合肥工業(yè)大學(xué) 陳陽楊 潘巧生 姜海洋

安徽省質(zhì)量和標準化研究院 戴繼勇

重慶理工大學(xué) 苗恩銘

數(shù)控機床尤其是數(shù)控加工中心是制造業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，其發(fā)展對我國裝備制造業(yè)乃至國家現(xiàn)代化經(jīng)濟建設(shè)具有重要影響意義。 隨著制造業(yè)的進一步轉(zhuǎn)型升級，對數(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。

近年來，我國數(shù)控機床行業(yè)成長迅猛，數(shù)控加工水平顯著提高，盡管如此國產(chǎn)數(shù)控機床仍多處于中低端位置，高檔數(shù)控機床方面存在很大差距，大部分領(lǐng)域由于缺乏先進理念的指導(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行國產(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)標準化意識不足，且在數(shù)控加工中心精度保障方法及相關(guān)產(chǎn)品中缺乏國家層級、行業(yè)層面和地方領(lǐng)域等配套的標準體系。 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)方法標準和產(chǎn)品標準迫在眉睫，是推進高精數(shù)控加工中心建設(shè)和完善工作中的一項重大任務(wù)。

1 數(shù)控加工中心精度保障標準化的現(xiàn)狀

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

圖1 金屬切削機床標準體系框架

雖然我國已擁有機床檢驗通則和相關(guān)產(chǎn)品檢驗條件等精度標準體系，但部分標準發(fā)展已落后于產(chǎn)業(yè)技術(shù)的發(fā)展，無法依靠其先進性指導(dǎo)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，部分標準甚至已經(jīng)到了需要修訂的年齡。

我國現(xiàn)行的加工中心標準體系和精密加工中心標準體系分別于2011 年和2007 年修訂實施，在指導(dǎo)精密加工中心生產(chǎn)制造和規(guī)范市場上發(fā)揮了積極作用，但隨著加工中心的快速發(fā)展，此標準已經(jīng)不足以體現(xiàn)當今精密加工中心的實際水平，無法滿足當今和未來一段時間內(nèi)制造業(yè)對其技術(shù)要求。 雖然一些國際超精密機床制造商有自己的檢驗標準，但這些標準并未公開，因而國內(nèi)外尚未公開發(fā)布超精密機床標準以供參考。 因此，盡快制定我國超精密機床的精度檢驗規(guī)范，建立健全數(shù)控加工中心精度保障標準體系，是縮小國產(chǎn)加工中心與國際先進水平的差距，推進數(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)控加工中心精度標準體系的構(gòu)建

數(shù)控加工中心精度保障工作的標準化在高精度數(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，是對現(xiàn)有數(shù)控加工中心標準體系的橫向補充，在加工精度測定、計算、分析以及檢驗等環(huán)節(jié)制定標準，能夠規(guī)范數(shù)控加工中心加工精度的評定，從而促進整機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準體系的構(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)，對加工精度進行檢測、評定和和控制，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準體系如圖2 所示，該體系可分為三個子體系，包括： 通用基礎(chǔ)標準、方法標準以及產(chǎn)品標準。

（1） 通用基礎(chǔ)標準

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

數(shù)控加工中心在進行零件加工作業(yè)時，首先要查看零件圖紙上的加工細則，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上的細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)動下，發(fā)出加工指令，按照預(yù)定軌跡作業(yè)，進而完成零件的加工。在整個加工過程及后續(xù)檢測環(huán)節(jié)中，工藝系統(tǒng)、加工環(huán)境、生產(chǎn)調(diào)度和零件檢測相關(guān)標準的制定，對通用基礎(chǔ)標準乃至整個數(shù)控加工中心精度保障標準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)度和零件檢測列為通用基礎(chǔ)標準的范圍之內(nèi)。

