数控机床加工中心技术研究

张明辰 王坤

摘 要：高档数控机床，特别是数控机床加工中心，作为高档数控机床的最高水平，其在加工方面有着不可替代的优势。本文从全球角度出发，对数控机床加工中心技术的原理和分类作了梳理，找出国内外研发主体的技术发展异同，给出进一步发展数控机床加工技术的建议。

关键词：数控机床;领先企业;发展模式

中图分类号：TG659文献标识码：A文章编号：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

随着我国国民经济和制造业的快速发展，对高档数控机床提出了迫切的、大量的需求，特别是数控机床加工中心，作为高档数控机床的最高水平，其在加工方面有着不可替代的优势，被广泛应用于航空航天、高技术船舶、轨道交通等重点制造业领域。但是，国内对数控机床加工中心的研究和应用起步较晚，加上数控机床加工中心的技术难度较大，以及西方工业发达国家将相关重点技术作为战略物资实行出口许可证制度，长期在技术和产品方面对我国实行限制封锁，导致我国数控加工技术与德国、日本等工业发达国家相比存在较大差距，国产数控机床加工中心在功能和性能上仍不够完善，在一定程度上制约我国装备制造业的发展水平[1，2]。

数控机床通常由控制系统、伺服系统、检测系统、机械传动系统及其他辅助系统组成。控制系统用于数控机床的运算、管理和控制，通过输入介质得到数据，对这些数据进行解释和运算并对机床产生作用;伺服系统根据控制系统的指令驱动机床，使刀具和零件执行数控代码规定的运动;检测系统则是用来检测机械执行件的位移和速度变化量，并将检测结果反馈到输入端，与输入指令进行比较，根据其差别调整机床运动;机械传动系统是由进给伺服驱动元件至机床执行件之间的机械进给传动装置;辅助系统种类繁多，如固定循环、自动换刀等。为了研究数控机床加工中心专利申请在国内外的发展情况，首先要明确数控机床加工中心的技术特点，加工中心（Machining Center）是随着数控机床的发展而随之产生的。从技术演变上来说，加工中心是从数控铣床发展而来的，与数控铣床的最大区别在于其具有自动交换加工刀具的能力，通过在刀库上安装不同用途的刀具，可在一次装夹中通过自动换刀装置改变主轴上的加工刀具，可實现铣、钻、镗、车等多工序加工，其“柔性”大，更换产品方便，能实现中小批、多品种柔性生产自动化，克服了高效自动化机床、自动生产线的“刚性”缺点，使用范围广，数量增加较快。

数控机床的零部件主要包括机床构型、传动驱动结构、控制、测量指示和附件。机床构型是数控机床的机械主体。根据其相关结构，将机床构型进一步细分为工作台、框架、摆头和刀库。数控机床通常所采用的传动驱动分为电动、气动和液压三种形式。控制是五轴数控机床的核心，其主要功能是将加工信息数据用计算机处理之后，控制机床的动作。根据控制采用的技术手段，将控制进一步细分为误差补偿、基于工件特征、人机交互和控制结构。测量指示单元是用于检测和指示机床状态的重要部分。按照测量对象，可将测量指示进一步分为刀具状态、机床状态、工件特性。附件是用于保持机床部件或刀具良好的工作状态或者有关机床安全的构件。根据构件所起的作用，将附件进一步细分为安全防护、排屑和冷却。

2 数控机床的发展

随着数控机床的发展，加工中心（Machining Center）随之产生并高速发展。加工中心是用于加工复杂形状工件的一种高效率自动化机床，其将传统的机械设备与现代数控系统有效结合起来，实现了工件一次装夹后即可进行铣削、钻削、镗削、铰削和攻丝等多种工序的集中组合加工。加工中心的自动化集成高、效率优，尤其对形状比较复杂、精度要求较高以及更换相对频繁的工件，加工中心具有良好的加工效率及经济效益。加工中心不仅是衡量一个国家科技发展水平的重要标志，也是国际间科技竞争的重点。

