第三次工業革命時代的機床制造技術創新——CIMT2013加工中心評述

本刊特約撰稿/Special Reporter of MT & MT 徐正平/XU Zhengping

第13屆中國國際機床展（CIMT2013）于4月22-27日在北京新國際展覽中心隆重舉行。本屆展會展出加工中心247臺，其中立式128臺，臥式50臺，五軸聯動41臺。

國產大型五面體加工中心的林立，是我國機床制造業技術進步的標志，早期的CIMT展會上，臺灣高明、亞葳展出的小龍門乃屬稀罕之物；而今沈陽、大連、三一、新瑞等高檔龍門爭奇斗艷，確實使國人揚眉吐氣。此外，國產臥加與五軸聯動展品越來越多，制作也越來越精，這亦意味著我國制造能力與市場需求的雙雙提升。

1 智能制造是技術創新的推手

世界進入21世紀后，據認是進入了第三次工業革命的時代。先進制造業是這個時代的象征之一，而智能化又是先進制造業的重要組成部分，它是集信息技術、光電技術、通信技術、傳感技術等為一體，推動著機床制造的不斷進步，從展會中也能窺見一斑。

在E2館DMG-MORI SEIKI展臺，陳列著一臺DIXI 210龍門五軸加工中心，主軸箱中裝有B、C驅動電動機，銑頭可立臥連續回轉。在Y軸上，置有Φ1 700 mm的C軸回轉工作臺，轉速12 r/min，承重8 t，機床X×Y×Z三向行程為1 800 mm×2 100 mm×1250 mm，主傳動44 kW。

DIXI是瑞士精密坐標鏜床的供應商，以加工高端精密機床著稱，它們被日本森精機收購后，如今3家又合在一起，此款機床由DIXI設計，在DMG的弗朗頓工廠裝配，并向中國出售了1臺。

DMG弗朗頓廠長Mr.Alfred Geissler和DIXI主管設計Mr.Tobias Steiner在展品旁和筆者介紹時（圖1），重點強調了這臺機床采用了空間誤差補償技術（Volumetric Compensation）。一般數控機床的調試，通常都用激光干涉儀，對X、Y、Z這三根直線軸進行運動軌跡測試，若有誤差就補償絲桿螺距。現在該機床的三維行程空間內，設定了6 000個受激光控制的點（圖2），而機床主軸裝上紅寶石測頭，當其與這些點在空間相遇時，激光就能測得空間位置偏差并予以補償糾正（圖3）。這項技術由西門子公司發明，日本MAZAK也予采用。

圖1 本文作者在DMG展臺

圖2 激光受控位置

圖3 空間誤差補償

圖4 熱變形控制

DIXI 210另一個關鍵技術是熱變形控制系統，以保證機床的穩定工作精度。在機床的主軸、滾珠絲杠、驅動電動機、變速箱等多處（圖4中的藍色區域），具有大流量率的大型冷卻裝置，所設的熱量控制點由傳感系統把關，一旦超過設定溫度范圍，就發指令給空調系統，讓溫度回調正常（圖4）。

由于采取了這些措施，而且導軌采用傳統的人工刮研，故機床的精度比原來提高3倍，各軸的定位精度為4 μm。

大連科德數控展出的各種加工中心，其定位精度能達到5 μm，重復定位精度為3 μm，甚至還可更高，這主要是該公司的機床反饋，采用專利產品激光光柵尺，故精度特別高。

日本安田公司YASDA展出的YBM6J高精度臥式坐標加工中心，帶有“機體溫度控制裝置”，在機床的底座、立柱、工作臺等處，用內冷卻液進行循環冷卻并通過溫度傳感系統，保證溫差變化在±0.2 ℃左右。這臺臥加在現場演示調頭鏜技術，其定位精度可達到2.0 μm和3.0 μm。

德國海德漢在展會上介紹智能控制技術比較全面，主要功能有：

集成的自適應進給控制功能（AFC-Adaptive Feed Control）。數控系統可按照主軸功率負載大小，自動調節進給速率。當AFC工作時，進給速率調節不是來自倍率調節旋鈕，而是來自主軸功率和其他工藝數據。這樣既可提高加工效率，同時也加強了刀具監控，以防刀具斷裂或磨損而受到損傷。

