看技术创新变幻 赞中国机床进步——CIMT2017加工中心评述

原上海机床工具集团 徐正平

看技术创新变幻 赞中国机床进步
——CIMT2017加工中心评述

原上海机床工具集团 徐正平

第15届中国国际机床展览会CIMT2017于4月17-22日在北京国际展览中心隆重举行，来自个27个国家与地区的1639家展商参加了这次盛会，比上届增加了5.5%。

加工中心仍然是展会的重头戏，这次共展出201 台，其中立式88台，卧式 25台 ，龙门19台，五轴联动47台。

本次展会是在轰轰烈烈的技术创新浪潮声中举行的，工业革命时代推动机床变革彰显日新月異；同时市场形势也出现了可喜的止跌趋稳迹象，政府更愿意加大支持力度，故而中国机床工业新一轮崛起己初露端倪。

作为一名老观众，本人有幸从1989起已连续15届均到场学习，并从第二届起担任铣床、加工中心类展品的评述工作，所以从某种角度而言，也见证了中国机床发展的部分历史。

一、中国机床今非昔比

回顾最初的几届CIMT，当时国产加工中心尚属起步，展品主要以立加为主，卧加很少。而龙门铣床、龙门加工中心展品连境外的也纯属罕见，故台湾亚葳及高明的龙门机床就显得尤为瞩目。

本届展会，令人欣慰的是，国内展品无论规格、品种以及功能和品质等均大有长进，五轴加工中心比比皆是；大型、重型机床更是国产称雄，甚至机床外观造型许多也和进口机难分伯仲。

展会上的巨无霸堪称齐二的TKG6920数控高速落地镗铣床（见图1），镗杆直径200mm，立柱行程（X）8000mm，主轴箱行程（Y）4000mm，镗轴行程（Z）1200mm，滑枕行程（W）1200mm，主轴转速2500r/mim。这类机床原来在米兰EMO展上，意大利PAMA出尽风头，而今中国造扬眉吐气，令人十分振奋。

图1 齐二落地镗

北一机床的XKAS25高架龙门五联动数控铣（见图2），AC两联动铣头带电主轴，转速可达20000r/min，驱动采用直线电机，切削进给速度30m/min，快速进给60m/min，特别适用于铝合金等轻型材料的叶片叶轮及复杂異形件加工。其工作台宽度B为1500-3000mm，长度L为6000-8000mm，由于迎合用户要求，故市场销量不错。

图2 北一龙门五轴

山东永华展出的也是同类的龙门五轴桥式加工中心（见图3），他们是和德国企业联合研制开发的，并带有60把刀的刀库，立铣头与直角铣头的功率均为60kW，扭矩1830kW。

图3 山东永华龙门

目前对中国而言，制造龙门加工中心及龙门五轴数控铣床已非难事，昆机、武重、宁波海天、山东威达等这次都有精品展出，威达龙门还可实现换头，而海天的龙门加工中心由于设计得刚性强、精度高，故很受模具行业欢迎。海天机床的工业设计也很到位，大视窗、小圆角，高照明等，完全利于操作工人的宜人化要求。

展会上，机床与机器人珠联璧合到处可见，成套应用也熟能生巧，大连机床的加工组线就是一例（见图4），因为当今机床订货，用户要求配机器人已属家常便饭。

图4 大连机床组线

二、创新展品目不暇接

1.机床的结构创新

瑞士starrag公司展出的Z3铣头（见图5），在传统的并联机构中又加装了C轴立铣头，使加工范围更大且更灵活。通过完全线性的自由移动结合最低的移动质量，实现了高速，高效，高动态的万向摆动加工，空间不受任何限制，为飞机结构件加工提供了新装备，同时也可获得传统加工方式达不到的表面质量。

starrag公司还介绍了一种叉形铣头（见图6），这个B+C两联动铣头将铣削与检测集中于一体，图中铣头的中间位置，装有光电位敏传感器、DST激光干涉仪及雷尼绍检测等，这套系统是空间误差自动补偿系统，旨在龙门机床上实现对航空类零件的高精度加工。四年前我们介绍了DIXI龙门机床上的空间插补功能，而今这项技术也是异曲同工，通过测量四条对角线，来修正机床的几何精度误差（见图7）。

