在傳統(tǒng)數(shù)位控制機床的基礎(chǔ)上，予以多樣化加工能力，高階數(shù)位控制機床就能完成一個自動化生產(chǎn)線的工作效率，而備受關(guān)注，應(yīng)用於複雜的曲面和自動化加工，在航空航太、船舶、機械製造、高精密儀器、軍工、醫(yī)療器械產(chǎn)業(yè)等多種領(lǐng)域的設(shè)備製造業(yè)有著非常緊密的關(guān)係。

以業(yè)者數(shù)量來看，全球投入開發(fā)生產(chǎn)CNC綜合加工中心機的企業(yè)，仍舊是以日本最多，從上游到下游，大大小小的業(yè)者分布在各個領(lǐng)域，例如知名的FANUC、MAZAK、AMADA、大隈、森精機、JTEKT、牧野、小松、會田、三菱、SODICK、西鐵城、不二越 富士、東芝、津上、瀧澤、遠州、岡本、宮野、中村留、三井精機、豐和、富士、松浦、高松、濱井、倉敷、太陽工機、和井田、住友重機、芬太克、池貝等上百家。就算一些只有幾十人個人的小企業(yè)，例如松浦、濱井都有其獨到的技術(shù)實力；那怕是世界一流的大廠的德國DMG也要和日本森精合資，而目前的DMG是由森精主導(dǎo)，共用日本技術(shù)。

從2014年開始，日本的加工中心機就開始出現(xiàn)系統(tǒng)開發(fā)的變革性，各工具機大廠紛紛朝向更多功能性化的CNC綜合加工中心機發(fā)展，利用單一設(shè)備就可以提供各式各樣的多樣化加工能力也就廣被各界所關(guān)注。

八大發(fā)展趨向

加工製造業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境持續(xù)呈現(xiàn)巨大的變化，同時也帶動了泛用型CNC綜合加工中心機（machining center）開發(fā)目標(biāo)的變革，例如包括了不斷被要求的高精細度、單軸的移動速度與轉(zhuǎn)速的高速化、整體加工時間的縮短要求獲得高效率化等等。因此，高速化、高精度化、複合化、智慧化、開放化、並聯(lián)驅(qū)動化、網(wǎng)路化、極端化、綠色化已成為數(shù)位控制工具母機發(fā)展的趨勢和方向。

面對這樣的演進，泛用型CNC綜合加工中心機的開發(fā)技術(shù)，也被引領(lǐng)著朝向多功能複合化、多軸化以及智慧型化的三個潮流發(fā)展。例如，2015年FANUC推出的Series oi MODEL F數(shù)位控制系統(tǒng)（圖1），可和高階機型30i系列的產(chǎn)品直接導(dǎo)入，具備滿足自動化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運轉(zhuǎn)率技術(shù)，強化了迴圈時間縮短功能，並支援最新的I/O網(wǎng)路—I/OLink。

圖1 : FANUC的Series oi MODEL F具備滿足自動化需求的工件裝卸控制新功能和最新的提高運轉(zhuǎn)率技術(shù)（source：FANUC）

而Mazak也提出的全新製造理念—Smooth Technology，以基於Smooth技術(shù)的第七代數(shù)位控制系統(tǒng)MAZATROL Smooth X為核心，提供高品質(zhì)、高性能的智慧化產(chǎn)品和生產(chǎn)管理服務(wù)。Smooth X數(shù)位控制系統(tǒng)搭配先進軟硬體，在高速度下可進行多面高精度加工；圖形介面和觸控螢?zāi)徊僮魇褂脩趔w驗更佳，即使是複雜的五軸加工程式，通過簡單的操作即可修改；內(nèi)置的應(yīng)用軟體可以根據(jù)實際加工材料和加工要求快速地為操作者匹配設(shè)備參數(shù)。

積層製造為最受注目的新一代加工技術(shù)

除了多軸化加工之外，目前積層製造（Additive Manufacturing）是最受日本工具母機業(yè)者所注目的新一代加工技術(shù)，而這裡所指的積層製造也就是所謂的3D列印技術(shù)，但是製造實際上並不像一般報導(dǎo)的神奇，能夠製造出各式各樣的造型，事實上還是有諸多限制。

