五軸數控機床構型技術分析

馬富東 李文龍

摘 要：機床構型決定著機床的規格和性能，通過機床構型的合理設置，可以使數控機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，使數控機床可廣泛應用于金屬塑性加工、激光焊接、激光切割、專機制造及實用教學等領域。文章將從專利申請態勢、專利申請流向分析、主要申請人等角度進行分析，以供參考。

關鍵詞：五軸數控機床;專利分布;機床構型

中圖分類號：TG5文獻標識碼：A文章編號：1674-1064（2021）08-106-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.053

機床構型是五軸數控機床的機械主體，屬于數控機床的基礎部件，這部分是加工的主要執行機構，因此要求其具有剛性、抗震性能好、熱變形小等特性。由于數控機床是由數控系統編程提供加工指令的，因此機械結構部件的制造幾何精度和加工中的彈性形變，無法人為的補償和調整。而對于整體剛性，往往取決于機床床身的架構設計、傳動結構設計、結構件之間接觸表面大小及貼合性，以及鋼材的選擇。目前，對于機床主體的制造而言，國內己經達到一定水平，同時國內有多家企業專門從事機床主體生產。根據其相關結構，機床構型主要可分為工作臺、擺頭、框架，其中工作臺的主要結構形式有普通工作臺、并聯式工作臺和樞轉橋式工作臺，擺頭主要結構形式有單擺結構和雙擺結構，機床框架最主要的設置形式為龍門結構。同時，依據加工主軸的設置形式的不同，機床框架相應的布局形式有立式結構和臥式結構。

1 主要申請人態勢分析

在五軸數控機床構型技術領域，全球專利申請的目標國和地區分布及各技術創新主體，還是集中在機床領域的主要生產國。例如中國的沈陽機床、日本的發那科、美國的格里森、德國的德馬吉，均是全球重要的機床生產企業。其中，日本、美國、德國作為現代化工業強國，其在機床構型技術領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中顯示了在五軸數控機床構型領域，全球專利申請量排名前十位的申請人。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[4]、沈陽機床和山崎馬扎克，作為五軸數控機床的專利申請大國，三者在五軸數控機床構型方面也都處于領先地位。而同樣作為五軸數控機床專利主要申請者的牧野、格里森以及發那科，也都在機床構型領域投入了大量的研發能力。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控磨削中心系列機床，在世界精密工具磨床技術領域一直占據領先地位[3]。國內申請人如濟南二機床集團有限公司和湖南中大創遠數控裝備有限公司，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控機床構型領域的專利文獻，具有申請時間早、核心技術多的特點和優勢[5]，而該技術領域是五軸數控機床較為容易突破的技術領域。近幾年來，我國以沈陽機床為代表的機床廠在該領域迅猛發展，已經在國際上處于領先地位。

2 五軸數控機床擺頭結構專利分析

國內主要申請人關于擺頭結構的申請情況，結合擺頭結構技術發展和功效分析，目前研究著重于實現該效果的技術方向，主要為傳動間隙消除、擺角行程優化及振動抑制三個方面。

在傳動間隙消除技術方面，2010年之前基本集中于機械傳動形式的改進，2010年之后隨著電主軸和扭矩電機技術的發展，申請方向集中于直驅形式實現擺頭驅動以提高精度。針對擺角行程優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年之前已經有相當數量關于擺角行程優化及振動抑制方面的專利申請;2010年之后，在擺頭技術申請整體減小的局面下，涉及傳動間隙消除的結構改進方面的申請尤其減少嚴重;近年來，主要申請方向側重于擺角行程優化及振動抑制。

在擺頭結構有關行擺角行程優化及振動抑制技術方面，目前日本申請人德瑪吉森精機、山崎馬扎克申請活躍度最強，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，并進行相應的解讀[6]。

公開號-CN104736280

發明名稱–機床的內徑車削附件

核心方案–機床，包括安裝工件并繞垂直軸旋轉的工作臺，位于該工作臺的上方，繞水平軸旋轉自如的主軸頭，內置于該主軸頭中，裝卸自如地安裝工具并繞工具軸旋轉的主軸，以及通過專用的夾具機構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成的角度。

