從多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)專利數(shù)據(jù)剖析高檔數(shù)控機床發(fā)展趨勢

【關(guān)鍵詞】高檔數(shù)控機床；多軸聯(lián)動；多通道協(xié)同；專利分析

一、高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

高檔數(shù)控機床作為當(dāng)今衡量國家綜合實力和工業(yè)發(fā)展水平的指標(biāo)之一，它的發(fā)展一直備受關(guān)注，同時也對對我國高端裝備制造業(yè)產(chǎn)生了很大的影響[1]。

（一）國外發(fā)展概述

如今世界上高檔數(shù)控機床的設(shè)計、研發(fā)、制造等方面最先進(jìn)的國家主要有美國、德國和日本，它們是世界高檔數(shù)控機床技術(shù)發(fā)展的領(lǐng)路者[2]。

由于美國在數(shù)控機床以及數(shù)控系統(tǒng)方面理論基礎(chǔ)扎實，并且非常注重創(chuàng)新和研發(fā)，所以美國的高性能數(shù)控機床在世界一直處于領(lǐng)先的地位。德國政府也非常重視高檔數(shù)控機床的研發(fā)，他們認(rèn)為高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)對于整個機器制造業(yè)的發(fā)展具有舉足輕重的地位。日本在高檔數(shù)控機床領(lǐng)域采取先仿造后創(chuàng)造的模式，先學(xué)習(xí)國外的先進(jìn)技術(shù)生產(chǎn)大量中檔數(shù)控機床，以量取勝來占領(lǐng)其他國家的市場。直到上個世紀(jì)80年代，日本才轉(zhuǎn)向高性能數(shù)控機床的研發(fā)。

（二）國內(nèi)發(fā)展概述

我國對于數(shù)控機床的研發(fā)開始得也比較早，但一直處于閉門造車的情況，很少學(xué)習(xí)和借鑒國外的先進(jìn)技術(shù)。我國的數(shù)控機床發(fā)展速度增快是從上個世紀(jì)七十年代末開始，一直到2000年之后，數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)產(chǎn)品的升級換代才在各個方面得以實現(xiàn)。

隨著國家的改革開放的腳步，八十年代初期，通過學(xué)習(xí)國外機床先進(jìn)技術(shù)，并與外國的企業(yè)共同研發(fā)設(shè)計，我國在數(shù)控機床領(lǐng)域開始了自主研制和生產(chǎn)。

“十一五”以來，我國在數(shù)控機床領(lǐng)域一直保持高速穩(wěn)定的發(fā)展。“十二五”期間，我國數(shù)控機床的發(fā)展速度不斷加快，并且在中低端的數(shù)控機床市場的占有率不斷提高。“十三五”以來，通過建立示范區(qū)應(yīng)用、建立標(biāo)準(zhǔn)化體系等多項措施的實施，我國高檔數(shù)控機床智能化水平得到了明顯提升[3]。

在“十四五”發(fā)展規(guī)劃中提到，在2025年之前，重點行業(yè)可以初步實現(xiàn)智能化轉(zhuǎn)型，基本實現(xiàn)數(shù)字化，在2035年之前，重點行業(yè)可以基本實現(xiàn)智能轉(zhuǎn)型，全面普及數(shù)字化。

二、多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)概述

多軸聯(lián)動與多通道協(xié)同技術(shù)是高檔數(shù)控機床控制系統(tǒng)的核心技術(shù)之一。隨著零件結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，多軸加工技術(shù)成為高性能零件加工所必不可少的核心技術(shù)。多軸聯(lián)動與多通道協(xié)同技術(shù)包括多軸聯(lián)動控制技術(shù)、多軸旋轉(zhuǎn)刀具中心點控制技術(shù)、軌跡規(guī)劃技術(shù)、空間刀補技術(shù)、后置處理技術(shù)和多通道協(xié)同技術(shù)等[4]。

（一）多軸聯(lián)動控制技術(shù)

多軸聯(lián)動控制是指數(shù)控機床能夠在數(shù)控裝置的控制下按照計算機的指令同時進(jìn)行多項操作。多軸聯(lián)動控制還可以根據(jù)每個坐標(biāo)軸的運動增量，對所有的坐標(biāo)軸進(jìn)行實時控制，提高數(shù)控機床的工作效率。

（二）多軸旋轉(zhuǎn)刀具中心點控制技術(shù)

五軸聯(lián)動數(shù)控機床的標(biāo)準(zhǔn)結(jié)構(gòu)中包括三個移動軸和兩個旋轉(zhuǎn)軸，通過五軸聯(lián)動可以對刀具的位置和姿態(tài)進(jìn)行同步控制，可以使刀具在加工時始終保持最佳的切削狀態(tài)并有效避免加工干涉，實現(xiàn)復(fù)合加工。

（三）軌跡規(guī)劃技術(shù)