图5 Z3铣头

图6 叉型铣头

图7 激光校准

德国ZIMMERMANN公司推出的FZH系列翻板式加工中心，将ABC三轴联动铣头由立式转为卧式（见图8），鉴此，交换托盘就需要转90°埀直放置了。由于加工件均是航空航天等大型工件，因此机床上方的两根平行横梁，就起到了起吊与翻板功能。

机床前面的X向地上，可铺设传输路轨，将加工后的托盘运出，并将待加工的托盘送入，交换托盘输送就是这样简单。

德国SHW公司的大型加工中心设计也很别致，将两个动柱单元布置在固定的长工作台两侧（见图9），故左右都能加工大型零件，这样效率就提高了一倍。在这两个动柱单元上，都分别设置A+C两轴联动铣头，以实现对复杂工程机械異形件的五轴联动加工。

图8 兹默曼FZH系列

图9 SHW双单柱移动加工中心

日本牧野MAKINO展出的一台D800Z五联动立式加工中心（见图10），由于机床结构设计比较独特，故很是吸引观众眼球。该机把传统的AC两联动摇篮式可倾回转工作台转了个90°，成了BC两联动回转台，这个转台沿45°V型导轨Y向前后运动，确保工作台和工件的重心始终处于B、C轴的回转中心，而不受任何倾斜角度的影响。由于Y向运动的一个支点伸到机床的立柱里面，故而刚性特别好，得以提高精度并且大大缩小了占地面积。

机床主轴选用陶瓷轴承，控制热变形性能好；罩壳的操作门，在正、侧、顶三个方向均能打开，以利工件的上下料；机床的控制，加装了新一代超级几何智能软件SG1.4，能自动补偿丝杠长期工作后所出现的背隙，在高速加工拐点时也变得平顺，并具有基于刀尖编程及路径优化等控制功能，因此很适合模具及航天航空领域精密零件加工。

牧野加工中心的设计和工匠精神都很到位，他们1987年销售给上海第四机床厂的FDNC1210-A30带仿形的卧式加工中心，进给采用空气半悬浮导轨，经更换系统及大修后，迄今还在正常使用。

图10 牧野 D800Z立加

擅长在汽车零部件领域研制高效加工中心的德国Alfing公司，这次推出了一款AX400模块式高效加工中心（见图11）。

该机针对大批量连杆加工而设计，由机器人上下料及工装模块、换刀模块、加工模块等部分组成。

图11 Alfing 连杆件加工

图中右边的机器人上下料与机床加工同步，不占用加工时间，也不需要操作人员额外输入指令。

工装模块即图上方小圆筒，采用的是四面体翻转工装结构，单面装载4根连杆，可一面加工，一面上下料，另外两面可作为新型号连杆加工储备，从而节省换型时间。

左侧的加工模块，采用双排每排4主轴设计，两排主轴交替工作，一排主轴用于加工，同时另外一排主轴就沿X轴移动进行相应的换刀，换刀不占用加工时间。

图下方的刀库模块，采用滚筒式回转刀库，最多可装载4×16把刀具，以满足连杆粗加工所有工艺需求，具备新型号连杆的拓展柔性。

展会期间刚与山东伊莱特公司签约并共同投资的西班牙IBARMIA公司，透露了一项大家感兴趣的发明。他们有一台激光增材与金切相结合的机床，其罩壳上有四个圆的大视窗，但视窗的颜色会变。金切时呈透明状，一旦转为激光加工后，其颜色就自动变黑，旨在保护操作者的眼球。其原理是视窗由二块玻璃合成，中间加入一层特殊材料。

2.复合加工和理化加工

自上世纪90年代WFL发明了车铣复合加工机床以来，该项技术现在不断完善与拓宽，就工艺复合来讲，瑞士宝美公司的复合机床是很具代表性的。

隶属瑞士斯达拉格集团的宝美公司，其S-191 Linear（见图12），除了具有高精度车、銑、插、磨等高端功能之外，又开发出了针对高精度小模数(模数小于2)齿轮的滚削加工工艺，能一次装夹后完成包括齿轮加工在内的所有工序。

