zhuǎn)所傳輸回來的數(shù)據(jù)。這些通過“租賃模式”買賣的i5智能機床便是“共享機床”，由i5核心技術(shù)、智能機床產(chǎn)品、智能工廠、云平臺制造及金融租賃模式共同構(gòu)成了沈陽機床的i5智能制造新工業(yè)體系。憑借這一創(chuàng)新發(fā)展體系，沈陽機床正在逐漸轉(zhuǎn)型，成為數(shù)控系統(tǒng)提供商和工業(yè)制造服務(wù)商，使得機床產(chǎn)品不僅是工具，更是智能數(shù)據(jù)終端，i5智能機床由此打造整個工業(yè)領(lǐng)域的服務(wù)和分享模式。

5 結(jié)語

目前，日、德多家企業(yè)的技術(shù)實力領(lǐng)跑全球，而我國正在處于追趕和突破階段。全球領(lǐng)先企業(yè)主要來自日本和德國。在加工中心技術(shù)方面，全球領(lǐng)先企業(yè)是發(fā)那科、山崎馬扎克、德瑪吉，其所生產(chǎn)的五軸聯(lián)動高檔數(shù)控機床在加工精度保持性及加工速度可靠性方面均處于世界領(lǐng)先水平;國內(nèi)高檔數(shù)控機床企業(yè)的技術(shù)實力同全球領(lǐng)先企業(yè)存在一定差距，通過不斷地進(jìn)行創(chuàng)新，差距正在逐步縮小。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬宏偉.數(shù)控技術(shù)[M].北京：電子工業(yè)出版，2010.

[2]蕊陽.機床工業(yè)亟須發(fā)展五軸數(shù)控技術(shù)[J].航空精密制造技術(shù)，2005（4）：1-6.