數(shù)控加工中心精度保障發(fā)展現(xiàn)狀及標(biāo)準(zhǔn)體系構(gòu)建

合肥工業(yè)大學(xué) 陳陽(yáng)楊 潘巧生 姜海洋

安徽省質(zhì)量和標(biāo)準(zhǔn)化研究院 戴繼勇

重慶理工大學(xué) 苗恩銘

數(shù)控機(jī)床尤其是數(shù)控加工中心是制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，其發(fā)展對(duì)我國(guó)裝備制造業(yè)乃至國(guó)家現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)建設(shè)具有重要影響意義。 隨著制造業(yè)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)型升級(jí)，對(duì)數(shù)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(huán)境保護(hù)等方面也提出了更高的要求。 數(shù)控加工中心作為目前世界上產(chǎn)量最高、應(yīng)用最廣泛的數(shù)控機(jī)床之一，正朝著高速化、集成化和高精密化方向發(fā)展，其加工精度的提高和精度保持性一直是其發(fā)展的重點(diǎn)。

近年來，我國(guó)數(shù)控機(jī)床行業(yè)成長(zhǎng)迅猛，數(shù)控加工水平顯著提高，盡管如此國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床仍多處于中低端位置，高檔數(shù)控機(jī)床方面存在很大差距，大部分領(lǐng)域由于缺乏先進(jìn)理念的指導(dǎo)，仍處于照搬、組裝階段。 數(shù)控加工中心，特別是高精度數(shù)控加工中心，目前尚未能較好地進(jìn)行國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化，相關(guān)產(chǎn)品質(zhì)量及精度參差不齊，行業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化意識(shí)不足，且在數(shù)控加工中心精度保障方法及相關(guān)產(chǎn)品中缺乏國(guó)家層級(jí)、行業(yè)層面和地方領(lǐng)域等配套的標(biāo)準(zhǔn)體系。 因此，逐步通過調(diào)研、總結(jié)、分析和論證，盡快制定出相關(guān)方法標(biāo)準(zhǔn)和產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)迫在眉睫，是推進(jìn)高精數(shù)控加工中心建設(shè)和完善工作中的一項(xiàng)重大任務(wù)。

1 數(shù)控加工中心精度保障標(biāo)準(zhǔn)化的現(xiàn)狀

以金屬切削機(jī)床為例，在機(jī)床行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)工作者的努力和《中國(guó)制造2025》 的指導(dǎo)下，我國(guó)金屬切削機(jī)床行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)化工作取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，截止到2018 年，相應(yīng)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)880 項(xiàng)，包含國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)172 項(xiàng)。 主要標(biāo)準(zhǔn)體系涵蓋機(jī)床檢驗(yàn)通則、加工中心檢驗(yàn)條件、精密加工中心檢驗(yàn)條件、五軸聯(lián)動(dòng)加工中心檢驗(yàn)條件、數(shù)控車床與車削中心檢驗(yàn)條件，還有涉及機(jī)床安全、可靠性、生產(chǎn)線、數(shù)字化車間等的標(biāo)準(zhǔn)。 可以看出，目前我國(guó)金屬切削機(jī)床行業(yè)已經(jīng)形成了如圖1 所示的相對(duì)完整的標(biāo)準(zhǔn)化體系結(jié)構(gòu)，基本覆蓋國(guó)內(nèi)生產(chǎn)生活需求。 特別是2020 年，隨著我國(guó)主持修訂的“S 試件” 五軸加工中心檢驗(yàn)方法正式成為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)后，標(biāo)志著我國(guó)機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)在某些方面已經(jīng)位于前列。

圖1 金屬切削機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)體系框架

雖然我國(guó)已擁有機(jī)床檢驗(yàn)通則和相關(guān)產(chǎn)品檢驗(yàn)條件等精度標(biāo)準(zhǔn)體系，但部分標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展已落后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，無法依靠其先進(jìn)性指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，部分標(biāo)準(zhǔn)甚至已經(jīng)到了需要修訂的年齡。

