數控機床性能測試課程實驗教學探索

遲玉倫 劉建國 李郝林

【摘 要】針對目前工程專業學位大學生培養特點，為了更好地滿足實踐教學培養目標的要求，上海理工大學專門設置了數控機床性能測試實驗課程，培養大學生的動手實踐及實驗能力。該實驗課程主要對數控機床各性能進行試驗測試，主要包括機床幾何精度、運動誤差、熱特性、切削力及動態特性、切削過程監控等。學生通過學習該實驗課程，可使學生在熟悉機床結構原理的基礎上對其各種性能有更加深入的理解，從而更全面地掌握本專業相關知識和操作技能，對提高學生的實驗能力有著重要意義。

【關鍵詞】實驗教學；機床性能測試；教學探索

【中圖分類號】TG659 【文獻標識碼】A 【文章編號】1674-0688（2017）08-0082-03

1 簡介

隨著科技的進步和社會的發展，社會對各類高層次人才的需求劇增，因此需要建立有一定先導性的、結構合理的，有利于高層創新人才脫穎而出、提升大學生綜合素質和培養質量的大學生教育體系，采取有效的措施來加強和改進大學生培養工作[1]。近些年，國內各高校對大學本科生及研究生都進行了擴大招生工作，有力地推動了大學生教育工作改革和全民素質發展。在擴大招生的同時，我們也必須看到目前各高校大學生培養工作中還有一些難以解決的問題，如目前大學生的培養方法、培養流程等不能完全適應大學生的個性發展和創新能力培養，特別是針對專業學位的課程安排，教學思路及動手能力的培養，不能完全適應社會發展的需求，與社會需求人才方面還有一定的差距[2]。

為此，上海理工大學在培養各專業大學生方面，專門設置了數控機床性能測試實驗課程，培養大學生的動手實踐和學習能力。該實驗課程主要對數控機床各性能進行試驗測試，主要包括機床幾何精度、運動誤差、熱特性、切削力及動態特性、切削過程監控等。在本實驗課程中，學生可自行設計試驗方案、搭建試驗平臺、測量試驗數據、分析實驗測試結果，培養學生專業興趣和實驗能力，同時鍛煉學生獨立發現和解決問題的能力。該課程采用討論式教學方法，學生與老師之間以交流與探討的方式，深入學習實驗中遇到的各種問題，達到對所學知識靈活運用的效果。

2 課程實驗實施

針對上海理工大學專大學生培養技術專業較強的特點，為了更好地實現教學培養目標，在課程實驗實施及教材使用方面，遵循了以下原則：首先，根據學校大學生的教學培養目標，加強培養特定職業的高層次人次，在本課程實驗過程中，讓學生學習了解該專業領域的前沿技術和先進技術。其次，注重學生學習課程之間的融會貫通，將所學習的專業基礎課和專業課程相互銜接，使學生在實驗課程中加強知識理解和靈活運用[3]。根據目前數控機床的性能測試技術水平及專業學位大學生教學培養目標要求，上海理工大學從數控機床位置誤差、熱特性、動態特性、切削加工監測及可靠性測試等方面展開機床的性能測試實驗教學工作。

2.1 機床位置誤差測試

高速、高精密加工一直是數控機床加工制造業技術進步的特點，直線電機作為一種新興的技術，開始廣泛應用到數控機床領域中，以其速度高、響應快、精度高，成為數控機床進給機構的研究熱點。本文以直線電機實驗臺為研究平臺，對基于雙直線電機驅動的2X-Y型龍門橋式進給機構圓輪廓誤差特性進行測試研究，測試誤差曲線和規律，分析誤差源并提出有效的誤差在線補償方法，提高其數控機床加工精度[4]。

如圖1所示，本實驗通過對基于直線驅動的2X-Y型龍門移動式實驗臺測試分析研究，給出了應用激光干涉儀測量插補輪廓軌跡的方法，對該機床使用過程中的圓輪廓誤差展開測試分析計算，利用最小二乘法對該數控機床誤差進行評定，在不同切削工藝參數下對其各誤差進行補償研究。實驗結果表明，通過該方法計算在線補償，機床加工精度可提高57.63%以上。學生通過該實驗認識和了解數控機床誤差測試分析原理，掌握數控機床誤差補償過程，為以后的學習與研究打下了基礎。

