數(shù)控機床的試驗分析技術(shù)研究

周帥

摘要：裝備制造業(yè)是一個國家的綜合國力和技術(shù)實力的體現(xiàn)，而數(shù)控機床作為工業(yè)母機是裝備制造業(yè)的基礎(chǔ)。數(shù)控機床的試驗分析技術(shù)是衡量其性能的有效方法，同時，也為數(shù)控機床的設(shè)計、改進、升級提供了依據(jù)和支持。本文由淺入深的介紹并深入研究了幾種數(shù)控機床性能測試分析方法，包括：直線軸定位/重復(fù)定位精度測試及分析、主軸溫升及熱偏移測試及分析、能耗測試及分析、主軸動態(tài)誤差測試及分析、主軸動平衡測試及分析、整機動態(tài)特性（模態(tài)）測試及分析等。這些方法可以從不同指標(biāo)角度分析數(shù)控機床的基本性能，為數(shù)控機床整體性能提升提供了很好的數(shù)據(jù)依據(jù)和支持。

關(guān)鍵詞：直線軸定位;直線軸重復(fù)定位;主軸溫升;主軸熱偏移;能耗;主軸動態(tài)誤差;主軸動平衡;整機動態(tài)特性（模態(tài)）;測試及分析

中圖分類號：TB114? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）05-0053-03

0? 引言

裝備制造業(yè)乃公認(rèn)的國民經(jīng)濟的支柱產(chǎn)業(yè)，機床工業(yè)更是裝備制造業(yè)中的基礎(chǔ)工業(yè)，它為各種裝備的生產(chǎn)制造提供工作母機[1]。數(shù)控機床是數(shù)字控制機床的簡稱，它是采用數(shù)控技術(shù)而自動控制加工過程的機床產(chǎn)品。20世紀(jì)五十年代，第一臺數(shù)控機床面試，它的出現(xiàn)解決了對制造業(yè)很多種需求，比如高精高效、小數(shù)量多種類等，極大地推動了人類生產(chǎn)力的發(fā)展[2]。近些年來，隨著數(shù)控技術(shù)的快速發(fā)展，在加工復(fù)雜零件方面有著更加優(yōu)異的表現(xiàn)，五軸數(shù)控機床在航空航天、精密醫(yī)療等行業(yè)得到了廣泛的應(yīng)用[3]，數(shù)控機床的加工能力成為了代表一個國家制造能力和自動化、智能化水平的重要標(biāo)志[4]。

目前，全球大多數(shù)國家采用數(shù)控技術(shù)發(fā)展本國的制造業(yè)，生產(chǎn)能力和水平得到了明顯提升，更好地適應(yīng)了動態(tài)多變的市場，并且在商業(yè)領(lǐng)域顯出了強大的競爭力。各個工商業(yè)發(fā)達(dá)國家還將數(shù)控技術(shù)及裝備列為國家的戰(zhàn)略物資加以保密、封鎖、限制，不單單采取重大措施來發(fā)展自身的數(shù)控技術(shù)及其相關(guān)產(chǎn)業(yè)，而且在數(shù)控關(guān)鍵技術(shù)和裝備的“高、精、尖”方面對我國實行帶有保護主義色彩的限制甚至封鎖政策[5]。

為打破國外壟斷，實現(xiàn)自主、自立、自強的目標(biāo)，有必要在數(shù)控機床各領(lǐng)域開展深入的研究工作。數(shù)控機床的試驗分析技術(shù)是提升數(shù)控機床性能的不可或缺的重要一環(huán)，因此有必要深入研究。本文由淺入深介紹并深刻研究了幾種關(guān)鍵的試驗分析技術(shù)，為數(shù)控機床性能的提升提供了實踐意義上的幫助。

1? 直線軸定位/重復(fù)定位精度測試及分析

數(shù)控機床的定位精度是指機床的各個坐標(biāo)軸在數(shù)控裝置的控制下運動部件所能達(dá)到目標(biāo)位置的準(zhǔn)確度。重復(fù)定位精度指在數(shù)控機床上反復(fù)運行相同的程序代碼所得到的位置精度的一致度[6]。

數(shù)控機床的定位精度是其最關(guān)鍵的精度指標(biāo)之一，它對于加工精度有著直接的影響，所以，它也是其他幾乎所有幾何精度的基礎(chǔ)。數(shù)控機床定位精度的測試以及對于數(shù)據(jù)的分析在精度研究和性能改善等方面均處于基礎(chǔ)性的地位，其能力和水平直接影響著精度研究的最終結(jié)果，甚至關(guān)系到機床工業(yè)的整體發(fā)展水平[7]。

