数控雕铣加工技术及设备的现状及发展＊

贾吉林，胥光申

（1.西安工程大学机电工程学院，陕西 西安 710048；2.陕西理工大学机械工程学院，陕西 汉中 723001）

引言

随着我国经济和制造业的迅速发展，对数控机床的需求越来越大。我国对数控机床的消费和进口数量已连续十余年位居世界第一。强劲的市场需求，不仅推动了国内机床产品的蓬勃发展，同时也吸引了世界主要机床制造商在华投资建厂，使中国近年来逐步成为机床的最大生产国。数控机床作为工艺装备，重量大、切削载荷大、结构复杂、多以专机为主，加工一些昂贵产品的精度难以保证，且加工小型产品成本过高。随着市场的需要，数控机床已逐步从大型化和专业化方向朝微型化和精密化方向发展。研究者将加工小型产品的功能从数控机床的加工中心分离出来，研究形成了一种新的微型化、精密化机床品种数控雕铣机床。

与传统的数控机床不同，数控雕铣机是一种在生产实践中应用广泛的特殊机床。它集合了雕刻和铣削功能，具有高转速、小吃刀量、高精度、高硬度加工等优点，拥有较高的生产效率和优质的表面质量。另外，数控雕铣机床拥有主轴转速高、刀具直径小、精细程度优越、表面光洁度高等特殊优势，弥补了诸如铣床、钻床、车床等通用数控机床加工功能单一的缺陷，已经使用在大功率LED铝基板、精美工艺品、金属电极、产品的特殊外包装、金属眼镜框等精细加工等领域。近年来，随着CAD/CAM技术水平的不断提升，数控雕铣机已经成为大型浮雕加工设备的首选。

1 传统手工雕刻的发展

传统的中国手工艺品有着悠久而美好的历史，在中国文化艺术的历史长河中占据重要的位置。手工艺品是中国文化史、美术史和设计史发展过程中的重要内容，是中国传统文化的标志性产物。中国工匠们发明了烧造、铸锻、染织、编结、木作、髹饰、雕塑等多种工艺方法，将不同材质的原料创造出丰富多彩、巧夺天工的各类手工艺品。雕刻师们通过特定的雕刻工具对石材、木材、玉石和玛瑙等材料进行雕刻，雕刻的样品如图1所示[1]。

图1 传统雕刻

传统手工雕刻包括凿制粗胚、掘细坯、修光、打磨、饰纹、着色上光等，存在工艺过程繁杂、生产效率低和生产成本高，雕刻制品的质量一致性差等缺陷。因此严重制约着雕刻行业的快速发展，为了更好地适应社会需求，数控雕铣机的出现成为时代发展的必然[2]。

2 数控雕铣机技术的研究现状

2.1 国外雕铣技术的相关研究

美国研究人员 T.L.Sehmitz采用试验和分析方法完成了数控机床的主轴、刀具和刀夹的进给传动模型，获得了机床完整的系统动态响应特性[3]。韩国学者 JungDosuh和DaiHi11ee应用有限元分析了高速机床的主轴和滑块结构，对主轴的结构进行了稳定性分析，设计了一款复合式新型结构，既减轻了机床的整体质量，又提升了机床的系统刚度[4]。西班牙学者M.Zatarain采用Natran和I-deas两种分析软件对立柱式移动铣床的整机的进给系统进行动态性能分析，优化了床体、头架与导轨之间的进给传动模型，得到了稳定性较好的系统模型[5]。加拿大学者 M.A.E1bestawi研究了铣削和磨削相结合的动力学模型，分析求解各进给构件振动的固有频率，通过虚拟动态特性试验得出了构件阻尼以及结合面的刚度数据，通过在机床上进行测试获得进给系统的刚度。利用机床测试进行修正并验证进给传动模型[6]。U.Heise1与A.Feinauer分析了平衡量值、施加的作用力和加速性能等高速磨削产生振动的因素，仿真了各种振动对加工件质量造成的影响，然后根据仿真分析的结果对最终的加工效果进行评估[7-8]。

