數控加工中心精度保障發展現狀及標準體系構建

合肥工業大學 陳陽楊 潘巧生 姜海洋

安徽省質量和標準化研究院 戴繼勇

重慶理工大學 苗恩銘

數控機床尤其是數控加工中心是制造業中的重要環節，其發展對我國裝備制造業乃至國家現代化經濟建設具有重要影響意義。 隨著制造業的進一步轉型升級，對數控加工中心在加工精度、加工周期、加工成本、加工范圍以及環境保護等方面也提出了更高的要求。 數控加工中心作為目前世界上產量最高、應用最廣泛的數控機床之一，正朝著高速化、集成化和高精密化方向發展，其加工精度的提高和精度保持性一直是其發展的重點。

近年來，我國數控機床行業成長迅猛，數控加工水平顯著提高，盡管如此國產數控機床仍多處于中低端位置，高檔數控機床方面存在很大差距，大部分領域由于缺乏先進理念的指導，仍處于照搬、組裝階段。 數控加工中心，特別是高精度數控加工中心，目前尚未能較好地進行國產化和產業化，相關產品質量及精度參差不齊，行業內標準化意識不足，且在數控加工中心精度保障方法及相關產品中缺乏國家層級、行業層面和地方領域等配套的標準體系。 因此，逐步通過調研、總結、分析和論證，盡快制定出相關方法標準和產品標準迫在眉睫，是推進高精數控加工中心建設和完善工作中的一項重大任務。

1 數控加工中心精度保障標準化的現狀

以金屬切削機床為例，在機床行業標準工作者的努力和《中國制造2025》 的指導下，我國金屬切削機床行業的標準化工作取得了長足的發展，截止到2018 年，相應現行標準880 項，包含國家標準172 項。 主要標準體系涵蓋機床檢驗通則、加工中心檢驗條件、精密加工中心檢驗條件、五軸聯動加工中心檢驗條件、數控車床與車削中心檢驗條件，還有涉及機床安全、可靠性、生產線、數字化車間等的標準。 可以看出，目前我國金屬切削機床行業已經形成了如圖1 所示的相對完整的標準化體系結構，基本覆蓋國內生產生活需求。 特別是2020 年，隨著我國主持修訂的“S 試件” 五軸加工中心檢驗方法正式成為國際標準后，標志著我國機床標準在某些方面已經位于前列。

圖1 金屬切削機床標準體系框架

雖然我國已擁有機床檢驗通則和相關產品檢驗條件等精度標準體系，但部分標準發展已落后于產業技術的發展，無法依靠其先進性指導產業的發展，部分標準甚至已經到了需要修訂的年齡。

我國現行的加工中心標準體系和精密加工中心標準體系分別于2011 年和2007 年修訂實施，在指導精密加工中心生產制造和規范市場上發揮了積極作用，但隨著加工中心的快速發展，此標準已經不足以體現當今精密加工中心的實際水平，無法滿足當今和未來一段時間內制造業對其技術要求。 雖然一些國際超精密機床制造商有自己的檢驗標準，但這些標準并未公開，因而國內外尚未公開發布超精密機床標準以供參考。 因此，盡快制定我國超精密機床的精度檢驗規范，建立健全數控加工中心精度保障標準體系，是縮小國產加工中心與國際先進水平的差距，推進數控加工中心向高精度和智能化方向發展的重要舉措。

2 數控加工中心精度標準體系的構建

數控加工中心精度保障工作的標準化在高精度數控加工中心的發展中具有基礎性、指導性的重要作用，是對現有數控加工中心標準體系的橫向補充，在加工精度測定、計算、分析以及檢驗等環節制定標準，能夠規范數控加工中心加工精度的評定，從而促進整機精度的提高以及行業的發展。

數控加工中心精度保障的標準體系的構建必須遵守相關的法律法規，滿足數控加工中心的實際需求，從影響數控加工中心加工精度的誤差來源出發，對加工精度進行檢測、評定和和控制，從而努力從源頭上解決行業內的瓶頸性難題。

