机床指示与测量系统技术综述

杨晓

摘要：利用VEN数据库，以筛选得出的数控机床指示与测量系统专利文献为基础，从申请量，申请人，关键技术等方面进行统计分析，并举典型专利对具体技术分支进行阐述。

关键词：指示；测量系统；专利分析

一、机床指示与测量技术简介

随着数控机床朝着自动化、集成化、信息化、绿色化的趋势发展，机床工作中的感知、分析、决策等重要环节都离不开机床指示与测量技术，数控机床指示与测量系统的研究急需增强。数控机床中，刀具磨损、数控机床健康状态、几何量、智能传动装置及油液状态等都需要精密的测量与指示，以此来提高机床的使用寿命以及工件的加工精度，指示与测量的方向主要分为以下几类：温度、油液状态、切削力、振动、几何形状、噪音等。

二、相关专利申请情况

在国际专利分类表中，机床的指示或测量装置主要集中在B23Q这一大类中，该大类下包含B23Q 17/00（机床上的指示或测量装置）、B23Q 17/09（用于指示或测量切削压力或切削刀具状态的，例如切削性能，刀具负荷）、B23Q 17/10（用于指示或测量切削速度或转数的）、B23Q 17/12（用于指示或测量振动的）、B23Q 17/20（用于指示或测量工件特性的，如轮廓，尺寸，硬度的）、B23Q 17/22（用于指示或测量刀具或工件现有的或要求的位置的）、B23Q 17/24（使用光学的）；这些分类号基本涵盖了机床指示或测量方面的所有专利。

本文使用VEN数据库，以上述IPC分类号，以及机床、工件、刀具、指示、测量等关键词进行限定，经过筛选得出样本数据，截止到2019年2月27日，有關机床指示与测量系统的专利申请数量共2440件。其中，机床指示或测量系统有关的专利申请，从1999年才开始出现，之前没有相关的专利文献，19992015年，机床指示或测量系统的全球专利申请量基本上呈逐年增加的趋势，其中，2015年的申请量达到一个数量最高点，2015年2017年，机床指示或测量系统的全球专利申请量呈逐渐下降的趋势。

我国机床指示或测量技术的研究起步较晚，虽然在21世纪后，中国的发展明显加快了步伐，但是相较于国外，国内在指示或测量技术的发展方面与国外仍有一定差距，通过对各国家就指示或测量技术的申请量以及相关技术分类进行了统计分析，从各国申请数量上可看出日本的申请量明显多于其他各国的申请量，随后是德国、美国以及中国，其中日本与德国的申请总量相近，是除美国、中国外，其他各国申请量总量的两倍。在国外申请人方面，经过前面的比较分析后，可以清晰地认识到指示或测量技术的发展主要在日本，利用标引的结果对主要申请人/公司在指示与测量领域的申请量进行统计，发现日本的发那科株式会社、大隈株式会社、日本精工株式会社在该领域申请的专利比重最多，其中以发那科公司的申请量最多。其中对工件几何形状的测量申请量几乎占到全部申请量总量的一半，对误差补偿技术的研究也占很大的比例，而对简单直观的温度、油液状态、切削力的具体测量与指示技术，相关的专利申请量较少，可以看出该公司的研究智能化程度较高，指示与测量系统的研究趋于智能化，且加工精度较高。

三、主要研究热点分析

通过对各申请量的技术类别进行比较分析，其中归入B23Q的申请量达到了总申请值的46.6%，而归入G部G05B与G01B的申请量分别达到了总申请值的14.32%与10.72%，归入B23B与 B24B的申请量分别达到了总申请量的9.4%与4.47%；即关于机床指示或测量的申请，全部都归入B部与G部，且归入B部的申请量高达总申请量的60%以上。

关键技术分支包括刀具磨损、机床健康状况（振动、负载、位移、温升）、几何量、传动（速度、加速度、磨损、噪声）和油液状态这五个指示与测量方向。

刀具损坏的在线监测有多种方法，包括切削力、振动、声发射信号、电流和功率、切削温度、表面粗糙度、声音监测等。2005年5月22日，日本天田株式会社提交了一份申请号为JP2015104310的专利，记载了一种刀具磨损评价装置，用于评估工具的磨损状态。如果机床出现故障会对液压油箱、主轴箱等关键设备的物理状态造成巨大影响，在这种情况下，机床的健康状况通常通过振动、负载、位移、温升等形式来判断。2015年9月11日，日本发那科株式会社提交了一份申请号为JP2015180157的专利，记载了一种振动分析装置，该装置通过计算在利用机床对工件进行加工的期间中产生的振动的周期，来分析机床的健康状态。机器视觉系统基于机器视觉原理，将被拍摄目标转化为图像信号，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转变成数字信号，并对这些信号进行进一步运算以提取目标的特征，最终得到检测结果或者根据判断的结果，用于实际测量、检测及控制。2015年8月25日，大连理工大学提交了一份申请号为CN201510526767.2的专利，记载了一种基于显微视觉的跨尺度几何参数测量方法，该测量方法利用双目显微视觉系统采集待测零件特征图像，经显微视觉标定、图像特征提取匹配以及局部坐标系与机床坐标系解算三个步骤，最终实现几何参数的快速测量。油液状态监测的参数包括几个方面：理化性能监测、污染度监测、金属磨粒监测等。2007年9月17日，挪威科诺普提卡股份有限公司提交了一份申请号为NO07000326的专利，记载了一种旋转零件的位置和变化的探测方法及设备，通过该设备确定旋转零件任何具有污染物的位置，并且之后消除或补偿所述旋转零件上存在的这种污染物的影响。

四、总结与展望

通过统计分析，最近10年全球对于机床指示与测量系统的研究有了放缓的态势，该领域的创新性有所减少，这与现在研究智能化程度不高相关联，人工智能方法还需要进一步的完善与优化，对数控机床的指示与测量技术的研究还需要投入大量的工作。基于国外目前的发展现状，国内申请人可以在该领域寻找具有潜力的研究起点，避免重复劳动和浪费投资，且应加强科研院所与企业的合作，充分利用二者各自的优势，推动国内在该领域的知识产权发展。