我國(guó)現(xiàn)行的加工中心標(biāo)準(zhǔn)體系和精密加工中心標(biāo)準(zhǔn)體系分別于2011 年和2007 年修訂實(shí)施，在指導(dǎo)精密加工中心生產(chǎn)制造和規(guī)范市場(chǎng)上發(fā)揮了積極作用，但隨著加工中心的快速發(fā)展，此標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)不足以體現(xiàn)當(dāng)今精密加工中心的實(shí)際水平，無法滿足當(dāng)今和未來一段時(shí)間內(nèi)制造業(yè)對(duì)其技術(shù)要求。 雖然一些國(guó)際超精密機(jī)床制造商有自己的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)并未公開，因而國(guó)內(nèi)外尚未公開發(fā)布超精密機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)以供參考。 因此，盡快制定我國(guó)超精密機(jī)床的精度檢驗(yàn)規(guī)范，建立健全數(shù)控加工中心精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系，是縮小國(guó)產(chǎn)加工中心與國(guó)際先進(jìn)水平的差距，推進(jìn)數(shù)控加工中心向高精度和智能化方向發(fā)展的重要舉措。

2 數(shù)控加工中心精度標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建

數(shù)控加工中心精度保障工作的標(biāo)準(zhǔn)化在高精度數(shù)控加工中心的發(fā)展中具有基礎(chǔ)性、指導(dǎo)性的重要作用，是對(duì)現(xiàn)有數(shù)控加工中心標(biāo)準(zhǔn)體系的橫向補(bǔ)充，在加工精度測(cè)定、計(jì)算、分析以及檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)制定標(biāo)準(zhǔn)，能夠規(guī)范數(shù)控加工中心加工精度的評(píng)定，從而促進(jìn)整機(jī)精度的提高以及行業(yè)的發(fā)展。

數(shù)控加工中心精度保障的標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建必須遵守相關(guān)的法律法規(guī)，滿足數(shù)控加工中心的實(shí)際需求，從影響數(shù)控加工中心加工精度的誤差來源出發(fā)，對(duì)加工精度進(jìn)行檢測(cè)、評(píng)定和和控制，從而努力從源頭上解決行業(yè)內(nèi)的瓶頸性難題。

本文構(gòu)建的數(shù)控加工中心精度保障的標(biāo)準(zhǔn)體系如圖2 所示，該體系可分為三個(gè)子體系，包括： 通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)。

（1） 通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)

通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)是指精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系中所涉及的共性標(biāo)準(zhǔn)，在標(biāo)準(zhǔn)體系內(nèi)具有普適性和基礎(chǔ)性。 通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)立，考慮到了數(shù)控加工過程的各個(gè)環(huán)節(jié)。

數(shù)控加工中心在進(jìn)行零件加工作業(yè)時(shí)，首先要查看零件圖紙上的加工細(xì)則，擬定零件的加工線路圖、確定工藝參數(shù)和刀具數(shù)據(jù)，然后依照數(shù)控加工中心編程手冊(cè)上的細(xì)則說明撰寫編程文件，最后將編程文件導(dǎo)入數(shù)控系統(tǒng)，在數(shù)控加工中心相關(guān)伺服控制系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下，發(fā)出加工指令，按照預(yù)定軌跡作業(yè)，進(jìn)而完成零件的加工。在整個(gè)加工過程及后續(xù)檢測(cè)環(huán)節(jié)中，工藝系統(tǒng)、加工環(huán)境、生產(chǎn)調(diào)度和零件檢測(cè)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定，對(duì)通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)乃至整個(gè)數(shù)控加工中心精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系的建立都具有十分重要的作用。 因此將工藝系統(tǒng)、加工環(huán)境、生產(chǎn)調(diào)度和零件檢測(cè)列為通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)的范圍之內(nèi)。