當(dāng)前，激光干涉儀法是最常用的一種測試定位誤差和重復(fù)定位誤差的方法。同樣頻率的兩列波疊加在一起時，會導(dǎo)致在一定的區(qū)域振動加強、而在另一些區(qū)域振動減弱的現(xiàn)象。并且，加強區(qū)域和減弱區(qū)域的分布呈現(xiàn)出明顯的相互間隔的規(guī)律，此現(xiàn)象叫作波的干涉現(xiàn)象。以Renishaw公司生產(chǎn)的ML10激光干涉儀檢測機床的直線定位精度為例，激光干涉儀發(fā)射的激光束由測量頭發(fā)出，其波長穩(wěn)定性優(yōu)于0.1ppm（真空狀態(tài)）。當(dāng)激光束入射到分光鏡上，被分光鏡分成了反射光束和測量光束。這兩束光再經(jīng)過一系列的反射，再一次被反射到分光鏡，進而重新匯合成為新的一束光束并同時發(fā)生干涉現(xiàn)象，干涉現(xiàn)象產(chǎn)生的條紋被探測器所接收。根據(jù)光的疊加原理以及干涉原理，在光程差為波長的整數(shù)倍的位置它的振動是加強的，即產(chǎn)生明條紋;在光程差為半波長的奇數(shù)倍的位置它的振動是減弱的，此時產(chǎn)生暗條紋。移動目標(biāo)回射鏡，改變了測量光束的光程，干涉條紋則發(fā)生明暗交替的變化。每當(dāng)光程改變?yōu)榘氩ㄩL時，其相應(yīng)的明暗條紋即變化一次。由此，計數(shù)明暗條紋變化的次數(shù)可以獲得目標(biāo)回射鏡的位移變化情況，亦即待測量的位移。

2? 主軸溫升及熱偏移測試及分析

加工件的加工精度與機床熱偏移引起的制造誤差息息相關(guān)，在精密加工中，熱變形所引起的制造誤差占總制造誤差的50-70%[8]。機床主軸作為機床的重要組成部件，其熱偏移是機床熱誤差的主要來源[9]。所以，機床主軸系統(tǒng)熱特性的研究與分析是保證機床加工精度的關(guān)鍵所在。

機床主軸溫升及熱偏移測試主要包括溫度測試和偏移測試兩個部分。在溫度采集過程中，布置溫度傳感器時要求能夠最大程度地反映機床溫度場分布，為了保證采集得到的溫度值既準(zhǔn)確又全面的反映機床溫度場分布，采用的布置方案應(yīng)綜合考慮多個方面的影響因素，比如工況環(huán)境、操作性、經(jīng)濟條件等。

在偏移測試方面，考慮到機床主軸表面的加工精度不高，不適合對主軸進行直接的測量，為了測量機床主軸徑向偏移量和軸向伸長量，使用精度比較高的標(biāo)準(zhǔn)檢棒來測量。目前，五點法測試是應(yīng)用較多、效果比較準(zhǔn)確的一種測試技術(shù)。通過五點測量法，可以得到刀尖點的熱偏移，并計算出主軸的熱傾斜參數(shù)。五點測量法通過檢棒模擬刀具，在X方向上布置兩個位移傳感器來測量檢棒X向的熱偏移并分離出繞Y軸的熱傾斜，在Y向布置兩個位移傳感器來測量檢棒Y向熱偏移并分離出繞X軸的熱傾斜，在Z向布置一個位移傳感器來測量檢棒的軸向熱偏移。

考慮到機床工作環(huán)境的影響，以及主軸及Z軸摩擦大，溫度變化明顯。加工中使用的切削液可以帶走大部分切削熱量，可以有效減少切削熱對主軸溫度的影響。機床主軸的轉(zhuǎn)速越高主軸產(chǎn)生的熱量就越多，引起的偏移就越大，對機床的加工精度影響也越大。

3? 能耗測試及分析

數(shù)控機床是高耗能類機電產(chǎn)品之一。因此，測試耗能情況進而采取一定的措施減少機床在加工過程中對能源的使用可以為企業(yè)節(jié)省大量的能源和資金，同時，也可以減少工業(yè)生產(chǎn)制造過程對環(huán)境產(chǎn)生的負(fù)面影響[10]，具有極大的環(huán)保價值和社會價值。了解并深入研究機床產(chǎn)品的能耗并在此基礎(chǔ)上想辦法控制能耗，對可持續(xù)發(fā)展同樣具有重大意義。

