數控機床加工中心技術研究

張明辰 王坤

摘 要：高檔數控機床，特別是數控機床加工中心，作為高檔數控機床的最高水平，其在加工方面有著不可替代的優勢。本文從全球角度出發，對數控機床加工中心技術的原理和分類作了梳理，找出國內外研發主體的技術發展異同，給出進一步發展數控機床加工技術的建議。

關鍵詞：數控機床;領先企業;發展模式

中圖分類號：TG659文獻標識碼：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

隨著我國國民經濟和制造業的快速發展，對高檔數控機床提出了迫切的、大量的需求，特別是數控機床加工中心，作為高檔數控機床的最高水平，其在加工方面有著不可替代的優勢，被廣泛應用于航空航天、高技術船舶、軌道交通等重點制造業領域。但是，國內對數控機床加工中心的研究和應用起步較晚，加上數控機床加工中心的技術難度較大，以及西方工業發達國家將相關重點技術作為戰略物資實行出口許可證制度，長期在技術和產品方面對我國實行限制封鎖，導致我國數控加工技術與德國、日本等工業發達國家相比存在較大差距，國產數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的發展水平[1，2]。

數控機床通常由控制系統、伺服系統、檢測系統、機械傳動系統及其他輔助系統組成。控制系統用于數控機床的運算、管理和控制，通過輸入介質得到數據，對這些數據進行解釋和運算并對機床產生作用;伺服系統根據控制系統的指令驅動機床，使刀具和零件執行數控代碼規定的運動;檢測系統則是用來檢測機械執行件的位移和速度變化量，并將檢測結果反饋到輸入端，與輸入指令進行比較，根據其差別調整機床運動;機械傳動系統是由進給伺服驅動元件至機床執行件之間的機械進給傳動裝置;輔助系統種類繁多，如固定循環、自動換刀等。為了研究數控機床加工中心專利申請在國內外的發展情況，首先要明確數控機床加工中心的技術特點，加工中心（Machining Center）是隨著數控機床的發展而隨之產生的。從技術演變上來說，加工中心是從數控銑床發展而來的，與數控銑床的最大區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，可實現銑、鉆、鏜、車等多工序加工，其“柔性”大，更換產品方便，能實現中小批、多品種柔性生產自動化，克服了高效自動化機床、自動生產線的“剛性”缺點，使用范圍廣，數量增加較快。

數控機床的零部件主要包括機床構型、傳動驅動結構、控制、測量指示和附件。機床構型是數控機床的機械主體。根據其相關結構，將機床構型進一步細分為工作臺、框架、擺頭和刀庫。數控機床通常所采用的傳動驅動分為電動、氣動和液壓三種形式。控制是五軸數控機床的核心，其主要功能是將加工信息數據用計算機處理之后，控制機床的動作。根據控制采用的技術手段，將控制進一步細分為誤差補償、基于工件特征、人機交互和控制結構。測量指示單元是用于檢測和指示機床狀態的重要部分。按照測量對象，可將測量指示進一步分為刀具狀態、機床狀態、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或者有關機床安全的構件。根據構件所起的作用，將附件進一步細分為安全防護、排屑和冷卻。

2 數控機床的發展

隨著數控機床的發展，加工中心（Machining Center）隨之產生并高速發展。加工中心是用于加工復雜形狀工件的一種高效率自動化機床，其將傳統的機械設備與現代數控系統有效結合起來，實現了工件一次裝夾后即可進行銑削、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，尤其對形狀比較復雜、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濟效益。加工中心不僅是衡量一個國家科技發展水平的重要標志，也是國際間科技競爭的重點。

隨著經濟的飛速發展和工業自動化水平的不斷提高，制造業向著高、精、尖方向發展，特別是汽車、船舶、電子技術、航空航天的迅猛發展，對加工中心的速度、精度和生產效率要求也越來越高，主軸轉速在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成為數控機床行業流行的趨勢。此外，打破工藝界限，機床的復合加工也是當今數控機床發展的一大趨勢。同時，隨著人工智能技術的發展，為了滿足制造業生產柔性化、制造自動化的發展需求，加工中心的智能化程度不斷提高。