该机床的配置是：7轴5联动，带背面加工主轴，具有车、銑、插、磨、滚齿功能，因此对棒料类零件可实施六面加工。

电主轴最大功率16kW,转速30000/40000r/min；正向电主轴C，功率15kW,转速6000 r/min,最大棒料通孔6 5mm；背面电主轴A,最大功率15kW,转速6000r/min,最大棒料通孔0mm。机床定位精度小于0.004mm,重复定位精度小于0.002mm。

图12 宝美

目前世界上复合加工的概念，早已跳出工艺复合这一范畴了，譬如激光堆焊与金切相结合，激光切割与金切相结合等。

在这次展会上，首创车铣复合机床的WFL，也推出了一个激光头以作堆焊用（见图13）。而瑞士GF公司介绍了AgieCharmilles AM S 290 Tooling一项技术，将线切割与金切加工融合在一体，工件与加工平台的分离由线切割慢走丝完成，这特别适用于薄壁件的分割，且切割精度也较高。

图13 WFL激光头

GF还介绍了一款AM-S-290智能激光烧结机床，将金属粉末不断重复均匀铺层，随后用保护性气体吹喷至最佳烧结效果，最终制造出随形冷热管路的模具镶件。

日本MAZAK展出的混合式复合加工机VTC-530/20 FSW（见图14），它与以往把材料融化进行焊接的工艺不同，先利用摩擦热将材料软化，再通过搅拌后将软化后的材料进行焊接。MAZAK 将此项技术与加工中心有机地结合在一起，展出的机床是MAZAK 立式加工中心VTC-530/20。立加伴随摩擦搅拌焊功能，实现了摩擦搅拌焊接和机加工切削技术的完美结合。摩擦搅拌焊有其自己的特点，即焊接部位的弯曲变形小，也能实现不同材质的对焊，同时还安全环保，不释放废气、烟尘、等离子、X射线等，同时能源消耗也可得到有效控制。

图14 摩擦焊

利用激光、超声波振动等物理要素进行加工比较多见，但EMAG公司利用电化学原理的加工机床则甚是稀罕。他们将工件作为阳极，刀具作为阴极，在这两种电极流动之间电解液可以溶解工件上的金属离子。阴极形面与工件相匹配，发生电荷交换，阳极工件被溶解，从而确保去除工件形状以外的所有部分。

三、不断进取的数控系统

数控机床的脑袋在于控制系统，当属观众们关注的重点之一。系统制造商们展示的新产品可谓琳琅满目。

1.西门子的“数字化双胞胎”

西门子是以“引领机床数字化制造”为主题，展示其全系列的机床数控解决方案以及应用，并持续引领机床的数字化未来。内容涵盖一体化工程的理念，数控系统与机器人的集成，跨越生产过程全生命周期的集成，IT解决方案，以及智能化操作等一系列数字化解决方案，为机床的数字化提供了保障。尤其引人注目的是，他们介绍了“数字化双胞胎”这一概念（见图15）。

图15 CIMT 西门子展台

西门子一直致力于在数控制造领域的仿真、虚拟机床以及与工厂IT系统的集成。小批量、多批次的定制化生产趋势对计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助生产（CAM）以及数控机床（CNC）的全过程提出了更高的要求，其中最重要的是将CAD/CAM信息无差错地转换为数控程序。采用西门子控制技术的机床，其虚拟机床的控制系统与西门子的Sinumerik数控系统使用相同的语言代码，借助虚拟内核NC内核，可以生成仿真和试运转的“数字化双胞胎”，即完全对应的虚拟镜像，从而提前对程序和复杂运动序列进行虚拟测试。这样，在执行数控程序时，就可以识别序列和程序错误以及机床与刀具的碰撞，评估运动行为，并确定程序运行时间，从而显著提高实体机床后续加工的可靠性，最大限度缩短调整时间。在小批次、定制化产品的生产中其优势尤为明显。

