機(jī)床指示與測(cè)量系統(tǒng)技術(shù)綜述

楊曉

摘要：利用VEN數(shù)據(jù)庫(kù)，以篩選得出的數(shù)控機(jī)床指示與測(cè)量系統(tǒng)專利文獻(xiàn)為基礎(chǔ)，從申請(qǐng)量，申請(qǐng)人，關(guān)鍵技術(shù)等方面進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并舉典型專利對(duì)具體技術(shù)分支進(jìn)行闡述。

關(guān)鍵詞：指示；測(cè)量系統(tǒng)；專利分析

一、機(jī)床指示與測(cè)量技術(shù)簡(jiǎn)介

隨著數(shù)控機(jī)床朝著自動(dòng)化、集成化、信息化、綠色化的趨勢(shì)發(fā)展，機(jī)床工作中的感知、分析、決策等重要環(huán)節(jié)都離不開(kāi)機(jī)床指示與測(cè)量技術(shù)，數(shù)控機(jī)床指示與測(cè)量系統(tǒng)的研究急需增強(qiáng)。數(shù)控機(jī)床中，刀具磨損、數(shù)控機(jī)床健康狀態(tài)、幾何量、智能傳動(dòng)裝置及油液狀態(tài)等都需要精密的測(cè)量與指示，以此來(lái)提高機(jī)床的使用壽命以及工件的加工精度，指示與測(cè)量的方向主要分為以下幾類：溫度、油液狀態(tài)、切削力、振動(dòng)、幾何形狀、噪音等。

二、相關(guān)專利申請(qǐng)情況

在國(guó)際專利分類表中，機(jī)床的指示或測(cè)量裝置主要集中在B23Q這一大類中，該大類下包含B23Q 17/00（機(jī)床上的指示或測(cè)量裝置）、B23Q 17/09（用于指示或測(cè)量切削壓力或切削刀具狀態(tài)的，例如切削性能，刀具負(fù)荷）、B23Q 17/10（用于指示或測(cè)量切削速度或轉(zhuǎn)數(shù)的）、B23Q 17/12（用于指示或測(cè)量振動(dòng)的）、B23Q 17/20（用于指示或測(cè)量工件特性的，如輪廓，尺寸，硬度的）、B23Q 17/22（用于指示或測(cè)量刀具或工件現(xiàn)有的或要求的位置的）、B23Q 17/24（使用光學(xué)的）；這些分類號(hào)基本涵蓋了機(jī)床指示或測(cè)量方面的所有專利。

本文使用VEN數(shù)據(jù)庫(kù)，以上述IPC分類號(hào)，以及機(jī)床、工件、刀具、指示、測(cè)量等關(guān)鍵詞進(jìn)行限定，經(jīng)過(guò)篩選得出樣本數(shù)據(jù)，截止到2019年2月27日，有關(guān)機(jī)床指示與測(cè)量系統(tǒng)的專利申請(qǐng)數(shù)量共2440件。其中，機(jī)床指示或測(cè)量系統(tǒng)有關(guān)的專利申請(qǐng)，從1999年才開(kāi)始出現(xiàn)，之前沒(méi)有相關(guān)的專利文獻(xiàn)，19992015年，機(jī)床指示或測(cè)量系統(tǒng)的全球?qū)＠暾?qǐng)量基本上呈逐年增加的趨勢(shì)，其中，2015年的申請(qǐng)量達(dá)到一個(gè)數(shù)量最高點(diǎn)，2015年2017年，機(jī)床指示或測(cè)量系統(tǒng)的全球?qū)＠暾?qǐng)量呈逐漸下降的趨勢(shì)。

我國(guó)機(jī)床指示或測(cè)量技術(shù)的研究起步較晚，雖然在21世紀(jì)后，中國(guó)的發(fā)展明顯加快了步伐，但是相較于國(guó)外，國(guó)內(nèi)在指示或測(cè)量技術(shù)的發(fā)展方面與國(guó)外仍有一定差距，通過(guò)對(duì)各國(guó)家就指示或測(cè)量技術(shù)的申請(qǐng)量以及相關(guān)技術(shù)分類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從各國(guó)申請(qǐng)數(shù)量上可看出日本的申請(qǐng)量明顯多于其他各國(guó)的申請(qǐng)量，隨后是德國(guó)、美國(guó)以及中國(guó)，其中日本與德國(guó)的申請(qǐng)總量相近，是除美國(guó)、中國(guó)外，其他各國(guó)申請(qǐng)量總量的兩倍。在國(guó)外申請(qǐng)人方面，經(jīng)過(guò)前面的比較分析后，可以清晰地認(rèn)識(shí)到指示或測(cè)量技術(shù)的發(fā)展主要在日本，利用標(biāo)引的結(jié)果對(duì)主要申請(qǐng)人/公司在指示與測(cè)量領(lǐng)域的申請(qǐng)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)日本的發(fā)那科株式會(huì)社、大隈株式會(huì)社、日本精工株式會(huì)社在該領(lǐng)域申請(qǐng)的專利比重最多，其中以發(fā)那科公司的申請(qǐng)量最多。其中對(duì)工件幾何形狀的測(cè)量申請(qǐng)量幾乎占到全部申請(qǐng)量總量的一半，對(duì)誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究也占很大的比例，而對(duì)簡(jiǎn)單直觀的溫度、油液狀態(tài)、切削力的具體測(cè)量與指示技術(shù)，相關(guān)的專利申請(qǐng)量較少，可以看出該公司的研究智能化程度較高，指示與測(cè)量系統(tǒng)的研究趨于智能化，且加工精度較高。