在机床传动分析中，首先要解决的问题是如何建立合理的动力学模型。最早由德国学者S.Taylor提出了集中参数模型并且应用该模型分析了卧式车床、单柱刨床进给传动系统等，英国学者运用该模型分析了龙门刨床的动态特性并与实验结果进行了比较，其结果在当时的条件下令人满意。Li B通过对机床整机的模态分析，得到了机床中关键部件的模态参数和模态分析中的振动参数[9]。John M.R.S采用有限元分析方法，对D3工具钢的CNC研磨加工过程、输出表面的粗糙度、残余应力、微小硬度进行了模拟，成功预测了机床工具的动态特性[10]。美国学者Hull提出了参数化设计概念和结构拓扑优化方法，利用有限元软件对机床的主体结构进行优化[11]。GaberO和HashemiSM在建立机床系统的数学模型过程中将主轴老化作为重要参考，通过主轴的模态分析获取动态性能参数，并以参数变化预测主轴持续工作时间段间隔[12]。

2.2 国内雕铣技术的相关研究

赵成喜[13]等完成了六轴数控机床的结构设计和动态特性分析，综合了机床机械结构设计和线性传动的误差影响等因素，采取有限元对雕铣机进行了模态分析；刘一波[14]等人分析了数控雕铣机高速电主轴，介绍了雕铣加工过程中所使用的各类电主轴的结构特点和关键技术；张国刚[15]通过对数控雕铣机夹具的研究，改进了数控雕铣机的装夹方法，满足加工精度的同时精简了装夹方式；梁启明[16]等建立了数控雕铣机进给传动系统机械传动系统、伺服驱动电机和执行部件的一体化数学模型，仿真得到了数控雕铣机进给传动系统最佳的进给传动参数，得到了非线性因素对系统动态性能的影响；路晓东[17]研究了数控铣加工中工艺参数的合理选择，确定了正确地选择工艺参数的原则和方法；丁岩[18]等人通过对B轴驱动部件高效铣削工艺方法的研究，结合磨损试验，确定了刀具结构、切削参数和切削振动对刀具磨损的影响特性；陈兵[19]等人通过对数控雕铣曲面加工复杂度计算及切削参数选择方法的研究，建立了基于 BP神经网络雕铣切削参数的预测模型；穆存远[20]等人通过分析影响产品模型雕刻表面的质量因素，表明浮雕成型过程中关键性参数对成型质量产生影响，加工时的重叠率与表面粗糙度成反比关系；李海东[21]等对复杂曲面零件的数控雕刻加工的研究，通过三维软件和编程软件的结合，提高了雕刻加工的质量和效率；汪全友[22]等人通过探讨ArtCAM相对于数控雕铣加工技术的实际应用，促进了CAD/CAM技术在雕铣加工中的广泛应用；王政皓[23]等人研究了基于Arduino小型激光雕刻机的设计方法及其控制系统；任忠先[24]等研究了ArtCAM技术在数控雕铣加工中的应用和雕铣加工相结合的软件实际操作方法。

3 数控雕铣机的产品现状及发展趋势

作为机床制造业的主导产品之一，数控雕铣机是关系国家战略地位和综合国力的重要保障。它也是高质量、大批量、多种类机械生产和加工的基础装备，数控雕铣机，尤其是高档数控雕铣机的产量、性能和技术水平是衡量国家综合制造实力的重要标志之一，代表了国家的工业现代化的发展水平。

先前，国内所需的大批量数控雕铣机都依赖极少数发达国家。但是自从20世纪90年代以来，数控雕铣机床成为工业发达国家的垄断和限制出口产品，尤其是以航空、航天、军工等关系国家命脉的行业，被列为重点技术限制的黑名单。除此之外，我国进口的高档数控雕铣机消耗了高昂的外汇储备，极大地制约了我国的机械、能源等核心工业的快速发展，严重影响了国民经济的稳步提升。

与世界工业发达国家相比，国内的数控雕铣机技术起步较晚，整机在产品性能和关键技术等方面严重落后。截至目前，国内的高档数控雕铣床与国外先进产品之间仍然存在较大差距，表现为雕铣机的总体水平较低，自主开发能力、核心功能部件等跟不上时代的需求，尤其对高档数控系统的研发尚处于起步阶段，机床的可靠性、稳定性和耐久性等共性技术研究进展极其缓慢[25]。

在雕刻机市场中，美国的“雕霸”、日本的“御牧”和法国的“嘉宝”长期处于领先位置，但是都存在价格高昂的窘境[26]。近年来，随着国产雕刻机技术的不断进步，市场份额越来越大[27]。但是存在一些共同特征：机床本体结构简单，没完全掌握控制原理，控制器技术靠引进，选择步进电机驱动，控制精度不高，而价格相对便宜，性价比比进口机床高[28]。因此，精度要求高的雕铣机的整套设备仍然需要进口[29]。