数字双胞胎digital twin，也可解释为特定物理资产的数字镜像，包括描述其几何、材料、组件和行为的设计规范和工程模型，数字双胞胎包括其所代表实体资产特有的生产和运营数据，成为形影不离的“伴侣”，是物理对象属性及状态的最新和准确的实时镜像，诸如形状、位置、状态和运动等。举例飞机的数字双胞胎中的数据，就包括从飞机3D模型提取的特定几何形状空气动力学模型、在生产过程中的工程变化、材料性质、检查、操作和维护数据等。

2.德国海德汉的智能制造解决方案

海德汉这次展品的重点是围绕智能制造解决方案进行的，主要分五个方面予以阐述（见图16）。

首先是高精度测量技术，在直线驱动时用通过直线光栅尺全闭环直接测量位置，使驱动链中的误差得以补偿；在回转运动时，位置值由角度编码器全闭环直接测量，使驱动链中的误差可被补偿。

图16 海德汉展台

其次是精密控制，TNC 轮廓控制可以控制加工轮廓公差，正反向加工重复精度得以提高，而TNC 运动控制，使加减速平滑过渡，极高动态无震荡运动；在五轴加工时控制复杂轮廓，使表面轮廓上取得最佳的速度控制，使路径及刀具角度均控制在公差之中；铣车复合可在NC程序中切换模式，车削功能可使用 FK 编程。

第三是智能化，新开发了线性螺距补偿、非线性螺距补偿、反向间隙补偿和悬垂补偿。

第四是自动化、研制出了加工前自动测量毛胚关键尺寸并找正工件的新技术。

最后就是信息化，使数控系统能进入到外部操作系统，如远程桌面控制、DNC & SDK以及RDM & IPC 融合等。

3.华中数控8型高档系统

华中8型高档数控系统是华中数控研发的新一代全数字总线式高档数控系统，突破了一批关键核心技术，如：NCUC高速现场总线，多通道、多轴联动控制技术，纳米插补技术,前瞻预读功能，小线段高速平滑，双轴同步控制，刀具空间长度补偿（RTCP），复合加工，误差补偿，对话式式编程等。去年该系统通过科技成果鉴定时，专家一致认为“该系统各项功能、性能、可靠性达到国外同类系统水平，可替代进口”。这次华中数控新产品展示区还包括全新玻璃机数控系统、848C数控系统、818D数控系统，以及 eat hercat系统等（见图17）。

图17 华中8型

四、两化融合的智能化工厂之路

智能工厂是数字化、网络化、智能化技术与制造技术交叉融合，以客户产品数据、优化的制造工艺流程、协调的生产制造设备为核心，

实现面向产品设计、成型、加工、装配、检测、设备安全保障、服务等各环节动态优化与整合，旨在高效、优质、清洁、安全、敏捷地制造产品和服务用户的一种新颖制造模式。在本届展会中，这种展示也是一项看点。

图18 华中轮毂线

华中数控展出的自动化轮毂加工单元（见图18），具有轮毂型号的自动检测识别系统、输送带上轮毂自动分区系统、轮毂气门芯孔加工前识别系统、轮毂装夹定位可靠性检测系统等，能够满足用户轮毂型号的自动识别、废品自动剔除、工件尺寸变化检测、不同型号轮毂混流生产的需求，并且配有工业机器人进行加工过程中的轮毂搬运，实现了整个轮毂加工区的无人化作业，减轻了工人劳动强度，提高了产品质量，可满足目前市场上14寸至22寸铝制轮毂的加工要求。

瑞士GF公司展出的精密零件柔性制造单元（见图19），将工装夹具、交换托盘与置于托盘中央的定位球结合成一体，其加工精度可达+/-3µm。

瑞士starrag集团也介绍了许多他们在汽车及航天航空领域的成功范例。

我们在展会上能见到许多机床和机器人相配合的例子，其实介绍总线技术的展商也是不少的。

图19 GF自动化

图20 是一只总线示意图，顶尖的ERP部分是企业管理层关注较多的，乃是一种主要面向制造行业进行物质资源、资金资源和信息资源集成一体化管理的企业信息管理系统。

图20 示意图

从技术层面上讲，我们当然对制造执行系统MES及计算机辅助质量管理系统CAQ更有兴趣。

制造执行系统MES，是一套面向数字化智能工厂的生产信息化管理系统，可以帮助制造企业借助物联网、大数据、移动互联网等新技术，通过两化深度融合来进行个性化定制，以提高产品质量、设备效率和生产安全性，并降低生产成本，致使提高企业综合竞争力。