五軸加工中回轉(zhuǎn)軸能夠改變刀具相對于工件的姿態(tài)，增加了刀具路徑規(guī)劃的自由度，減少了復(fù)雜零件的加工步驟。但是刀具路徑中不協(xié)調(diào)的刀具方向變化會導(dǎo)致線性軸不平滑的補償運動，從而導(dǎo)致局部降速，在零件表面留下明顯的痕跡。因此刀具軸線運動軌跡的規(guī)劃需要保證刀具軌跡平滑。刀具無干涉是刀具軌跡規(guī)劃必須要保證的基本前提。

（四）空間刀補技術(shù)

通過使用旋轉(zhuǎn)軸來控制刀具方向的高端數(shù)控機床會使用到空間刀具補償技術(shù)。空間刀補技術(shù)的基本原理是通過旋轉(zhuǎn)軸的位置來計算刀具矢量，其中，需要滿足的條件是刀具矢量于補償平面正交。五軸聯(lián)動機床可以分成三類：工作臺旋轉(zhuǎn)型、刀具旋轉(zhuǎn)型以及混合旋轉(zhuǎn)型，它們具有相似的補償原理。

（五）后置處理技術(shù)

把自動編程得到的刀軌數(shù)轉(zhuǎn)化為數(shù)控機床可以讀取的加工代碼即為后置處理技術(shù)，通過后處理技術(shù)可以把實際加工的數(shù)控機床和計算機輔助編程軟件連接起來。刀位軌跡也只有通過后置處理之后才能變成滿足加工需要的數(shù)控程序，它促使了數(shù)控機床的高效運行。

（六）多通道協(xié)同技術(shù)

高檔數(shù)控系統(tǒng)的重要功能之一為多通道協(xié)同技術(shù)，多應(yīng)用于復(fù)合加工等工業(yè)生產(chǎn)中。高檔數(shù)控系統(tǒng)通過并行控制多條通道，提高加工過程的效率，將工藝處理同時進(jìn)行控制，可以減少加工的時間，加快生產(chǎn)效率，達(dá)到減少生產(chǎn)成本的目的。

三、多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)專利數(shù)據(jù)分析

（一）專利申請趨勢分析

多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)專利申請趨勢如圖1所示。

由圖1可知，全球多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)領(lǐng)域?qū)＠暾埩靠傮w呈現(xiàn)增長態(tài)勢，2009年之后專利申請量急劇增加。國外該領(lǐng)域?qū)＠暾垥r間較早，始于1956年，國內(nèi)在1992年才開始有專利布局，而且2000年之前專利數(shù)量都很少，且申請不連續(xù)。隨著國家對知識產(chǎn)權(quán)的重視以及《國務(wù)院關(guān)于加快振興裝備制造業(yè)的若干意見》等裝備制造業(yè)相關(guān)政策的出臺，2001年之后中國專利申請量逐漸增加，2009年之后專利申請量已經(jīng)超過了國外專利。

（二）主要技術(shù)分支分析

多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)專利主要包括多軸聯(lián)動控制技術(shù)、多軸旋轉(zhuǎn)刀具中心點控制技術(shù)、軌跡規(guī)劃技術(shù)、空間刀補技術(shù)、后置處理技術(shù)及多通道協(xié)同技術(shù)六個方面。通過對多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)的專利進(jìn)行人工標(biāo)引并統(tǒng)計可知，全球關(guān)于多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)的專利以軌跡規(guī)劃技術(shù)為主要布局方向，占專利申請總量的66%，其次為多軸聯(lián)動控制技術(shù)，占專利申請總量的17%，后置處理技術(shù)、空間刀補技術(shù)和多軸RTCP技術(shù)分別占申請總量的6%、5%及4%，多通道協(xié)同技術(shù)占比最低，占專利申請總量得2%。

（三）創(chuàng)新主體分析

在多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)全球相關(guān)專利中，根據(jù)專利申請數(shù)量，提取出了排名前20的申請人，如表1所示，這些申請人具有較強的科研能力，掌握該領(lǐng)域的核心技術(shù)。

在排名前20的申請人中，國外申請人有6個，包括4家日本企業(yè)，1家德國企業(yè)，1家美國企業(yè)。排名前三位的均為日本企業(yè)，其中發(fā)那科申請量最大。國內(nèi)申請人有14個，包括11所高校及3家企業(yè)。

表1 多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)全球主要申請人

從表1可以看出，雖然排在前20位申請人中，中國申請人數(shù)量最多，但是專利較為分散，且多數(shù)為高校。武漢華中數(shù)控股份有限公司作為國內(nèi)該領(lǐng)域比較有影響力的企業(yè)，排在全球第六名，但是與日本的發(fā)那科等企業(yè)相比，還存在較大的差距。