美国的世纪雕霸雕刻机是一款非常实用的雕刻切割机，其中型号1325的机床外形如图2所示，由于Y轴采用的直线支承导轨，大幅提升了机床的精度，最终的加工速度和加工精度与TYl290相近。1325型机床更适合大型木器的CNC雕刻，使得大型机床雕刻胸牌及大幅面浮雕成为现实。

图2 世纪雕霸1325雕刻机

图3 嘉宝M40雕刻机

法国 1938年研制的嘉宝雕刻机是世界上第一台手动雕刻机。图3是法国嘉宝M40雕刻机的外形，该机床系统紧凑、简单易用、快速安静。利用红点定位预测雕刻范围，无需测量，加工精度高、稳定、加工效率远高于国内外其他同类型机床，主轴的转速高达数十万转每分钟，走刀速度可达6～10m/s，并且 305mm×210mm 的广幅雕刻面积，使雕刻产品的范围更具多样性。

华威数控的立式雕刻机如图4所示，具有旋转轴的双保险固定方式，配备减速机，旋转无间隙，耐用性强等突出优势。主轴电机采用大功率变频风冷主轴，该主轴电机含有进口陶瓷球轴承，启动性能好，力矩大，能充分发挥本机高速的优势，效率高，耐磨、耐高温、旋转速度快，旋转震动小，工作噪音低。驱动系统采用了大功率伺服驱动系统，扭矩力更大，精度更高，配合主轴稳定雕刻，平稳性高。运行导轨采用方形直线导轨，高精密度，高强度，3000公里免维护、维护方便。Z轴通过加固型的特殊设计，配合专业设计方式，下刀更精准，无震动底纹产生。

在国内，创立于1994年的北京精雕科技有限公司，在系列精雕机开发方面成为“专、特、精”的成功典范。经过近20年的发展，北京精雕公司已经具备了自主研制CNC雕刻机、CAD软件、数控系统和高速电主轴的综合能力[25]。尤其在软件方面，公司对拥有完全自主知识产权的CAD/CAM系统持续进行开发和更新升级，已经从早期的 1.0版本更新至 5.5版本，打造成为国内唯一拥有自主知识产权的雕刻设计软件。

图4 华威数控的立式雕刻机

图5 北京精雕JDGR300雕刻机

现如今，北京精雕公司的CAD/CAM雕刻软件，已经成为业界高水准的标杆并被广泛推广。北京精雕的主机所配置的功能部件、数控系统和高速电主轴等全部由公司自主研发生产。图5是北京精雕JDGR300雕刻机外形，该机适用于精密铣削、精密模具加工、精密磨削加工等多个领域，可以稳定实现“0.1μm进给，1μm切削和nm级的表面粗糙度”加工。各直线轴配备光栅尺，采用全闭环控制技术保证机床运动精度；对主轴、轴承座、转台电机、丝杠螺母等关键发热部位进行全方位冷却，保证机床的热稳定性；标配刀具补偿系统，选配精雕在机测量系统，实现对刀具、夹具和工件状态的监测，保证产品加工质量。

4 数控雕铣机的发展趋势

我国的数控机床经过近三十多年的发展取得了长足的进步，尤其在高档数控机床方面取得了重大突破，但是还有众多缺陷。例如，自主研发系统与机床的主体 CNC系统之间不兼容，国内开发的CNC系统与国外高端CNC系统不兼容，动态伺服系统大部分仍然首选进口品牌。

我国数控雕铣产业的未来发展趋势主要趋向于小部件的加工。近年来，由于智能手机的普及，3C行业整体的切削制造水平大幅提高，雕铣机由原来的木刻、鞋模等行业向以手机为代表的电子产品行业快速延伸，成为电子产品的首选加工技术手段。数控雕铣产业集中在 CNC雕刻、研磨、切割处理等工艺环节中，倾向于“三高、两化、一复合”的发展态势，即高速、高精度、高可靠性、柔性化、智能化和复合加工，其表现为[30-32]：

（1）高速

在确保切削质量的同时，机床的高速化是提高生产率一条最有效最便捷的途径。机床高速化的主要条件是提高切削速度和进给速度。经过多年的研究创新，部分国内企业已经可以提供40000r/min的超高速电主轴，使直径20mm的铣刀切削速度达到7m/s左右，同时CNC系统可将进给速度提高到 240m/min，切削进给速度的分辨率达到 0.01μm。另外，高速自动工具交换技术的引入，不仅准确地掌控了工具的位置，而且大幅提高工具交换速度和整机的切削效率[32-33]。

