五轴数控机床构型技术分析

马富东 李文龙

摘 要：机床构型决定着机床的规格和性能，通过机床构型的合理设置，可以使数控机床的适用范围更加广泛，加工对象更加多样，能够有效提高加工精度、加工效率和使用寿命，使数控机床可广泛应用于金属塑性加工、激光焊接、激光切割、专机制造及实用教学等领域。文章将从专利申请态势、专利申请流向分析、主要申请人等角度进行分析，以供参考。

关键词：五轴数控机床;专利分布;机床构型

中图分类号：TG5文献标识码：A文章编号：1674-1064（2021）08-106-02

DOI：10.12310/j.issn.1674-1064.2021.08.053

机床构型是五轴数控机床的机械主体，属于数控机床的基础部件，这部分是加工的主要执行机构，因此要求其具有刚性、抗震性能好、热变形小等特性。由于数控机床是由数控系统编程提供加工指令的，因此机械结构部件的制造几何精度和加工中的弹性形变，无法人为的补偿和调整。而对于整体刚性，往往取决于机床床身的架构设计、传动结构设计、结构件之间接触表面大小及贴合性，以及钢材的选择。目前，对于机床主体的制造而言，国内己经达到一定水平，同时国内有多家企业专门从事机床主体生产。根据其相关结构，机床构型主要可分为工作台、摆头、框架，其中工作台的主要结构形式有普通工作台、并联式工作台和枢转桥式工作台，摆头主要结构形式有单摆结构和双摆结构，机床框架最主要的设置形式为龙门结构。同时，依据加工主轴的设置形式的不同，机床框架相应的布局形式有立式结构和卧式结构。

1 主要申请人态势分析

在五轴数控机床构型技术领域，全球专利申请的目标国和地区分布及各技术创新主体，还是集中在机床领域的主要生产国。例如中国的沈阳机床、日本的发那科、美国的格里森、德国的德马吉，均是全球重要的机床生产企业。其中，日本、美国、德国作为现代化工业强国，其在机床构型技术领域的申请量较为接近，均占到全球申请总量的11%左右[1-4]。

图1中显示了在五轴数控机床构型领域，全球专利申请量排名前十位的申请人。分析可知，申请人主要来自日本、中国、德国和美国。排在前三位的是日本森精机[4]、沈阳机床和山崎马扎克，作为五轴数控机床的专利申请大国，三者在五轴数控机床构型方面也都处于领先地位。而同样作为五轴数控机床专利主要申请者的牧野、格里森以及发那科，也都在机床构型领域投入了大量的研发能力。位于第四位的是德国德克精密制造公司，其研制的高档五轴数控磨削中心系列机床，在世界精密工具磨床技术领域一直占据领先地位[3]。国内申请人如济南二机床集团有限公司和湖南中大创远数控装备有限公司，国外申请人如津田驹和东芝，也有一定的申请量。国外申请人在五轴数控机床构型领域的专利文献，具有申请时间早、核心技术多的特点和优势[5]，而该技术领域是五轴数控机床较为容易突破的技术领域。近几年来，我國以沈阳机床为代表的机床厂在该领域迅猛发展，已经在国际上处于领先地位。

2 五轴数控机床摆头结构专利分析

国内主要申请人关于摆头结构的申请情况，结合摆头结构技术发展和功效分析，目前研究着重于实现该效果的技术方向，主要为传动间隙消除、摆角行程优化及振动抑制三个方面。

在传动间隙消除技术方面，2010年之前基本集中于机械传动形式的改进，2010年之后随着电主轴和扭矩电机技术的发展，申请方向集中于直驱形式实现摆头驱动以提高精度。针对摆角行程优化以及振动抑制的专利申请，虽然2010年之后相较之前申请量有所上升，但整体上申请量不足。反观美、日等国的申请人，其在2010年之前已经有相当数量关于摆角行程优化及振动抑制方面的专利申请;2010年之后，在摆头技术申请整体减小的局面下，涉及传动间隙消除的结构改进方面的申请尤其减少严重;近年来，主要申请方向侧重于摆角行程优化及振动抑制。

在摆头结构有关行摆角行程优化及振动抑制技术方面，目前日本申请人德玛吉森精机、山崎马扎克申请活跃度最强，笔者综合考虑被引证频次、同族专利情况，给出部分重点专利，并进行相应的解读[6]。

