馬軍旭　趙萬(wàn)華　張根保

1.西安交通大學(xué),西安,710049　　2.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,7100543.重慶大學(xué),重慶,400030

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性分析及研究現(xiàn)狀

馬軍旭1,2趙萬(wàn)華1,2張根保3

1.西安交通大學(xué),西安,7100492.機(jī)械制造系統(tǒng)工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,西安,7100543.重慶大學(xué),重慶,400030

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度的大量調(diào)研發(fā)現(xiàn),非正常磨損造成機(jī)床精度衰退的數(shù)目占機(jī)床總數(shù)的比例較大。為了更清晰地找出精度下降的原因，從主軸精度、基礎(chǔ)件幾何精度和各軸的運(yùn)動(dòng)精度入手，分別在機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造和使用三個(gè)階段分析了造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性差的原因。針對(duì)不同類(lèi)型機(jī)床精度，提出了提高機(jī)床精度保持性的方法。

精度保持性；非正常磨損；裝配應(yīng)力；機(jī)電匹配

0　引言

國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床與國(guó)外數(shù)控機(jī)床的精度保持性有很大的差距，在國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)的支持下,針對(duì)某型號(hào)臥式加工中心、立式加工中心和磨齒機(jī)精度保持性問(wèn)題,筆者走訪了10余家機(jī)床用戶,翻閱了機(jī)床廠的部分維修記錄，得到了機(jī)床的精度衰退情況。其中,臥式加工中心為：機(jī)床使用半年之后出現(xiàn)地腳螺栓調(diào)整12例,一年之后出現(xiàn)工作臺(tái)消隙調(diào)整2例,其他3例。立式加工中心為:3個(gè)月后出現(xiàn)Z軸軸承磨損6例，Z軸剛度降低3例,半年之后出現(xiàn)X軸與Y軸聯(lián)動(dòng)橢圓13例，X、Y、Z軸定位精度降低9例,其他2例。磨齒機(jī)為：3個(gè)月后出現(xiàn)頂尖與C軸同軸度下降8例,半年之后出現(xiàn)Z軸與C軸平行度問(wèn)題16例,Z軸精度下降12例，X軸精度下降8例，主軸軸承精度下降或損壞時(shí)間在1個(gè)月至1年之間不定共14例,其他5例。

磨損是造成機(jī)床精度下降的原因。正常磨損情況下,機(jī)床精度保持時(shí)間與零部件(導(dǎo)軌、軸承等)壽命是相當(dāng)?shù)?。根?jù)對(duì)國(guó)產(chǎn)機(jī)床設(shè)計(jì)、制造過(guò)程和使用情況的調(diào)研，得到國(guó)產(chǎn)機(jī)床精度衰退的主要原因是運(yùn)動(dòng)部件間非正常磨損的結(jié)論。

數(shù)控機(jī)床精度保持性衰退原因和提高措施因結(jié)構(gòu)形式的不同而不同。主軸部件因高速旋轉(zhuǎn)，既不同于直線進(jìn)給軸的運(yùn)動(dòng)形式，又與旋轉(zhuǎn)進(jìn)給軸速度差別較大，因此，本文將主軸精度獨(dú)立于幾何精度之外，作為一項(xiàng)獨(dú)立的精度指標(biāo)。除主軸精度外，軸線的幾何精度是機(jī)床精度的基礎(chǔ)，而機(jī)床運(yùn)動(dòng)時(shí)的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度影響著機(jī)床的加工精度。為了便于找出精度衰退的原因,把機(jī)床精度分成三個(gè)部分：主軸精度、幾何精度和運(yùn)動(dòng)精度[1]。根據(jù)調(diào)研的10余家國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床用戶的機(jī)床精度衰退情況得到：主軸精度衰退14例,占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的11.5%；幾何精度(不包括主軸精度，下同)衰退76例,占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的62.3%;運(yùn)動(dòng)精度衰退24例,占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的19.7%;其他精度問(wèn)題8例,占調(diào)研機(jī)床總數(shù)的6.6%。

本文針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性存在的問(wèn)題,從主軸精度、幾何精度、運(yùn)動(dòng)精度及整機(jī)精度監(jiān)控四個(gè)方面分析了國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)、制造和使用階段造成精度保持性差的原因及解決方法，回顧了目前國(guó)產(chǎn)機(jī)床精度保持性的研究現(xiàn)狀,并給出了提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的建議。