自動校準和優化機床精度（Kinematic Opt）

該功能是自動校準多軸機床精度的有效工具。當插入海德漢測頭后，探測循環可全自動測量機床旋轉軸，無論這個旋轉軸用在回轉工作臺上，還是用在擺動銑頭上，測量和補償過程全自動，即可長時間保證高精度的多軸加工（圖5）。

圖5 海德漢精度校正

智能顫紋控制（ACC-Active Chatter Control）

在數控加工過程中，由于主軸或切削力的變化，工件上會產生顫紋，海德漢數控系統的顫紋控制功能可以大幅減小工件表面的顫紋，并且能提高切削率25%以上，以降低機床載荷，并提高刀具使用壽命。

智能制造不僅表現在精度控制方面，同樣也反映在安全防護方面。以往開發的自適應控制，對工件毛坯體積進行設定，一旦出現與刀具干涉就馬上報警；另一種是扭矩設定，凡超出主傳動扭矩就停機報警；還有聽聲納，當測到刀片斷裂聲時，也可使機床停機。

日本大隈公司OKUMA介紹的MμLTμS BⅢ智能化復合加工中心，獨創了一種“防撞”功能，加工導航引索功能可以將加工參數導航到最佳的加工條件，防熱變形功能可以將熱位移控制在10 μm以下。而日本中村留公司的機床，除裝有規避碰撞的3D干涉檢測功能外，還具有所謂“氣囊”防撞技術，即在萬一發生相碰撞的瞬間，其絲杠有即時反轉功能，使刀具與工件雙雙后退，以免更大損傷。

瑞士GF阿奇夏米爾集團的智能加工，一切都是環繞提高工藝水平所進行的。隨著越來越高的機床動態特性和用戶對工件質量和精度更高的期望，實時控制切削工藝就顯得十分重要。GF阿奇夏米爾米克朗系列機床的智能加工模塊可以幫助用戶控制銑削工藝，以獲得更高的性能、更高的質量和安全性。

譬如說主軸，振動可由不同元件所引起。從同心度和刀具動平衡值開始到刀夾系統形式（熱縮刀柄、液壓膨脹刀柄和多棱夾緊刀柄）、主軸錐柄形式（HSK、DIN）和錐柄尺寸（HSK 32、40、63），再到主軸本身（電動機、軸承）等，系統中都存在固有振動，這也與主軸的轉速有關。

圖6 米克朗智能加工中心

為此，GF米克朗機床主軸中都裝有內置的稱為APS（高級工藝控制系統）的徑向加速度傳感器，可以測量實時振動。這些振動可以在控制系統中以圖形的方式顯示。利用設定的程序，可以將振動記錄下來，當達到了限定值時，會向操作員發出告警信號或停止加工（圖6）。

此外米克朗對機床的動態進給也研究得很深，尤其是對加速度的研究。他們發現除了公差，對于加工時間影響很大的重要參數是機床的動態量。定義機床動態特性時常被引用的量是速度（V=s/t）和加速度（a=v/t）。加速度越高，機床到達其編程進給速度的時間就越快。最大可達速度和加速度由整體傳動鏈（電動機、放大器、傳送帶、滾珠絲杠、編碼器、標尺）和機床的機械結構以及載荷分配決定。在使用傳統的滾珠絲杠傳動裝置時，配上工藝軟件，米克朗高速銑床各個軸上的加速度可達到14 m/s2。

該公司還有兩項專利智能軟件，一是高級工藝控制系統（APS），它能將振動降低到最小水平，以延長主軸的使用壽命，減少刀具的磨損和提高工件的表面質量。這個優點保證了批量生產或單件加工中自始至終的加工質量，并可降低生產者的總成本。

另一項是操作員輔助系統（OSS），使用者可以自行定義工件重量、材料和刀具路徑等。通過輸入刀具路徑，OSS就能夠在了解運動軌跡（長直線路徑或方向快速變化的短路線運動）的情況下，進一步自動優化機床動態特性。

