遲玉倫 劉建國(guó) 李郝林

【摘 要】針對(duì)目前工程專(zhuān)業(yè)學(xué)位大學(xué)生培養(yǎng)特點(diǎn)，為了更好地滿(mǎn)足實(shí)踐教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)的要求，上海理工大學(xué)專(zhuān)門(mén)設(shè)置了數(shù)控機(jī)床性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)大學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐及實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?。該?shí)驗(yàn)課程主要對(duì)數(shù)控機(jī)床各性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，主要包括機(jī)床幾何精度、運(yùn)動(dòng)誤差、熱特性、切削力及動(dòng)態(tài)特性、切削過(guò)程監(jiān)控等。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)該實(shí)驗(yàn)課程，可使學(xué)生在熟悉機(jī)床結(jié)構(gòu)原理的基礎(chǔ)上對(duì)其各種性能有更加深入的理解，從而更全面地掌握本專(zhuān)業(yè)相關(guān)知識(shí)和操作技能，對(duì)提高學(xué)生的實(shí)驗(yàn)?zāi)芰τ兄匾饬x。

【關(guān)鍵詞】實(shí)驗(yàn)教學(xué)；機(jī)床性能測(cè)試；教學(xué)探索

【中圖分類(lèi)號(hào)】TG659 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A 【文章編號(hào)】1674-0688（2017）08-0082-03

1 簡(jiǎn)介

隨著科技的進(jìn)步和社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)對(duì)各類(lèi)高層次人才的需求劇增，因此需要建立有一定先導(dǎo)性的、結(jié)構(gòu)合理的，有利于高層創(chuàng)新人才脫穎而出、提升大學(xué)生綜合素質(zhì)和培養(yǎng)質(zhì)量的大學(xué)生教育體系，采取有效的措施來(lái)加強(qiáng)和改進(jìn)大學(xué)生培養(yǎng)工作[1]。近些年，國(guó)內(nèi)各高校對(duì)大學(xué)本科生及研究生都進(jìn)行了擴(kuò)大招生工作，有力地推動(dòng)了大學(xué)生教育工作改革和全民素質(zhì)發(fā)展。在擴(kuò)大招生的同時(shí)，我們也必須看到目前各高校大學(xué)生培養(yǎng)工作中還有一些難以解決的問(wèn)題，如目前大學(xué)生的培養(yǎng)方法、培養(yǎng)流程等不能完全適應(yīng)大學(xué)生的個(gè)性發(fā)展和創(chuàng)新能力培養(yǎng)，特別是針對(duì)專(zhuān)業(yè)學(xué)位的課程安排，教學(xué)思路及動(dòng)手能力的培養(yǎng)，不能完全適應(yīng)社會(huì)發(fā)展的需求，與社會(huì)需求人才方面還有一定的差距[2]。

為此，上海理工大學(xué)在培養(yǎng)各專(zhuān)業(yè)大學(xué)生方面，專(zhuān)門(mén)設(shè)置了數(shù)控機(jī)床性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)課程，培養(yǎng)大學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和學(xué)習(xí)能力。該實(shí)驗(yàn)課程主要對(duì)數(shù)控機(jī)床各性能進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，主要包括機(jī)床幾何精度、運(yùn)動(dòng)誤差、熱特性、切削力及動(dòng)態(tài)特性、切削過(guò)程監(jiān)控等。在本實(shí)驗(yàn)課程中，學(xué)生可自行設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、搭建試驗(yàn)平臺(tái)、測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)、分析實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，培養(yǎng)學(xué)生專(zhuān)業(yè)興趣和實(shí)驗(yàn)?zāi)芰?，同時(shí)鍛煉學(xué)生獨(dú)立發(fā)現(xiàn)和解決問(wèn)題的能力。該課程采用討論式教學(xué)方法，學(xué)生與老師之間以交流與探討的方式，深入學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)中遇到的各種問(wèn)題，達(dá)到對(duì)所學(xué)知識(shí)靈活運(yùn)用的效果。