1　主軸精度保持性分析及研究現(xiàn)狀

主軸在設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是完成結(jié)構(gòu)方案、分配零部件公差及確定零件間的配合；在制造階段的主要任務(wù)是合理地施加預(yù)緊力,保證主軸剛度,限制主軸溫升。國(guó)產(chǎn)主軸在精度設(shè)計(jì)時(shí)往往根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇經(jīng)濟(jì)精度及其配合，在制造時(shí)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選擇預(yù)緊力，缺少科學(xué)計(jì)算的指導(dǎo)。使用時(shí)，主軸的溫升會(huì)造成軸承間隙、預(yù)緊力的變化，如果在設(shè)計(jì)、制造時(shí)考慮不充分，就會(huì)造成軸承的非正常磨損。密封、潤(rùn)滑不良也將直接導(dǎo)致軸承非正常磨損,如圖1所示。

圖1　主軸精度保持性影響因素

因此,造成主軸軸承非正常磨損的因素主要為:設(shè)計(jì)階段的軸承間隙(配合)過(guò)大或過(guò)小、密封及潤(rùn)滑結(jié)構(gòu)不合理，以及制造階段預(yù)緊力過(guò)大或過(guò)小。

1.1軸承間隙的合理設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)階段,通常為了保證主軸徑向跳動(dòng)精度,選擇較小的軸承和主軸箱間隙。在結(jié)構(gòu)和冷卻、潤(rùn)滑參數(shù)確定的情況下,間隙越大,主軸徑向跳動(dòng)越大；反之，間隙越小，主軸徑向跳動(dòng)越小,但主軸發(fā)熱變形越大，容易加劇磨損或者造成軸承卡死。為了提高主軸的精度保持性,合理地選擇軸承與主軸箱間隙，減小軸承的非正常磨損顯得尤其重要。

Burton等[2]研究了主軸在使用時(shí)溫度造成角接觸軸承尺寸的變化情況,并給出了計(jì)算方程,但是計(jì)算精度不夠高。Jedrzejewski等[3]為了從熱變形、剛度等方面來(lái)評(píng)價(jià)間隙設(shè)計(jì)結(jié)果，利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主軸箱混合模型，分析了因旋轉(zhuǎn)速度變化形成的離心力造成的間隙變化。Holkup等[4]同時(shí)考慮了軸承滾珠、滾道的接觸變形線性疊加軸承外圈與軸承座的熱變形來(lái)計(jì)算軸承間隙。Kim等[5]建立了軸承間隙隨外部載荷、轉(zhuǎn)速和操作時(shí)間變化的變形曲線，為間隙設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。但是其提供的是單個(gè)軸承在各種工況下的變形量，一般情況下，主軸軸承是成組使用的。

因此，為了提高主軸的精度保持性，減小軸承非正常磨損，在設(shè)計(jì)軸承間隙時(shí)，需要同時(shí)考慮轉(zhuǎn)速變化引起的離心力造成的軸承變形、預(yù)緊力造成的軸承發(fā)熱變形、主軸的冷卻效果以及軸承的配置方式等的影響。

1.2預(yù)緊力的合理選擇

主軸的功能是給刀具提供足夠的動(dòng)力和剛度來(lái)保證正常切削工件。在制造階段,為了保證主軸有足夠的剛度，往往對(duì)軸承施加預(yù)緊力。預(yù)緊力越大，主軸剛度越大,主軸發(fā)熱變形也越大,軸承越容易磨損,主軸精度保持性越差。合理保證服役狀態(tài)下主軸預(yù)緊力,能夠減小主軸軸承發(fā)熱造成的非正常磨損，提高主軸精度保持性。

Kim等[6]通過(guò)預(yù)緊力測(cè)試裝置和跳動(dòng)測(cè)試裝置測(cè)試了不同切削條件下預(yù)緊力對(duì)跳動(dòng)精度的影響，優(yōu)化了主軸預(yù)緊力。Jiang等[7]為了獲得高轉(zhuǎn)速低溫升、低轉(zhuǎn)速高剛度主軸的預(yù)緊力,建立了離心力和陀螺效應(yīng)影響的軸承非線性模型，利用傳遞矩陣法(transfer matrix method,TMM)分析了調(diào)壓預(yù)緊時(shí)的溫升和剛度,得到結(jié)論:高速時(shí),根據(jù)主軸溫度變化選擇預(yù)緊力，低速時(shí)，根據(jù)主軸軸承的疲勞壽命選擇預(yù)緊力。Chen等[8]在分析預(yù)緊力對(duì)溫升的影響時(shí),得到結(jié)論:低速時(shí)(轉(zhuǎn)速n<10 000 r/min),溫升與預(yù)緊力的關(guān)系不大；高速時(shí)(轉(zhuǎn)速n>10 000 r/min),由于離心力造成滾珠和內(nèi)圈的接觸不良,所以摩擦力增大,溫升增大。蔣興奇等[9]為了防止高速軸承出現(xiàn)內(nèi)溝道或鋼球表面的擦傷,同時(shí)又使軸承的運(yùn)轉(zhuǎn)摩擦力矩最小,給出了主軸角接觸軸承最小預(yù)緊載荷的計(jì)算方法。給出的軸承預(yù)緊力影響因素是在主軸徑向載荷很小(10 N)的條件下計(jì)算得到的,不能適用于機(jī)床的切削狀態(tài)。

