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)制造及實用教學(xué)等領(lǐng)域。文章將從專利申請態(tài)勢、專利申請流向分析、主要申請人等角度進(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

中圖分類號：TG5文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：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，無法人為的補(bǔ)償和調(diào)整。而對于整體剛性，往往取決于機(jī)床床身的架構(gòu)設(shè)計、傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計、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，對于機(jī)床主體的制造而言，國內(nèi)己經(jīng)達(dá)到一定水平，同時國內(nèi)有多家企業(yè)專門從事機(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、擺頭、框架，其中工作臺的主要結(jié)構(gòu)形式有普通工作臺、并聯(lián)式工作臺和樞轉(zhuǎn)橋式工作臺，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)置形式為龍門結(jié)構(gòu)。同時，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 主要申請人態(tài)勢分析

在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型技術(shù)領(lǐng)域，全球?qū)＠暾埖哪繕?biāo)國和地區(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。例如中國的沈陽機(jī)床、日本的發(fā)那科、美國的格里森、德國的德馬吉，均是全球重要的機(jī)床生產(chǎn)企業(yè)。其中，日本、美國、德國作為現(xiàn)代化工業(yè)強(qiáng)國，其在機(jī)床構(gòu)型技術(shù)領(lǐng)域的申請量較為接近，均占到全球申請總量的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)＠暾埩颗琶笆坏纳暾埲?。分析可知，申請人主要來自日本、中國、德國和美國。排在前三位的是日本森精機(jī)[4]、沈陽機(jī)床和山崎馬扎克，作為五軸數(shù)控機(jī)床的專利申請大國，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]。國內(nèi)申請人如濟(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，國外申請人如津田駒和東芝，也有一定的申請量。國外申請人在五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型領(lǐng)域的專利文獻(xiàn)，具有申請時間早、核心技術(shù)多的特點和優(yōu)勢[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，我國以沈陽機(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

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

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

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

公開號-CN104736280

發(fā)明名稱–機(jī)床的內(nèi)徑車削附件

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，位于該工作臺的上方，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，軀體的下部與主軸的軸心正交，并構(gòu)成車刀架安裝面;安裝在該軀體的所述車刀架安裝面上的車刀架，車刀架具有能夠裝卸自如地安裝車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，車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)床工作臺專利分析

涉及工作臺的專利技術(shù)，申請人主要的關(guān)注方向為加工精度和加工效率的提升。根據(jù)技術(shù)分解表，工作臺在形式上分為普通工作臺、橋式工作臺及并聯(lián)工作臺。而根據(jù)工作臺的結(jié)構(gòu)，尤其是普通工作臺和橋式工作臺，實現(xiàn)以上效果的技術(shù)主要為工作臺的驅(qū)動方式，具體可分為蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動、弧面凸輪驅(qū)動以及電機(jī)直驅(qū)三個方面。

在工作臺技術(shù)方面的研究中，以沈陽機(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和橋式工作臺這兩種，而業(yè)內(nèi)的高校申請除了涉及普通工作臺和橋式工作臺的技術(shù)研究外，更集中在對并聯(lián)工作臺的研究。國內(nèi)的專利申請絕大部分集中于有關(guān)工作臺的蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動和電機(jī)直驅(qū)，2010年之前基本集中于機(jī)械傳動形式的改進(jìn)，但改進(jìn)基本在蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動上，對于精度更高的機(jī)械傳動結(jié)構(gòu)弧面凸輪驅(qū)動，國內(nèi)申請較少;而2010年之后隨著電主軸和扭矩電機(jī)技術(shù)的發(fā)展，申請方向集中于直驅(qū)形式實現(xiàn)工作臺驅(qū)動以提高精度，而這些申請的技術(shù)主要集中在電機(jī)的布置方面，而在機(jī)械傳動弧面凸輪驅(qū)動方面的申請數(shù)量雖有所增加，但總體數(shù)量還是不足。反觀美、日等國的申請人，除了在蝸輪蝸桿/齒輪驅(qū)動和電機(jī)直驅(qū)方面有一定的申請外，其在弧面凸輪驅(qū)動的研究上相比國內(nèi)呈現(xiàn)出一定的優(yōu)勢。而縱觀國內(nèi)外在并聯(lián)工作臺方面的申請，國內(nèi)外企業(yè)的研究都 很少，尚屬于技術(shù)空白區(qū)。

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

公開號-JP2002126958A

申請人-株式會社三共制作所

發(fā)明名稱–回轉(zhuǎn)工作臺裝置

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

總體來說，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。每臺五軸數(shù)控機(jī)床都會涉及構(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)，但申請量相比其他分支更為突出的特點。

從專利申請角度來說，我國關(guān)于五軸數(shù)控機(jī)床構(gòu)型的專利申請，要晚于歐美工業(yè)發(fā)達(dá)國家，不過近些年在申請量上有了顯著的增長并超過了國外申請量[7]。在擺頭結(jié)構(gòu)方面，中國申請總體集中于傳動間隙消除的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，而發(fā)達(dá)國家申請人目前的研究方向傾向于振動抑制，我國申請人在該方面應(yīng)注重關(guān)注德瑪吉森精機(jī)及山崎馬扎克的相關(guān)專利申請和相關(guān)研究人員的研究成果;在工作臺結(jié)構(gòu)方面，中國申請總體集中在機(jī)械傳動中的蝸輪蝸桿/齒輪傳動和電機(jī)直驅(qū)方面的改進(jìn);發(fā)達(dá)國家申請人除了以上兩個方面外，在精度更高的機(jī)械傳動弧面凸輪上的研究也比較多，而我國在這方面研究起步較晚，申請人在該方面應(yīng)注重關(guān)注株式會社三共制作所的相關(guān)專利申請和研究人員的研究成果;在并聯(lián)工作臺方面，國內(nèi)外企業(yè)研究的不是很多，尚屬于技術(shù)空白區(qū)，我國申請人也主要集中在高校，我國應(yīng)加大這方面的研究和突破，優(yōu)先進(jìn)行專利申請和布局，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)

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

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[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.興國之器 中國制造2025[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.