數控雕銑加工技術及設備的現狀及發展＊

賈吉林，胥光申

（1.西安工程大學機電工程學院，陜西 西安 710048；2.陜西理工大學機械工程學院，陜西 漢中 723001）

引言

隨著我國經濟和制造業的迅速發展，對數控機床的需求越來越大。我國對數控機床的消費和進口數量已連續十余年位居世界第一。強勁的市場需求，不僅推動了國內機床產品的蓬勃發展，同時也吸引了世界主要機床制造商在華投資建廠，使中國近年來逐步成為機床的最大生產國。數控機床作為工藝裝備，重量大、切削載荷大、結構復雜、多以專機為主，加工一些昂貴產品的精度難以保證，且加工小型產品成本過高。隨著市場的需要，數控機床已逐步從大型化和專業化方向朝微型化和精密化方向發展。研究者將加工小型產品的功能從數控機床的加工中心分離出來，研究形成了一種新的微型化、精密化機床品種數控雕銑機床。

與傳統的數控機床不同，數控雕銑機是一種在生產實踐中應用廣泛的特殊機床。它集合了雕刻和銑削功能，具有高轉速、小吃刀量、高精度、高硬度加工等優點，擁有較高的生產效率和優質的表面質量。另外，數控雕銑機床擁有主軸轉速高、刀具直徑小、精細程度優越、表面光潔度高等特殊優勢，彌補了諸如銑床、鉆床、車床等通用數控機床加工功能單一的缺陷，已經使用在大功率LED鋁基板、精美工藝品、金屬電極、產品的特殊外包裝、金屬眼鏡框等精細加工等領域。近年來，隨著CAD/CAM技術水平的不斷提升，數控雕銑機已經成為大型浮雕加工設備的首選。

1 傳統手工雕刻的發展

傳統的中國手工藝品有著悠久而美好的歷史，在中國文化藝術的歷史長河中占據重要的位置。手工藝品是中國文化史、美術史和設計史發展過程中的重要內容，是中國傳統文化的標志性產物。中國工匠們發明了燒造、鑄鍛、染織、編結、木作、髹飾、雕塑等多種工藝方法，將不同材質的原料創造出豐富多彩、巧奪天工的各類手工藝品。雕刻師們通過特定的雕刻工具對石材、木材、玉石和瑪瑙等材料進行雕刻，雕刻的樣品如圖1所示[1]。

圖1 傳統雕刻

傳統手工雕刻包括鑿制粗胚、掘細坯、修光、打磨、飾紋、著色上光等，存在工藝過程繁雜、生產效率低和生產成本高，雕刻制品的質量一致性差等缺陷。因此嚴重制約著雕刻行業的快速發展，為了更好地適應社會需求，數控雕銑機的出現成為時代發展的必然[2]。

2 數控雕銑機技術的研究現狀

2.1 國外雕銑技術的相關研究

美國研究人員 T.L.Sehmitz采用試驗和分析方法完成了數控機床的主軸、刀具和刀夾的進給傳動模型，獲得了機床完整的系統動態響應特性[3]。韓國學者 JungDosuh和DaiHi11ee應用有限元分析了高速機床的主軸和滑塊結構，對主軸的結構進行了穩定性分析，設計了一款復合式新型結構，既減輕了機床的整體質量，又提升了機床的系統剛度[4]。西班牙學者M.Zatarain采用Natran和I-deas兩種分析軟件對立柱式移動銑床的整機的進給系統進行動態性能分析，優化了床體、頭架與導軌之間的進給傳動模型，得到了穩定性較好的系統模型[5]。加拿大學者 M.A.E1bestawi研究了銑削和磨削相結合的動力學模型，分析求解各進給構件振動的固有頻率，通過虛擬動態特性試驗得出了構件阻尼以及結合面的剛度數據，通過在機床上進行測試獲得進給系統的剛度。利用機床測試進行修正并驗證進給傳動模型[6]。U.Heise1與A.Feinauer分析了平衡量值、施加的作用力和加速性能等高速磨削產生振動的因素，仿真了各種振動對加工件質量造成的影響，然后根據仿真分析的結果對最終的加工效果進行評估[7-8]。