因此,考慮使用狀態(tài)下的轉(zhuǎn)速、切削載荷、溫升對(duì)預(yù)緊力的影響,才能保證裝配時(shí)的預(yù)緊力在使用狀態(tài)下是合理的,減小預(yù)緊力設(shè)置不當(dāng)造成的精度衰退，提高主軸精度的保持性。

1. 3潤(rùn)滑和密封不當(dāng)

主軸軸承的密封和潤(rùn)滑不當(dāng)也是造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床主軸、特別是磨削類(lèi)主軸軸承非正常磨損的重要原因。申陽(yáng)等[10]統(tǒng)計(jì)了國(guó)產(chǎn)主軸軸承損壞的形式,指出潤(rùn)滑不良是主軸異常磨損的一個(gè)重要因素。磨削類(lèi)機(jī)床由于砂輪在工作時(shí)磨粒的脫落造成冷卻液中雜質(zhì)過(guò)多,如果軸承密封不良更容易造成主軸軸承的磨損。余常武[11]針對(duì)某型號(hào)磨床主軸軸承密封不嚴(yán)造成主軸磨損的情況(最嚴(yán)重的情況是試切時(shí)軸承磨損損壞)，改進(jìn)了主軸密封結(jié)構(gòu)，使其精度保持時(shí)間延長(zhǎng)至17個(gè)月以上。

由國(guó)產(chǎn)主軸精度保持性的分析和回顧可知,提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床主軸精度保持性的措施應(yīng)在主軸的設(shè)計(jì)和制造階段實(shí)施。應(yīng)考慮主軸使用工況，合理設(shè)計(jì)主軸間隙、選擇預(yù)緊力，進(jìn)而提高機(jī)床主軸精度保持性。

2　幾何精度保持性分析及研究現(xiàn)狀

根據(jù)GB18400.1-2010中幾何精度的檢測(cè)項(xiàng)目,除去與主軸精度相關(guān)的項(xiàng)目,幾何精度主要是與運(yùn)動(dòng)軸線相關(guān)的精度。運(yùn)動(dòng)軸線幾何精度保持性取決于基礎(chǔ)件精度保持性。基礎(chǔ)件在設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是完成結(jié)構(gòu)方案,校核剛度和強(qiáng)度,確定導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面等的公差；在制造階段的主要任務(wù)是合理地消除基礎(chǔ)件內(nèi)應(yīng)力以及保證裝配后的幾何精度。國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)時(shí)根據(jù)設(shè)計(jì)手冊(cè)選擇零件的經(jīng)濟(jì)精度，當(dāng)裝配精度達(dá)不到要求時(shí)，利用試湊或者采用不恰當(dāng)?shù)臄Q緊等措施使基礎(chǔ)件局部變形過(guò)大來(lái)保證幾何精度，造成較大的裝配應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力消除往往根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，缺乏規(guī)范的工藝措施。如果設(shè)計(jì)時(shí)不能充分考慮裝配時(shí)和使用時(shí)力、熱等造成的基礎(chǔ)件精度變化，就會(huì)導(dǎo)致精度設(shè)計(jì)不合理，進(jìn)而可能造成裝配時(shí)產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力，使用時(shí)裝配應(yīng)力釋放導(dǎo)致導(dǎo)軌滑塊安裝基準(zhǔn)變化，加劇導(dǎo)軌滑塊磨損。如果制造階段內(nèi)應(yīng)力釋放不完全，服役時(shí)，內(nèi)應(yīng)力釋放也將導(dǎo)致導(dǎo)軌滑塊的安裝基準(zhǔn)發(fā)生變化，造成導(dǎo)軌滑塊的非正常磨損，精度保持性下降,如圖2所示。

