五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型技術(shù)分析

馬富東 李文龍

摘 要：機(jī)床構(gòu)型決定著機(jī)床的規(guī)格和性能，通過(guò)機(jī)床構(gòu)型的合理設(shè)置，可以使數(shù)控機(jī)床的適用范圍更加廣泛，加工對(duì)象更加多樣，能夠有效提高加工精度、加工效率和使用壽命，使數(shù)控機(jī)床可廣泛應(yīng)用于金屬塑性加工、激光焊接、激光切割、專機(jī)制造及實(shí)用教學(xué)等領(lǐng)域。文章將從專利申請(qǐng)態(tài)勢(shì)、專利申請(qǐng)流向分析、主要申請(qǐng)人等角度進(jìn)行分析，以供參考。

關(guān)鍵詞：五軸數(shù)控機(jī)床;專利分布;機(jī)床構(gòu)型

中圖分類(lèi)號(hào)：TG5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-1064（2021）08-106-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.053

機(jī)床構(gòu)型是五軸數(shù)控機(jī)床的機(jī)械主體，屬于數(shù)控機(jī)床的基礎(chǔ)部件，這部分是加工的主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，因此要求其具有剛性、抗震性能好、熱變形小等特性。由于數(shù)控機(jī)床是由數(shù)控系統(tǒng)編程提供加工指令的，因此機(jī)械結(jié)構(gòu)部件的制造幾何精度和加工中的彈性形變，無(wú)法人為的補(bǔ)償和調(diào)整。而對(duì)于整體剛性，往往取決于機(jī)床床身的架構(gòu)設(shè)計(jì)、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)件之間接觸表面大小及貼合性，以及鋼材的選擇。目前，對(duì)于機(jī)床主體的制造而言，國(guó)內(nèi)己經(jīng)達(dá)到一定水平，同時(shí)國(guó)內(nèi)有多家企業(yè)專門(mén)從事機(jī)床主體生產(chǎn)。根據(jù)其相關(guān)結(jié)構(gòu)，機(jī)床構(gòu)型主要可分為工作臺(tái)、擺頭、框架，其中工作臺(tái)的主要結(jié)構(gòu)形式有普通工作臺(tái)、并聯(lián)式工作臺(tái)和樞轉(zhuǎn)橋式工作臺(tái)，擺頭主要結(jié)構(gòu)形式有單擺結(jié)構(gòu)和雙擺結(jié)構(gòu)，機(jī)床框架最主要的設(shè)置形式為龍門(mén)結(jié)構(gòu)。同時(shí)，依據(jù)加工主軸的設(shè)置形式的不同，機(jī)床框架相應(yīng)的布局形式有立式結(jié)構(gòu)和臥式結(jié)構(gòu)。

1 主要申請(qǐng)人態(tài)勢(shì)分析

在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型技術(shù)領(lǐng)域，全球?qū)＠暾?qǐng)的目標(biāo)國(guó)和地區(qū)分布及各技術(shù)創(chuàng)新主體，還是集中在機(jī)床領(lǐng)域的主要生產(chǎn)國(guó)。例如中國(guó)的沈陽(yáng)機(jī)床、日本的發(fā)那科、美國(guó)的格里森、德國(guó)的德馬吉，均是全球重要的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)。其中，日本、美國(guó)、德國(guó)作為現(xiàn)代化工業(yè)強(qiáng)國(guó)，其在機(jī)床構(gòu)型技術(shù)領(lǐng)域的申請(qǐng)量較為接近，均占到全球申請(qǐng)總量的11%左右[1-4]。