2 綠色制造將漸成機床發展的主流

所謂第三次工業革命，這是由互聯網計算機通信技術與新能源的交匯所引發的，它將針砭前兩次工業革命所帶來的時弊去改進、去創新，尤其是針對環境污染及資源浪費問題，因此綠色環保勢必定是今后發展的一大趨向。

就像航空和汽車制造業那樣，機床的輕量化國際上已關注很久了，西班牙和意大利等許多廠商在研發零部件材料方面也取得很大進展，這次西班牙的達諾巴特在高端論壇上也作了發言。我國在機床輕量化結構單元特征研究與靜態性能分析等方面成績卓著，大連機床和大連理工合作，論文也已在《制造技術與機床》月刊上發表過。

德馬吉-森精機及AG等都致力于節能減排機床的開發，在這方面馬扎克（MAZAK）的介紹比較詳細。

MAZAK提出，為了機床能對地球更友善，他們設計的高效主軸電動機采用抑電消費，LED的照明系統節電效果也較好；為了省電，液壓單元為間歇式運行，以減少功率消耗，而主軸的冷卻單元，采用的是低噪聲逆變控制器，既降噪又省電；在潤滑及冷卻細節，MAZAK也不放過，盡量減少氣體和油料的使用量，主軸軸承部位及導軌運動面都采用油脂潤滑，并杜絕水和油混合使用。

在展會上，MAG亞太區總裁李黎先生向大家介紹了該公司開發的一套據稱是顛覆傳統方法的切削冷卻系統——“超低溫液氮冷卻切削技術”，他說：“這一技術的推廣使用將對機床和刀具行業產生革命性的沖擊，高效和高壽命將使機床和刀具的消費量降低，同時也會降低地球資源的消耗”。

金切機床在切削過程中所產生的切削熱，會導致刀具加工超硬材料時變得磨損快，故刀具消耗量也大，刀具消耗成本甚至可能超過機床的成本。而超低溫液氮冷卻切削技術的推出，可以實現通過主軸中心和刀柄中心在刀片切削刃部的微孔中噴出液氮，刀具切削產生的熱量被液氮氣化（液氮的沸點為零下320℃）的瞬間帶走，尤其是在超硬材料加工和復合材料加工上會有更好的效果，切削速度可以大大提高，刀具壽命也可以大大延長。

該技術對于環境也友好，通常機床的冷卻液或冷卻油不僅污染環境，同時需要回收處理，油霧處理不好甚至會出現燃燒起火等不安全狀況，而氮氣是安全氣體，自然排放到空氣中沒有任何污染，也不需回收。

無獨有偶，日本牧野（MAKINO）從節能環保角度發明了一種水霧冷卻系統，它比油霧冷卻更進了一步，因為油霧多少對環境有些影響，而水對人體、對環境沒有任何壞處。

這套水霧冷卻系統的原理是，采用高壓空氣和高濃稀釋的方式，將進水進行處理，最終達到高壓、高濃度和用量少的效果，對切削刀具冷卻，以實現高效率冷卻并起到節能環保之目的，故稱得上擁有完美平衡冷卻和潤滑的特點。其參數如下：噴咀直徑Φ3.2 mm，長徑比L/D=20，主軸轉速12 000 r/min，進給量0.4 mm/r，水霧噴射量≤18 ml/h。

圖7 采用新穎潤滑的牧野L2

牧野還在他們的L2臥加上（圖7），推出了一種微量精確潤滑裝置，可以使潤滑劑的使用量降到普通潤滑系統的5%以下，節能減排、環保效果顯著。

此裝置包括氣量調節閥、水氣分離器、電磁閥、氣動潤滑泵（包括儲油箱）、油氣混合裝置、進氣調節閥及油氣流出口等部件，結構簡單輕巧，工作可靠穩定。

微量潤滑噴油系統將壓縮氣體與極微量潤滑液混合汽化,大大減少刀具磨損，提高加工質量。該裝置適用于加工不銹鋼、鋁合金、銅合金等有色金屬以及特殊工藝和環保要求的黑色金屬加工的切削、攻絲、銑、鏜孔等需要潤滑的地方，也可用于加工導管閥座、凸輪軸孔等特殊孔系的精準潤滑。