在機床傳動分析中，首先要解決的問題是如何建立合理的動力學模型。最早由德國學者S.Taylor提出了集中參數模型并且應用該模型分析了臥式車床、單柱刨床進給傳動系統等，英國學者運用該模型分析了龍門刨床的動態特性并與實驗結果進行了比較，其結果在當時的條件下令人滿意。Li B通過對機床整機的模態分析，得到了機床中關鍵部件的模態參數和模態分析中的振動參數[9]。John M.R.S采用有限元分析方法，對D3工具鋼的CNC研磨加工過程、輸出表面的粗糙度、殘余應力、微小硬度進行了模擬，成功預測了機床工具的動態特性[10]。美國學者Hull提出了參數化設計概念和結構拓撲優化方法，利用有限元軟件對機床的主體結構進行優化[11]。GaberO和HashemiSM在建立機床系統的數學模型過程中將主軸老化作為重要參考，通過主軸的模態分析獲取動態性能參數，并以參數變化預測主軸持續工作時間段間隔[12]。

2.2 國內雕銑技術的相關研究

趙成喜[13]等完成了六軸數控機床的結構設計和動態特性分析，綜合了機床機械結構設計和線性傳動的誤差影響等因素，采取有限元對雕銑機進行了模態分析；劉一波[14]等人分析了數控雕銑機高速電主軸，介紹了雕銑加工過程中所使用的各類電主軸的結構特點和關鍵技術；張國剛[15]通過對數控雕銑機夾具的研究，改進了數控雕銑機的裝夾方法，滿足加工精度的同時精簡了裝夾方式；梁啟明[16]等建立了數控雕銑機進給傳動系統機械傳動系統、伺服驅動電機和執行部件的一體化數學模型，仿真得到了數控雕銑機進給傳動系統最佳的進給傳動參數，得到了非線性因素對系統動態性能的影響；路曉東[17]研究了數控銑加工中工藝參數的合理選擇，確定了正確地選擇工藝參數的原則和方法；丁巖[18]等人通過對B軸驅動部件高效銑削工藝方法的研究，結合磨損試驗，確定了刀具結構、切削參數和切削振動對刀具磨損的影響特性；陳兵[19]等人通過對數控雕銑曲面加工復雜度計算及切削參數選擇方法的研究，建立了基于 BP神經網絡雕銑切削參數的預測模型；穆存遠[20]等人通過分析影響產品模型雕刻表面的質量因素，表明浮雕成型過程中關鍵性參數對成型質量產生影響，加工時的重疊率與表面粗糙度成反比關系；李海東[21]等對復雜曲面零件的數控雕刻加工的研究，通過三維軟件和編程軟件的結合，提高了雕刻加工的質量和效率；汪全友[22]等人通過探討ArtCAM相對于數控雕銑加工技術的實際應用，促進了CAD/CAM技術在雕銑加工中的廣泛應用；王政皓[23]等人研究了基于Arduino小型激光雕刻機的設計方法及其控制系統；任忠先[24]等研究了ArtCAM技術在數控雕銑加工中的應用和雕銑加工相結合的軟件實際操作方法。

3 數控雕銑機的產品現狀及發展趨勢

作為機床制造業的主導產品之一，數控雕銑機是關系國家戰略地位和綜合國力的重要保障。它也是高質量、大批量、多種類機械生產和加工的基礎裝備，數控雕銑機，尤其是高檔數控雕銑機的產量、性能和技術水平是衡量國家綜合制造實力的重要標志之一，代表了國家的工業現代化的發展水平。

先前，國內所需的大批量數控雕銑機都依賴極少數發達國家。但是自從20世紀90年代以來，數控雕銑機床成為工業發達國家的壟斷和限制出口產品，尤其是以航空、航天、軍工等關系國家命脈的行業，被列為重點技術限制的黑名單。除此之外，我國進口的高檔數控雕銑機消耗了高昂的外匯儲備，極大地制約了我國的機械、能源等核心工業的快速發展，嚴重影響了國民經濟的穩步提升。

與世界工業發達國家相比，國內的數控雕銑機技術起步較晚，整機在產品性能和關鍵技術等方面嚴重落后。截至目前，國內的高檔數控雕銑床與國外先進產品之間仍然存在較大差距，表現為雕銑機的總體水平較低，自主開發能力、核心功能部件等跟不上時代的需求，尤其對高檔數控系統的研發尚處于起步階段，機床的可靠性、穩定性和耐久性等共性技術研究進展極其緩慢[25]。

在雕刻機市場中，美國的“雕霸”、日本的“御牧”和法國的“嘉寶”長期處于領先位置，但是都存在價格高昂的窘境[26]。近年來，隨著國產雕刻機技術的不斷進步，市場份額越來越大[27]。但是存在一些共同特征：機床本體結構簡單，沒完全掌握控制原理，控制器技術靠引進，選擇步進電機驅動，控制精度不高，而價格相對便宜，性價比比進口機床高[28]。因此，精度要求高的雕銑機的整套設備仍然需要進口[29]。