（2）高精度

数控雕铣机追求的首要目标是高精度，高精度是设计意图在制造环节中的直接表达。影响高精度的最重要硬件因素包括机床的切削精度、控制系统中反馈装置提供的定位精度机床床身的机械位置的再现性、热变形补偿以及机床的切削振动等。以上硬件因素均与机床的硬件配置密切相关，如伺服马达直接连接的滚珠丝杆的传动机构中，不可避免地会出现功率回流问题，反馈装置自身的分辨率直接决定了机床的检测精度。

虽然硬件影响因素不能完全消除，但是目前研究者已经通过 CNC系统的高级算法、高速插值、小线段的连续进给处理等软件控制方法弥补机床的硬件缺陷，可以达到较高的控制精度。此外，也有使用直线电机直接取代伺服电动机+滚珠丝杆的传动机构以缩短了传动链，采用精密组装技术等，大幅提高了机床的进给精度[34]。

（3）高可靠度

机床的可靠性是机床工具永无止境追求的重要性能指标之一，通常以没有故障的工作时间进行标定。机床的高可靠性是提高机床的稳定性的前提，是实现加工的高效率和产品高质量的保证，国外机床的可靠性可以达到大约80000小时工作无故障，而国内的机床的可靠性仅为约10000小时工作无故障，在此项性能方面存在较大的差距。机床中容易产生故障的环节以 CNC系统的故障为主，其次是机床的空气供给、流体供给和机电部件等的故障[35]。

（4）柔性化

数控雕铣机采用 CNC控制方法，更适合于个性化样品的制造，多轴联动的 CNC控制系统，更容易实现多样化、个性化同类不同质工件加工所需的不同加工需求。3D设计和虚拟仿真技术、多轴联动的数控仿真与数控加工技术的引入，必将为数控雕铣机的柔性化增添个性化的应用天地。

（5）智能化

目前，以日本FANUC和德国的SIEMENS公司为代表的极少数尖端企业，已经成功研发了完全自动流水线的完整解决方案，这也成为国内众多同类企业努力的方向。流水线实现各种各样的加工要求和工件检验与测试，满足用户即使不直接去加工现场，也可以通过网络远程监视整个加工工序，大幅削减人工费。同样人工智能和智能制造的产业前景为数控雕铣机的高度智能化提出了更高的目标要求。

（6）复合加工

数控雕铣机拥有柔性化智能化的 CNC系统，很容易实现 CNC系统和电气控制与机械系统的整合，可以满足个性化、多样化的处理要求。车铣复合加工是近年来在手机制造行业兴起的一种新的加工技术，在车削加工过程中实现手机壳的雕刻加工。直线电机、直接驱动及控制等技术的出现，彻底改变了当前主流的伺服控制模式，减少了以往的机械能量损失和机械故障，加速了复合加工技术的快速发展。另外，智能伺服控制系统和高精度位置反馈设备的涌现，有力增强了机床的多功能复合目标进程，提高了自动化装置的生产效率[36-38]。

随着机械制造企业对高速切削机床需求的增加，电主轴、直线电机等关键技术的突破，促使数控雕铣机的电主轴综合性能也在不断提升，未来数控雕铣机的发展更趋向于：

1）更高的速度和刚度

轴承支撑、润滑与冷却和新材料等相关技术的飞跃式发展，促使高速数控加工成为业界实现机床高速化的持续研究课题。另外，由于主轴的高速化造成的主轴刚度降低，使得机床高速度的同时提高主轴刚度成为电主轴技术发展的重要方向[39-40]。

2）高速大功率、低速大转矩

为了实现数控机床既能进行粗加工又能完成精加工的功能多样化需求，高速的同时功率更大和低速时的大转矩成为新型机床主轴必备的性能。着眼于全世界，开发高性能、大功率、高速的电主轴一直各国该领域学者竞相探索的课题。

3）电动机形式的多元化

目前，感应电动机是国内外机床产业普遍采用的驱动形式，然而由于构造和工作原理的限制，加之工作状态的不断改变，机床长期保持理想工作效率很难实现。因此，开发新型电机是实现电主轴跨越式发展的前提。目前，市场上的永磁电机相比于感应电机具有更高的控制精度、更小的转动惯量等优势，成为未来机床的新宠[41-43]。