圖2 數(shù)控機床精度保障標準體系

（2） 方法標準

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

1） 幾何精度： 主要對數(shù)控加工中心在無負荷狀態(tài)或加工狀態(tài)下進行幾何精度的測定時所參照的基準。 主要包括幾何精度判別、幾何精度檢測與評定和幾何精度控制三個方面。 特別是在機床檢驗通則第一部分關(guān)于幾何精度的標準已經(jīng)到了修訂年限的時候，數(shù)控加工中心標準的修訂更需要注意幾何精度標準的制定。

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，對其在不同條件下的加工精度進行離線測量或在線測量時所參照的標準。 熱精度相關(guān)標準主要包括熱精度檢測、熱精度預(yù)測和熱精度控制三個方面，從熱精度檢測開始，規(guī)范熱誤差測量方法和數(shù)據(jù)，再據(jù)此建立熱精度預(yù)測模型，實現(xiàn)對熱誤差的預(yù)測和熱精度控制。

3） 振動的監(jiān)測和抑制： 主要對數(shù)控加工中心在切削過程中產(chǎn)生的振動信號進行采集、分析判別，以及隔離抑制時所用到方法手段等方面制定規(guī)范。 主要包括振動監(jiān)測、分析判別方法、振動控制方法三個方面。

4） 刀具在線檢測評定： 主要指數(shù)控加工中心在生產(chǎn)加工時，在保證加工效率的基礎(chǔ)上對刀具的磨損、溫度、性能等參數(shù)進行在線檢測評定時要參照的基準。 主要包括刀具磨損檢測、刀具磨損評定、刀具性能評定三個方面。

（3） 產(chǎn)品標準

產(chǎn)品標準是對不同誤差源條件下加工制造零件時所用到的必備產(chǎn)品進行測量、評定以及檢驗時所依照的相關(guān)標準，是整個標準體系的主體部分，也是高精度數(shù)控加工中心實現(xiàn)國產(chǎn)化和產(chǎn)業(yè)化的支撐。 與方法標準相對應(yīng)，產(chǎn)品標準主要包括幾何精度評定軟/硬件、熱誤差補償軟/硬件、機床振動控制軟/硬件、刀具在線測量軟/硬件四個方面。

以熱誤差補償軟件硬件為例，其產(chǎn)品標準是熱精度檢驗與評定的主體，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)和線性軸移動的三種熱變形的檢測和評定方法。 該產(chǎn)品的地方標準詳細論述了三種熱誤差的檢驗方法、參數(shù)和結(jié)果表達，并給出了不同檢測數(shù)據(jù)的表達示例及所用補償方法，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》 地方標準則補充了數(shù)控加工中心對精加工試件的熱變形檢驗規(guī)范，包括方法原理、檢驗條件與參數(shù)等。 由此構(gòu)成了數(shù)控加工中心熱誤差相關(guān)產(chǎn)品標準的雛形，進而對其改善和發(fā)展，即可得到數(shù)控加工中心的產(chǎn)品標準體系。

3 數(shù)控加工中心標準化的后續(xù)建議

以高端數(shù)控加工中心為核心的產(chǎn)業(yè)鏈是社會經(jīng)濟發(fā)展的基礎(chǔ)性產(chǎn)業(yè)，是提升我國綜合國力的重要保證。 標準是產(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)，標準的先進程度決定了行業(yè)發(fā)展的整體水平。 數(shù)控加工中心精度保障標準化是以高端數(shù)控加工中心為核心的產(chǎn)業(yè)步入發(fā)展快車道的一項關(guān)鍵系統(tǒng)工程，需要各科研單位、各行政職能部門、國家標準管理委員會和相關(guān)孵化企業(yè)多方努力精誠合作，共同擬定實施規(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)品標準的修訂