圖2 數(shù)控機(jī)床精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系

（2） 方法標(biāo)準(zhǔn)

方法標(biāo)準(zhǔn)是以影響數(shù)控加工技術(shù)加工精度的誤差源為核心而構(gòu)建的系列標(biāo)準(zhǔn)，是整個(gè)精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系的核心。 方法標(biāo)準(zhǔn)按照誤差源的類別可以分為四個(gè)部分，包括： 幾何精度、熱精度、振動(dòng)的監(jiān)測(cè)及抑制、刀具在線檢測(cè)（見圖2）。

1） 幾何精度： 主要對(duì)數(shù)控加工中心在無負(fù)荷狀態(tài)或加工狀態(tài)下進(jìn)行幾何精度的測(cè)定時(shí)所參照的基準(zhǔn)。 主要包括幾何精度判別、幾何精度檢測(cè)與評(píng)定和幾何精度控制三個(gè)方面。 特別是在機(jī)床檢驗(yàn)通則第一部分關(guān)于幾何精度的標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)到了修訂年限的時(shí)候，數(shù)控加工中心標(biāo)準(zhǔn)的修訂更需要注意幾何精度標(biāo)準(zhǔn)的制定。

2） 熱精度： 主要指數(shù)控加工中心在空轉(zhuǎn)或?qū)嵡袪顟B(tài)下，由于加工中心自身的熱源引起了加工誤差，對(duì)其在不同條件下的加工精度進(jìn)行離線測(cè)量或在線測(cè)量時(shí)所參照的標(biāo)準(zhǔn)。 熱精度相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)主要包括熱精度檢測(cè)、熱精度預(yù)測(cè)和熱精度控制三個(gè)方面，從熱精度檢測(cè)開始，規(guī)范熱誤差測(cè)量方法和數(shù)據(jù)，再據(jù)此建立熱精度預(yù)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱誤差的預(yù)測(cè)和熱精度控制。

3） 振動(dòng)的監(jiān)測(cè)和抑制： 主要對(duì)數(shù)控加工中心在切削過程中產(chǎn)生的振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行采集、分析判別，以及隔離抑制時(shí)所用到方法手段等方面制定規(guī)范。 主要包括振動(dòng)監(jiān)測(cè)、分析判別方法、振動(dòng)控制方法三個(gè)方面。

4） 刀具在線檢測(cè)評(píng)定： 主要指數(shù)控加工中心在生產(chǎn)加工時(shí)，在保證加工效率的基礎(chǔ)上對(duì)刀具的磨損、溫度、性能等參數(shù)進(jìn)行在線檢測(cè)評(píng)定時(shí)要參照的基準(zhǔn)。 主要包括刀具磨損檢測(cè)、刀具磨損評(píng)定、刀具性能評(píng)定三個(gè)方面。

（3） 產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)

產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是對(duì)不同誤差源條件下加工制造零件時(shí)所用到的必備產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)量、評(píng)定以及檢驗(yàn)時(shí)所依照的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，是整個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體系的主體部分，也是高精度數(shù)控加工中心實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的支撐。 與方法標(biāo)準(zhǔn)相對(duì)應(yīng)，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)主要包括幾何精度評(píng)定軟/硬件、熱誤差補(bǔ)償軟/硬件、機(jī)床振動(dòng)控制軟/硬件、刀具在線測(cè)量軟/硬件四個(gè)方面。