2 課程實(shí)驗(yàn)實(shí)施

針對(duì)上海理工大學(xué)專(zhuān)大學(xué)生培養(yǎng)技術(shù)專(zhuān)業(yè)較強(qiáng)的特點(diǎn)，為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，在課程實(shí)驗(yàn)實(shí)施及教材使用方面，遵循了以下原則：首先，根據(jù)學(xué)校大學(xué)生的教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)，加強(qiáng)培養(yǎng)特定職業(yè)的高層次人次，在本課程實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，讓學(xué)生學(xué)習(xí)了解該專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的前沿技術(shù)和先進(jìn)技術(shù)。其次，注重學(xué)生學(xué)習(xí)課程之間的融會(huì)貫通，將所學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課和專(zhuān)業(yè)課程相互銜接，使學(xué)生在實(shí)驗(yàn)課程中加強(qiáng)知識(shí)理解和靈活運(yùn)用[3]。根據(jù)目前數(shù)控機(jī)床的性能測(cè)試技術(shù)水平及專(zhuān)業(yè)學(xué)位大學(xué)生教學(xué)培養(yǎng)目標(biāo)要求，上海理工大學(xué)從數(shù)控機(jī)床位置誤差、熱特性、動(dòng)態(tài)特性、切削加工監(jiān)測(cè)及可靠性測(cè)試等方面展開(kāi)機(jī)床的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作。

2.1 機(jī)床位置誤差測(cè)試

高速、高精密加工一直是數(shù)控機(jī)床加工制造業(yè)技術(shù)進(jìn)步的特點(diǎn)，直線(xiàn)電機(jī)作為一種新興的技術(shù)，開(kāi)始廣泛應(yīng)用到數(shù)控機(jī)床領(lǐng)域中，以其速度高、響應(yīng)快、精度高，成為數(shù)控機(jī)床進(jìn)給機(jī)構(gòu)的研究熱點(diǎn)。本文以直線(xiàn)電機(jī)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為研究平臺(tái)，對(duì)基于雙直線(xiàn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的2X-Y型龍門(mén)橋式進(jìn)給機(jī)構(gòu)圓輪廓誤差特性進(jìn)行測(cè)試研究，測(cè)試誤差曲線(xiàn)和規(guī)律，分析誤差源并提出有效的誤差在線(xiàn)補(bǔ)償方法，提高其數(shù)控機(jī)床加工精度[4]。

如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)基于直線(xiàn)驅(qū)動(dòng)的2X-Y型龍門(mén)移動(dòng)式實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試分析研究，給出了應(yīng)用激光干涉儀測(cè)量插補(bǔ)輪廓軌跡的方法，對(duì)該機(jī)床使用過(guò)程中的圓輪廓誤差展開(kāi)測(cè)試分析計(jì)算，利用最小二乘法對(duì)該數(shù)控機(jī)床誤差進(jìn)行評(píng)定，在不同切削工藝參數(shù)下對(duì)其各誤差進(jìn)行補(bǔ)償研究。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，通過(guò)該方法計(jì)算在線(xiàn)補(bǔ)償，機(jī)床加工精度可提高57.63%以上。學(xué)生通過(guò)該實(shí)驗(yàn)認(rèn)識(shí)和了解數(shù)控機(jī)床誤差測(cè)試分析原理，掌握數(shù)控機(jī)床誤差補(bǔ)償過(guò)程，為以后的學(xué)習(xí)與研究打下了基礎(chǔ)。

2.2 機(jī)床熱誤差測(cè)試

隨著機(jī)床制造業(yè)的發(fā)展，機(jī)床熱誤差相對(duì)其他誤差已經(jīng)成為影響精密加工精度的最主要因素。目前，很多國(guó)內(nèi)外院校和研究機(jī)構(gòu)對(duì)整臺(tái)機(jī)床及各部件的熱特性和熱誤差進(jìn)行了大量研究。減小機(jī)床熱變誤差的研究方法大致分為3類(lèi)：{1}進(jìn)行熱誤差建模與補(bǔ)償；{2}溫度控制；{3}熱態(tài)特性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)。隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)的發(fā)展，為機(jī)床熱誤差補(bǔ)償提供了基礎(chǔ)條件。目前對(duì)機(jī)床各部件的熱誤差進(jìn)行分析檢測(cè)，軟件補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)開(kāi)始逐漸推廣應(yīng)用。本課程實(shí)驗(yàn)利用機(jī)床熱誤差的最新技術(shù)，通過(guò)有限元技術(shù)與實(shí)驗(yàn)測(cè)量相結(jié)合可實(shí)現(xiàn)模型最優(yōu)化，達(dá)到提高機(jī)床加工精度的目的。