數(shù)控機床的能耗狀態(tài)檢測是指對機床在加工過程中的某些工作狀態(tài)數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)采集和處理，通過把檢測的數(shù)據(jù)和正常值進行對比，從而實時掌控機床的實際工作狀態(tài)，了解機床的能耗狀態(tài)，同時為機床故障診斷及預(yù)測提供了依據(jù)[11]。

數(shù)控機床主軸轉(zhuǎn)速對機床加工的切削功率影響很大。工件以一定的加工量切削時，機床主軸轉(zhuǎn)速越大，切削功率逐漸增大，總功率也逐漸增加，并且能量效率均在10%左右。由此可見，加工能效并不高，在加工過程中有大量能量被其它系統(tǒng)所消耗。從輸入能量和有效能量來看，有效能量只占了輸入能量的8%。由此可見，機床主軸轉(zhuǎn)速和切削參數(shù)對機床的能量利用率有很大的影響。

通過測試設(shè)備運行時間和機床切削時間，可以計算得到加工工件用時以及設(shè)備的有效利用率。通過統(tǒng)計數(shù)控機床的加工時間，獲取一組工件的加工用時，從而掌握機床的使用效率。利用NC程序優(yōu)化機床切削時間，提高機床的加工使用效率，對優(yōu)化企業(yè)的生產(chǎn)調(diào)度以及提高生產(chǎn)效率有著非常大的意義。

4? 主軸動態(tài)誤差測試及分析

主軸動態(tài)誤差對于機床的性能具有直接的影響，這種影響集中體現(xiàn)在機床加工零件的圓度誤差、表面粗糙度等方面，同時，主軸動態(tài)誤差也極大的影響機床的使用壽命。主軸動態(tài)誤差測試儀和主軸誤差分析軟件是進行相關(guān)測試和分析的有效手段。測試主軸的動態(tài)誤差，得到其數(shù)據(jù)，進而分析不同轉(zhuǎn)速下的動態(tài)誤差，最終，綜合分析影響主軸性能的因素。基于測得的數(shù)據(jù)，可以分析得到主軸的同步和異步誤差等，為動態(tài)補償提供了準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)支撐[12]。

主軸旋轉(zhuǎn)時的徑向誤差主要包括徑向旋轉(zhuǎn)敏感和固定敏感兩個方面。徑向旋轉(zhuǎn)敏感測試可以體現(xiàn)鉆、鏜、銑等刀具在主軸上旋轉(zhuǎn)的加工性能情況。徑向固定敏感測試可以體現(xiàn)車削等工件運動刀具靜止類的加工性能情況。

徑向旋轉(zhuǎn)敏感和固定敏感均有下列主要參考指標(biāo)：

①總誤差：

由足夠的數(shù)據(jù)整理繪制的全部誤差的極坐標(biāo)圖體現(xiàn)，其表示了機床主軸在一定轉(zhuǎn)速下的誤差整體狀況。

②同步誤差：

它是總誤差極坐標(biāo)圖中的平均輪廓線（計算得到），其表示了機床在理想條件下所能加工出的最優(yōu)圓度。

③異步誤差：

它是總誤差對于平均誤差運動的偏離的體現(xiàn)，其表示了機床在理想條件下所能加工出的最優(yōu)的表面粗糙度。

主軸旋轉(zhuǎn)時在軸向的運動誤差主要有下列參考指標(biāo)：

①基本誤差：

它是平均誤差運動極坐標(biāo)圖的內(nèi)切圓（計算得到），其表示了主軸軸心每旋轉(zhuǎn)一個周期的軸向誤差。

②剩余誤差：

它是平均誤差運動對基本誤差的偏離的體現(xiàn)，其表示了機床加工中端面的平面度。

由于被測對象以及測試條件的差異，主軸動態(tài)誤差的測試方法主要有打表測試法、單向測試法和雙向測試法等三種常用方法[13]。當(dāng)前，雙向測試法被采用的最多。它是指將至少兩個采集數(shù)據(jù)的位移傳感器放置于主軸某一截面內(nèi)，且使它們相互垂直，采集數(shù)據(jù)后再將兩組經(jīng)過處理的位移數(shù)據(jù)作合成處理，復(fù)現(xiàn)主軸的旋轉(zhuǎn)軌跡。通常情況下，雙向測試法是較為可靠的對主軸進行動態(tài)誤差測試的方法。因此，我們基于此方法搭建測試系統(tǒng)。我們通常采用數(shù)理統(tǒng)計的方法對數(shù)據(jù)進行處理，以分析出被測試主軸的各項誤差。