以熱誤差補(bǔ)償軟件硬件為例，其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)是熱精度檢驗(yàn)與評(píng)定的主體，從影響熱誤差的因素出發(fā)，規(guī)定了數(shù)控加工中心的環(huán)境溫度變化，主軸旋轉(zhuǎn)和線性軸移動(dòng)的三種熱變形的檢測(cè)和評(píng)定方法。 該產(chǎn)品的地方標(biāo)準(zhǔn)詳細(xì)論述了三種熱誤差的檢驗(yàn)方法、參數(shù)和結(jié)果表達(dá)，并給出了不同檢測(cè)數(shù)據(jù)的表達(dá)示例及所用補(bǔ)償方法，以供參考。DB 34/T 3148—2018 《數(shù)控加工中心熱變形精加工試件精度檢驗(yàn)》 地方標(biāo)準(zhǔn)則補(bǔ)充了數(shù)控加工中心對(duì)精加工試件的熱變形檢驗(yàn)規(guī)范，包括方法原理、檢驗(yàn)條件與參數(shù)等。 由此構(gòu)成了數(shù)控加工中心熱誤差相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的雛形，進(jìn)而對(duì)其改善和發(fā)展，即可得到數(shù)控加工中心的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)體系。

3 數(shù)控加工中心標(biāo)準(zhǔn)化的后續(xù)建議

以高端數(shù)控加工中心為核心的產(chǎn)業(yè)鏈?zhǔn)巧鐣?huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是提升我國(guó)綜合國(guó)力的重要保證。 標(biāo)準(zhǔn)是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵、行業(yè)內(nèi)規(guī)范的手段和生產(chǎn)研發(fā)各方面的依據(jù)，標(biāo)準(zhǔn)的先進(jìn)程度決定了行業(yè)發(fā)展的整體水平。 數(shù)控加工中心精度保障標(biāo)準(zhǔn)化是以高端數(shù)控加工中心為核心的產(chǎn)業(yè)步入發(fā)展快車道的一項(xiàng)關(guān)鍵系統(tǒng)工程，需要各科研單位、各行政職能部門、國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)和相關(guān)孵化企業(yè)多方努力精誠(chéng)合作，共同擬定實(shí)施規(guī)劃。 因此，本文給出如下建議：

（1） 重視高精度數(shù)控加工中心等重要產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的修訂

隨著國(guó)家戰(zhàn)略《中國(guó)制造2025》 以及《裝備制造業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化和質(zhì)量提升規(guī)劃》 的提出和推進(jìn)，我國(guó)數(shù)控加工中心正朝著精密化，智能化等方向發(fā)展，現(xiàn)在市場(chǎng)上已經(jīng)出現(xiàn)了多種先進(jìn)的數(shù)控加工中心。 但由于這些數(shù)控加工中心尚未能實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)，沒有形成產(chǎn)業(yè)化鏈條，且業(yè)內(nèi)關(guān)于高精度數(shù)控加工中心在測(cè)定、檢驗(yàn)等方面的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)已不滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展，所以相關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的修訂工作迫在眉睫。

（2） 跟蹤高精度數(shù)控加工中心技術(shù)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展動(dòng)態(tài)，制定相關(guān)評(píng)價(jià)規(guī)范

近年來，數(shù)控加工技術(shù)進(jìn)步顯著，如高精度、大尺寸、多軸聯(lián)動(dòng)以及融合了人工智能的數(shù)控加工中心相繼在市場(chǎng)上出現(xiàn)，并在同類產(chǎn)品中脫穎而出。 我國(guó)現(xiàn)行的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，數(shù)控加工中心方面的標(biāo)準(zhǔn)相較于普通機(jī)床來說很少，因此為了避免在日益激烈的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中處于被動(dòng)地位，跟蹤高檔數(shù)控加工中心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最新動(dòng)態(tài)就顯得十分必要。 了解數(shù)控加工中心精度檢驗(yàn)和評(píng)價(jià)的最新成果，是制定高精度數(shù)控加工中心的評(píng)價(jià)規(guī)范的基礎(chǔ)，也是為高精度數(shù)控加工中心的研究、制造、檢驗(yàn)和使用提供參考依據(jù)。

