数控加工中心精度保障发展现状及标准体系构建

合肥工业大学 陈阳杨 潘巧生 姜海洋

安徽省质量和标准化研究院 戴继勇

重庆理工大学 苗恩铭

数控机床尤其是数控加工中心是制造业中的重要环节，其发展对我国装备制造业乃至国家现代化经济建设具有重要影响意义。 随着制造业的进一步转型升级，对数控加工中心在加工精度、加工周期、加工成本、加工范围以及环境保护等方面也提出了更高的要求。 数控加工中心作为目前世界上产量最高、应用最广泛的数控机床之一，正朝着高速化、集成化和高精密化方向发展，其加工精度的提高和精度保持性一直是其发展的重点。

近年来，我国数控机床行业成长迅猛，数控加工水平显著提高，尽管如此国产数控机床仍多处于中低端位置，高档数控机床方面存在很大差距，大部分领域由于缺乏先进理念的指导，仍处于照搬、组装阶段。 数控加工中心，特别是高精度数控加工中心，目前尚未能较好地进行国产化和产业化，相关产品质量及精度参差不齐，行业内标准化意识不足，且在数控加工中心精度保障方法及相关产品中缺乏国家层级、行业层面和地方领域等配套的标准体系。 因此，逐步通过调研、总结、分析和论证，尽快制定出相关方法标准和产品标准迫在眉睫，是推进高精数控加工中心建设和完善工作中的一项重大任务。

1 数控加工中心精度保障标准化的现状

以金属切削机床为例，在机床行业标准工作者的努力和《中国制造2025》 的指导下，我国金属切削机床行业的标准化工作取得了长足的发展，截止到2018 年，相应现行标准880 项，包含国家标准172 项。 主要标准体系涵盖机床检验通则、加工中心检验条件、精密加工中心检验条件、五轴联动加工中心检验条件、数控车床与车削中心检验条件，还有涉及机床安全、可靠性、生产线、数字化车间等的标准。 可以看出，目前我国金属切削机床行业已经形成了如图1 所示的相对完整的标准化体系结构，基本覆盖国内生产生活需求。 特别是2020 年，随着我国主持修订的“S 试件” 五轴加工中心检验方法正式成为国际标准后，标志着我国机床标准在某些方面已经位于前列。

图1 金属切削机床标准体系框架

虽然我国已拥有机床检验通则和相关产品检验条件等精度标准体系，但部分标准发展已落后于产业技术的发展，无法依靠其先进性指导产业的发展，部分标准甚至已经到了需要修订的年龄。

我国现行的加工中心标准体系和精密加工中心标准体系分别于2011 年和2007 年修订实施，在指导精密加工中心生产制造和规范市场上发挥了积极作用，但随着加工中心的快速发展，此标准已经不足以体现当今精密加工中心的实际水平，无法满足当今和未来一段时间内制造业对其技术要求。 虽然一些国际超精密机床制造商有自己的检验标准，但这些标准并未公开，因而国内外尚未公开发布超精密机床标准以供参考。 因此，尽快制定我国超精密机床的精度检验规范，建立健全数控加工中心精度保障标准体系，是缩小国产加工中心与国际先进水平的差距，推进数控加工中心向高精度和智能化方向发展的重要举措。

2 数控加工中心精度标准体系的构建

数控加工中心精度保障工作的标准化在高精度数控加工中心的发展中具有基础性、指导性的重要作用，是对现有数控加工中心标准体系的横向补充，在加工精度测定、计算、分析以及检验等环节制定标准，能够规范数控加工中心加工精度的评定，从而促进整机精度的提高以及行业的发展。

数控加工中心精度保障的标准体系的构建必须遵守相关的法律法规，满足数控加工中心的实际需求，从影响数控加工中心加工精度的误差来源出发，对加工精度进行检测、评定和和控制，从而努力从源头上解决行业内的瓶颈性难题。

