機床指示與測量系統技術綜述

楊曉

摘要：利用VEN數據庫，以篩選得出的數控機床指示與測量系統專利文獻為基礎，從申請量，申請人，關鍵技術等方面進行統計分析，并舉典型專利對具體技術分支進行闡述。

關鍵詞：指示；測量系統；專利分析

一、機床指示與測量技術簡介

隨著數控機床朝著自動化、集成化、信息化、綠色化的趨勢發展，機床工作中的感知、分析、決策等重要環節都離不開機床指示與測量技術，數控機床指示與測量系統的研究急需增強。數控機床中，刀具磨損、數控機床健康狀態、幾何量、智能傳動裝置及油液狀態等都需要精密的測量與指示，以此來提高機床的使用壽命以及工件的加工精度，指示與測量的方向主要分為以下幾類：溫度、油液狀態、切削力、振動、幾何形狀、噪音等。

二、相關專利申請情況

在國際專利分類表中，機床的指示或測量裝置主要集中在B23Q這一大類中，該大類下包含B23Q 17/00（機床上的指示或測量裝置）、B23Q 17/09（用于指示或測量切削壓力或切削刀具狀態的，例如切削性能，刀具負荷）、B23Q 17/10（用于指示或測量切削速度或轉數的）、B23Q 17/12（用于指示或測量振動的）、B23Q 17/20（用于指示或測量工件特性的，如輪廓，尺寸，硬度的）、B23Q 17/22（用于指示或測量刀具或工件現有的或要求的位置的）、B23Q 17/24（使用光學的）；這些分類號基本涵蓋了機床指示或測量方面的所有專利。

本文使用VEN數據庫，以上述IPC分類號，以及機床、工件、刀具、指示、測量等關鍵詞進行限定，經過篩選得出樣本數據，截止到2019年2月27日，有關機床指示與測量系統的專利申請數量共2440件。其中，機床指示或測量系統有關的專利申請，從1999年才開始出現，之前沒有相關的專利文獻，19992015年，機床指示或測量系統的全球專利申請量基本上呈逐年增加的趨勢，其中，2015年的申請量達到一個數量最高點，2015年2017年，機床指示或測量系統的全球專利申請量呈逐漸下降的趨勢。

我國機床指示或測量技術的研究起步較晚，雖然在21世紀后，中國的發展明顯加快了步伐，但是相較于國外，國內在指示或測量技術的發展方面與國外仍有一定差距，通過對各國家就指示或測量技術的申請量以及相關技術分類進行了統計分析，從各國申請數量上可看出日本的申請量明顯多于其他各國的申請量，隨后是德國、美國以及中國，其中日本與德國的申請總量相近，是除美國、中國外，其他各國申請量總量的兩倍。在國外申請人方面，經過前面的比較分析后，可以清晰地認識到指示或測量技術的發展主要在日本，利用標引的結果對主要申請人/公司在指示與測量領域的申請量進行統計，發現日本的發那科株式會社、大隈株式會社、日本精工株式會社在該領域申請的專利比重最多，其中以發那科公司的申請量最多。其中對工件幾何形狀的測量申請量幾乎占到全部申請量總量的一半，對誤差補償技術的研究也占很大的比例，而對簡單直觀的溫度、油液狀態、切削力的具體測量與指示技術，相關的專利申請量較少，可以看出該公司的研究智能化程度較高，指示與測量系統的研究趨于智能化，且加工精度較高。

三、主要研究熱點分析

通過對各申請量的技術類別進行比較分析，其中歸入B23Q的申請量達到了總申請值的46.6%，而歸入G部G05B與G01B的申請量分別達到了總申請值的14.32%與10.72%，歸入B23B與 B24B的申請量分別達到了總申請量的9.4%與4.47%；即關于機床指示或測量的申請，全部都歸入B部與G部，且歸入B部的申請量高達總申請量的60%以上。

關鍵技術分支包括刀具磨損、機床健康狀況（振動、負載、位移、溫升）、幾何量、傳動（速度、加速度、磨損、噪聲）和油液狀態這五個指示與測量方向。

刀具損壞的在線監測有多種方法，包括切削力、振動、聲發射信號、電流和功率、切削溫度、表面粗糙度、聲音監測等。2005年5月22日，日本天田株式會社提交了一份申請號為JP2015104310的專利，記載了一種刀具磨損評價裝置，用于評估工具的磨損狀態。如果機床出現故障會對液壓油箱、主軸箱等關鍵設備的物理狀態造成巨大影響，在這種情況下，機床的健康狀況通常通過振動、負載、位移、溫升等形式來判斷。2015年9月11日，日本發那科株式會社提交了一份申請號為JP2015180157的專利，記載了一種振動分析裝置，該裝置通過計算在利用機床對工件進行加工的期間中產生的振動的周期，來分析機床的健康狀態。機器視覺系統基于機器視覺原理，將被拍攝目標轉化為圖像信號，根據像素分布和亮度、顏色等信息，轉變成數字信號，并對這些信號進行進一步運算以提取目標的特征，最終得到檢測結果或者根據判斷的結果，用于實際測量、檢測及控制。2015年8月25日，大連理工大學提交了一份申請號為CN201510526767.2的專利，記載了一種基于顯微視覺的跨尺度幾何參數測量方法，該測量方法利用雙目顯微視覺系統采集待測零件特征圖像，經顯微視覺標定、圖像特征提取匹配以及局部坐標系與機床坐標系解算三個步驟，最終實現幾何參數的快速測量。油液狀態監測的參數包括幾個方面：理化性能監測、污染度監測、金屬磨粒監測等。2007年9月17日，挪威科諾普提卡股份有限公司提交了一份申請號為NO07000326的專利，記載了一種旋轉零件的位置和變化的探測方法及設備，通過該設備確定旋轉零件任何具有污染物的位置，并且之后消除或補償所述旋轉零件上存在的這種污染物的影響。

四、總結與展望

通過統計分析，最近10年全球對于機床指示與測量系統的研究有了放緩的態勢，該領域的創新性有所減少，這與現在研究智能化程度不高相關聯，人工智能方法還需要進一步的完善與優化，對數控機床的指示與測量技術的研究還需要投入大量的工作。基于國外目前的發展現狀，國內申請人可以在該領域尋找具有潛力的研究起點，避免重復勞動和浪費投資，且應加強科研院所與企業的合作，充分利用二者各自的優勢，推動國內在該領域的知識產權發展。