5? 主軸動平衡測試及分析

現(xiàn)代制造業(yè)的快速發(fā)展和高速、高精機床的廣泛使用，要求機床主軸的轉(zhuǎn)速越來越高[14]。在機床主軸的生產(chǎn)過程中，零件的制造誤差、部件的裝配誤差以及所用材料自身密度的不均勻等，均會導(dǎo)致主軸質(zhì)量的不均勻。而在后續(xù)的使用中，主軸的質(zhì)量不均會導(dǎo)致其在高速旋轉(zhuǎn)時產(chǎn)生離心力，進而發(fā)生振動現(xiàn)象，降低了機床的加工精度[15]，鑒于此，有必要開展針對機床主軸的振動研究。動平衡技術(shù)在解決機械出現(xiàn)的振動問題中發(fā)揮著重要的作用，是旋轉(zhuǎn)機械部件必不可少的一道工序[16]。動平衡技術(shù)通常分為三類：動平衡、現(xiàn)場動平衡和自動平衡裝置。不平衡量不常變化的轉(zhuǎn)子主要應(yīng)用動平衡和現(xiàn)場動平衡技術(shù)。旋轉(zhuǎn)時不平衡量發(fā)生變化的轉(zhuǎn)子主要應(yīng)用自動平衡裝置?，F(xiàn)場動平衡技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛的技術(shù)，它在轉(zhuǎn)子運動時就能夠進行平衡校正[17]?，F(xiàn)場動平衡可以為企業(yè)帶來效益，縮短機床主軸檢修時間，降低維修保養(yǎng)費用，減少大修停機等損失。同時，使用這種技術(shù)時，檢驗平衡的效果和精度直觀準(zhǔn)確，且成本低;現(xiàn)場動平衡不僅能夠在額定的工作轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)平衡，而且還可以在加載荷等多種工況下平衡[18]。

主軸動平衡測試的目的就是確定待平衡轉(zhuǎn)子需要校正的質(zhì)量及其位置。動平衡測試通常采用加重的方法來臨時性的改變轉(zhuǎn)子的質(zhì)量及其分布（有時也采用減重的方法），測量由于質(zhì)量變化引起的振動大小和相位變化，由加重的大小和位置確定真正需要校正的質(zhì)量大小及其位置。選定了加重質(zhì)量后，再選擇并安裝加速度傳感器和光電傳感器，并將它們與測量儀器聯(lián)接起來。將主軸轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)至振幅最大的轉(zhuǎn)速，測試記錄初始振動值和相位。然后，使主軸停轉(zhuǎn)，把之前選定的加重質(zhì)量固定在校正圓上。作好加重質(zhì)量位置的標(biāo)記。再次旋轉(zhuǎn)主軸，測試記錄新的振動值和相位。停轉(zhuǎn)主軸，去掉加重質(zhì)量。按照測試儀器顯示的質(zhì)量數(shù)值和角度安裝配重。再次旋轉(zhuǎn)主軸，測試殘余振動值，即測試平衡后的振動值，并與初始振動比較。當(dāng)結(jié)果不合時，再次進行以上操作，直至振動大小滿足要求。

6? 整機動態(tài)特性（模態(tài)）測試及分析

數(shù)控機床的整機動態(tài)特性測試是機床抗振性及加工性能穩(wěn)定性研究的基礎(chǔ)，也是衡量機床性能好壞的重要指標(biāo)[19]。

數(shù)控機床整機的模態(tài)測試主要有三個目的：①根據(jù)模態(tài)測試的結(jié)論，在計算機仿真分析領(lǐng)域，修正機床有限元模型及其邊界條件;②評價現(xiàn)有機床整機的動態(tài)特性，研究不同轉(zhuǎn)速的主軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài)對機床整機各階固有頻率的影響;③研究機床振動敏感性與機床動力學(xué)特性的關(guān)系，以備后期產(chǎn)品升級換代時進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化[20]。

在整機動態(tài)特性的測試方法層面，常采用脈沖激勵法，即錘擊法。目前，經(jīng)常使用的振動測試系統(tǒng)有來自丹麥的B&K、我國東方所的DASP等，可根據(jù)自身的定位與要求選購適用的測試儀器、選擇與布置傳感器、確定激振器和搭接機床-實驗儀器的測試系統(tǒng)。

數(shù)控機床整機模態(tài)測試可以采用單點激勵多點響應(yīng)的方法進行，加速度傳感器依次布置在立柱、主軸箱、工作臺等部位，連接數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和電腦，分別測試不同轉(zhuǎn)速下的主軸箱、工作臺、立柱等部位的激勵情況。根據(jù)制定好的試驗方案，完成數(shù)據(jù)采集、存儲、一般分析與專用軟件分析等工作，獲得各階固有頻率、阻尼比和振型等模態(tài)參數(shù)。

