看技術創新變幻 贊中國機床進步
——CIMT2017加工中心評述

原上海機床工具集團 徐正平

看技術創新變幻 贊中國機床進步
——CIMT2017加工中心評述

原上海機床工具集團 徐正平

第15屆中國國際機床展覽會CIMT2017于4月17-22日在北京國際展覽中心隆重舉行，來自個27個國家與地區的1639家展商參加了這次盛會，比上屆增加了5.5%。

加工中心仍然是展會的重頭戲，這次共展出201 臺，其中立式88臺，臥式 25臺 ，龍門19臺，五軸聯動47臺。

本次展會是在轟轟烈烈的技術創新浪潮聲中舉行的，工業革命時代推動機床變革彰顯日新月異；同時市場形勢也出現了可喜的止跌趨穩跡象，政府更愿意加大支持力度，故而中國機床工業新一輪崛起己初露端倪。

作為一名老觀眾，本人有幸從1989起已連續15屆均到場學習，并從第二屆起擔任銑床、加工中心類展品的評述工作，所以從某種角度而言，也見證了中國機床發展的部分歷史。

一、中國機床今非昔比

回顧最初的幾屆CIMT，當時國產加工中心尚屬起步，展品主要以立加為主，臥加很少。而龍門銑床、龍門加工中心展品連境外的也純屬罕見，故臺灣亞葳及高明的龍門機床就顯得尤為矚目。

本屆展會，令人欣慰的是，國內展品無論規格、品種以及功能和品質等均大有長進，五軸加工中心比比皆是；大型、重型機床更是國產稱雄，甚至機床外觀造型許多也和進口機難分伯仲。

展會上的巨無霸堪稱齊二的TKG6920數控高速落地鏜銑床（見圖1），鏜桿直徑200mm，立柱行程（X）8000mm，主軸箱行程（Y）4000mm，鏜軸行程（Z）1200mm，滑枕行程（W）1200mm，主軸轉速2500r/mim。這類機床原來在米蘭EMO展上，意大利PAMA出盡風頭，而今中國造揚眉吐氣，令人十分振奮。

圖1 齊二落地鏜

北一機床的XKAS25高架龍門五聯動數控銑（見圖2），AC兩聯動銑頭帶電主軸，轉速可達20000r/min，驅動采用直線電機，切削進給速度30m/min，快速進給60m/min，特別適用于鋁合金等輕型材料的葉片葉輪及復雜異形件加工。其工作臺寬度B為1500-3000mm，長度L為6000-8000mm，由于迎合用戶要求，故市場銷量不錯。

圖2 北一龍門五軸

山東永華展出的也是同類的龍門五軸橋式加工中心（見圖3），他們是和德國企業聯合研制開發的，并帶有60把刀的刀庫，立銑頭與直角銑頭的功率均為60kW，扭矩1830kW。

圖3 山東永華龍門

目前對中國而言，制造龍門加工中心及龍門五軸數控銑床已非難事，昆機、武重、寧波海天、山東威達等這次都有精品展出，威達龍門還可實現換頭，而海天的龍門加工中心由于設計得剛性強、精度高，故很受模具行業歡迎。海天機床的工業設計也很到位，大視窗、小圓角，高照明等，完全利于操作工人的宜人化要求。

展會上，機床與機器人珠聯璧合到處可見，成套應用也熟能生巧，大連機床的加工組線就是一例（見圖4），因為當今機床訂貨，用戶要求配機器人已屬家常便飯。

圖4 大連機床組線

二、創新展品目不暇接

1.機床的結構創新

瑞士starrag公司展出的Z3銑頭（見圖5），在傳統的并聯機構中又加裝了C軸立銑頭，使加工范圍更大且更靈活。通過完全線性的自由移動結合最低的移動質量，實現了高速，高效，高動態的萬向擺動加工，空間不受任何限制，為飛機結構件加工提供了新裝備，同時也可獲得傳統加工方式達不到的表面質量。

starrag公司還介紹了一種叉形銑頭（見圖6），這個B+C兩聯動銑頭將銑削與檢測集中于一體，圖中銑頭的中間位置，裝有光電位敏傳感器、DST激光干涉儀及雷尼紹檢測等，這套系統是空間誤差自動補償系統，旨在龍門機床上實現對航空類零件的高精度加工。四年前我們介紹了DIXI龍門機床上的空間插補功能，而今這項技術也是異曲同工，通過測量四條對角線，來修正機床的幾何精度誤差（見圖7）。