3 創新是機床發展的不懈動力

發展是硬道理，當今科技發明日新月異，同樣反映在機床創新上面。對專業觀眾來說，可能更關心的是結構創新。

今年的MAZAK展臺上再次展出了柔性制造系統（圖8），但這條FMS是混線，與上屆展出的單線不同。所謂單線，即機床的品種規格基本相同；而混線即是多種機床搭配。

圖8 MAZAK-FMS

這條線由1臺高精度臥式加工中心HCN6800-II 和1臺Mazak第五代車銑復合加工中心INTEGREX i 630V以及帶有12個工作托盤的單層自動物流系統組成，可進行24 h無人化、自動化加工。這一完美結合，實現了簡單工件及復雜曲面工件的高精度、高效率加工，能靈活應對產品周期短的高柔性生產需求，為生產帶來革命性變化。網絡接口可與用戶的計算機網絡聯網，實現加工程序、加工信息相互傳遞，從而使整個系統數據共享，使數據處理傳輸高速化。

MAZAK FMS的模塊化設計及可拓展性是該系統的又一大創意。FMS內的各加工單元、自動物流傳輸線、托盤庫、自動排屑系統等均由總控臺控制，同時這些單元之間又可獨立運行。加工中心與FMS系統各模塊可以靈活組合，具有極強的可拓展性。當客戶的產品品種、產量等生產情況發生變化時不需要重新采購新的FMS，只需很小一部分投資，通過對原有FMS進行拓展即可輕松解決問題。

廣東東莞環球機械WIM展出的五軸鉆銑復合機床（圖9），其結構非常新穎特殊，這是在臥鏜基礎上將滑枕改成可進行A軸回轉（+15°～-25°），同時還在滑枕前端附加了一個支架頭，可對工件進行深孔鉆削加工。這臺專利產品尤為適合模具行業需要復合角度加工的零件，并有多種規格可供用戶選擇。

圖9 環球五軸鏜銑床

圖10 英賽五面加工中心

意大利英賽貝拉爾蒂股份公司以制造重型機床聞名于世。以往該公司的龍門加工中心在選用導軌時均采用靜壓導軌，而近年來開發的Atlas 1高速龍門加工中心，則采用了線性滾動導軌（圖10）。英賽稱這種設計新概念為FDC(柔性設計概念)，即機床能作靈活配置，如可配置五軸聯動頭，兩軸CNC萬能機械頭，其技術參數可選45 kW/1 300 N·m/6 000 r/min，對于兩軸CNC萬能銑頭采用電主軸時的參數為40 kW/280 N·m/1 500 r/min或60 kW/80 N·m/24 000 r/min。

這類機床在具有高剛性的前提下，又具有較高定位精度，完全可與靜壓導軌相媲美。在滑枕內的機械主軸參數為60 kW/2 000 N·m/4 000 r/min，此時滑枕的最大伸出長度為1 500 mm，機床還可以配有自動附件頭庫和自動換刀庫，高速龍門加工中心滑枕的最大行程可達2 000 mm，最大進給速度可達40 000 mm/min。

牧野的臥式加工中心，其工作臺設計經常翻花樣，在上一屆機床展上，他們把搖籃式轉臺轉了個90°，繞B軸搖擺。這次展出的一臺L2立加，其搖籃式轉臺由兩個小搖籃組成，不僅可以大搖擺，還可單獨各自搖擺，故排屑效果特別好（圖11）。

圖11 牧野工作臺

牧野另一臺臥加，其轉臺是沿45°方向回轉的，這是考慮到裝拆工件方便，因為當臥式主軸處于加工垂直裝夾的工件位置時，工作臺另一端就處于水平狀態，因此工件就不需垂直裝卸了。