3 五軸數控機床工作臺專利分析

涉及工作臺的專利技術，申請人主要的關注方向為加工精度和加工效率的提升。根據技術分解表，工作臺在形式上分為普通工作臺、橋式工作臺及并聯工作臺。而根據工作臺的結構，尤其是普通工作臺和橋式工作臺，實現以上效果的技術主要為工作臺的驅動方式，具體可分為蝸輪蝸桿/齒輪驅動、弧面凸輪驅動以及電機直驅三個方面。

在工作臺技術方面的研究中，以沈陽機床為代表的企業研究方向覆蓋范圍，主要集中在普通工作臺和橋式工作臺這兩種，而業內的高校申請除了涉及普通工作臺和橋式工作臺的技術研究外，更集中在對并聯工作臺的研究。國內的專利申請絕大部分集中于有關工作臺的蝸輪蝸桿/齒輪驅動和電機直驅，2010年之前基本集中于機械傳動形式的改進，但改進基本在蝸輪蝸桿/齒輪驅動上，對于精度更高的機械傳動結構弧面凸輪驅動，國內申請較少;而2010年之后隨著電主軸和扭矩電機技術的發展，申請方向集中于直驅形式實現工作臺驅動以提高精度，而這些申請的技術主要集中在電機的布置方面，而在機械傳動弧面凸輪驅動方面的申請數量雖有所增加，但總體數量還是不足。反觀美、日等國的申請人，除了在蝸輪蝸桿/齒輪驅動和電機直驅方面有一定的申請外，其在弧面凸輪驅動的研究上相比國內呈現出一定的優勢。而縱觀國內外在并聯工作臺方面的申請，國內外企業的研究都 很少，尚屬于技術空白區。

在工作臺結構有關弧面凸輪驅動的申請中，目前日本申請人株式會社三共制作的申請人活躍度最強，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，并進行相應的解讀。

公開號-JP2002126958A

申請人-株式會社三共制作所

發明名稱–回轉工作臺裝置

核心方案–回轉工作臺裝置，包括旋轉臺，旋轉臺在周邊部分徑向設置有多個凸輪隨動件。這些凸輪從動件與設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，防止該油泄漏到旋轉工作臺裝置的外部，以此來實現回轉工作臺的高精度旋轉，其能消除傳統的蝸輪蝸桿傳動的間隙，實現旋轉運動。

總體來說，機床構型屬于機床的基礎構件，如同機床的“軀干”，其在一定程度上決定著五軸數控機床的規模和適用范圍。每臺五軸數控機床都會涉及構型結構的搭建，由此導致了機床構型雖然基礎，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，我國關于五軸數控機床構型的專利申請，要晚于歐美工業發達國家，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]。在擺頭結構方面，中國申請總體集中于傳動間隙消除的結構改進，而發達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注重關注德瑪吉森精機及山崎馬扎克的相關專利申請和相關研究人員的研究成果;在工作臺結構方面，中國申請總體集中在機械傳動中的蝸輪蝸桿/齒輪傳動和電機直驅方面的改進;發達國家申請人除了以上兩個方面外，在精度更高的機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，申請人在該方面應注重關注株式會社三共制作所的相關專利申請和研究人員的研究成果;在并聯工作臺方面，國內外企業研究的不是很多，尚屬于技術空白區，我國申請人也主要集中在高校，我國應加大這方面的研究和突破，優先進行專利申請和布局，并進一步加強產學結合，將其投入產業應用;在框架結構方面，技術已經較為成熟。

參考文獻

[1] 連昱.我國數控機床行業的整體發展及國際競爭力分析[D].北京：對外經濟貿易大學，2016.

[2] The future of manufacturing： a new era of opportunity and challenge for the UK[EB/OL].[2016-1-30].https：//www.gov.uk/government/uploads/system/uploads/attachment_data/file/255922/13-809-future-manufacturing-project-report.pdf.

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

[4] Japan Machine Tool Builders Association[EB/OL].[2016-1-30].http：//www.jmtba.or.jp/English.

[5] 及沖沖，屈文興.淺談中國數控機床產業競爭力與戰略研究[J].科技資訊，2014，12（21）：227.

[6] 王燕梅著.裝備制造產業現狀與發展前景[M].廣州：廣東經濟出版社，2015.

[7] 王鵬主編.興國之器 中國制造2025[M].北京：機械工業出版社，2016.