目前應(yīng)用在泛用型CNC綜合加工中心機上的積層製造技術(shù)，是以粉末溶融結(jié)合和直接能量沉積（Directed Energy Deposition, DED）為主。採用粉末溶融結(jié)合技術(shù)的綜合加工中心機，是在機床上鋪滿金屬粉末，在機床表面進行加熱，透過部分位置加熱的原理，將欲進行造型部分的粉末透過熱度進行溶融，然後再被固化結(jié)合，而形成積層造型，然後再進行一層層的堆疊成型，當(dāng)然，面對需要進行精度修飾的部分，則會進行銑床加工（milling），來獲得期望的精度。而直接能量沉積的部分，則是在綜合加工中心機的主軸上裝有專用套件，而金屬粉末從釋放的遮蔽氣體（Shield Gas）提供出來，再透過雷射的照射，在預(yù)計加工的地方提供熱能，使金屬粉末進行溶融，然後被固化結(jié)合，進而形成造型，再利用厚肉部分熔接，在底盤上來完成積層造型製造。

除了這兩樣技術(shù)之外，工作母機大廠Mazak也發(fā)表了一款透過摩擦攪拌接合原理的綜合加工中心機（圖2）。

圖2 : Mazak發(fā)表一款透過摩擦攪拌接合原理的綜合加工中心機（source：Mazak）

如圖3所示，在一般的專用設(shè)備中，追加了高速轉(zhuǎn)動的專用針頭。一方面將材料緩緩送入，透過針頭的轉(zhuǎn)動摩擦產(chǎn)生熱度，並與平臺壓合，再沿著接合的部分移動進行加工成型。因此，移動後的部分，就會逐漸成形。這樣作業(yè)方式的好處是，透過摩擦攪拌接合的方式，會比前兩款熔接的方式，讓加工環(huán)境不再粉層環(huán)繞，並且更利用不會產(chǎn)生歪斜變形的優(yōu)點，來進行不同金屬之間的接合。

圖3 : 透過摩擦攪拌接合的方式，讓加工環(huán)境不再粉層環(huán)繞，並且更利用不會產(chǎn)生歪斜變形的優(yōu)點，來進行不同金屬之間的接合。（source：Mazak）

和目前主流的切削加工技術(shù)相比較，積層製造生產(chǎn)出來的加工品仍舊無法滿足所有的條件要求。在各項的比較中，積層製造只有能夠補加材料、以及無需考慮進刀的方向角度和空間，這兩項能勝過以材料研切為基礎(chǔ)的切削加工技術(shù)，例如，切削工具就無法進入中空造型部分，或是無法進行比刀具更細小的形狀加工，其他的部分包括，加工精度、加工速度等都是難以和切削加工技術(shù)所比較的。不過，積層製造技術(shù)才發(fā)表數(shù)年的時間，相信在未來，這些困難點將會一一的被克服。

除此之外，例如雷射加工、切削加工以及搪光（Honing）加工等，也逐漸被整合到泛用型CNC綜合加工中心機上。未來面對多樣化的加工需求，這類多功能性泛用型CNC複合加工機將會被更加期待。

5軸數(shù)位控制加工機朝多元方向發(fā)展

在1958年CNC加工中心機被開發(fā)之後，透過多軸化以及多功能化的演進，目前不僅導(dǎo)入5軸加工能力，更是將加工中心機朝向多功能的複合化。原本CNC綜合加工中心機的內(nèi)部是僅由直進3軸所構(gòu)成，由於在設(shè)備的內(nèi)部空間，全部都是提供給加工軸前後移動，因此對於加工物來說，根本無法進行各角度的傾斜加工。然而，現(xiàn)今在設(shè)備內(nèi)部再增加了可以旋轉(zhuǎn)的2個加工軸，使得加工中心機達到5軸的工作能力，對於加工物來說，就可以進行從任意方向進行複雜形狀的加工，例如醫(yī)學(xué)應(yīng)用上形狀相當(dāng)複雜的IMPELLA加工。

這種CNC加工中心機是以3軸中心基礎(chǔ)，相當(dāng)於1臺車削中心和1臺加工中心的複合。因此可以在1臺CNC加工中心機上，經(jīng)過一次加工流程，就可以完成全部的車、銑、鑽、鏜、攻絲等加工，最先進的機械加工設(shè)備之一。在通常的加工過程中，1個零件的加工，少則一兩道流程，多則上百道，並且要經(jīng)過多臺設(shè)備的加工來完成，要準(zhǔn)備刀具、夾具。對複雜的零件來說，有的準(zhǔn)備時間就需要三、五個月的，即使不考慮經(jīng)濟成本，三、五個月的時間很可能會錯過許多市場機會。