因此,造成導(dǎo)軌滑塊非正常磨損的主要因素為:內(nèi)應(yīng)力釋放變形和裝配應(yīng)力蠕變變形等。

圖2　幾何精度保持性影響因素

2.1內(nèi)應(yīng)力消除工藝

機(jī)床基礎(chǔ)件大部分為鑄件,少量為焊接件，在鑄造或焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力。為了使內(nèi)應(yīng)力得到充分釋放，往往采用自然失效的方式處理基礎(chǔ)件。自然失效周期較長(zhǎng)，不能滿足生產(chǎn)時(shí),采用熱時(shí)效的方式。熱時(shí)效耗能大，基礎(chǔ)件大小受限于時(shí)效爐的尺寸。目前較為流行的是振動(dòng)時(shí)效。Li等[12-13]利用有限元仿真得到床身的各階振型，作為振動(dòng)時(shí)效工藝參數(shù)選擇的依據(jù),但是沒(méi)有定量給出鑄造殘余應(yīng)力振動(dòng)時(shí)效后應(yīng)力變化的大小。低頻振動(dòng)時(shí)效時(shí)零件變形量大,甚至出現(xiàn)破壞,He等[14]為了防止出現(xiàn)這種現(xiàn)象，提出了超過(guò)1 kHz的高頻振動(dòng)工藝方案,在兩塊焊接的鋼板上進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證,得到高頻振動(dòng)更能均化焊接件的殘余應(yīng)力的結(jié)論。焊接件一般質(zhì)量較小,但是對(duì)于大型鑄件，高頻振動(dòng)受激振能量限制,不太合適。胡敏等[15]針對(duì)某型號(hào)臥式加工中心床身結(jié)構(gòu),利用模態(tài)分析選擇了振動(dòng)時(shí)效的激振頻率、支撐點(diǎn)、激振點(diǎn)和拾振點(diǎn),根據(jù)工件質(zhì)量選擇了激振時(shí)間,根據(jù)最大動(dòng)應(yīng)力和激振力的關(guān)系選擇了激振力大小,并且與原有振動(dòng)工藝消除應(yīng)力的效果進(jìn)行了對(duì)比。目前,對(duì)振動(dòng)時(shí)效的定量研究較少,大部分工廠是按照經(jīng)驗(yàn)對(duì)大型基礎(chǔ)件進(jìn)行振動(dòng)時(shí)效處理。

因此,為了減小內(nèi)應(yīng)力釋放變形造成的軸線基準(zhǔn)變形以及基準(zhǔn)變形造成的導(dǎo)軌滑塊非正常磨損,需要規(guī)范基礎(chǔ)件制造時(shí)的內(nèi)應(yīng)力工藝，定量控制內(nèi)應(yīng)力的大小。

2.2減小裝配應(yīng)力的措施

設(shè)計(jì)時(shí)如果沒(méi)有考慮移動(dòng)部件重力在全行程內(nèi)造成的基礎(chǔ)件精度變化,造成裝配后的軸線幾何精度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,現(xiàn)場(chǎng)采用不恰當(dāng)?shù)臄Q緊等措施使基礎(chǔ)件局部變形過(guò)大來(lái)保證導(dǎo)軌的直線度、平行度等精度,就會(huì)產(chǎn)生較大的裝配應(yīng)力。機(jī)床使用時(shí),地腳螺栓中受力較大的螺栓蠕變較快,導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)變化；同時(shí)，導(dǎo)軌的基準(zhǔn)變化將加劇導(dǎo)軌滑塊的磨損，軸線幾何精度喪失。

在設(shè)計(jì)階段,張文凱[16]根據(jù)臥式加工中心移動(dòng)部件在行程內(nèi)質(zhì)心位置變化造成的導(dǎo)軌安裝基準(zhǔn)面變形,利用ANSYS的APDL語(yǔ)言優(yōu)化了地腳螺栓布局,使導(dǎo)軌安裝面直線度由11.6 μm減小到了8.6 μm。減小了為保證機(jī)床精度造成的部分地腳螺栓應(yīng)力,使地腳螺栓的布局設(shè)計(jì)更加合理。張景和等[17]在大型非球面超精密機(jī)床上設(shè)計(jì)了卸荷浮板結(jié)構(gòu),減小了導(dǎo)軌負(fù)荷(導(dǎo)軌及其上移動(dòng)部件的質(zhì)量)。當(dāng)卸荷量達(dá)到12 kN時(shí),主導(dǎo)軌直線度為0.375 μm/600 mm。張伯鵬等[18]針對(duì)大型數(shù)控龍門(mén)銑床橫梁重力變形問(wèn)題,在輔助梁上設(shè)置了3個(gè)出力可控的液壓千斤頂，利用遺傳算法實(shí)現(xiàn)了自演機(jī)制，減小了重力變形造成的誤差。上述兩種方法利用改變橫梁結(jié)構(gòu)，增大橫梁剛度,減小了重力變形對(duì)導(dǎo)軌直線度的影響，間接地提高了機(jī)床的精度保持性。但是受機(jī)床結(jié)構(gòu)影響，有些機(jī)床不能通過(guò)改變結(jié)構(gòu)來(lái)增大橫梁剛度,只能通過(guò)制造階段的工藝措施來(lái)合理地保證精度。