四、未來高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)發(fā)展趨勢

從全球和中國高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)專利主要技術(shù)構(gòu)成上可以看出，我國多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)發(fā)展迅速。其中軌跡規(guī)劃技術(shù)是全球研究最多的一個技術(shù)分支，其次是多軸聯(lián)動控制技術(shù)，我國在多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同技術(shù)上同樣是以軌跡規(guī)劃技術(shù)和多軸聯(lián)動控制技術(shù)為主要布局方向。未來多軸聯(lián)動及多通道協(xié)同數(shù)控機床領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展方向主要包括以下幾個方面。

（一）革新數(shù)控系統(tǒng)，提供人性化人機互動界面，簡化參數(shù)配置操作復(fù)雜度

在過去的數(shù)控機床中，往往需要專業(yè)的技術(shù)人員在機床旁進(jìn)行操作和調(diào)整，這不僅增加了生產(chǎn)成本，而且操作難度較大，容易出現(xiàn)失誤。提供更人性化的人機互動界面，簡化相關(guān)參數(shù)配置操作復(fù)雜度可以使數(shù)控機床操作人員只需要通過觸摸屏幕或者手柄輸入相應(yīng)的指令，數(shù)控系統(tǒng)即可以自動執(zhí)行加工工序，并實時顯示設(shè)備運行狀態(tài)和加工質(zhì)量，使操作更加便捷和高效。

（二）注重高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)學(xué)研相結(jié)合，跨領(lǐng)域合作實現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)突破

高校和科研院所對前沿技術(shù)的投入和產(chǎn)出都是可觀的，高校也擁有很大的人才優(yōu)勢，但是完全脫離生產(chǎn)的科研很難獲得經(jīng)濟支持和保障。我國軌跡規(guī)劃技術(shù)和誤差補償技術(shù)的主要創(chuàng)新主體都是高校，但是專利轉(zhuǎn)化數(shù)量很少，說明我國數(shù)控機床領(lǐng)域?qū)＠夹g(shù)的產(chǎn)學(xué)研結(jié)合情況還有較大發(fā)展空間。我國高檔數(shù)控機床領(lǐng)域企業(yè)專利競爭優(yōu)勢不足，短期內(nèi)無法與優(yōu)勢領(lǐng)先企業(yè)抗衡，而在發(fā)展大變局的時代背景下，企業(yè)難以通過單打獨斗的方式快速獲得競爭優(yōu)勢。因此，不同企業(yè)、不同行業(yè)、不同學(xué)科之間的交叉學(xué)習(xí)、互聯(lián)互動和協(xié)同創(chuàng)新，對推動技術(shù)發(fā)展、實現(xiàn)細(xì)分技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)突破、打破產(chǎn)業(yè)瓶頸和搶奪市場話語權(quán)具有重大現(xiàn)實意義。

（三）加強高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)精密功能部件研究，注重跟蹤學(xué)習(xí)

精密功能部件進(jìn)口率一直居高不下，以精密滾珠絲杠副為例，通過對比精密滾珠絲杠副領(lǐng)域主要創(chuàng)新主體的研究方向，國內(nèi)主要創(chuàng)新主體的研究與全球領(lǐng)先的日本創(chuàng)新主體相比，對滾珠絲杠副中精密部件的研究較少，對實現(xiàn)精密的技術(shù)貢獻(xiàn)較少，市場占有率差距很大。建議中國的創(chuàng)新主體關(guān)注技術(shù)領(lǐng)先創(chuàng)新主體的重要專利，在其專利周邊進(jìn)行布局，搶占技術(shù)熱點；對國外創(chuàng)新主體進(jìn)行跟蹤學(xué)習(xí)，結(jié)合自身技術(shù)基礎(chǔ)，發(fā)掘國內(nèi)相關(guān)發(fā)明人或研發(fā)機構(gòu)合作，提升自身研發(fā)實力，并對熱點技術(shù)的潛在技術(shù)輸出方、與該技術(shù)相關(guān)的專利進(jìn)行收儲。

（四）優(yōu)化高檔數(shù)控機床產(chǎn)業(yè)專利運營和布局，重視專利價值

在高檔數(shù)控機床領(lǐng)域國外企業(yè)專利質(zhì)量較高，海外布局較多，市場應(yīng)用較廣，而中國企業(yè)主要市場是在國內(nèi)，專利運營情況較差。一方面說明專利權(quán)人的海外布局意識比較薄弱，另一方面說明專利價值不如其他創(chuàng)新主體專利價值高。專利申請人在專利申請的過程中，應(yīng)該重點關(guān)注“卡脖子技術(shù)”，特別是誤差補償、軌跡規(guī)劃技術(shù)和精密滾珠絲杠副等核心部件。建議國內(nèi)創(chuàng)新主體梳理自身技術(shù)優(yōu)勢，提前構(gòu)建專利池，提升競爭力。同時，在申請專利的過程中要重視專利價值，關(guān)注專利的撰寫質(zhì)量和轉(zhuǎn)化價值。