本文构建的数控加工中心精度保障的标准体系如图2 所示，该体系可分为三个子体系，包括： 通用基础标准、方法标准以及产品标准。

（1） 通用基础标准

通用基础标准是指精度保障标准体系中所涉及的共性标准，在标准体系内具有普适性和基础性。 通用基础标准的设立，考虑到了数控加工过程的各个环节。

数控加工中心在进行零件加工作业时，首先要查看零件图纸上的加工细则，拟定零件的加工线路图、确定工艺参数和刀具数据，然后依照数控加工中心编程手册上的细则说明撰写编程文件，最后将编程文件导入数控系统，在数控加工中心相关伺服控制系统的驱动下，发出加工指令，按照预定轨迹作业，进而完成零件的加工。在整个加工过程及后续检测环节中，工艺系统、加工环境、生产调度和零件检测相关标准的制定，对通用基础标准乃至整个数控加工中心精度保障标准体系的建立都具有十分重要的作用。 因此将工艺系统、加工环境、生产调度和零件检测列为通用基础标准的范围之内。

图2 数控机床精度保障标准体系

（2） 方法标准

方法标准是以影响数控加工技术加工精度的误差源为核心而构建的系列标准，是整个精度保障标准体系的核心。 方法标准按照误差源的类别可以分为四个部分，包括： 几何精度、热精度、振动的监测及抑制、刀具在线检测（见图2）。

1） 几何精度： 主要对数控加工中心在无负荷状态或加工状态下进行几何精度的测定时所参照的基准。 主要包括几何精度判别、几何精度检测与评定和几何精度控制三个方面。 特别是在机床检验通则第一部分关于几何精度的标准已经到了修订年限的时候，数控加工中心标准的修订更需要注意几何精度标准的制定。

2） 热精度： 主要指数控加工中心在空转或实切状态下，由于加工中心自身的热源引起了加工误差，对其在不同条件下的加工精度进行离线测量或在线测量时所参照的标准。 热精度相关标准主要包括热精度检测、热精度预测和热精度控制三个方面，从热精度检测开始，规范热误差测量方法和数据，再据此建立热精度预测模型，实现对热误差的预测和热精度控制。

3） 振动的监测和抑制： 主要对数控加工中心在切削过程中产生的振动信号进行采集、分析判别，以及隔离抑制时所用到方法手段等方面制定规范。 主要包括振动监测、分析判别方法、振动控制方法三个方面。

4） 刀具在线检测评定： 主要指数控加工中心在生产加工时，在保证加工效率的基础上对刀具的磨损、温度、性能等参数进行在线检测评定时要参照的基准。 主要包括刀具磨损检测、刀具磨损评定、刀具性能评定三个方面。

（3） 产品标准

产品标准是对不同误差源条件下加工制造零件时所用到的必备产品进行测量、评定以及检验时所依照的相关标准，是整个标准体系的主体部分，也是高精度数控加工中心实现国产化和产业化的支撑。 与方法标准相对应，产品标准主要包括几何精度评定软/硬件、热误差补偿软/硬件、机床振动控制软/硬件、刀具在线测量软/硬件四个方面。

以热误差补偿软件硬件为例，其产品标准是热精度检验与评定的主体，从影响热误差的因素出发，规定了数控加工中心的环境温度变化，主轴旋转和线性轴移动的三种热变形的检测和评定方法。 该产品的地方标准详细论述了三种热误差的检验方法、参数和结果表达，并给出了不同检测数据的表达示例及所用补偿方法，以供参考。DB 34/T 3148—2018 《数控加工中心热变形精加工试件精度检验》 地方标准则补充了数控加工中心对精加工试件的热变形检验规范，包括方法原理、检验条件与参数等。 由此构成了数控加工中心热误差相关产品标准的雏形，进而对其改善和发展，即可得到数控加工中心的产品标准体系。