目前5軸數(shù)位控制CNC綜合加工中心機發(fā)展非常迅速，不僅規(guī)格齊全，在硬體功能上十分完善，且軟體功能也很強大。如德國WFL的M系列和日本MAZAK的E-H系列等。目前，最先進的5軸數(shù)位控制CNC綜合加工中心機除了可以進行車、銑、鑽、鏜、攻等加工外，還可以鏜型腔、鑽深孔、滾齒、銑葉片以及進行磨削加工和加工件的線上測量，實現(xiàn)各種誤差補償、刀具在線監(jiān)控和適應(yīng)控制等。（圖4）

圖4 : 5軸數(shù)位控制加工機朝多元方向發(fā)展，不僅規(guī)格齊全，在硬體功能上十分完善，且軟體功能也很強大。（source：Service 2000 UK）

日本設(shè)備業(yè)者在提高CNC綜合加工中心機的車銑效率時，思考的邏輯和德國業(yè)者並不太一樣，日本的CNC綜合加工中心機是以高速、小切深、大進給為基礎(chǔ)來確定工具機的參數(shù)，利用了刀具的上限切削速度，適合於模具圓角和材料較軟的被加工零件切削，這樣考量的好處是以高速為基礎(chǔ)的方式實現(xiàn)高效率，但是卻會造成刀具壽命低，使得零件製造成本相對提高。

德國業(yè)者則是以重切削為條件，即大切深、大進給、高線速度來確定工具母機參數(shù)，雖然速度不若日系設(shè)備，但是由於剛性好，刀具使用的壽命可以延長，設(shè)備經(jīng)濟效率可以有不錯的優(yōu)勢，此外機械式動力主軸轉(zhuǎn)速已達 9000r/min，也有效地解決了小圓角切削線速度低的問題。

降低生產(chǎn)線上負擔(dān)的人工智慧化技術(shù)

以目前的數(shù)位控制CNC綜合加工中心機所內(nèi)建的技術(shù)或能力來說，最欠缺的關(guān)鍵字莫過於人工智慧。當(dāng)然，以目前的角度來看，讓CNC綜合加工中心機具有人工智慧能補強現(xiàn)有的諸多不足，例如可以修正由於機械設(shè)備，在高速工作時所產(chǎn)生的熱變形。5軸同時工作下，最高效率化時工作軸的互撞預(yù)防、探索和調(diào)整出最佳的切割條件、5軸數(shù)位控制的幾何誤差修正、運動軸的伺服參數(shù)的調(diào)整…等，面對這樣的需求，日本大隈發(fā)表了新一代可對運動軸伺服參數(shù)進行調(diào)整的數(shù)位控制CNC綜合加工中心機。這部新一代的CNC綜合加工中心機具備了人工智慧化技術(shù)，可以自動的探得在工作臺上加工物品的質(zhì)量，然後自動推算出工作軸的最佳加速度、直進軸、回轉(zhuǎn)軸的最適切運作參數(shù)。這樣的智慧化技術(shù)，在減輕生產(chǎn)線上工作量負擔(dān)的同時，並不會對於設(shè)備的加工品質(zhì)與速度帶來任何的影響。

圖5 : 日本大隈新一代數(shù)位控制CNC綜合加工中心機可對運動軸伺服參數(shù)進行調(diào)整。（source：本堂精工）

CNC綜合加工中心機的線上量測進化

除了以複合化、多軸化、智能化為中心的技術(shù)，不斷的推動CNC綜合加工中心機變得更優(yōu)異之外，日本業(yè)界也開始計畫在CNC綜合加工中心機中增加線上量測能力，這一部分，日本工作機械工業(yè)會的機械規(guī)格?門委員會MC分科會，已經(jīng)針對CNC綜合加工中心機精度檢測用的ISO規(guī)格進行相關(guān)提案，並且計畫做成JIS的量測標(biāo)準(zhǔn)之一。

和CNC綜合加工中心機有相關(guān)的ISO規(guī)格，是對於在2012年時所提出的ISO230-1工作機械試驗方法通則進行修改。主要修改的一點是，將加上5軸CNC綜合加工中心機檢查方法。包括工作盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、主軸頭旋轉(zhuǎn)狀態(tài)、主軸頭-工作盤的旋轉(zhuǎn)狀態(tài)的5軸CNC綜合加工中心機對應(yīng)規(guī)範(fàn)。例如，對於智慧化方面的「5軸CNC綜合加工中心機的幾何誤差」下，檢查規(guī)格的型態(tài)等。

另外，還有對於多軸運作試驗的特殊部分、綜合加工中心機內(nèi)部作業(yè)空間的位置精度決定、全部空間的精度等，測量方法的定義。這一部分，將利用球的排列作為基準(zhǔn)度，再透過雷射干涉儀來進行多邊測量。