（3） 開展用于數(shù)控加工中心精度保障的關(guān)鍵功能部件的標(biāo)準(zhǔn)制定工作

當(dāng)下隨著國(guó)家戰(zhàn)略《中國(guó)制造2025》 的提出及推進(jìn)，國(guó)家對(duì)智能制造相關(guān)產(chǎn)業(yè)的大力支持，近幾年用于數(shù)控加工中心精度保障的相關(guān)部件的品種和規(guī)格日益繁多，產(chǎn)品水準(zhǔn)也是差距較大，一方面這不利于用戶選購(gòu)產(chǎn)品，另一方面也造成了資源浪費(fèi)，制約了高精度智能化數(shù)控加工中心的進(jìn)一步發(fā)展。 建議國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)管理委員會(huì)盡快完善符合我國(guó)國(guó)情的數(shù)控加工中心精度保障關(guān)鍵功能部件標(biāo)準(zhǔn)，規(guī)范并指導(dǎo)我國(guó)數(shù)控加工中心關(guān)鍵功能部件的生產(chǎn)和進(jìn)步。

（4） 推進(jìn)數(shù)控加工中心精度保障采標(biāo)工作，并與國(guó)際先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)盡快接軌

國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)體系代表了世界標(biāo)準(zhǔn)化人士的共同價(jià)值遵循，也指引著世界先進(jìn)裝備制造技術(shù)的發(fā)展方向，國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)要想在國(guó)際市場(chǎng)中搶占并保持市場(chǎng)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(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)體系，完善自身。 這需要充分發(fā)揮全國(guó)專業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì)作用，積極鼓勵(lì)科研人員推進(jìn)重點(diǎn)項(xiàng)目的研發(fā)工作，將研發(fā)成果轉(zhuǎn)化納入到國(guó)際先進(jìn)機(jī)床精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系當(dāng)中。

首先，根據(jù)產(chǎn)品的需要，跟蹤國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)發(fā)展動(dòng)態(tài)，及時(shí)將數(shù)控加工中心精度保障最新的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)按照相關(guān)原則內(nèi)化為符合我國(guó)國(guó)情的標(biāo)準(zhǔn)；其次，積極學(xué)習(xí)國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)，推動(dòng)我國(guó)相關(guān)保障產(chǎn)品在國(guó)際最新標(biāo)準(zhǔn)的指導(dǎo)下進(jìn)行生產(chǎn)，從而提升數(shù)控加工中心的產(chǎn)能和加工質(zhì)量。 同時(shí)，要抓緊實(shí)施機(jī)床行業(yè)的清理整頓工作，對(duì)那些水平較低的，不符合產(chǎn)品設(shè)計(jì)、開發(fā)、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的公司，要求其加快整改和更新，提高標(biāo)準(zhǔn)化水平，以適應(yīng)現(xiàn)代高精度機(jī)床標(biāo)準(zhǔn)的內(nèi)在要求。

4 結(jié)語

本文對(duì)我國(guó)數(shù)控加工中心標(biāo)準(zhǔn)體系現(xiàn)狀進(jìn)行了分析，指出了現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)不能滿足產(chǎn)業(yè)高精度發(fā)展的問題，在此基礎(chǔ)上提出了構(gòu)建數(shù)控加工中心精度保障標(biāo)準(zhǔn)體系框架的設(shè)想，并從影響數(shù)控加工中心加工精度的誤差來源出發(fā)，在通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)、方法標(biāo)準(zhǔn)以及產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)三個(gè)層面進(jìn)行了詳細(xì)論述。 最后，為了保障和促進(jìn)此標(biāo)準(zhǔn)化體系的建立，提出了相應(yīng)的后續(xù)建議。

此標(biāo)準(zhǔn)體系的構(gòu)建對(duì)我國(guó)精密數(shù)控加工中心的研究和發(fā)展具有重要的指引與參考作用，將進(jìn)一步拉動(dòng)數(shù)控加工中心的設(shè)計(jì)制造及生產(chǎn)水平，滿足復(fù)雜、高精尖加工制造領(lǐng)域的需求，完善金屬切削機(jī)床的標(biāo)準(zhǔn)體系。