數控機床的試驗分析技術研究

周帥

摘要：裝備制造業是一個國家的綜合國力和技術實力的體現，而數控機床作為工業母機是裝備制造業的基礎。數控機床的試驗分析技術是衡量其性能的有效方法，同時，也為數控機床的設計、改進、升級提供了依據和支持。本文由淺入深的介紹并深入研究了幾種數控機床性能測試分析方法，包括：直線軸定位/重復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、主軸動態誤差測試及分析、主軸動平衡測試及分析、整機動態特性（模態）測試及分析等。這些方法可以從不同指標角度分析數控機床的基本性能，為數控機床整體性能提升提供了很好的數據依據和支持。

關鍵詞：直線軸定位;直線軸重復定位;主軸溫升;主軸熱偏移;能耗;主軸動態誤差;主軸動平衡;整機動態特性（模態）;測試及分析

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

0? 引言

裝備制造業乃公認的國民經濟的支柱產業，機床工業更是裝備制造業中的基礎工業，它為各種裝備的生產制造提供工作母機[1]。數控機床是數字控制機床的簡稱，它是采用數控技術而自動控制加工過程的機床產品。20世紀五十年代，第一臺數控機床面試，它的出現解決了對制造業很多種需求，比如高精高效、小數量多種類等，極大地推動了人類生產力的發展[2]。近些年來，隨著數控技術的快速發展，在加工復雜零件方面有著更加優異的表現，五軸數控機床在航空航天、精密醫療等行業得到了廣泛的應用[3]，數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志[4]。

目前，全球大多數國家采用數控技術發展本國的制造業，生產能力和水平得到了明顯提升，更好地適應了動態多變的市場，并且在商業領域顯出了強大的競爭力。各個工商業發達國家還將數控技術及裝備列為國家的戰略物資加以保密、封鎖、限制，不單單采取重大措施來發展自身的數控技術及其相關產業，而且在數控關鍵技術和裝備的“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，實現自主、自立、自強的目標，有必要在數控機床各領域開展深入的研究工作。數控機床的試驗分析技術是提升數控機床性能的不可或缺的重要一環，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鍵的試驗分析技術，為數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/重復定位精度測試及分析

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

數控機床的定位精度是其最關鍵的精度指標之一，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。數控機床定位精度的測試以及對于數據的分析在精度研究和性能改善等方面均處于基礎性的地位，其能力和水平直接影響著精度研究的最終結果，甚至關系到機床工業的整體發展水平[7]。

當前，激光干涉儀法是最常用的一種測試定位誤差和重復定位誤差的方法。同樣頻率的兩列波疊加在一起時，會導致在一定的區域振動加強、而在另一些區域振動減弱的現象。并且，加強區域和減弱區域的分布呈現出明顯的相互間隔的規律，此現象叫作波的干涉現象。以Renishaw公司生產的ML10激光干涉儀檢測機床的直線定位精度為例，激光干涉儀發射的激光束由測量頭發出，其波長穩定性優于0.1ppm（真空狀態）。當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生干涉現象，干涉現象產生的條紋被探測器所接收。根據光的疊加原理以及干涉原理，在光程差為波長的整數倍的位置它的振動是加強的，即產生明條紋;在光程差為半波長的奇數倍的位置它的振動是減弱的，此時產生暗條紋。移動目標回射鏡，改變了測量光束的光程，干涉條紋則發生明暗交替的變化。每當光程改變為半波長時，其相應的明暗條紋即變化一次。由此，計數明暗條紋變化的次數可以獲得目標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，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，機床主軸系統熱特性的研究與分析是保證機床加工精度的關鍵所在。

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確又全面的反映機床溫度場分布，采用的布置方案應綜合考慮多個方面的影響因素，比如工況環境、操作性、經濟條件等。

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準檢棒來測量。目前，五點法測試是應用較多、效果比較準確的一種測試技術。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。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。機床主軸的轉速越高主軸產生的熱量就越多，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

數控機床是高耗能類機電產品之一。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節省大量的能源和資金，同時，也可以減少工業生產制造過程對環境產生的負面影響[10]，具有極大的環保價值和社會價值。了解并深入研究機床產品的能耗并在此基礎上想辦法控制能耗，對可持續發展同樣具有重大意義。

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

數控機床主軸轉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，機床主軸轉速和切削參數對機床的能量利用率有很大的影響。