透過雷射干涉儀來進行多邊測量的想法是，透過在工作臺上設(shè)置的追尾式雷射干涉儀，測量到安裝在主軸上反射鏡的距離。如果能在工作臺上設(shè)置3個以上追尾式雷射干涉儀時，即使主軸的位置出現(xiàn)移動，而導(dǎo)致測量點變更的話，這3個追尾式雷射干涉儀也能夠各自進行量測。並且透過各量測點所測量到X、Y、Z方向的偏差值來計算出結(jié)果。不過，如果期望能夠一併計算出運動軸間的幾何誤差、間距、偏移以及偏轉(zhuǎn)等等動作角度誤差的話，除了必須透過這個測量的方法之外，還必須使用相當(dāng)而貴的測量系統(tǒng)設(shè)備不可（圖6）。

圖6 : 透過在工作臺上設(shè)置的追尾式雷射干涉儀，進行多邊測量（source：日本工作機械工業(yè)會的機械規(guī)格?門委員會MC分科會）

另一股新技術(shù)勢力後起直追-中國

不只日本在CNC綜合加工中心機上，追求複合化、多軸化、智能化。中國工具母機業(yè)者也在技術(shù)上後起直追。根據(jù)一份日本對於工具母機在專利申請的分析報告發(fā)現(xiàn)，中國工具母機業(yè)者對於技術(shù)專利的申請這幾年間，專利數(shù)量都有大幅度的增加。

自從2009年開始，中國在工作母機設(shè)備的總生產(chǎn)值位居世界首位以來，迄今都還是一直保有這個市場地位，不只如此，連產(chǎn)值第一的企業(yè)也是來自中國。面對這麼龐大的市場，以及對於工作母機設(shè)備旺盛的需求，來自全球各業(yè)者無不卯足全力地投入中國市場。不過由於技術(shù)能力的差異性，中國的工作母機設(shè)備業(yè)者大多是供應(yīng)較廉價且技術(shù)層次較低的產(chǎn)品，而高階精密、多功能性的工作母機設(shè)備仍舊大多都是來自日本和德國。

從統(tǒng)計資料可以發(fā)現(xiàn)，在過去這幾年間，立式和臥式搪銑加工中心機的全球市場產(chǎn)值，總金額已經(jīng)超過500億美元，而形成了一個不可忽視的巨大市場（圖1），雖然隨著景氣波動，總金額也有所起伏，但是以生產(chǎn)總金額來說中國始終位居第一，可以稱得上是製造大國。

從中國市場的專利申請的趨勢與數(shù)量來看，近幾年來，中國工作母機設(shè)備業(yè)者也開始朝向高階精密、多功能性開發(fā)新一代產(chǎn)品，不僅僅專利申請數(shù)量急遽增加，在創(chuàng)新性技術(shù)方面也急起直追。

在立式和臥式搪銑加工中心機相關(guān)專利部分，如果以美國、日本、中國、韓國、臺灣、歐洲這幾個設(shè)備主要生產(chǎn)國來看，美國、日本和歐洲分別每個市場都位居主要的專利申請者，但是有一點比較有趣的是，在中國市場部分，美國、日本、韓國、臺灣、歐洲等國家業(yè)者加總起來，也僅僅佔有23.3%，而中國企業(yè)則高達76.7%，但是中國企業(yè)在中國以外的市場申請專利數(shù)量卻是寥寥無幾，可以說數(shù)量都佔不到1%（圖7）。

圖7 : 近幾年來，中國工作母機設(shè)備業(yè)者也開始朝向高階精密、多功能性開發(fā)新一代產(chǎn)品，不僅僅量產(chǎn)能力急遽增加，在專利申請數(shù)量也急起直追。（source：日本工作機械工業(yè)會）

在中國市場申請專利應(yīng)用的領(lǐng)域上，最大比例是以汽車加工為主，佔了47.2%將近一半，此外航空飛行器也佔了相當(dāng)大的比例。

雖然中國業(yè)者在立式和臥式搪銑加工中心機（Vertical Boring and Turning Mill與Horizontal Machining Center）的技術(shù)開發(fā)投入與市場，都呈現(xiàn)了大幅度的成長，同時也開始朝向人工智慧方面發(fā)展，尤其對於臥式搪銑加工中心機的基礎(chǔ)研究更是不遺餘力。但由於關(guān)鍵仍舊是在於加工設(shè)備的自動控制與融合技術(shù)（combine technology）上，因此在這部分，日本還是掌握了加工知識與軟體實力，而持續(xù)保有其市場上的優(yōu)勢性。