如圖2所示，該機(jī)床主軸是臥式主軸，熱誤差對(duì)加工精度有很大的影響。本實(shí)驗(yàn)通過(guò)安裝各種位移傳感器和溫度傳感器對(duì)機(jī)床熱誤差進(jìn)行在線(xiàn)測(cè)量，電容式位移傳感器有效精度在0.1μm，在實(shí)際測(cè)量中，會(huì)受到電磁場(chǎng)干擾、機(jī)床震動(dòng)干擾、環(huán)境溫度和濕度影響等多樣性因素及周?chē)蛩氐挠绊?。雖然該測(cè)試系統(tǒng)中加入了軟件濾波，要徹底地消除實(shí)際測(cè)量中各因素的影響仍需做大量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試研究。機(jī)床主軸運(yùn)轉(zhuǎn)3 h后，主軸箱體達(dá)到熱平衡狀態(tài)；主軸Y方向上的變形量最大在40 μm左右；其他方向的變形量在20 μm以?xún)?nèi)。學(xué)生通過(guò)學(xué)習(xí)本實(shí)驗(yàn)課程，了解機(jī)床熱誤差對(duì)機(jī)床加工精度的影響，掌握技術(shù)熱誤差補(bǔ)償方法。

2.3 機(jī)床剛度測(cè)試

所謂剛度，是指造成彈性體單位變形量時(shí)所需要的作用力，即剛度=作用力/變形量，有時(shí)也用它的反義詞柔度來(lái)表示，柔度=變形量/作用力。若數(shù)控機(jī)床的剛度不足，那么機(jī)床在重力、切削力、夾緊力或摩擦力的作用下，數(shù)控刀具就會(huì)產(chǎn)生變形振動(dòng)或爬行，從而影響到整臺(tái)數(shù)控機(jī)床的使用性能。所以，機(jī)床剛度是數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)過(guò)程中必須考慮的因素。本課程實(shí)驗(yàn)著重?cái)?shù)控機(jī)床剛度的測(cè)試方法，講述剛度測(cè)試在實(shí)際加工中的應(yīng)用[6]。

如圖3所示，數(shù)控機(jī)床刀具必須有足夠的剛度，才能使其抵抗外界各種頻率的擾動(dòng)力，否則機(jī)床整個(gè)加工過(guò)程就會(huì)不穩(wěn)定。一旦機(jī)床發(fā)生顫振，產(chǎn)品加工質(zhì)量難以獲得保障，大大影響產(chǎn)品的加工效率和質(zhì)量。本課程實(shí)驗(yàn)中設(shè)計(jì)了機(jī)床刀具系統(tǒng)的靜剛度、動(dòng)剛度求解的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)方法，借助各種測(cè)振共同對(duì)機(jī)床的振動(dòng)進(jìn)行分析研究，找出振動(dòng)最大位置并避免其共振區(qū)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)確定銑削力模型系數(shù)，最后基于實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果對(duì)該機(jī)床銑削工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

2.4 機(jī)床動(dòng)態(tài)特性測(cè)試

由于數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)較為復(fù)雜，可將數(shù)控機(jī)床系統(tǒng)簡(jiǎn)化，邊界條件為原位固定。選擇90個(gè)測(cè)點(diǎn)，分4個(gè)區(qū)域，采用單點(diǎn)激振、逐點(diǎn)拾振的方式。選擇激振點(diǎn)時(shí)，應(yīng)避開(kāi)節(jié)點(diǎn)，選在剛度大且接近區(qū)域幾何中心的位置。本實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)測(cè)試系統(tǒng)由3個(gè)部分組成，即激振系統(tǒng)、拾振系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集和信號(hào)分析系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)儀器主要包括：NI 9234信號(hào)數(shù)據(jù)采集卡、Kistler 8702B50型加速度傳感器、Kistler9724A2000型力錘帶鋁頂帽和MODALVIEW實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)自動(dòng)采集與信號(hào)處理軟件。