西门子公司无疑是这项技术的引领者，西门子MES软件以在离散制造业和流程制造业的功能性和战略性均获得权威机构及同行对其领导地位的高度认可。图21是西门子MES系统在成都工厂的实例，这也是他们在德国本士之外的首家工厂。

在E9-405MPDV展台，也是一家专攻MES技术的徳国公司，擅长于模块化MES系统的应用程序组合。MPDV以离散制造为主，也涉及一定的偏连续的制造行业。目前全球大约930家不同企业受益于MPDV集团提供的MES技术。

图21 西门子MES

而在E10-103展台，上海楚天重工则重点介绍了欧美先进制造业的计算机辅助质量管理系统（CAQ）。其中质量流程管理系统的是将传统工程师的在各类OFFICE软件中进行的质量策划及改进活动计划与活动在一个统一的质量流程管理系统中予以完成，这个系统不仅为工程师提供各类辅助工具的支持，更重要的是为企业提供了质量知识管理的全面解决方案。

质量数据管理与分析系统是将企业原先离散在各测量及测试设备上的海量数据规范化后，先统一集中管理以便于进行下一步的数据可视化，随即能力指数计算与报警及数据挖掘等深入分析。该系统可以帮助工程师及管理者对生产过程获得前所未有的透视与洞察，并大大降低潜在质量失效风险， 从而在根本上提升企业的精益生产水平。

在MES与CAQ之下，数据采集这一环也很重要。上海微茗智能科技有限公司，是一家专注于离散制造企业智能化建设的创新型科技公司。将IT技术与制造业相结合，实现机床联网，为企业实现设备网络化、数据集成化、生产自动化提供一站式解决方案。

作为IT与制造业的结合体，微茗专注于企业机床数据采集、分析管理等方面的智能制造系统。该系统能将企业的核心加工设备进行联网，在企业层和车间建立桥梁，保证了车间信息可以畅通、及时、准确地反馈到企业层，以提高企业的生产竞争力。

微茗不仅自主研发了智能数据处理反馈网关等三项硬件产品；还研制了WIMI DNC设备联网及程序传输管理等四项软件产品，它向下可以通过以太网，RS232，RS485，IO等多种通讯采集手段兼容与机床设备及控制系统联结，向上它可以通过以太网与SCADA系统、信息数据管理系统、MES或者系统等完成数据交换。

同样在E-4-805法国DigitalWay展台，他们展出的也是搞实时加工及刀具检测系统的。其中WattPilote这个检测系统系列产品，可以说相比于大学实验室出来的一些产品，更加适合实际使用，更能应对实际加工中碰到的种种具体问题，如解决自动化产线中无法及时发现刀具断裂，破损等相关问题故而受到大部分终端客户和整机厂青睐，目前他们针对于亚洲市场开发的12kW以下的小功率检测模块已经投入市场。

在信息化时代，总线技术的开发是百花齐放、日新月异的。广州有个“智造家”，他们正在搞透明工厂、图纸云、e非标、非标管家、搜自动化部件等许多新的创意，我们当然也祝愿他们早日取得成功。

最后我还要为协会组织的展品评述工作点个赞。我们铣床分会在理事长单位北一机床的组织和带领下，自第一届展会起就召集分会所属单位举行对展品的分析会议，从第三届以后就开展书面的展品评述工作，一直坚持迄今。应该说这项活动对企业和行业都有所帮助，因此各企业也比较支持。参加评述工作的人员们互助帮助，乐于讨论技术细节，还在现场对个别重点展品请参展单位予以讲解，因此收获还是比较大的。希望这项工作能持之以恒，在新常态、新形势下继续努力，更上一层楼。□