3 數控機床領先企業

3.1 日本發那科（FANUC）

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

在其后的發展中，發那科針對如何提升數控系統的加工精度以及加工效率進行著重研發。其中，對于如何提高加工精度，發那科主要研發了利用控制刀具以及利用控制方法進行運動補償以及優化插補方法，通過設置驅動軸的加速度參數不超過CPU容量，減少軌跡誤差。通過曲線內插方法分割成直線軸與轉動軸，分別求出修正指令，并合成直線軸用修正指令點和轉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。發那科還重點關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速，從而能根據刀具的不同軌跡點位置來調整伺服軸的轉速，以便進一步改善加工精度。此外，發那科還通過優化加工路徑中特殊點的加工過程來提高加工效率，能在加工過程中準確地根據刀具角度的變化來調整刀具轉速，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速調整過大，從而優化加工過程中刀具轉速的調控，縮短加工時間。

3.2 德國德瑪吉（DMG）

德國德瑪吉（DMG）集團是全球領先的切削機床制造商，生產銷售有DMG五軸聯動立式加工中心，共有DMP、DMC、DMU、DMF、HSC五個系列。德國DMG集團在五軸數控機床方面的全球專利申請量位居第5，專利布局在各主要生產、使用和銷售大國。德國DMG集團專利申請中最主要的技術分布在控制方面，在附件排屑和傳動驅動方面也有所涉及。

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

3.3 華中科技大學

華中科技大學是一所綜合研究型大學，很早就對大批量生產自動線和各類專用機床進行研究，其數控技術和數控系統的研究與開發在國內處于領先水平，研究成果轉化形成相當規模的產業。

華中科技大學在數控機床加工中心領域的專利申請量位列國內第二，對控制方面的技術有較全面的發展。通過對刀具路徑進行規劃，獲得較優的加工路徑，提高了切削效率和加工質量;滿足多軸數控機床的后置處理需求，具有求解速度快、求解精度高的優點;考慮機床幾何結構誤差的多軸數控加工后置處理方法，彌補了傳統后置處理方法的不足，可以實現包含機床幾何結構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，無需多次復切，保證了加工效率和加工精度;實現機床故障時運行狀況以及數控面板操作記錄等的直觀顯示和查看，為數控機床的維護維修提供參考，并提升了數控機床的維修效率。

3.4 沈陽機床

沈陽機床（集團）有限公司是國內最大的金屬切削機床制造企業，涵蓋加工中心、激光切割機等數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控機床加工中心的產品研發與專利保護，是國內申請人在該領域申請量最多的公司。

沈陽機床在加工中心領域布局的專利數為88件，其中62件授權，但有效案件為47，占授權案件的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%，車鏜削技術及測控技術的專利申請量占比分別為25%和19%，而其他銑削、磨削技術領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、測控技術和機床零部件技術這三個領域具有一定的技術積累和研發實力，同時也表現出這三個技術領域是沈陽機床當前研發的熱點方向。

4 數控機床發展新模式

“共享經濟”是互聯網發展的重要趨勢和方向。隨著信息技術從移動通信進入制造領域，加之“共享經濟”浪潮席卷我國各行各業，機床行業也可探索一條共享發展之路。在裝備制造業智能化發展的大背景下，沈陽機床突破束縛，抓住機遇，探索出“共享機床”發展新模式，成為轉型升級的一個全新破題點。“共享機床”應用“共享經濟”的發展模式，對于供給方來說，通過在特定時間內讓渡物品的使用權或提供服務，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，而是通過租、借等共享的方式使用物品。

沈陽機床擁有原創數控系統i5核心技術。“共享機床”概念具體為政府出地出廠房、沈陽機床提供設備和服務，讓創業者可以享受到共享經濟資源合理化服務，并通過借助互聯網跨時空、無邊界和促共享的特性，推出新型的共享商業模式——“租賃模式”。沈陽機床不再以傳統的機床買賣、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，結算的依據是機床運轉所傳輸回來的數據。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、智能機床產品、智能工廠、云平臺制造及金融租賃模式共同構成了沈陽機床的i5智能制造新工業體系。憑借這一創新發展體系，沈陽機床正在逐漸轉型，成為數控系統提供商和工業制造服務商，使得機床產品不僅是工具，更是智能數據終端，i5智能機床由此打造整個工業領域的服務和分享模式。

5 結語

目前，日、德多家企業的技術實力領跑全球，而我國正在處于追趕和突破階段。全球領先企業主要來自日本和德國。在加工中心技術方面，全球領先企業是發那科、山崎馬扎克、德瑪吉，其所生產的五軸聯動高檔數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先水平;國內高檔數控機床企業的技術實力同全球領先企業存在一定差距，通過不斷地進行創新，差距正在逐步縮小。

參考文獻：

[1]馬宏偉.數控技術[M].北京：電子工業出版，2010.

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