圖5 Z3銑頭

圖6 叉型銑頭

圖7 激光校準

德國ZIMMERMANN公司推出的FZH系列翻板式加工中心，將ABC三軸聯動銑頭由立式轉為臥式（見圖8），鑒此，交換托盤就需要轉90°埀直放置了。由于加工件均是航空航天等大型工件，因此機床上方的兩根平行橫梁，就起到了起吊與翻板功能。

機床前面的X向地上，可鋪設傳輸路軌，將加工后的托盤運出，并將待加工的托盤送入，交換托盤輸送就是這樣簡單。

德國SHW公司的大型加工中心設計也很別致，將兩個動柱單元布置在固定的長工作臺兩側（見圖9），故左右都能加工大型零件，這樣效率就提高了一倍。在這兩個動柱單元上，都分別設置A+C兩軸聯動銑頭，以實現對復雜工程機械異形件的五軸聯動加工。

圖8 茲默曼FZH系列

圖9 SHW雙單柱移動加工中心

日本牧野MAKINO展出的一臺D800Z五聯動立式加工中心（見圖10），由于機床結構設計比較獨特，故很是吸引觀眾眼球。該機把傳統的AC兩聯動搖籃式可傾回轉工作臺轉了個90°，成了BC兩聯動回轉臺，這個轉臺沿45°V型導軌Y向前后運動，確保工作臺和工件的重心始終處于B、C軸的回轉中心，而不受任何傾斜角度的影響。由于Y向運動的一個支點伸到機床的立柱里面，故而剛性特別好，得以提高精度并且大大縮小了占地面積。

機床主軸選用陶瓷軸承，控制熱變形性能好；罩殼的操作門，在正、側、頂三個方向均能打開，以利工件的上下料；機床的控制，加裝了新一代超級幾何智能軟件SG1.4，能自動補償絲杠長期工作后所出現的背隙，在高速加工拐點時也變得平順，并具有基于刀尖編程及路徑優化等控制功能，因此很適合模具及航天航空領域精密零件加工。

牧野加工中心的設計和工匠精神都很到位，他們1987年銷售給上海第四機床廠的FDNC1210-A30帶仿形的臥式加工中心，進給采用空氣半懸浮導軌，經更換系統及大修后，迄今還在正常使用。

圖10 牧野 D800Z立加

擅長在汽車零部件領域研制高效加工中心的德國Alfing公司，這次推出了一款AX400模塊式高效加工中心（見圖11）。

該機針對大批量連桿加工而設計，由機器人上下料及工裝模塊、換刀模塊、加工模塊等部分組成。

圖11 Alfing 連桿件加工

圖中右邊的機器人上下料與機床加工同步，不占用加工時間，也不需要操作人員額外輸入指令。

工裝模塊即圖上方小圓筒，采用的是四面體翻轉工裝結構，單面裝載4根連桿，可一面加工，一面上下料，另外兩面可作為新型號連桿加工儲備，從而節省換型時間。

左側的加工模塊，采用雙排每排4主軸設計，兩排主軸交替工作，一排主軸用于加工，同時另外一排主軸就沿X軸移動進行相應的換刀，換刀不占用加工時間。

圖下方的刀庫模塊，采用滾筒式回轉刀庫，最多可裝載4×16把刀具，以滿足連桿粗加工所有工藝需求，具備新型號連桿的拓展柔性。

展會期間剛與山東伊萊特公司簽約并共同投資的西班牙IBARMIA公司，透露了一項大家感興趣的發明。他們有一臺激光增材與金切相結合的機床，其罩殼上有四個圓的大視窗，但視窗的顏色會變。金切時呈透明狀，一旦轉為激光加工后，其顏色就自動變黑，旨在保護操作者的眼球。其原理是視窗由二塊玻璃合成，中間加入一層特殊材料。

2.復合加工和理化加工

自上世紀90年代WFL發明了車銑復合加工機床以來，該項技術現在不斷完善與拓寬，就工藝復合來講，瑞士寶美公司的復合機床是很具代表性的。

隸屬瑞士斯達拉格集團的寶美公司，其S-191 Linear（見圖12），除了具有高精度車、銑、插、磨等高端功能之外，又開發出了針對高精度小模數(模數小于2)齒輪的滾削加工工藝，能一次裝夾后完成包括齒輪加工在內的所有工序。