本文構建的數控加工中心精度保障的標準體系如圖2 所示，該體系可分為三個子體系，包括： 通用基礎標準、方法標準以及產品標準。

（1） 通用基礎標準

通用基礎標準是指精度保障標準體系中所涉及的共性標準，在標準體系內具有普適性和基礎性。 通用基礎標準的設立，考慮到了數控加工過程的各個環節。

數控加工中心在進行零件加工作業時，首先要查看零件圖紙上的加工細則，擬定零件的加工線路圖、確定工藝參數和刀具數據，然后依照數控加工中心編程手冊上的細則說明撰寫編程文件，最后將編程文件導入數控系統，在數控加工中心相關伺服控制系統的驅動下，發出加工指令，按照預定軌跡作業，進而完成零件的加工。在整個加工過程及后續檢測環節中，工藝系統、加工環境、生產調度和零件檢測相關標準的制定，對通用基礎標準乃至整個數控加工中心精度保障標準體系的建立都具有十分重要的作用。 因此將工藝系統、加工環境、生產調度和零件檢測列為通用基礎標準的范圍之內。

圖2 數控機床精度保障標準體系

（2） 方法標準

方法標準是以影響數控加工技術加工精度的誤差源為核心而構建的系列標準，是整個精度保障標準體系的核心。 方法標準按照誤差源的類別可以分為四個部分，包括： 幾何精度、熱精度、振動的監測及抑制、刀具在線檢測（見圖2）。

1） 幾何精度： 主要對數控加工中心在無負荷狀態或加工狀態下進行幾何精度的測定時所參照的基準。 主要包括幾何精度判別、幾何精度檢測與評定和幾何精度控制三個方面。 特別是在機床檢驗通則第一部分關于幾何精度的標準已經到了修訂年限的時候，數控加工中心標準的修訂更需要注意幾何精度標準的制定。

2） 熱精度： 主要指數控加工中心在空轉或實切狀態下，由于加工中心自身的熱源引起了加工誤差，對其在不同條件下的加工精度進行離線測量或在線測量時所參照的標準。 熱精度相關標準主要包括熱精度檢測、熱精度預測和熱精度控制三個方面，從熱精度檢測開始，規范熱誤差測量方法和數據，再據此建立熱精度預測模型，實現對熱誤差的預測和熱精度控制。

3） 振動的監測和抑制： 主要對數控加工中心在切削過程中產生的振動信號進行采集、分析判別，以及隔離抑制時所用到方法手段等方面制定規范。 主要包括振動監測、分析判別方法、振動控制方法三個方面。

4） 刀具在線檢測評定： 主要指數控加工中心在生產加工時，在保證加工效率的基礎上對刀具的磨損、溫度、性能等參數進行在線檢測評定時要參照的基準。 主要包括刀具磨損檢測、刀具磨損評定、刀具性能評定三個方面。

（3） 產品標準

產品標準是對不同誤差源條件下加工制造零件時所用到的必備產品進行測量、評定以及檢驗時所依照的相關標準，是整個標準體系的主體部分，也是高精度數控加工中心實現國產化和產業化的支撐。 與方法標準相對應，產品標準主要包括幾何精度評定軟/硬件、熱誤差補償軟/硬件、機床振動控制軟/硬件、刀具在線測量軟/硬件四個方面。

以熱誤差補償軟件硬件為例，其產品標準是熱精度檢驗與評定的主體，從影響熱誤差的因素出發，規定了數控加工中心的環境溫度變化，主軸旋轉和線性軸移動的三種熱變形的檢測和評定方法。 該產品的地方標準詳細論述了三種熱誤差的檢驗方法、參數和結果表達，并給出了不同檢測數據的表達示例及所用補償方法，以供參考。DB 34/T 3148—2018 《數控加工中心熱變形精加工試件精度檢驗》 地方標準則補充了數控加工中心對精加工試件的熱變形檢驗規范，包括方法原理、檢驗條件與參數等。 由此構成了數控加工中心熱誤差相關產品標準的雛形，進而對其改善和發展，即可得到數控加工中心的產品標準體系。