圖1中顯示了在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型領(lǐng)域，全球?qū)＠暾?qǐng)量排名前十位的申請(qǐng)人。分析可知，申請(qǐng)人主要來(lái)自日本、中國(guó)、德國(guó)和美國(guó)。排在前三位的是日本森精機(jī)[4]、沈陽(yáng)機(jī)床和山崎馬扎克，作為五軸數(shù)控機(jī)床的專利申請(qǐng)大國(guó)，三者在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型方面也都處于領(lǐng)先地位。而同樣作為五軸數(shù)控機(jī)床專利主要申請(qǐng)者的牧野、格里森以及發(fā)那科，也都在機(jī)床構(gòu)型領(lǐng)域投入了大量的研發(fā)能力。位于第四位的是德國(guó)德克精密制造公司，其研制的高檔五軸數(shù)控磨削中心系列機(jī)床，在世界精密工具磨床技術(shù)領(lǐng)域一直占據(jù)領(lǐng)先地位[3]。國(guó)內(nèi)申請(qǐng)人如濟(jì)南二機(jī)床集團(tuán)有限公司和湖南中大創(chuàng)遠(yuǎn)數(shù)控裝備有限公司，國(guó)外申請(qǐng)人如津田駒和東芝，也有一定的申請(qǐng)量。國(guó)外申請(qǐng)人在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)，具有申請(qǐng)時(shí)間早、核心技術(shù)多的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)[5]，而該技術(shù)領(lǐng)域是五軸數(shù)控機(jī)床較為容易突破的技術(shù)領(lǐng)域。近幾年來(lái)，我國(guó)以沈陽(yáng)機(jī)床為代表的機(jī)床廠在該領(lǐng)域迅猛發(fā)展，已經(jīng)在國(guó)際上處于領(lǐng)先地位。

2 五軸數(shù)控機(jī)床擺頭結(jié)構(gòu)專利分析

國(guó)內(nèi)主要申請(qǐng)人關(guān)于擺頭結(jié)構(gòu)的申請(qǐng)情況，結(jié)合擺頭結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展和功效分析，目前研究著重于實(shí)現(xiàn)該效果的技術(shù)方向，主要為傳動(dòng)間隙消除、擺角行程優(yōu)化及振動(dòng)抑制三個(gè)方面。

在傳動(dòng)間隙消除技術(shù)方面，2010年之前基本集中于機(jī)械傳動(dòng)形式的改進(jìn)，2010年之后隨著電主軸和扭矩電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，申請(qǐng)方向集中于直驅(qū)形式實(shí)現(xiàn)擺頭驅(qū)動(dòng)以提高精度。針對(duì)擺角行程優(yōu)化以及振動(dòng)抑制的專利申請(qǐng)，雖然2010年之后相較之前申請(qǐng)量有所上升，但整體上申請(qǐng)量不足。反觀美、日等國(guó)的申請(qǐng)人，其在2010年之前已經(jīng)有相當(dāng)數(shù)量關(guān)于擺角行程優(yōu)化及振動(dòng)抑制方面的專利申請(qǐng);2010年之后，在擺頭技術(shù)申請(qǐng)整體減小的局面下，涉及傳動(dòng)間隙消除的結(jié)構(gòu)改進(jìn)方面的申請(qǐng)尤其減少嚴(yán)重;近年來(lái)，主要申請(qǐng)方向側(cè)重于擺角行程優(yōu)化及振動(dòng)抑制。

在擺頭結(jié)構(gòu)有關(guān)行擺角行程優(yōu)化及振動(dòng)抑制技術(shù)方面，目前日本申請(qǐng)人德瑪吉森精機(jī)、山崎馬扎克申請(qǐng)活躍度最強(qiáng)，筆者綜合考慮被引證頻次、同族專利情況，給出部分重點(diǎn)專利，并進(jìn)行相應(yīng)的解讀[6]。

公開(kāi)號(hào)-CN104736280

發(fā)明名稱–機(jī)床的內(nèi)徑車(chē)削附件

核心方案–機(jī)床，包括安裝工件并繞垂直軸旋轉(zhuǎn)的工作臺(tái)，位于該工作臺(tái)的上方，繞水平軸旋轉(zhuǎn)自如的主軸頭，內(nèi)置于該主軸頭中，裝卸自如地安裝工具并繞工具軸旋轉(zhuǎn)的主軸，以及通過(guò)專用的夾具機(jī)構(gòu)裝卸自如地安裝于主軸頭的附件。附件包括：附件座，具有向主軸頭進(jìn)行安裝的安裝部，固定在附件座下部的軀體，在附件安裝在主軸頭上時(shí)，軀體的下部與主軸的軸心正交，并構(gòu)成車(chē)刀架安裝面;安裝在該軀體的所述車(chē)刀架安裝面上的車(chē)刀架，車(chē)刀架具有能夠裝卸自如地安裝車(chē)削工具的工具安裝面，能夠變更工具安裝角度;工具安裝角度是安裝附件時(shí)，車(chē)刀架安裝面與工具安裝面構(gòu)成的角度。