随着经济的飞速发展和工业自动化水平的不断提高，制造业向着高、精、尖方向发展，特别是汽车、船舶、电子技术、航空航天的迅猛发展，对加工中心的速度、精度和生产效率要求也越来越高，主轴转速在12 000r/min以上、移速度大于40m/min的高效、高精、高速化加工中心已经成为数控机床行业流行的趋势。此外，打破工艺界限，机床的复合加工也是当今数控机床发展的一大趋势。同时，随着人工智能技术的发展，为了满足制造业生产柔性化、制造自动化的发展需求，加工中心的智能化程度不断提高。

3 数控机床领先企业

3.1 日本发那科（FANUC）

日本的發那科（FANUC）公司创建于1956年，是当今世界上数控系统科研、设计、制造、销售实力最强大的企业，其占据全球70%的市场份额。在数控机床加工中心的专利申请方面，发那科的申请量也高居世界第一位，主要集中在控制方面。使用刀尖位置数据和表示字符或图案的数据来获得工具中心轴的方向，再使用点的坐标和工具中心轴矢量来创建同时用于五轴控制的NC数据。

在其后的发展中，发那科针对如何提升数控系统的加工精度以及加工效率进行着重研发。其中，对于如何提高加工精度，发那科主要研发了利用控制刀具以及利用控制方法进行运动补偿以及优化插补方法，通过设置驱动轴的加速度参数不超过CPU容量，减少轨迹误差。通过曲线内插方法分割成直线轴与转动轴，分别求出修正指令，并合成直线轴用修正指令点和转动轴用修正指令点的各成分求出合成修正指令点，生成并插补通过该合成修正指令点的曲线。发那科还重点关注如何修正刀尖位置以及如何提高加工过程中的实时显示能力，使用实际的反馈信息，使刀具前端的运动轨迹能在视觉上被识别，从而显示刀具相对于工件的进给方向。同时，可在刀具的运动轨迹上实时地显示伺服轴的转速，从而能根据刀具的不同轨迹点位置来调整伺服轴的转速，以便进一步改善加工精度。此外，发那科还通过优化加工路径中特殊点的加工过程来提高加工效率，能在加工过程中准确地根据刀具角度的变化来调整刀具转速，从而使加工过程更加顺畅，并缩短加工时间，避免加工路径中特殊点处的刀具转速调整过大，从而优化加工过程中刀具转速的调控，缩短加工时间。

3.2 德国德玛吉（DMG）

德国德玛吉（DMG）集团是全球领先的切削机床制造商，生产销售有DMG五轴联动立式加工中心，共有DMP、DMC、DMU、DMF、HSC五个系列。德国DMG集团在五轴数控机床方面的全球专利申请量位居第5，专利布局在各主要生产、使用和销售大国。德国DMG集团专利申请中最主要的技术分布在控制方面，在附件排屑和传动驱动方面也有所涉及。

在控制方面，基于工件特征，通过侦测工件夹持情形确定当前状态与目标状态间的偏差，依据偏差对确定的控制数据进行变换来产生变换控制数据，避免刀具错误或不精确加工。针对齿轮加工，根据预设的齿根面几何形状确定接触斑点区域，确定参数以改变预设的齿根面几何形状，根据修改的齿根面几何形状生成控制数据，避免后处理，通过基本几何形状参数生成几何形状数据，并以此生成路径数据。刀具的旋转轴通过第一行对应各个点的所在列的共同平面自我定向，避免刀具的固定转轴运动以及增大刀具磨损问题。另外，基于人机交互，实现数控加工的可视化、可控化。在排屑方面，通过合理设置排屑槽的位置，增强收集和移除积聚碎屑的能力;在传动驱动方面，设置用于固定机床的铣刀头的收容装置，实现单个机床滚铣形成齿轮。

3.3 华中科技大学

华中科技大学是一所综合研究型大学，很早就对大批量生产自动线和各类专用机床进行研究，其数控技术和数控系统的研究与开发在国内处于领先水平，研究成果转化形成相当规模的产业。

