機(jī)床指示與測量系統(tǒng)技術(shù)綜述

楊曉

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

關(guān)鍵詞：指示；測量系統(tǒng)；專利分析

一、機(jī)床指示與測量技術(shù)簡介

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)都離不開機(jī)床指示與測量技術(shù)，數(shù)控機(jī)床指示與測量系統(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)等都需要精密的測量與指示，以此來提高機(jī)床的使用壽命以及工件的加工精度，指示與測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)專利申請情況

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

本文使用VEN數(shù)據(jù)庫，以上述IPC分類號，以及機(jī)床、工件、刀具、指示、測量等關(guān)鍵詞進(jìn)行限定，經(jīng)過篩選得出樣本數(shù)據(jù)，截止到2019年2月27日，有關(guān)機(jī)床指示與測量系統(tǒng)的專利申請數(shù)量共2440件。其中，機(jī)床指示或測量系統(tǒng)有關(guān)的專利申請，從1999年才開始出現(xiàn)，之前沒有相關(guān)的專利文獻(xiàn)，19992015年，機(jī)床指示或測量系統(tǒng)的全球?qū)＠暾埩炕旧铣手鹉暝黾拥内厔荩渲校?015年的申請量達(dá)到一個(gè)數(shù)量最高點(diǎn)，2015年2017年，機(jī)床指示或測量系統(tǒng)的全球?qū)＠暾埩砍手饾u下降的趨勢。

我國機(jī)床指示或測量技術(shù)的研究起步較晚，雖然在21世紀(jì)后，中國的發(fā)展明顯加快了步伐，但是相較于國外，國內(nèi)在指示或測量技術(shù)的發(fā)展方面與國外仍有一定差距，通過對各國家就指示或測量技術(shù)的申請量以及相關(guān)技術(shù)分類進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，從各國申請數(shù)量上可看出日本的申請量明顯多于其他各國的申請量，隨后是德國、美國以及中國，其中日本與德國的申請總量相近，是除美國、中國外，其他各國申請量總量的兩倍。在國外申請人方面，經(jīng)過前面的比較分析后，可以清晰地認(rèn)識到指示或測量技術(shù)的發(fā)展主要在日本，利用標(biāo)引的結(jié)果對主要申請人/公司在指示與測量領(lǐng)域的申請量進(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)域申請的專利比重最多，其中以發(fā)那科公司的申請量最多。其中對工件幾何形狀的測量申請量幾乎占到全部申請量總量的一半，對誤差補(bǔ)償技術(shù)的研究也占很大的比例，而對簡單直觀的溫度、油液狀態(tài)、切削力的具體測量與指示技術(shù)，相關(guān)的專利申請量較少，可以看出該公司的研究智能化程度較高，指示與測量系統(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

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

刀具損壞的在線監(jiān)測有多種方法，包括切削力、振動(dòng)、聲發(fā)射信號、電流和功率、切削溫度、表面粗糙度、聲音監(jiān)測等。2005年5月22日，日本天田株式會(huì)社提交了一份申請?zhí)枮镴P2015104310的專利，記載了一種刀具磨損評價(jià)裝置，用于評估工具的磨損狀態(tài)。如果機(jī)床出現(xiàn)故障會(huì)對液壓油箱、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振動(dòng)、負(fù)載、位移、溫升等形式來判斷。2015年9月11日，日本發(fā)那科株式會(huì)社提交了一份申請?zhí)枮镴P2015180157的專利，記載了一種振動(dòng)分析裝置，該裝置通過計(jì)算在利用機(jī)床對工件進(jìn)行加工的期間中產(chǎn)生的振動(dòng)的周期，來分析機(jī)床的健康狀態(tài)。機(jī)器視覺系統(tǒng)基于機(jī)器視覺原理，將被拍攝目標(biāo)轉(zhuǎn)化為圖像信號，根據(jù)像素分布和亮度、顏色等信息，轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號，并對這些信號進(jìn)行進(jìn)一步運(yùn)算以提取目標(biāo)的特征，最終得到檢測結(jié)果或者根據(jù)判斷的結(jié)果，用于實(shí)際測量、檢測及控制。2015年8月25日，大連理工大學(xué)提交了一份申請?zhí)枮镃N201510526767.2的專利，記載了一種基于顯微視覺的跨尺度幾何參數(shù)測量方法，該測量方法利用雙目顯微視覺系統(tǒng)采集待測零件特征圖像，經(jīng)顯微視覺標(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)的快速測量。油液狀態(tài)監(jiān)測的參數(shù)包括幾個(gè)方面：理化性能監(jiān)測、污染度監(jiān)測、金屬磨粒監(jiān)測等。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?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方法及設(shè)備，通過該設(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

通過統(tǒng)計(jì)分析，最近10年全球?qū)τ跈C(jī)床指示與測量系統(tǒng)的研究有了放緩的態(tài)勢，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，對數(shù)控機(jī)床的指示與測量技術(shù)的研究還需要投入大量的工作。基于國外目前的發(fā)展現(xiàn)狀，國內(nèi)申請人可以在該領(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，推動(dòng)國內(nèi)在該領(lǐng)域的知識產(chǎn)權(quán)發(fā)展。