3 数控加工中心标准化的后续建议

以高端数控加工中心为核心的产业链是社会经济发展的基础性产业，是提升我国综合国力的重要保证。 标准是产业发展的关键、行业内规范的手段和生产研发各方面的依据，标准的先进程度决定了行业发展的整体水平。 数控加工中心精度保障标准化是以高端数控加工中心为核心的产业步入发展快车道的一项关键系统工程，需要各科研单位、各行政职能部门、国家标准管理委员会和相关孵化企业多方努力精诚合作，共同拟定实施规划。 因此，本文给出如下建议：

（1） 重视高精度数控加工中心等重要产品标准的修订

随着国家战略《中国制造2025》 以及《装备制造业标准化和质量提升规划》 的提出和推进，我国数控加工中心正朝着精密化，智能化等方向发展，现在市场上已经出现了多种先进的数控加工中心。 但由于这些数控加工中心尚未能实现批量化生产，没有形成产业化链条，且业内关于高精度数控加工中心在测定、检验等方面的国家标准已不满足产业发展，所以相关产品标准的修订工作迫在眉睫。

（2） 跟踪高精度数控加工中心技术和产业发展动态，制定相关评价规范

近年来，数控加工技术进步显著，如高精度、大尺寸、多轴联动以及融合了人工智能的数控加工中心相继在市场上出现，并在同类产品中脱颖而出。 我国现行的国家标准中，数控加工中心方面的标准相较于普通机床来说很少，因此为了避免在日益激烈的国际竞争中处于被动地位，跟踪高档数控加工中心产业的发展最新动态就显得十分必要。 了解数控加工中心精度检验和评价的最新成果，是制定高精度数控加工中心的评价规范的基础，也是为高精度数控加工中心的研究、制造、检验和使用提供参考依据。

（3） 开展用于数控加工中心精度保障的关键功能部件的标准制定工作

当下随着国家战略《中国制造2025》 的提出及推进，国家对智能制造相关产业的大力支持，近几年用于数控加工中心精度保障的相关部件的品种和规格日益繁多，产品水准也是差距较大，一方面这不利于用户选购产品，另一方面也造成了资源浪费，制约了高精度智能化数控加工中心的进一步发展。 建议国家标准管理委员会尽快完善符合我国国情的数控加工中心精度保障关键功能部件标准，规范并指导我国数控加工中心关键功能部件的生产和进步。

（4） 推进数控加工中心精度保障采标工作，并与国际先进标准尽快接轨

国际化标准体系代表了世界标准化人士的共同价值遵循，也指引着世界先进装备制造技术的发展方向，国内相关企业要想在国际市场中抢占并保持市场份额，提高自身影响力，必须付出更多努力，就必须积极采用国际化标准体系，完善自身。 这需要充分发挥全国专业标准化技术委员会作用，积极鼓励科研人员推进重点项目的研发工作，将研发成果转化纳入到国际先进机床精度保障标准体系当中。

首先，根据产品的需要，跟踪国际标准发展动态，及时将数控加工中心精度保障最新的国际标准按照相关原则内化为符合我国国情的标准；其次，积极学习国际最新标准，推动我国相关保障产品在国际最新标准的指导下进行生产，从而提升数控加工中心的产能和加工质量。 同时，要抓紧实施机床行业的清理整顿工作，对那些水平较低的，不符合产品设计、开发、验收标准的公司，要求其加快整改和更新，提高标准化水平，以适应现代高精度机床标准的内在要求。

4 结语

本文对我国数控加工中心标准体系现状进行了分析，指出了现有标准不能满足产业高精度发展的问题，在此基础上提出了构建数控加工中心精度保障标准体系框架的设想，并从影响数控加工中心加工精度的误差来源出发，在通用基础标准、方法标准以及产品标准三个层面进行了详细论述。 最后，为了保障和促进此标准化体系的建立，提出了相应的后续建议。

此标准体系的构建对我国精密数控加工中心的研究和发展具有重要的指引与参考作用，将进一步拉动数控加工中心的设计制造及生产水平，满足复杂、高精尖加工制造领域的需求，完善金属切削机床的标准体系。