圖12 威力銘刀庫

瑞士館的威力銘-馬科黛爾，他們展出的308S五軸加工中心，其環形刀庫居然安置在機床的頂部，由伺服電動機驅動上下。這種“抓取”型上層刀庫，除全面保護加工環境使其不受干擾（切屑、油、粉塵）外，還可通過刀庫安全門進行后臺手動更換刀具。由于刀具的更換是在刀庫底部進行，故這種設計既節約空間，又便于操作，更減少裝刀時間。該刀庫最大可容納28把刀具，刀柄錐度為HSK-E32（圖12）。

德國GROB公司的GA550系列五軸臥式加工中心，其機床布局是主軸X、Z向運動，工作臺Y向垂直運動，但該圓形工作臺能作兩軸聯動，B為360°，A為240°，工作狀態頗像人的手抓住工件去撫摸刀具那樣。機床定位精度0.006 mm，重復精度0.004 mm（ISO230-2），加工零件的表面粗糙度能達到1.6 μm（圖13）。

圖13 GROB臥加

復合加工當然也是我們所關注的重點，瑞士斯達拉格集團寶美公司(BUMOTEC)的S-191車銑插磨復合加工中心（圖14），是這次展會的靚點之一。該機床7軸數控，5軸聯動，以銑削功能為主，兼備強大車削、插削、磨削、槍鉆和旋風車銑等加工功能。S-191裝刀主軸和工件主軸均采用轉速高、功率大的電主軸技術，配備一系列控制主軸恒溫及振功等功能的相關裝置，保證其高速運行時的安全性及可靠性，核心的恒溫控制系統是寶美S-191的一大法寶。主軸功率15 kW，轉速達36 000 r/min；加裝氣動超高速主軸，轉速最高達150 000 r/min，可以驅動Φ0.8～80 mm直徑的砂輪，并且這些砂輪可以直接放入刀庫中。

圖14 S-191車、銑、插、磨加工中心

S-191采用直線電動機驅動線性軸，快移速度達到62 m/min，直線電動機是將電能直接轉變成直線機械運動的推力裝置，從而省去了通常電動機的一些傳動環節，使機床進給運動的傳動鏈縮短為零，故沒有內部機械摩擦，最大限度避免了傳統滾珠絲杠產生的間隙問題，具有很高的動態性能、移動速度和軸加速度，精度更高。X/Y/Z行程為400 mm/200 mm/410 mm，3個旋轉軸(A，C和B）也都是力矩電動機直接驅動，快速分度達90 000°/min，免維護。S-191的智能化背主軸可以伸縮及立臥轉換，即在臥式和立式位置上都可以加工，這樣無論工件的正面還是反面加工都和裝刀主軸都不會產生干涉問題。背主軸C和正主軸A通孔直徑最大Φ65 mm，功率15 kW，轉速6 000 r/min。單件加工時候可以裝配Φ140 mm卡盤。主機配備FANUC 31i-A5尖端納米級數控系統。

4 看不懂的未來機床

數控機床自上世紀50年代初誕生以來，迄今己有60多年了。那么這個數字控制的理念會不會發生變化呢？W3館中的貝加萊工業自動化（上海）有限公司，總經理肖維榮先生早在10多年前就斷言：“新一代開放的PLC將融合CNC并將最終替代它。”而今他更堅信這個觀點，因為CNC完全可以變成PLC或工業自動化系統中的一個模塊。

支撐其觀點的原委有3條：其一，這是迎合復合加工技術的需求，因為現代的機械制造業，產品的關聯技術越來越復雜，都會集成有CNC功能的運動控制。從更加廣泛的意義上講，即使一臺機器設備也不是獨立的，而將是一條生產線上的一部分。雖然我們看到的獨立的CNC機床依然存在，然而越來越多的CNC功能將被非機床機械所集成。

其二，是開放性需求。首先，信息化、數字化是制造業在產品質量、生產管理乃至企業管理的基本需求。向第三方設備開放接口并交互操作是要求CNC設備具備的條件。

其三，是個性化與大批量生產的需求。在現代化加工過程中，每一批訂單甚至每一臺機器都有客戶的個性化要求，這就意味著每一批訂單甚至每一臺設備的自動化方案都要進行定制。故一成不變的CNC系統自然是不能滿足要求的。獨立且封閉的CNC系統終將會退出舞臺。