測(cè)振模型如圖4所示。對(duì)于每個(gè)結(jié)點(diǎn)，在進(jìn)行傳遞函數(shù)分析時(shí)一共有90個(gè)測(cè)點(diǎn)，激振點(diǎn)位移主軸箱上的C81點(diǎn)處，砂輪架尾原位安裝。在實(shí)際試驗(yàn)中，測(cè)點(diǎn)數(shù)需要根據(jù)結(jié)點(diǎn)情況進(jìn)行合理安排。

如圖4所示，研究機(jī)床動(dòng)態(tài)特性的方法主要是通過(guò)對(duì)實(shí)際機(jī)床或模型做激振實(shí)驗(yàn)，找到影響動(dòng)剛度的薄弱環(huán)節(jié)，根據(jù)模態(tài)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)改進(jìn)設(shè)計(jì)，使數(shù)控機(jī)床滿(mǎn)足較為理想的動(dòng)態(tài)特性。本模態(tài)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，砂輪架系統(tǒng)在350 Hz以下存在豐富的模態(tài)，特別是200～300 Hz之間模態(tài)比較密集，從振型上看，1～3階模態(tài)對(duì)主軸的影響較大，在修改結(jié)構(gòu)時(shí)應(yīng)予以注意。此外，電動(dòng)機(jī)振動(dòng)大是引起砂輪架振動(dòng)的主要原因。

2.5 機(jī)床加工過(guò)程測(cè)試

機(jī)床加工過(guò)程監(jiān)控是保證數(shù)控機(jī)床切削加工質(zhì)量的重要手段，特別是機(jī)床刀具狀況監(jiān)控及各種故障診斷進(jìn)行信息特征獲取、傳輸、處理、分析和應(yīng)用，控制機(jī)床穩(wěn)定可靠運(yùn)行，確保整個(gè)生產(chǎn)線(xiàn)自動(dòng)高效運(yùn)行。數(shù)控機(jī)床加工過(guò)程監(jiān)控技術(shù)是集成傳感器技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、信號(hào)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)等為一體的綜合型技術(shù)。

如圖5所示，本實(shí)驗(yàn)利用數(shù)控機(jī)床常用的各種傳感器在線(xiàn)監(jiān)測(cè)軸承外圈磨削加工過(guò)程，監(jiān)控信號(hào)有效地反映了軸承整個(gè)磨削周期中各階段的特征信息。其中，位移信號(hào)可準(zhǔn)確劃分磨削各進(jìn)給階段，為其他信號(hào)分析提供了基礎(chǔ)；而AE信號(hào)、功率信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)則反映了不同階段軸承磨削和砂輪修整質(zhì)量的好壞，在實(shí)際生產(chǎn)加工中有很好的實(shí)用性，并為軸承磨削各階段的工藝參數(shù)在線(xiàn)自動(dòng)優(yōu)化提供了基礎(chǔ)。

3 總結(jié)

本課程實(shí)驗(yàn)結(jié)合了國(guó)內(nèi)外數(shù)控機(jī)床性能測(cè)試所開(kāi)展的教學(xué)情況，該課程實(shí)驗(yàn)涵蓋了大部分機(jī)床性能測(cè)試內(nèi)容，包括數(shù)控機(jī)床各性能測(cè)試內(nèi)容的設(shè)備使用和測(cè)試原理方法，可使學(xué)生在熟悉數(shù)控機(jī)床工作原理的基礎(chǔ)上對(duì)其各種性能有更加深入的理解，全面掌握與其相關(guān)的專(zhuān)業(yè)知識(shí)和操作技能，能運(yùn)用所學(xué)習(xí)的專(zhuān)業(yè)理論知識(shí)對(duì)本課程實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算和分析，全面了解該專(zhuān)業(yè)所需的技能和操作水平。此外，該課程實(shí)驗(yàn)還涉及機(jī)床性能測(cè)試方面的最新研究成果，對(duì)于工科學(xué)生學(xué)習(xí)了解當(dāng)前機(jī)床性能測(cè)試研究前沿有極大的幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

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[責(zé)任編輯：陳澤琦]