該機床的配置是：7軸5聯動，帶背面加工主軸，具有車、銑、插、磨、滾齒功能，因此對棒料類零件可實施六面加工。

電主軸最大功率16kW,轉速30000/40000r/min；正向電主軸C，功率15kW,轉速6000 r/min,最大棒料通孔6 5mm；背面電主軸A,最大功率15kW,轉速6000r/min,最大棒料通孔0mm。機床定位精度小于0.004mm,重復定位精度小于0.002mm。

圖12 寶美

目前世界上復合加工的概念，早已跳出工藝復合這一范疇了，譬如激光堆焊與金切相結合，激光切割與金切相結合等。

在這次展會上，首創車銑復合機床的WFL，也推出了一個激光頭以作堆焊用（見圖13）。而瑞士GF公司介紹了AgieCharmilles AM S 290 Tooling一項技術，將線切割與金切加工融合在一體，工件與加工平臺的分離由線切割慢走絲完成，這特別適用于薄壁件的分割，且切割精度也較高。

圖13 WFL激光頭

GF還介紹了一款AM-S-290智能激光燒結機床，將金屬粉末不斷重復均勻鋪層，隨后用保護性氣體吹噴至最佳燒結效果，最終制造出隨形冷熱管路的模具鑲件。

日本MAZAK展出的混合式復合加工機VTC-530/20 FSW（見圖14），它與以往把材料融化進行焊接的工藝不同，先利用摩擦熱將材料軟化，再通過攪拌后將軟化后的材料進行焊接。MAZAK 將此項技術與加工中心有機地結合在一起，展出的機床是MAZAK 立式加工中心VTC-530/20。立加伴隨摩擦攪拌焊功能，實現了摩擦攪拌焊接和機加工切削技術的完美結合。摩擦攪拌焊有其自己的特點，即焊接部位的彎曲變形小，也能實現不同材質的對焊，同時還安全環保，不釋放廢氣、煙塵、等離子、X射線等，同時能源消耗也可得到有效控制。

圖14 摩擦焊

利用激光、超聲波振動等物理要素進行加工比較多見，但EMAG公司利用電化學原理的加工機床則甚是稀罕。他們將工件作為陽極，刀具作為陰極，在這兩種電極流動之間電解液可以溶解工件上的金屬離子。陰極形面與工件相匹配，發生電荷交換，陽極工件被溶解，從而確保去除工件形狀以外的所有部分。

三、不斷進取的數控系統

數控機床的腦袋在于控制系統，當屬觀眾們關注的重點之一。系統制造商們展示的新產品可謂琳瑯滿目。

1.西門子的“數字化雙胞胎”

西門子是以“引領機床數字化制造”為主題，展示其全系列的機床數控解決方案以及應用，并持續引領機床的數字化未來。內容涵蓋一體化工程的理念，數控系統與機器人的集成，跨越生產過程全生命周期的集成，IT解決方案，以及智能化操作等一系列數字化解決方案，為機床的數字化提供了保障。尤其引人注目的是，他們介紹了“數字化雙胞胎”這一概念（見圖15）。

圖15 CIMT 西門子展臺

西門子一直致力于在數控制造領域的仿真、虛擬機床以及與工廠IT系統的集成。小批量、多批次的定制化生產趨勢對計算機輔助設計（CAD）、計算機輔助生產（CAM）以及數控機床（CNC）的全過程提出了更高的要求，其中最重要的是將CAD/CAM信息無差錯地轉換為數控程序。采用西門子控制技術的機床，其虛擬機床的控制系統與西門子的Sinumerik數控系統使用相同的語言代碼，借助虛擬內核NC內核，可以生成仿真和試運轉的“數字化雙胞胎”，即完全對應的虛擬鏡像，從而提前對程序和復雜運動序列進行虛擬測試。這樣，在執行數控程序時，就可以識別序列和程序錯誤以及機床與刀具的碰撞，評估運動行為，并確定程序運行時間，從而顯著提高實體機床后續加工的可靠性，最大限度縮短調整時間。在小批次、定制化產品的生產中其優勢尤為明顯。