在制造階段,胡萬(wàn)良等[19]利用壓電式傳感器發(fā)明了智能墊鐵(ZL200910024358.7),該智能墊鐵能夠監(jiān)測(cè)機(jī)床墊鐵的受力大小,用于機(jī)床在裝配時(shí)保證地腳螺栓受力均勻,減小機(jī)床使用時(shí)地腳螺栓蠕變量的不一致。智能墊鐵只是監(jiān)測(cè)了地腳螺栓的受力狀況,可以再改進(jìn)使其能夠自動(dòng)調(diào)整來(lái)保證地腳螺栓受力均勻。郭鐵能等[20-21]針對(duì)數(shù)控重型龍門(mén)銑床超跨距橫梁由于跨度大、滑板滑枕質(zhì)量大造成的橫梁向下彎曲(最大撓度可達(dá)1 mm),采用對(duì)導(dǎo)軌面預(yù)起拱的方法來(lái)補(bǔ)償橫梁變形對(duì)加工精度的影響。利用合理的裝配工藝保證機(jī)床的精度,間接地提高了機(jī)床的精度保持性。

單個(gè)運(yùn)動(dòng)軸的裝配應(yīng)力會(huì)造成導(dǎo)軌滑塊的非正常磨損,運(yùn)動(dòng)軸間的裝配應(yīng)力是由于固定結(jié)合面精度的設(shè)計(jì)和裝配的不合理產(chǎn)生的，固定結(jié)合面的螺栓蠕變會(huì)造成運(yùn)動(dòng)軸間的垂直度、平行度等精度的衰退。螺栓蠕變常見(jiàn)于高溫下法蘭盤(pán)連接用螺栓的蠕變,而Oehlert等[22]、Neeraj等[23]認(rèn)為,常溫下金屬在一定載荷下也會(huì)發(fā)生蠕變,單琳豪[24]研究了船用螺旋槳在服役時(shí)的蠕變。目前還缺少機(jī)床結(jié)合面螺栓蠕變?cè)斐傻膸缀尉人ネ艘?guī)律。

根據(jù)幾何精度保持性的分析和回顧，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床幾何精度保持性的措施應(yīng)在機(jī)床的設(shè)計(jì)和制造階段實(shí)施?？紤]裝配應(yīng)力、內(nèi)應(yīng)力等的影響，合理設(shè)計(jì)基礎(chǔ)件精度，規(guī)范裝配工藝，避免為了保證精度而犧牲精度保持性。

3　運(yùn)動(dòng)精度保持性分析及研究現(xiàn)狀

圖3　加工振紋

數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)精度不同于準(zhǔn)靜態(tài)下的幾何精度，是機(jī)床在保證幾何精度的前提下，進(jìn)給時(shí)運(yùn)動(dòng)軸在位移、速度、加速度三個(gè)方面的瞬態(tài)和穩(wěn)態(tài)精度[1]。運(yùn)動(dòng)精度取決于進(jìn)給系統(tǒng)的機(jī)電參數(shù)是否匹配。數(shù)控機(jī)床較普通機(jī)床最大的優(yōu)勢(shì)在于多軸聯(lián)動(dòng),單軸的運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定決定了多軸聯(lián)動(dòng)誤差，聯(lián)動(dòng)加工時(shí)將在工件表面產(chǎn)生振紋等，影響工件的加工質(zhì)量,如圖3所示。機(jī)床使用一段時(shí)間后，機(jī)械參數(shù)中的接觸剛度和阻尼等隨運(yùn)動(dòng)副的磨損而變化；電機(jī)線圈繞組中漆包絕緣層出現(xiàn)老化導(dǎo)致線圈間的絕緣電阻值變化，輸出電磁力矩中出現(xiàn)諧波成分。機(jī)電參數(shù)不再是初始的最優(yōu)匹配，就會(huì)造成運(yùn)動(dòng)精度的下降，精度保持性變差。

運(yùn)動(dòng)精度下降之后可以通過(guò)機(jī)電參數(shù)匹配在一定程度上進(jìn)行恢復(fù)。表1所示為某臺(tái)機(jī)床在使用一段時(shí)間后的運(yùn)動(dòng)精度對(duì)比。

表1　某型號(hào)機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度衰退及恢復(fù)對(duì)比表