7? 結(jié)論

數(shù)控機床的直線軸定位/重復(fù)定位精度測試及分析、主軸溫升及熱偏移測試及分析、能耗測試及分析、主軸動態(tài)誤差測試及分析、主軸動平衡測試及分析、整機動態(tài)特性模態(tài)測試及分析等試驗分析技術(shù)是機床基本性能測試的重要組成部分。這些測試及分析技術(shù)從多個角度、多個維度、不同側(cè)重點很好的給予機床性能分析和評價。對于數(shù)控機床的加工能力、技術(shù)特點、產(chǎn)品定位、所處的行業(yè)地位等均可以提供參考比對數(shù)據(jù)和比對要素。最重要的，這些測試和分析技術(shù)的充分實施，可以為機床性能改進、機械和電氣的設(shè)計、機床產(chǎn)品應(yīng)用等提供強大的數(shù)據(jù)支持，助力機床產(chǎn)品性能持續(xù)提升。

參考文獻(xiàn)：

[1]金翔.高檔數(shù)控機床動態(tài)性能的測試方法與工程應(yīng)用研究[D].東華大學(xué)，2015.

[2]姜忠.影響工作精度的五軸數(shù)控機床聯(lián)動性能測試方法研究[D].電子科技大學(xué)，2017.

[3]喬志峰.復(fù)雜形面的五軸數(shù)控系統(tǒng)加工研究[D].天津：天津大學(xué)，2009：1.

[4]張曙，張柄生.中國機床工業(yè)的回顧與展望[J].機械設(shè)計與制造工程，2016（01）：1-11.

[5]王太勇，喬志峰，韓志國，董靖川，支勁章.高檔數(shù)控裝備的發(fā)展趨勢[J].中國機械工程，2011 （10）：1247-1252，1259.

[6]張明紅，許鵬飛，趙彥斌，李剛利，楊保.影響數(shù)控機床定位精度和重復(fù)定位精度的因素及處理方法[J].機械研究與應(yīng)用，2020（1）：168-170，173.

[7]王彩霞.基于激光干涉的數(shù)控機床定位精度測量及其數(shù)據(jù)處理算法研究[碩士].河北科技大學(xué)，2015.

[8]李艷，梁亮，李英浩，高峰.數(shù)控車床主軸熱變形檢測及回轉(zhuǎn)精度評定[J].中國機械工程，2015（12）：1611-1615.

[9]Creighton E， Honegger A， Tulsian A，et al.Analysis of Thermal Errors in a High-speed Micro-milling Spindle[J]. International Journal of Machine Tools & Manufacture， 2010， 50：386-393.

[10]Young P， Byrne G， Cotterell M. Manufacturing and the environment[J]. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology， 1997， 13（7）： 488-493.

[11]吳鵬飛.數(shù)控機床多源能耗狀態(tài)檢測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究及軟件系統(tǒng)開發(fā)[D].重慶大學(xué)，2015.

[12]張麗秀，李金鵬，李超群.150MD24Z7.5型電主軸動態(tài)誤差和熱變形實驗研究[J].機械與電子，2016（9）：59-61.

[13]羅勇，陳蔚芳，蘇川，沈雨蘇.主軸動態(tài)回轉(zhuǎn)精度測試系統(tǒng)的研制[J].組合機床與自動化加工技術(shù)，2019（6）：102-105，112.

[14]李俊.高速機床主軸系統(tǒng)在線動平衡裝置的研究與開發(fā)[D].北京工業(yè)大學(xué)，2010.

[15]王展，涂偉，張珂，史清華，李潔，魏春雨.高速主軸動平衡方法研究現(xiàn)狀[J].現(xiàn)代制造工程，2019（6）：154-160.

[16]安全社.嵌入式機床主軸動平衡裝置的設(shè)計與研究[D].沈陽理工大學(xué)，2017.

[17]趙休金.動平衡測試系統(tǒng)的理論研究與仿真測試[D].廣東工業(yè)大學(xué)，2015.

[18]宋在永.數(shù)控銑床主軸系統(tǒng)動平衡在線監(jiān)測方法研究[D].湖南大學(xué)，2016.

[19]孫孟琴.機床模態(tài)測試技術(shù)的應(yīng)用[J].工程技術(shù)，2015（19）：65-66.

[20]包淼，譚祥軍.某型號精密機床模態(tài)測試分析[J].現(xiàn)代振動與噪聲技術(shù)，2012（10）：206-212.