3 數控加工中心標準化的后續建議

以高端數控加工中心為核心的產業鏈是社會經濟發展的基礎性產業，是提升我國綜合國力的重要保證。 標準是產業發展的關鍵、行業內規范的手段和生產研發各方面的依據，標準的先進程度決定了行業發展的整體水平。 數控加工中心精度保障標準化是以高端數控加工中心為核心的產業步入發展快車道的一項關鍵系統工程，需要各科研單位、各行政職能部門、國家標準管理委員會和相關孵化企業多方努力精誠合作，共同擬定實施規劃。 因此，本文給出如下建議：

（1） 重視高精度數控加工中心等重要產品標準的修訂

隨著國家戰略《中國制造2025》 以及《裝備制造業標準化和質量提升規劃》 的提出和推進，我國數控加工中心正朝著精密化，智能化等方向發展，現在市場上已經出現了多種先進的數控加工中心。 但由于這些數控加工中心尚未能實現批量化生產，沒有形成產業化鏈條，且業內關于高精度數控加工中心在測定、檢驗等方面的國家標準已不滿足產業發展，所以相關產品標準的修訂工作迫在眉睫。

（2） 跟蹤高精度數控加工中心技術和產業發展動態，制定相關評價規范

近年來，數控加工技術進步顯著，如高精度、大尺寸、多軸聯動以及融合了人工智能的數控加工中心相繼在市場上出現，并在同類產品中脫穎而出。 我國現行的國家標準中，數控加工中心方面的標準相較于普通機床來說很少，因此為了避免在日益激烈的國際競爭中處于被動地位，跟蹤高檔數控加工中心產業的發展最新動態就顯得十分必要。 了解數控加工中心精度檢驗和評價的最新成果，是制定高精度數控加工中心的評價規范的基礎，也是為高精度數控加工中心的研究、制造、檢驗和使用提供參考依據。

（3） 開展用于數控加工中心精度保障的關鍵功能部件的標準制定工作

當下隨著國家戰略《中國制造2025》 的提出及推進，國家對智能制造相關產業的大力支持，近幾年用于數控加工中心精度保障的相關部件的品種和規格日益繁多，產品水準也是差距較大，一方面這不利于用戶選購產品，另一方面也造成了資源浪費，制約了高精度智能化數控加工中心的進一步發展。 建議國家標準管理委員會盡快完善符合我國國情的數控加工中心精度保障關鍵功能部件標準，規范并指導我國數控加工中心關鍵功能部件的生產和進步。

（4） 推進數控加工中心精度保障采標工作，并與國際先進標準盡快接軌

國際化標準體系代表了世界標準化人士的共同價值遵循，也指引著世界先進裝備制造技術的發展方向，國內相關企業要想在國際市場中搶占并保持市場份額，提高自身影響力，必須付出更多努力，就必須積極采用國際化標準體系，完善自身。 這需要充分發揮全國專業標準化技術委員會作用，積極鼓勵科研人員推進重點項目的研發工作，將研發成果轉化納入到國際先進機床精度保障標準體系當中。

首先，根據產品的需要，跟蹤國際標準發展動態，及時將數控加工中心精度保障最新的國際標準按照相關原則內化為符合我國國情的標準；其次，積極學習國際最新標準，推動我國相關保障產品在國際最新標準的指導下進行生產，從而提升數控加工中心的產能和加工質量。 同時，要抓緊實施機床行業的清理整頓工作，對那些水平較低的，不符合產品設計、開發、驗收標準的公司，要求其加快整改和更新，提高標準化水平，以適應現代高精度機床標準的內在要求。

4 結語

本文對我國數控加工中心標準體系現狀進行了分析，指出了現有標準不能滿足產業高精度發展的問題，在此基礎上提出了構建數控加工中心精度保障標準體系框架的設想，并從影響數控加工中心加工精度的誤差來源出發，在通用基礎標準、方法標準以及產品標準三個層面進行了詳細論述。 最后，為了保障和促進此標準化體系的建立，提出了相應的后續建議。

此標準體系的構建對我國精密數控加工中心的研究和發展具有重要的指引與參考作用，將進一步拉動數控加工中心的設計制造及生產水平，滿足復雜、高精尖加工制造領域的需求，完善金屬切削機床的標準體系。