通過測試設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備的有效利用率。通過統計數控機床的加工時間，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程序優化機床切削時間，提高機床的加工使用效率，對優化企業的生產調度以及提高生產效率有著非常大的意義。

4? 主軸動態誤差測試及分析

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

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

徑向旋轉敏感和固定敏感均有下列主要參考指標：

①總誤差：

由足夠的數據整理繪制的全部誤差的極坐標圖體現，其表示了機床主軸在一定轉速下的誤差整體狀況。

②同步誤差：

它是總誤差極坐標圖中的平均輪廓線（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，其表示了機床在理想條件下所能加工出的最優的表面粗糙度。

主軸旋轉時在軸向的運動誤差主要有下列參考指標：

①基本誤差：

它是平均誤差運動極坐標圖的內切圓（計算得到），其表示了主軸軸心每旋轉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，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]。當前，雙向測試法被采用的最多。它是指將至少兩個采集數據的位移傳感器放置于主軸某一截面內，且使它們相互垂直，采集數據后再將兩組經過處理的位移數據作合成處理，復現主軸的旋轉軌跡。通常情況下，雙向測試法是較為可靠的對主軸進行動態誤差測試的方法。因此，我們基于此方法搭建測試系統。我們通常采用數理統計的方法對數據進行處理，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

現代制造業的快速發展和高速、高精機床的廣泛使用，要求機床主軸的轉速越來越高[14]。在機床主軸的生產過程中，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，均會導致主軸質量的不均勻。而在后續的使用中，主軸的質量不均會導致其在高速旋轉時產生離心力，進而發生振動現象，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。動平衡技術在解決機械出現的振動問題中發揮著重要的作用，是旋轉機械部件必不可少的一道工序[16]。動平衡技術通常分為三類：動平衡、現場動平衡和自動平衡裝置。不平衡量不常變化的轉子主要應用動平衡和現場動平衡技術。旋轉時不平衡量發生變化的轉子主要應用自動平衡裝置。現場動平衡技術是目前應用最廣泛的技術，它在轉子運動時就能夠進行平衡校正[17]。現場動平衡可以為企業帶來效益，縮短機床主軸檢修時間，降低維修保養費用，減少大修停機等損失。同時，使用這種技術時，檢驗平衡的效果和精度直觀準確，且成本低;現場動平衡不僅能夠在額定的工作轉速范圍內平衡，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子需要校正的質量及其位置。動平衡測試通常采用加重的方法來臨時性的改變轉子的質量及其分布（有時也采用減重的方法），測量由于質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量大小及其位置。選定了加重質量后，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接起來。將主軸轉速調節至振幅最大的轉速，測試記錄初始振動值和相位。然后，使主軸停轉，把之前選定的加重質量固定在校正圓上。作好加重質量位置的標記。再次旋轉主軸，測試記錄新的振動值和相位。停轉主軸，去掉加重質量。按照測試儀器顯示的質量數值和角度安裝配重。再次旋轉主軸，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。當結果不合時，再次進行以上操作，直至振動大小滿足要求。

6? 整機動態特性（模態）測試及分析

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

數控機床整機的模態測試主要有三個目的：①根據模態測試的結論，在計算機仿真分析領域，修正機床有限元模型及其邊界條件;②評價現有機床整機的動態特性，研究不同轉速的主軸旋轉狀態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特性的關系，以備后期產品升級換代時進行結構優化[20]。

在整機動態特性的測試方法層面，常采用脈沖激勵法，即錘擊法。目前，經常使用的振動測試系統有來自丹麥的B&K、我國東方所的DASP等，可根據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。

數控機床整機模態測試可以采用單點激勵多點響應的方法進行，加速度傳感器依次布置在立柱、主軸箱、工作臺等部位，連接數據采集系統和電腦，分別測試不同轉速下的主軸箱、工作臺、立柱等部位的激勵情況。根據制定好的試驗方案，完成數據采集、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參數。

7? 結論

數控機床的直線軸定位/重復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、主軸動態誤差測試及分析、主軸動平衡測試及分析、整機動態特性模態測試及分析等試驗分析技術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從多個角度、多個維度、不同側重點很好的給予機床性能分析和評價。對于數控機床的加工能力、技術特點、產品定位、所處的行業地位等均可以提供參考比對數據和比對要素。最重要的，這些測試和分析技術的充分實施，可以為機床性能改進、機械和電氣的設計、機床產品應用等提供強大的數據支持，助力機床產品性能持續提升。

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