機(jī)電參數(shù)匹配之前,需要辨識(shí)機(jī)械參數(shù)和電機(jī)參數(shù),然后通過(guò)一定的控制算法進(jìn)行匹配。Ren等[25]提出了子結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合辨識(shí)方法,Celic等[26]基于子結(jié)構(gòu)參數(shù)耦合辨識(shí)方法提出了改進(jìn)的關(guān)節(jié)參數(shù)辨識(shí)方法,對(duì)固定結(jié)合部剛度進(jìn)行了辨識(shí)。但是數(shù)控機(jī)床非正常磨損造成的是動(dòng)結(jié)合部的動(dòng)力學(xué)參數(shù)變化。胡峰等[27-28]在絲杠徑向施加簡(jiǎn)諧振動(dòng)，利用初參數(shù)解析法辨識(shí)了絲杠支撐處、螺母處和導(dǎo)軌滑塊處的剛度。邰曉輝[29]利用Inamura和Sata方法識(shí)別了系統(tǒng)中的軸承、螺母的軸向剛度和阻尼。但是其辨識(shí)的只是軸承和螺母的剛度，不是整個(gè)進(jìn)給系統(tǒng)的剛度。陳光勝等[30]利用編碼器和光柵尺的信號(hào)作為輸入信號(hào)，對(duì)進(jìn)給系統(tǒng)機(jī)械剛度進(jìn)行了辨識(shí)。上述辨識(shí)都是在靜態(tài)下進(jìn)行的，而運(yùn)動(dòng)精度恢復(fù)需要的是動(dòng)態(tài)下辨識(shí)的機(jī)械參數(shù)。曹錕[31]針對(duì)高速進(jìn)給系統(tǒng)的高階線性模型,將M序列和勻速運(yùn)動(dòng)信號(hào)相疊加,改進(jìn)了辨識(shí)方法,對(duì)某型號(hào)機(jī)床的直線進(jìn)給軸剛度進(jìn)行了辨識(shí),并利用激光干涉儀進(jìn)行了驗(yàn)證。

Joksimovic等[32]對(duì)感應(yīng)電機(jī)定子繞組匝間短路故障引起的線電流頻譜變化進(jìn)行了建模和仿真分析,發(fā)現(xiàn)相比于正常電機(jī)，匝間短路故障電機(jī)線電流頻譜中出現(xiàn)電流基頻的三次諧波，正常電機(jī)中存在諧波成分的幅值增大。Tallam等[33]利用坐標(biāo)變換理論得到了感應(yīng)電機(jī)定子繞組匝間短路故障的瞬態(tài)模型。該模型能夠根據(jù)誤差靈敏度函數(shù)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)故障線電流的正序和負(fù)序部分量值。Nicolas等[34]基于電流殘差定義的故障因子對(duì)永磁同步電動(dòng)機(jī)匝間短路故障進(jìn)行了建模和分析,考慮使用條件和參數(shù)不確定性使得預(yù)測(cè)模型能夠?qū)υ验g短路電阻小于1 kΩ的故障進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。

蔣銳權(quán)等[35]利用神經(jīng)元的自學(xué)習(xí)功能，提出了適用于數(shù)控機(jī)床位置伺服控制的神經(jīng)元控制器,該算法結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要知道受控對(duì)象的結(jié)構(gòu)和參數(shù)，而影響精度保持性的恰恰是結(jié)構(gòu)機(jī)械參數(shù)的變化,因此這種算法不能滿足要求。Irisa等[36]通過(guò)辨識(shí)伺服進(jìn)給系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,將控制參數(shù)整定轉(zhuǎn)化為非線性約束方程的求解過(guò)程，此方法能夠得到較滿意的效果，但整定過(guò)程比較復(fù)雜。Kuo等[37]利用遺傳算法對(duì)五軸數(shù)控機(jī)床的運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)進(jìn)行了整定,其整定后的參數(shù)在一定程度上改善了機(jī)床加工的輪廓精度。陳鵬展[38]提出了先獲得機(jī)械表征對(duì)象特征的參考模型，再對(duì)參考模型進(jìn)行控制參數(shù)尋優(yōu)的方法，既保證了控制參數(shù)整定的快速性，又能得到滿意的整定結(jié)果。李學(xué)偉[39]針對(duì)多軸聯(lián)動(dòng)中，軌跡預(yù)補(bǔ)償方法中誤差分配為考慮各軸跟隨特性而導(dǎo)致補(bǔ)償效果不理想的問(wèn)題，提出了零相差軌跡與補(bǔ)償控制方法，利用加工圓弧和拋物線方案進(jìn)行了驗(yàn)證。

根據(jù)運(yùn)動(dòng)精度保持性的分析和回顧，提高數(shù)控機(jī)床運(yùn)動(dòng)精度保持性的措施應(yīng)在機(jī)床的制造和使用階段實(shí)施。機(jī)械參數(shù)的辨識(shí)、電機(jī)參數(shù)的辨識(shí)和合理的機(jī)電匹配算法是提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的關(guān)鍵。

4　整機(jī)精度監(jiān)控系統(tǒng)

調(diào)研時(shí)發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在使用時(shí),由于使用不當(dāng)(如切削力過(guò)載)和維護(hù)保養(yǎng)不足(如潤(rùn)滑油不夠清潔)等造成機(jī)床軸承及靜壓導(dǎo)軌等零部件的過(guò)早磨損，機(jī)床精度下降的情況也較多。因此，針對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床的這一特殊情況，研發(fā)整機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，對(duì)機(jī)床進(jìn)行工作狀態(tài)監(jiān)控及維護(hù)保養(yǎng)也能延續(xù)機(jī)床的精度保持性。