美國的世紀雕霸雕刻機是一款非常實用的雕刻切割機，其中型號1325的機床外形如圖2所示，由于Y軸采用的直線支承導軌，大幅提升了機床的精度，最終的加工速度和加工精度與TYl290相近。1325型機床更適合大型木器的CNC雕刻，使得大型機床雕刻胸牌及大幅面浮雕成為現實。

圖2 世紀雕霸1325雕刻機

圖3 嘉寶M40雕刻機

法國 1938年研制的嘉寶雕刻機是世界上第一臺手動雕刻機。圖3是法國嘉寶M40雕刻機的外形，該機床系統緊湊、簡單易用、快速安靜。利用紅點定位預測雕刻范圍，無需測量，加工精度高、穩定、加工效率遠高于國內外其他同類型機床，主軸的轉速高達數十萬轉每分鐘，走刀速度可達6～10m/s，并且 305mm×210mm 的廣幅雕刻面積，使雕刻產品的范圍更具多樣性。

華威數控的立式雕刻機如圖4所示，具有旋轉軸的雙保險固定方式，配備減速機，旋轉無間隙，耐用性強等突出優勢。主軸電機采用大功率變頻風冷主軸，該主軸電機含有進口陶瓷球軸承，啟動性能好，力矩大，能充分發揮本機高速的優勢，效率高，耐磨、耐高溫、旋轉速度快，旋轉震動小，工作噪音低。驅動系統采用了大功率伺服驅動系統，扭矩力更大，精度更高，配合主軸穩定雕刻，平穩性高。運行導軌采用方形直線導軌，高精密度，高強度，3000公里免維護、維護方便。Z軸通過加固型的特殊設計，配合專業設計方式，下刀更精準，無震動底紋產生。

在國內，創立于1994年的北京精雕科技有限公司，在系列精雕機開發方面成為“專、特、精”的成功典范。經過近20年的發展，北京精雕公司已經具備了自主研制CNC雕刻機、CAD軟件、數控系統和高速電主軸的綜合能力[25]。尤其在軟件方面，公司對擁有完全自主知識產權的CAD/CAM系統持續進行開發和更新升級，已經從早期的 1.0版本更新至 5.5版本，打造成為國內唯一擁有自主知識產權的雕刻設計軟件。

圖4 華威數控的立式雕刻機

圖5 北京精雕JDGR300雕刻機

現如今，北京精雕公司的CAD/CAM雕刻軟件，已經成為業界高水準的標桿并被廣泛推廣。北京精雕的主機所配置的功能部件、數控系統和高速電主軸等全部由公司自主研發生產。圖5是北京精雕JDGR300雕刻機外形，該機適用于精密銑削、精密模具加工、精密磨削加工等多個領域，可以穩定實現“0.1μm進給，1μm切削和nm級的表面粗糙度”加工。各直線軸配備光柵尺，采用全閉環控制技術保證機床運動精度；對主軸、軸承座、轉臺電機、絲杠螺母等關鍵發熱部位進行全方位冷卻，保證機床的熱穩定性；標配刀具補償系統，選配精雕在機測量系統，實現對刀具、夾具和工件狀態的監測，保證產品加工質量。

4 數控雕銑機的發展趨勢

我國的數控機床經過近三十多年的發展取得了長足的進步，尤其在高檔數控機床方面取得了重大突破，但是還有眾多缺陷。例如，自主研發系統與機床的主體 CNC系統之間不兼容，國內開發的CNC系統與國外高端CNC系統不兼容，動態伺服系統大部分仍然首選進口品牌。

我國數控雕銑產業的未來發展趨勢主要趨向于小部件的加工。近年來，由于智能手機的普及，3C行業整體的切削制造水平大幅提高，雕銑機由原來的木刻、鞋模等行業向以手機為代表的電子產品行業快速延伸，成為電子產品的首選加工技術手段。數控雕銑產業集中在 CNC雕刻、研磨、切割處理等工藝環節中，傾向于“三高、兩化、一復合”的發展態勢，即高速、高精度、高可靠性、柔性化、智能化和復合加工，其表現為[30-32]：

（1）高速

在確保切削質量的同時，機床的高速化是提高生產率一條最有效最便捷的途徑。機床高速化的主要條件是提高切削速度和進給速度。經過多年的研究創新，部分國內企業已經可以提供40000r/min的超高速電主軸，使直徑20mm的銑刀切削速度達到7m/s左右，同時CNC系統可將進給速度提高到 240m/min，切削進給速度的分辨率達到 0.01μm。另外，高速自動工具交換技術的引入，不僅準確地掌控了工具的位置，而且大幅提高工具交換速度和整機的切削效率[32-33]。