隨著國家戰(zhàn)略《中國制造2025》 以及《裝備制造業(yè)標準化和質(zhì)量提升規(guī)劃》 的提出和推進，我國數(shù)控加工中心正朝著精密化，智能化等方向發(fā)展，現(xiàn)在市場上已經(jīng)出現(xiàn)了多種先進的數(shù)控加工中心。 但由于這些數(shù)控加工中心尚未能實現(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)控加工中心在測定、檢驗等方面的國家標準已不滿足產(chǎn)業(yè)發(fā)展，所以相關(guān)產(chǎn)品標準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)展動態(tài)，制定相關(guān)評價規(guī)范

近年來，數(shù)控加工技術(shù)進步顯著，如高精度、大尺寸、多軸聯(lián)動以及融合了人工智能的數(shù)控加工中心相繼在市場上出現(xiàn)，并在同類產(chǎn)品中脫穎而出。 我國現(xiàn)行的國家標準中，數(shù)控加工中心方面的標準相較于普通機床來說很少，因此為了避免在日益激烈的國際競爭中處于被動地位，跟蹤高檔數(shù)控加工中心產(chǎn)業(yè)的發(fā)展最新動態(tài)就顯得十分必要。 了解數(shù)控加工中心精度檢驗和評價的最新成果，是制定高精度數(shù)控加工中心的評價規(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)鍵功能部件的標準制定工作

當下隨著國家戰(zhàn)略《中國制造2025》 的提出及推進，國家對智能制造相關(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)品水準也是差距較大，一方面這不利于用戶選購產(chǎn)品，另一方面也造成了資源浪費，制約了高精度智能化數(shù)控加工中心的進一步發(fā)展。 建議國家標準管理委員會盡快完善符合我國國情的數(shù)控加工中心精度保障關(guān)鍵功能部件標準，規(guī)范并指導(dǎo)我國數(shù)控加工中心關(guān)鍵功能部件的生產(chǎn)和進步。

（4） 推進數(shù)控加工中心精度保障采標工作，并與國際先進標準盡快接軌

國際化標準體系代表了世界標準化人士的共同價值遵循，也指引著世界先進裝備制造技術(shù)的發(fā)展方向，國內(nèi)相關(guān)企業(yè)要想在國際市場中搶占并保持市場份額，提高自身影響力，必須付出更多努力，就必須積極采用國際化標準體系，完善自身。 這需要充分發(fā)揮全國專業(yè)標準化技術(shù)委員會作用，積極鼓勵科研人員推進重點項目的研發(fā)工作，將研發(fā)成果轉(zhuǎn)化納入到國際先進機床精度保障標準體系當中。

首先，根據(jù)產(chǎn)品的需要，跟蹤國際標準發(fā)展動態(tài)，及時將數(shù)控加工中心精度保障最新的國際標準按照相關(guān)原則內(nèi)化為符合我國國情的標準；其次，積極學(xué)習(xí)國際最新標準，推動我國相關(guān)保障產(chǎn)品在國際最新標準的指導(dǎo)下進行生產(chǎn)，從而提升數(shù)控加工中心的產(chǎn)能和加工質(zhì)量。 同時，要抓緊實施機床行業(yè)的清理整頓工作，對那些水平較低的，不符合產(chǎn)品設(shè)計、開發(fā)、驗收標準的公司，要求其加快整改和更新，提高標準化水平，以適應(yīng)現(xiàn)代高精度機床標準的內(nèi)在要求。

4 結(jié)語

本文對我國數(shù)控加工中心標準體系現(xiàn)狀進行了分析，指出了現(xiàn)有標準不能滿足產(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準體系框架的設(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)標準、方法標準以及產(chǎn)品標準三個層面進行了詳細論述。 最后，為了保障和促進此標準化體系的建立，提出了相應(yīng)的后續(xù)建議。

此標準體系的構(gòu)建對我國精密數(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，將進一步拉動數(shù)控加工中心的設(shè)計制造及生產(chǎn)水平，滿足復(fù)雜、高精尖加工制造領(lǐng)域的需求，完善金屬切削機床的標準體系。