华中科技大学在数控机床加工中心领域的专利申请量位列国内第二，对控制方面的技术有较全面的发展。通过对刀具路径进行规划，获得较优的加工路径，提高了切削效率和加工质量;满足多轴数控机床的后置处理需求，具有求解速度快、求解精度高的优点;考虑机床几何结构误差的多轴数控加工后置处理方法，弥补了传统后置处理方法的不足，可以实现包含机床几何结构误差的多轴后置处理，有助于提高机床加工过程中的运动精度，提高零件加工质量;利用弱刚性刀具加工，使刀具变形，有效减少或抑制零件尺寸超差，确保一次成型，无需多次复切，保证了加工效率和加工精度;实现机床故障时运行状况以及数控面板操作记录等的直观显示和查看，为数控机床的维护维修提供参考，并提升了数控机床的维修效率。

3.4 沈阳机床

沈阳机床（集团）有限公司是国内最大的金属切削机床制造企业，涵盖加工中心、激光切割机等数控机床以及普通车床、卧式镗床等普通机床。沈阳机床非常重视数控机床加工中心的产品研发与专利保护，是国内申请人在该领域申请量最多的公司。

沈阳机床在加工中心领域布局的专利数为88件，其中62件授权，但有效案件为47，占授权案件的75%，可见沈阳机床对专利布局比较重视。其中，机床零部件的专利申请量占48%，车镗削技术及测控技术的专利申请量占比分别为25%和19%，而其他铣削、磨削技术领域的专利申请量所占比重则比较低。由此可见，沈阳机床在车镗削技术、测控技术和机床零部件技术这三个领域具有一定的技术积累和研发实力，同时也表现出这三个技术领域是沈阳机床当前研发的热点方向。

4 数控机床发展新模式

“共享经济”是互联网发展的重要趋势和方向。随着信息技术从移动通信进入制造领域，加之“共享经济”浪潮席卷我国各行各业，机床行业也可探索一条共享发展之路。在装备制造业智能化发展的大背景下，沈阳机床突破束缚，抓住机遇，探索出“共享机床”发展新模式，成为转型升级的一个全新破题点。“共享机床”应用“共享经济”的发展模式，对于供给方来说，通过在特定时间内让渡物品的使用权或提供服务，来获得一定的金钱回报;对需求方而言，不直接拥有物品的所有权，而是通过租、借等共享的方式使用物品。

沈阳机床拥有原创数控系统i5核心技术。“共享机床”概念具体为政府出地出厂房、沈阳机床提供设备和服务，让创业者可以享受到共享经济资源合理化服务，并通过借助互联网跨时空、无边界和促共享的特性，推出新型的共享商业模式——“租赁模式”。沈阳机床不再以传统的机床买卖、加价销售、赚取利润为主，而是以“零首付”把机床租赁给客户，按小时或者按加工量收费，结算的依据是机床运转所传输回来的数据。这些通过“租赁模式”买卖的i5智能机床便是“共享机床”，由i5核心技术、智能机床产品、智能工厂、云平台制造及金融租赁模式共同构成了沈阳机床的i5智能制造新工业体系。凭借这一创新发展体系，沈阳机床正在逐渐转型，成为数控系统提供商和工业制造服务商，使得机床产品不仅是工具，更是智能数据终端，i5智能机床由此打造整个工业领域的服务和分享模式。

5 结语

目前，日、德多家企业的技术实力领跑全球，而我国正在处于追赶和突破阶段。全球领先企业主要来自日本和德国。在加工中心技术方面，全球领先企业是发那科、山崎马扎克、德玛吉，其所生产的五轴联动高档数控机床在加工精度保持性及加工速度可靠性方面均处于世界领先水平;国内高档数控机床企业的技术实力同全球领先企业存在一定差距，通过不断地进行创新，差距正在逐步缩小。

参考文献：

[1]马宏伟.数控技术[M].北京：电子工业出版，2010.

[2]蕊阳.机床工业亟须发展五轴数控技术[J].航空精密制造技术，2005（4）：1-6.