數字雙胞胎digital twin，也可解釋為特定物理資產的數字鏡像，包括描述其幾何、材料、組件和行為的設計規范和工程模型，數字雙胞胎包括其所代表實體資產特有的生產和運營數據，成為形影不離的“伴侶”，是物理對象屬性及狀態的最新和準確的實時鏡像，諸如形狀、位置、狀態和運動等。舉例飛機的數字雙胞胎中的數據，就包括從飛機3D模型提取的特定幾何形狀空氣動力學模型、在生產過程中的工程變化、材料性質、檢查、操作和維護數據等。

2.德國海德漢的智能制造解決方案

海德漢這次展品的重點是圍繞智能制造解決方案進行的，主要分五個方面予以闡述（見圖16）。

首先是高精度測量技術，在直線驅動時用通過直線光柵尺全閉環直接測量位置，使驅動鏈中的誤差得以補償；在回轉運動時，位置值由角度編碼器全閉環直接測量，使驅動鏈中的誤差可被補償。

圖16 海德漢展臺

其次是精密控制，TNC 輪廓控制可以控制加工輪廓公差，正反向加工重復精度得以提高，而TNC 運動控制，使加減速平滑過渡，極高動態無震蕩運動；在五軸加工時控制復雜輪廓，使表面輪廓上取得最佳的速度控制，使路徑及刀具角度均控制在公差之中；銑車復合可在NC程序中切換模式，車削功能可使用 FK 編程。

第三是智能化，新開發了線性螺距補償、非線性螺距補償、反向間隙補償和懸垂補償。

第四是自動化、研制出了加工前自動測量毛胚關鍵尺寸并找正工件的新技術。

最后就是信息化，使數控系統能進入到外部操作系統，如遠程桌面控制、DNC & SDK以及RDM & IPC 融合等。

3.華中數控8型高檔系統

華中8型高檔數控系統是華中數控研發的新一代全數字總線式高檔數控系統，突破了一批關鍵核心技術，如：NCUC高速現場總線，多通道、多軸聯動控制技術，納米插補技術,前瞻預讀功能，小線段高速平滑，雙軸同步控制，刀具空間長度補償（RTCP），復合加工，誤差補償，對話式式編程等。去年該系統通過科技成果鑒定時，專家一致認為“該系統各項功能、性能、可靠性達到國外同類系統水平，可替代進口”。這次華中數控新產品展示區還包括全新玻璃機數控系統、848C數控系統、818D數控系統，以及 eat hercat系統等（見圖17）。

圖17 華中8型

四、兩化融合的智能化工廠之路

智能工廠是數字化、網絡化、智能化技術與制造技術交叉融合，以客戶產品數據、優化的制造工藝流程、協調的生產制造設備為核心，

實現面向產品設計、成型、加工、裝配、檢測、設備安全保障、服務等各環節動態優化與整合，旨在高效、優質、清潔、安全、敏捷地制造產品和服務用戶的一種新穎制造模式。在本屆展會中，這種展示也是一項看點。

圖18 華中輪轂線

華中數控展出的自動化輪轂加工單元（見圖18），具有輪轂型號的自動檢測識別系統、輸送帶上輪轂自動分區系統、輪轂氣門芯孔加工前識別系統、輪轂裝夾定位可靠性檢測系統等，能夠滿足用戶輪轂型號的自動識別、廢品自動剔除、工件尺寸變化檢測、不同型號輪轂混流生產的需求，并且配有工業機器人進行加工過程中的輪轂搬運，實現了整個輪轂加工區的無人化作業，減輕了工人勞動強度，提高了產品質量，可滿足目前市場上14寸至22寸鋁制輪轂的加工要求。

瑞士GF公司展出的精密零件柔性制造單元（見圖19），將工裝夾具、交換托盤與置于托盤中央的定位球結合成一體，其加工精度可達+/-3μm。

瑞士starrag集團也介紹了許多他們在汽車及航天航空領域的成功范例。

我們在展會上能見到許多機床和機器人相配合的例子，其實介紹總線技術的展商也是不少的。

圖19 GF自動化

圖20 是一只總線示意圖，頂尖的ERP部分是企業管理層關注較多的，乃是一種主要面向制造行業進行物質資源、資金資源和信息資源集成一體化管理的企業信息管理系統。

圖20 示意圖

從技術層面上講，我們當然對制造執行系統MES及計算機輔助質量管理系統CAQ更有興趣。

制造執行系統MES，是一套面向數字化智能工廠的生產信息化管理系統，可以幫助制造企業借助物聯網、大數據、移動互聯網等新技術，通過兩化深度融合來進行個性化定制，以提高產品質量、設備效率和生產安全性，并降低生產成本，致使提高企業綜合競爭力。