3 五軸數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)專利分析

涉及工作臺(tái)的專利技術(shù)，申請(qǐng)人主要的關(guān)注方向?yàn)榧庸ぞ群图庸ば实奶嵘８鶕?jù)技術(shù)分解表，工作臺(tái)在形式上分為普通工作臺(tái)、橋式工作臺(tái)及并聯(lián)工作臺(tái)。而根據(jù)工作臺(tái)的結(jié)構(gòu)，尤其是普通工作臺(tái)和橋式工作臺(tái)，實(shí)現(xiàn)以上效果的技術(shù)主要為工作臺(tái)的驅(qū)動(dòng)方式，具體可分為蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動(dòng)、弧面凸輪驅(qū)動(dòng)以及電機(jī)直驅(qū)三個(gè)方面。

在工作臺(tái)技術(shù)方面的研究中，以沈陽(yáng)機(jī)床為代表的企業(yè)研究方向覆蓋范圍，主要集中在普通工作臺(tái)和橋式工作臺(tái)這兩種，而業(yè)內(nèi)的高校申請(qǐng)除了涉及普通工作臺(tái)和橋式工作臺(tái)的技術(shù)研究外，更集中在對(duì)并聯(lián)工作臺(tái)的研究。國(guó)內(nèi)的專利申請(qǐng)絕大部分集中于有關(guān)工作臺(tái)的蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動(dòng)和電機(jī)直驅(qū)，2010年之前基本集中于機(jī)械傳動(dòng)形式的改進(jìn)，但改進(jìn)基本在蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動(dòng)上，對(duì)于精度更高的機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)弧面凸輪驅(qū)動(dòng)，國(guó)內(nèi)申請(qǐng)較少;而2010年之后隨著電主軸和扭矩電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，申請(qǐng)方向集中于直驅(qū)形式實(shí)現(xiàn)工作臺(tái)驅(qū)動(dòng)以提高精度，而這些申請(qǐng)的技術(shù)主要集中在電機(jī)的布置方面，而在機(jī)械傳動(dòng)弧面凸輪驅(qū)動(dòng)方面的申請(qǐng)數(shù)量雖有所增加，但總體數(shù)量還是不足。反觀美、日等國(guó)的申請(qǐng)人，除了在蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動(dòng)和電機(jī)直驅(qū)方面有一定的申請(qǐng)外，其在弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的研究上相比國(guó)內(nèi)呈現(xiàn)出一定的優(yōu)勢(shì)。而縱觀國(guó)內(nèi)外在并聯(lián)工作臺(tái)方面的申請(qǐng)，國(guó)內(nèi)外企業(yè)的研究都 很少，尚屬于技術(shù)空白區(qū)。

在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)有關(guān)弧面凸輪驅(qū)動(dòng)的申請(qǐng)中，目前日本申請(qǐng)人株式會(huì)社三共制作的申請(qǐng)人活躍度最強(qiáng)，筆者綜合考慮被引證頻次、同族專利情況，給出部分重點(diǎn)專利，并進(jìn)行相應(yīng)的解讀。