機(jī)床在使用期間，如果機(jī)床切削力過(guò)大，將加劇主軸軸承的受力，造成軸承的非正常磨損，機(jī)床精度很快下降。因此，監(jiān)控切削力大小，設(shè)置切削過(guò)載報(bào)警有助于延長(zhǎng)機(jī)床的精度保持性時(shí)間。朱曉春[40]提出通過(guò)檢測(cè)主軸和進(jìn)給電動(dòng)機(jī)的功率和角速度，計(jì)算出切削扭矩，來(lái)實(shí)現(xiàn)切削過(guò)載的在線監(jiān)控。對(duì)切削力進(jìn)行監(jiān)控,不僅有利于減小刀具的磨損，而且還可以減小主軸軸承因過(guò)載造成的磨損。

潤(rùn)滑液不清潔會(huì)加劇運(yùn)動(dòng)部件間的磨損，造成導(dǎo)軌滑塊或者軸承精度下降。特別是磨削類(lèi)機(jī)床，磨粒脫落在冷卻液中，如果軸承密封不當(dāng)，極易造成軸承的磨損[11]。通過(guò)對(duì)潤(rùn)滑液清潔度監(jiān)控，及時(shí)更換不合格的潤(rùn)滑液，定期保養(yǎng)機(jī)床，也有利于提高機(jī)床的精度保持性。張根保等[41]建立了基于液壓系統(tǒng)清潔度熵的關(guān)鍵故障源提取模型，提取出了關(guān)鍵故障源，對(duì)其清潔度進(jìn)行了控制,這樣有利于減小液壓元件(如靜壓導(dǎo)軌等)的非正常磨損，提高機(jī)床的精度保持性。李平等[42]建立了絲桿磨損量與驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功的數(shù)學(xué)模型，利用監(jiān)控驅(qū)動(dòng)電機(jī)做功的總量來(lái)決定絲桿是否需要維護(hù)。絲杠的磨損影響半閉環(huán)控制機(jī)床的定位精度和重復(fù)定位精度。陳宇[43]分析了機(jī)床關(guān)鍵功能部件故障數(shù)據(jù)，在有用性最大的基礎(chǔ)上提出了最佳預(yù)防維修間隔時(shí)間模型，并求得該機(jī)床關(guān)鍵功能部件最佳預(yù)防維護(hù)間隔時(shí)間。

對(duì)于不同類(lèi)型的機(jī)床，需要監(jiān)控的參數(shù)類(lèi)型和參數(shù)的閾值范圍是不同的，這需要根據(jù)機(jī)床的特點(diǎn)進(jìn)一步研究才能確定。

根據(jù)整機(jī)精度監(jiān)控的分析和回顧，在機(jī)床的使用階段，對(duì)機(jī)床工作狀態(tài)及工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，適時(shí)地對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，也能提高機(jī)床的精度保持性。對(duì)機(jī)床整機(jī)精度監(jiān)控的項(xiàng)目有：潤(rùn)滑油的清潔度、液壓系統(tǒng)壓力、電機(jī)的功率、主軸振動(dòng)、環(huán)境溫度、濕度、空氣清潔度。通過(guò)這些參數(shù)的監(jiān)控,可實(shí)施維修時(shí)間在線預(yù)報(bào)和強(qiáng)制維護(hù)保養(yǎng)。

5　提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的建議

通過(guò)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的分析及相關(guān)研究文獻(xiàn)的回顧，根據(jù)調(diào)研的國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造過(guò)程和使用環(huán)境，針對(duì)機(jī)床的三類(lèi)精度，為避免非正常磨損，提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性，在設(shè)計(jì)、制造和使用階段提出以下建議。

(1)幾何精度保持性方面。提高措施應(yīng)集中在設(shè)計(jì)和制造階段的精度合理保證。造成導(dǎo)軌滑塊非正常磨損的主要因素有：考慮移動(dòng)部件質(zhì)心位置變化造成的基礎(chǔ)件變形、基礎(chǔ)件內(nèi)應(yīng)力釋放變形、裝配應(yīng)力造成的螺栓蠕變等。因此提高保持性的措施，在設(shè)計(jì)階段有：地腳螺栓的數(shù)量和布局優(yōu)化，導(dǎo)軌面的等剛度設(shè)計(jì)或反變形設(shè)計(jì)，考慮重力影響的大型結(jié)合面的精度設(shè)計(jì)；在制造階段有:內(nèi)應(yīng)力的合理控制,動(dòng)靜結(jié)合面的小或無(wú)應(yīng)力裝配。