西門子公司無疑是這項技術的引領者，西門子MES軟件以在離散制造業和流程制造業的功能性和戰略性均獲得權威機構及同行對其領導地位的高度認可。圖21是西門子MES系統在成都工廠的實例，這也是他們在德國本士之外的首家工廠。

在E9-405MPDV展臺，也是一家專攻MES技術的徳國公司，擅長于模塊化MES系統的應用程序組合。MPDV以離散制造為主，也涉及一定的偏連續的制造行業。目前全球大約930家不同企業受益于MPDV集團提供的MES技術。

圖21 西門子MES

而在E10-103展臺，上海楚天重工則重點介紹了歐美先進制造業的計算機輔助質量管理系統（CAQ）。其中質量流程管理系統的是將傳統工程師的在各類OFFICE軟件中進行的質量策劃及改進活動計劃與活動在一個統一的質量流程管理系統中予以完成，這個系統不僅為工程師提供各類輔助工具的支持，更重要的是為企業提供了質量知識管理的全面解決方案。

質量數據管理與分析系統是將企業原先離散在各測量及測試設備上的海量數據規范化后，先統一集中管理以便于進行下一步的數據可視化，隨即能力指數計算與報警及數據挖掘等深入分析。該系統可以幫助工程師及管理者對生產過程獲得前所未有的透視與洞察，并大大降低潛在質量失效風險， 從而在根本上提升企業的精益生產水平。

在MES與CAQ之下，數據采集這一環也很重要。上海微茗智能科技有限公司，是一家專注于離散制造企業智能化建設的創新型科技公司。將IT技術與制造業相結合，實現機床聯網，為企業實現設備網絡化、數據集成化、生產自動化提供一站式解決方案。

作為IT與制造業的結合體，微茗專注于企業機床數據采集、分析管理等方面的智能制造系統。該系統能將企業的核心加工設備進行聯網，在企業層和車間建立橋梁，保證了車間信息可以暢通、及時、準確地反饋到企業層，以提高企業的生產競爭力。

微茗不僅自主研發了智能數據處理反饋網關等三項硬件產品；還研制了WIMI DNC設備聯網及程序傳輸管理等四項軟件產品，它向下可以通過以太網，RS232，RS485，IO等多種通訊采集手段兼容與機床設備及控制系統聯結，向上它可以通過以太網與SCADA系統、信息數據管理系統、MES或者系統等完成數據交換。

同樣在E-4-805法國DigitalWay展臺，他們展出的也是搞實時加工及刀具檢測系統的。其中WattPilote這個檢測系統系列產品，可以說相比于大學實驗室出來的一些產品，更加適合實際使用，更能應對實際加工中碰到的種種具體問題，如解決自動化產線中無法及時發現刀具斷裂，破損等相關問題故而受到大部分終端客戶和整機廠青睞，目前他們針對于亞洲市場開發的12kW以下的小功率檢測模塊已經投入市場。

在信息化時代，總線技術的開發是百花齊放、日新月異的。廣州有個“智造家”，他們正在搞透明工廠、圖紙云、e非標、非標管家、搜自動化部件等許多新的創意，我們當然也祝愿他們早日取得成功。

最后我還要為協會組織的展品評述工作點個贊。我們銑床分會在理事長單位北一機床的組織和帶領下，自第一屆展會起就召集分會所屬單位舉行對展品的分析會議，從第三屆以后就開展書面的展品評述工作，一直堅持迄今。應該說這項活動對企業和行業都有所幫助，因此各企業也比較支持。參加評述工作的人員們互助幫助，樂于討論技術細節，還在現場對個別重點展品請參展單位予以講解，因此收獲還是比較大的。希望這項工作能持之以恒，在新常態、新形勢下繼續努力，更上一層樓。□