公開(kāi)號(hào)-JP2002126958A

申請(qǐng)人-株式會(huì)社三共制作所

發(fā)明名稱–回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝置

核心方案–回轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝置，包括旋轉(zhuǎn)臺(tái)，旋轉(zhuǎn)臺(tái)在周邊部分徑向設(shè)置有多個(gè)凸輪隨動(dòng)件。這些凸輪從動(dòng)件與設(shè)置在從動(dòng)軸上的滾子齒輪凸輪齒輪嚙合。殼體中的間隙部分設(shè)置有用于潤(rùn)滑輥齒輪凸輪和凸輪從動(dòng)件的油，通過(guò)密封件和O形環(huán)，防止該油泄漏到旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)裝置的外部，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)的高精度旋轉(zhuǎn)，其能消除傳統(tǒng)的蝸輪蝸桿傳動(dòng)的間隙，實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

總體來(lái)說(shuō)，機(jī)床構(gòu)型屬于機(jī)床的基礎(chǔ)構(gòu)件，如同機(jī)床的“軀干”，其在一定程度上決定著五軸數(shù)控機(jī)床的規(guī)模和適用范圍。每臺(tái)五軸數(shù)控機(jī)床都會(huì)涉及構(gòu)型結(jié)構(gòu)的搭建，由此導(dǎo)致了機(jī)床構(gòu)型雖然基礎(chǔ)，但申請(qǐng)量相比其他分支更為突出的特點(diǎn)。

從專利申請(qǐng)角度來(lái)說(shuō)，我國(guó)關(guān)于五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型的專利申請(qǐng)，要晚于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家，不過(guò)近些年在申請(qǐng)量上有了顯著的增長(zhǎng)并超過(guò)了國(guó)外申請(qǐng)量[7]。在擺頭結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)申請(qǐng)總體集中于傳動(dòng)間隙消除的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而發(fā)達(dá)國(guó)家申請(qǐng)人目前的研究方向傾向于振動(dòng)抑制，我國(guó)申請(qǐng)人在該方面應(yīng)注重關(guān)注德瑪吉森精機(jī)及山崎馬扎克的相關(guān)專利申請(qǐng)和相關(guān)研究人員的研究成果;在工作臺(tái)結(jié)構(gòu)方面，中國(guó)申請(qǐng)總體集中在機(jī)械傳動(dòng)中的蝸輪蝸桿/齒輪傳動(dòng)和電機(jī)直驅(qū)方面的改進(jìn);發(fā)達(dá)國(guó)家申請(qǐng)人除了以上兩個(gè)方面外，在精度更高的機(jī)械傳動(dòng)弧面凸輪上的研究也比較多，而我國(guó)在這方面研究起步較晚，申請(qǐng)人在該方面應(yīng)注重關(guān)注株式會(huì)社三共制作所的相關(guān)專利申請(qǐng)和研究人員的研究成果;在并聯(lián)工作臺(tái)方面，國(guó)內(nèi)外企業(yè)研究的不是很多，尚屬于技術(shù)空白區(qū)，我國(guó)申請(qǐng)人也主要集中在高校，我國(guó)應(yīng)加大這方面的研究和突破，優(yōu)先進(jìn)行專利申請(qǐng)和布局，并進(jìn)一步加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)結(jié)合，將其投入產(chǎn)業(yè)應(yīng)用;在框架結(jié)構(gòu)方面，技術(shù)已經(jīng)較為成熟。

參考文獻(xiàn)

[1] 連昱.我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)的整體發(fā)展及國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力分析[D].北京：對(duì)外經(jīng)濟(jì)貿(mào)易大學(xué)，2016.

[2] The future of manufacturing： a new era of opportunity and challenge for the UK[EB/OL].[2016-1-30].https：//www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/255922/13-809-future-manufacturing-project-report.pdf.

[3] German Machine Tool Builders Association，VDW Market Report 2014[EB/OL].[2016-1-30].

[4] Japan Machine Tool Builders Association[EB/OL].[2016-1-30].http：//www.jmtba.or.jp/English.

[5] 及沖沖，屈文興.淺談中國(guó)數(shù)控機(jī)床產(chǎn)業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力與戰(zhàn)略研究[J].科技資訊，2014，12（21）：227.

[6] 王燕梅著.裝備制造產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀與發(fā)展前景[M].廣州：廣東經(jīng)濟(jì)出版社，2015.

[7] 王鵬主編.興國(guó)之器 中國(guó)制造2025[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.