其四，是迎合PLC為主的程控系統的發展需求。當今以PLC為代表的程控系統，其功能之強大已經使可編程邏輯控制器幾乎模糊了其本來的含義。程控系統已經發展成平臺，運動控制就是這個平臺的一個子系統。通用運動控制(Generic Motion Control)是面向機器全局運動控制的子系統，控制器可以靈活地由PC，PLC，HMI或驅動器擔任，而控制對象也不局限于伺服電動機，可以是液壓控制軸、異步電動機、直線電動機、扭矩電動機，也不僅僅局限于定位控制，而是將傳統的邏輯、定位與同步控制、CNC插補、機器人、實時通信等融為一體，在一個架構下實現機器的無縫連接。

故總結起來，數控系統在向多功能、個性化和開放性發展，逐漸成為了程控系統的一個子系統。也就是說，數控系統不再單單是數控系統，而是制造業自動化的一部分，如果僅僅是數控系統，會變得沒有前途。

提起第三次工業革命，很多人會與3D打印聯在一起，甚至認為第三次工業革命就是3D打印。

3D打印技術有很多種，大致有激光粉末成型法、熔融塑料成型法、光敏樹脂成型法等幾種，技術原理是無論何種成型法，都是采取原料加層方法形成3D物體，每次打印一層材料只有0.1～0.2 mm厚，與2維打印機相比，3D打印機多了一維，即Z軸，通過X-Y-Z軸的運動，將原料逐層堆積而成，如熔融塑料成型法，噴嘴噴出熔融的塑料絲，承物平臺作3維運動，即可堆積出3D實物（等于一層層粘上去）。

在這次展會中，香港寶力機械展出了兩臺三維打印快速成型機，在現場打印塑料零件。E4館英國雷尼紹RENISHAW公司，用一個櫥窗展出了許多金屬零件，甚至是鈦合金（圖15）。

雷尼紹的快速成型技術，也是包含了激光熔融、真空鑄造以及注塑成型等多項技術。激光熔融是全數字快速成型制造工藝，利用激光聚焦能量將金屬粉末熔化制成三維實體。

圖15 雷尼紹3D打印展品

圖16 作者和梁訓瑄會長

湊巧得很，筆者在展會期間的不同場合，遇上了梁訓瑄（圖16）、于成廷和吳柏林等三位協會領導，并向他們討教了對增材制造的看法。他們不約而同地回答我說，這是一項值得關注的新穎技術，但能否稱得上是機床，目前還不好說，因為標準化術語亦尚未下定義，因此不妨留心關注。我國在這方面的研究成果也不少，高端金屬零件也能打印出來。

有趣的是于4月23日下午，在DMG-MORI SEKI新聞發布會上，森精機總裁在回答有關3D打印問題時，其回答亦是所見略同，認為這項新技術值得肯定，但沒表態要花大力氣去研發。

圖17 軌道銑磨車SF03-FFS-MOR-CHINA

當然，在新的工業革命時期，憑借人的智慧，創新是無窮的，機床或將變得讓人們越來越看不懂了。奧地利研制出的鐵道銑磨車（圖17），前面車輪是銑刀盤，把磨損的導軌銑平，后面的輪子上裝有砂輪，可將銑平后的軌導再修毛剌及磨光。

德國茲默曼Zimmermann則更為夸張，他們在展會上貼出奧特曼機床的廣告（圖18），機器人的雙手可抓著兩個該公司獨創的A、B、C三軸聯動銑頭，可隨心所欲地進行任意加工。

圖18 奧托曼機床030

發展是硬道理，如果瞻望加工中心的前景，筆者始終認為大隈公司的總結是相當精辟的，他們說今后的加工中心是SPACE CENTER，當然這個SPACE不是指太空，而是5個詞頭的縮寫：

高速——SPEED，高效——POWER，高精度——ACCURACY，通訊-——COMMUNICATION，環保——ECOLOGY。

展海拾貝，只能掛一漏萬；水平有限，難免謬誤成堆，歡迎大家不吝指正。最后愿我們一起努力，共同為中國機床的夢想成真，繪上重彩一筆。