(2)主軸精度保持性方面。提高措施應(yīng)集中在設(shè)計(jì)和制造階段的精度合理保證。造成軸承非正常磨損的主要因素有：主軸軸承間隙(配合)的設(shè)計(jì)，軸承預(yù)緊力的合理設(shè)置，以及主軸密封、潤(rùn)滑。因此提高保持性的措施，在設(shè)計(jì)階段有：考慮工作狀態(tài)造成的各種變形，合理地選擇軸承與主軸及主軸箱的配合、冷卻參數(shù)的選擇、密封結(jié)構(gòu)選擇等。在制造階段有：預(yù)緊力大小的選擇及其在服役狀態(tài)下的保證措施。

(3)運(yùn)動(dòng)精度保持性方面。提高措施應(yīng)集中在制造和使用階段的精度恢復(fù)上。造成運(yùn)動(dòng)精度衰退的主要因素有：運(yùn)動(dòng)部件非正常磨損造成的機(jī)械參數(shù)變化、電器參數(shù)老化造成的電器參數(shù)變化及兩者間的機(jī)電參數(shù)不匹配。因此提高運(yùn)動(dòng)精度保持性，在使用階段為：機(jī)電參數(shù)的自適應(yīng)控制。為了達(dá)到自適應(yīng)控制，需要研究機(jī)械參數(shù)、電器參數(shù)的辨識(shí)及自適應(yīng)控制算法。

(4)整機(jī)精度監(jiān)控方面。提高措施應(yīng)集中在使用階段監(jiān)控機(jī)床的工作環(huán)境和運(yùn)行狀態(tài)上。造成精度非正常磨損的主要因素有：潤(rùn)滑油的清潔度，切削力的過(guò)載，環(huán)境溫度的變化等。因此提高運(yùn)動(dòng)精度保持性，在使用階段監(jiān)控的參數(shù)有：潤(rùn)滑油的清潔度、切削力、主軸參數(shù)、環(huán)境溫度、濕度、振動(dòng)等。同時(shí)，對(duì)于不同類(lèi)型的機(jī)床和特點(diǎn)，選擇合適的監(jiān)控參數(shù)以及參數(shù)閾值的設(shè)定是保證數(shù)控機(jī)床精度保持性的重點(diǎn)。

6　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度衰退的調(diào)研,發(fā)現(xiàn)造成國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性差的原因?yàn)榉钦Ｄp。通過(guò)對(duì)國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床在設(shè)計(jì)、制造過(guò)程及使用情況的調(diào)研，對(duì)影響精度保持性的因素分析，以及對(duì)主軸精度、幾何精度以及運(yùn)動(dòng)精度的研究回顧，提出提高國(guó)產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的措施為合理設(shè)計(jì)、規(guī)范裝配及正確使用。主軸精度保持性應(yīng)在設(shè)計(jì)和制造階段合理地設(shè)計(jì)軸承間隙及保證合適的預(yù)緊力，幾何精度保持性應(yīng)在設(shè)計(jì)和制造階段減小裝配應(yīng)力的產(chǎn)生、合理地消除鑄件內(nèi)應(yīng)力；運(yùn)動(dòng)精度保持性應(yīng)在使用階段，使機(jī)床的機(jī)械電氣參數(shù)達(dá)到最佳匹配；在機(jī)床的使用階段，監(jiān)控機(jī)床的工作參數(shù)，適時(shí)地對(duì)機(jī)床進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)。

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(編輯王艷麗)

Research Status and Analyses on Accuracy Retentivity of Domestic CNC Machine Tools

Ma Junxu1,2Zhao Wanhua1,2Zhang Genbao3

1.Xi’an Jiaotong University,Xi’an,710049 2.State Key Laboratory for Manufacturing System Engineeing,Xi’an,710054 3.Chongqing University,Chongqing,400030

With a large number of accuracy survey on domestic CNC machine tools,it was found that the number of accuracy recession caused by abnormal wear gave a bigger proportion.In order to find the reasons of accuracy descends more clearly,the reasons that led to the poor accuracy retentivity in the stage of design, manufacture and applications were analyzed from three aspects of spindle accuracy, geometric accuracy and dynamic accuracy. Finally, aiming at the different types of CNC machine tools, the methods to improve accuracy retentivity were proposed.

accuracy retentivity;abnormal wear;assembly stress;matching of electrical parameter and mechanical parameter

2015-05-22

國(guó)家科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2010ZX04014-015,2012ZX04005011);國(guó)家自然科學(xué)基金資助重點(diǎn)項(xiàng)目(51235009)

TG659;TH162DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.22.020

馬軍旭,男,1981年生。西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院博士研究生。主要研究方向?yàn)閿?shù)控機(jī)床精度保持性技術(shù)。趙萬(wàn)華，男，1965年生。西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師,長(zhǎng)江學(xué)者。張根保，男，1953年生。重慶大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授、博士研究生導(dǎo)師。