三、主要研究熱點(diǎn)分析

通過(guò)對(duì)各申請(qǐng)量的技術(shù)類別進(jìn)行比較分析，其中歸入B23Q的申請(qǐng)量達(dá)到了總申請(qǐng)值的46.6%，而歸入G部G05B與G01B的申請(qǐng)量分別達(dá)到了總申請(qǐng)值的14.32%與10.72%，歸入B23B與 B24B的申請(qǐng)量分別達(dá)到了總申請(qǐng)量的9.4%與4.47%；即關(guān)于機(jī)床指示或測(cè)量的申請(qǐng)，全部都?xì)w入B部與G部，且歸入B部的申請(qǐng)量高達(dá)總申請(qǐng)量的60%以上。

關(guān)鍵技術(shù)分支包括刀具磨損、機(jī)床健康狀況（振動(dòng)、負(fù)載、位移、溫升）、幾何量、傳動(dòng)（速度、加速度、磨損、噪聲）和油液狀態(tài)這五個(gè)指示與測(cè)量方向。

刀具損壞的在線監(jiān)測(cè)有多種方法，包括切削力、振動(dòng)、聲發(fā)射信號(hào)、電流和功率、切削溫度、表面粗糙度、聲音監(jiān)測(cè)等。2005年5月22日，日本天田株式會(huì)社提交了一份申請(qǐng)?zhí)枮镴P2015104310的專利，記載了一種刀具磨損評(píng)價(jià)裝置，用于評(píng)估工具的磨損狀態(tài)。如果機(jī)床出現(xiàn)故障會(huì)對(duì)液壓油箱、主軸箱等關(guān)鍵設(shè)備的物理狀態(tài)造成巨大影響，在這種情況下，機(jī)床的健康狀況通常通過(guò)振動(dòng)、負(fù)載、位移、溫升等形式來(lái)判斷。2015年9月11日，日本發(fā)那科株式會(huì)社提交了一份申請(qǐng)?zhí)枮镴P2015180157的專利，記載了一種振動(dòng)分析裝置，該裝置通過(guò)計(jì)算在利用機(jī)床對(duì)工件進(jìn)行加工的期間中產(chǎn)生的振動(dòng)的周期，來(lái)分析機(jī)床的健康狀態(tài)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)基于機(jī)器視覺(jué)原理，將被拍攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號(hào)，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)，并對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算以提取目標(biāo)的特征，最終得到檢測(cè)結(jié)果或者根據(jù)判斷的結(jié)果，用于實(shí)際測(cè)量、檢測(cè)及控制。2015年8月25日，大連理工大學(xué)提交了一份申請(qǐng)?zhí)枮镃N201510526767.2的專利，記載了一種基于顯微視覺(jué)的跨尺度幾何參數(shù)測(cè)量方法，該測(cè)量方法利用雙目顯微視覺(jué)系統(tǒng)采集待測(cè)零件特征圖像，經(jīng)顯微視覺(jué)標(biāo)定、圖像特征提取匹配以及局部坐標(biāo)系與機(jī)床坐標(biāo)系解算三個(gè)步驟，最終實(shí)現(xiàn)幾何參數(shù)的快速測(cè)量。油液狀態(tài)監(jiān)測(cè)的參數(shù)包括幾個(gè)方面：理化性能監(jiān)測(cè)、污染度監(jiān)測(cè)、金屬磨粒監(jiān)測(cè)等。2007年9月17日，挪威科諾普提卡股份有限公司提交了一份申請(qǐng)?zhí)枮镹O07000326的專利，記載了一種旋轉(zhuǎn)零件的位置和變化的探測(cè)方法及設(shè)備，通過(guò)該設(shè)備確定旋轉(zhuǎn)零件任何具有污染物的位置，并且之后消除或補(bǔ)償所述旋轉(zhuǎn)零件上存在的這種污染物的影響。

四、總結(jié)與展望

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，最近10年全球?qū)τ跈C(jī)床指示與測(cè)量系統(tǒng)的研究有了放緩的態(tài)勢(shì)，該領(lǐng)域的創(chuàng)新性有所減少，這與現(xiàn)在研究智能化程度不高相關(guān)聯(lián)，人工智能方法還需要進(jìn)一步的完善與優(yōu)化，對(duì)數(shù)控機(jī)床的指示與測(cè)量技術(shù)的研究還需要投入大量的工作。基于國(guó)外目前的發(fā)展現(xiàn)狀，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人可以在該領(lǐng)域?qū)ふ揖哂袧摿Φ难芯科瘘c(diǎn)，避免重復(fù)勞動(dòng)和浪費(fèi)投資，且應(yīng)加強(qiáng)科研院所與企業(yè)的合作，充分利用二者各自的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的知識(shí)產(chǎn)權(quán)發(fā)展。