（2）高精度

數控雕銑機追求的首要目標是高精度，高精度是設計意圖在制造環節中的直接表達。影響高精度的最重要硬件因素包括機床的切削精度、控制系統中反饋裝置提供的定位精度機床床身的機械位置的再現性、熱變形補償以及機床的切削振動等。以上硬件因素均與機床的硬件配置密切相關，如伺服馬達直接連接的滾珠絲桿的傳動機構中，不可避免地會出現功率回流問題，反饋裝置自身的分辨率直接決定了機床的檢測精度。

雖然硬件影響因素不能完全消除，但是目前研究者已經通過 CNC系統的高級算法、高速插值、小線段的連續進給處理等軟件控制方法彌補機床的硬件缺陷，可以達到較高的控制精度。此外，也有使用直線電機直接取代伺服電動機+滾珠絲桿的傳動機構以縮短了傳動鏈，采用精密組裝技術等，大幅提高了機床的進給精度[34]。

（3）高可靠度

機床的可靠性是機床工具永無止境追求的重要性能指標之一，通常以沒有故障的工作時間進行標定。機床的高可靠性是提高機床的穩定性的前提，是實現加工的高效率和產品高質量的保證，國外機床的可靠性可以達到大約80000小時工作無故障，而國內的機床的可靠性僅為約10000小時工作無故障，在此項性能方面存在較大的差距。機床中容易產生故障的環節以 CNC系統的故障為主，其次是機床的空氣供給、流體供給和機電部件等的故障[35]。

（4）柔性化

數控雕銑機采用 CNC控制方法，更適合于個性化樣品的制造，多軸聯動的 CNC控制系統，更容易實現多樣化、個性化同類不同質工件加工所需的不同加工需求。3D設計和虛擬仿真技術、多軸聯動的數控仿真與數控加工技術的引入，必將為數控雕銑機的柔性化增添個性化的應用天地。

（5）智能化

目前，以日本FANUC和德國的SIEMENS公司為代表的極少數尖端企業，已經成功研發了完全自動流水線的完整解決方案，這也成為國內眾多同類企業努力的方向。流水線實現各種各樣的加工要求和工件檢驗與測試，滿足用戶即使不直接去加工現場，也可以通過網絡遠程監視整個加工工序，大幅削減人工費。同樣人工智能和智能制造的產業前景為數控雕銑機的高度智能化提出了更高的目標要求。

（6）復合加工

數控雕銑機擁有柔性化智能化的 CNC系統，很容易實現 CNC系統和電氣控制與機械系統的整合，可以滿足個性化、多樣化的處理要求。車銑復合加工是近年來在手機制造行業興起的一種新的加工技術，在車削加工過程中實現手機殼的雕刻加工。直線電機、直接驅動及控制等技術的出現，徹底改變了當前主流的伺服控制模式，減少了以往的機械能量損失和機械故障，加速了復合加工技術的快速發展。另外，智能伺服控制系統和高精度位置反饋設備的涌現，有力增強了機床的多功能復合目標進程，提高了自動化裝置的生產效率[36-38]。

隨著機械制造企業對高速切削機床需求的增加，電主軸、直線電機等關鍵技術的突破，促使數控雕銑機的電主軸綜合性能也在不斷提升，未來數控雕銑機的發展更趨向于：

1）更高的速度和剛度

軸承支撐、潤滑與冷卻和新材料等相關技術的飛躍式發展，促使高速數控加工成為業界實現機床高速化的持續研究課題。另外，由于主軸的高速化造成的主軸剛度降低，使得機床高速度的同時提高主軸剛度成為電主軸技術發展的重要方向[39-40]。

2）高速大功率、低速大轉矩

為了實現數控機床既能進行粗加工又能完成精加工的功能多樣化需求，高速的同時功率更大和低速時的大轉矩成為新型機床主軸必備的性能。著眼于全世界，開發高性能、大功率、高速的電主軸一直各國該領域學者競相探索的課題。

3）電動機形式的多元化

目前，感應電動機是國內外機床產業普遍采用的驅動形式，然而由于構造和工作原理的限制，加之工作狀態的不斷改變，機床長期保持理想工作效率很難實現。因此，開發新型電機是實現電主軸跨越式發展的前提。目前，市場上的永磁電機相比于感應電機具有更高的控制精度、更小的轉動慣量等優勢，成為未來機床的新寵[41-43]。