公开号-CN104736280

发明名称–机床的内径车削附件

核心方案–机床，包括安装工件并绕垂直轴旋转的工作台，位于该工作台的上方，绕水平轴旋转自如的主轴头，内置于该主轴头中，装卸自如地安装工具并绕工具轴旋转的主轴，以及通过专用的夹具机构装卸自如地安装于主轴头的附件。附件包括：附件座，具有向主轴头进行安装的安装部，固定在附件座下部的躯体，在附件安装在主轴头上时，躯体的下部与主轴的轴心正交，并构成车刀架安装面;安装在该躯体的所述车刀架安装面上的车刀架，车刀架具有能够装卸自如地安装车削工具的工具安装面，能够变更工具安装角度;工具安装角度是安装附件时，车刀架安装面与工具安装面构成的角度。

3 五轴数控机床工作台专利分析

涉及工作台的专利技术，申请人主要的关注方向为加工精度和加工效率的提升。根据技术分解表，工作台在形式上分为普通工作台、桥式工作台及并联工作台。而根据工作台的结构，尤其是普通工作台和桥式工作台，实现以上效果的技术主要为工作台的驱动方式，具体可分为蜗轮蜗杆/齿轮驱动、弧面凸轮驱动以及电机直驱三个方面。

在工作台技术方面的研究中，以沈阳机床为代表的企业研究方向覆盖范围，主要集中在普通工作台和桥式工作台这两种，而业内的高校申请除了涉及普通工作台和桥式工作台的技术研究外，更集中在对并联工作台的研究。国内的专利申请绝大部分集中于有关工作台的蜗轮蜗杆/齿轮驱动和电机直驱，2010年之前基本集中于机械传动形式的改进，但改进基本在蜗轮蜗杆/齿轮驱动上，对于精度更高的机械传动结构弧面凸轮驱动，国内申请较少;而2010年之后随着电主轴和扭矩电机技术的发展，申请方向集中于直驱形式实现工作台驱动以提高精度，而这些申请的技术主要集中在电机的布置方面，而在机械传动弧面凸轮驱动方面的申请数量虽有所增加，但总体数量还是不足。反观美、日等国的申请人，除了在蜗轮蜗杆/齿轮驱动和电机直驱方面有一定的申请外，其在弧面凸轮驱动的研究上相比国内呈现出一定的优势。而纵观国内外在并联工作台方面的申请，国内外企业的研究都 很少，尚属于技术空白区。

在工作台结构有关弧面凸轮驱动的申请中，目前日本申请人株式会社三共制作的申请人活跃度最强，笔者综合考虑被引证频次、同族专利情况，给出部分重点专利，并进行相应的解读。

公开号-JP2002126958A

申请人-株式会社三共制作所

发明名称–回转工作台装置

核心方案–回转工作台装置，包括旋转台，旋转台在周边部分径向设置有多个凸轮随动件。这些凸轮从动件与设置在从动轴上的滚子齿轮凸轮齿轮啮合。壳体中的间隙部分设置有用于润滑辊齿轮凸轮和凸轮从动件的油，通过密封件和O形环，防止该油泄漏到旋转工作台装置的外部，以此来实现回转工作台的高精度旋转，其能消除传统的蜗轮蜗杆传动的间隙，实现旋转运动。

总体来说，机床构型属于机床的基础构件，如同机床的“躯干”，其在一定程度上决定着五轴数控机床的规模和适用范围。每台五轴数控机床都会涉及构型结构的搭建，由此导致了机床构型虽然基础，但申请量相比其他分支更为突出的特点。

从专利申请角度来说，我国关于五轴數控机床构型的专利申请，要晚于欧美工业发达国家，不过近些年在申请量上有了显著的增长并超过了国外申请量[7]。在摆头结构方面，中国申请总体集中于传动间隙消除的结构改进，而发达国家申请人目前的研究方向倾向于振动抑制，我国申请人在该方面应注重关注德玛吉森精机及山崎马扎克的相关专利申请和相关研究人员的研究成果;在工作台结构方面，中国申请总体集中在机械传动中的蜗轮蜗杆/齿轮传动和电机直驱方面的改进;发达国家申请人除了以上两个方面外，在精度更高的机械传动弧面凸轮上的研究也比较多，而我国在这方面研究起步较晚，申请人在该方面应注重关注株式会社三共制作所的相关专利申请和研究人员的研究成果;在并联工作台方面，国内外企业研究的不是很多，尚属于技术空白区，我国申请人也主要集中在高校，我国应加大这方面的研究和突破，优先进行专利申请和布局，并进一步加强产学结合，将其投入产业应用;在框架结构方面，技术已经较为成熟。

参考文献

[1] 连昱.我国数控机床行业的整体发展及国际竞争力分析[D].北京：对外经济贸易大学，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] 及冲冲，屈文兴.浅谈中国数控机床产业竞争力与战略研究[J].科技资讯，2014，12（21）：227.

[6] 王燕梅著.装备制造产业现状与发展前景[M].广州：广东经济出版社，2015.

[7] 王鹏主编.兴国之器 中国制造2025[M].北京：机械工业出版社，2016.