2.2 機床熱誤差測試

隨著機床制造業的發展，機床熱誤差相對其他誤差已經成為影響精密加工精度的最主要因素。目前，很多國內外院校和研究機構對整臺機床及各部件的熱特性和熱誤差進行了大量研究。減小機床熱變誤差的研究方法大致分為3類：{1}進行熱誤差建模與補償；{2}溫度控制；{3}熱態特性優化設計。隨著現代計算機軟、硬件技術的發展，為機床熱誤差補償提供了基礎條件。目前對機床各部件的熱誤差進行分析檢測，軟件補償等技術開始逐漸推廣應用。本課程實驗利用機床熱誤差的最新技術，通過有限元技術與實驗測量相結合可實現模型最優化，達到提高機床加工精度的目的。

如圖2所示，該機床主軸是臥式主軸，熱誤差對加工精度有很大的影響。本實驗通過安裝各種位移傳感器和溫度傳感器對機床熱誤差進行在線測量，電容式位移傳感器有效精度在0.1μm，在實際測量中，會受到電磁場干擾、機床震動干擾、環境溫度和濕度影響等多樣性因素及周圍因素的影響。雖然該測試系統中加入了軟件濾波，要徹底地消除實際測量中各因素的影響仍需做大量的實驗測試研究。機床主軸運轉3 h后，主軸箱體達到熱平衡狀態；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以內。學生通過學習本實驗課程，了解機床熱誤差對機床加工精度的影響，掌握技術熱誤差補償方法。

2.3 機床剛度測試

所謂剛度，是指造成彈性體單位變形量時所需要的作用力，即剛度=作用力/變形量，有時也用它的反義詞柔度來表示，柔度=變形量/作用力。若數控機床的剛度不足，那么機床在重力、切削力、夾緊力或摩擦力的作用下，數控刀具就會產生變形振動或爬行，從而影響到整臺數控機床的使用性能。所以，機床剛度是數控機床設計過程中必須考慮的因素。本課程實驗著重數控機床剛度的測試方法，講述剛度測試在實際加工中的應用[6]。

如圖3所示，數控機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力，否則機床整個加工過程就會不穩定。一旦機床發生顫振，產品加工質量難以獲得保障，大大影響產品的加工效率和質量。本課程實驗中設計了機床刀具系統的靜剛度、動剛度求解的階躍響應實驗方法，借助各種測振共同對機床的振動進行分析研究，找出振動最大位置并避免其共振區，根據實驗測量數據確定銑削力模型系數，最后基于實驗測量結果對該機床銑削工藝參數進行優化。

2.4 機床動態特性測試

由于數控機床系統較為復雜，可將數控機床系統簡化，邊界條件為原位固定。選擇90個測點，分4個區域，采用單點激振、逐點拾振的方式。選擇激振點時，應避開節點，選在剛度大且接近區域幾何中心的位置。本實驗模態測試系統由3個部分組成，即激振系統、拾振系統、數據采集和信號分析系統。實驗儀器主要包括：NI 9234信號數據采集卡、Kistler 8702B50型加速度傳感器、Kistler9724A2000型力錘帶鋁頂帽和MODALVIEW實驗數據自動采集與信號處理軟件。

測振模型如圖4所示。對于每個結點，在進行傳遞函數分析時一共有90個測點，激振點位移主軸箱上的C81點處，砂輪架尾原位安裝。在實際試驗中，測點數需要根據結點情況進行合理安排。

如圖4所示，研究機床動態特性的方法主要是通過對實際機床或模型做激振實驗，找到影響動剛度的薄弱環節，根據模態結果對結構改進設計，使數控機床滿足較為理想的動態特性。本模態實驗結果表明，砂輪架系統在350 Hz以下存在豐富的模態，特別是200～300 Hz之間模態比較密集，從振型上看，1～3階模態對主軸的影響較大，在修改結構時應予以注意。此外，電動機振動大是引起砂輪架振動的主要原因。

2.5 機床加工過程測試

機床加工過程監控是保證數控機床切削加工質量的重要手段，特別是機床刀具狀況監控及各種故障診斷進行信息特征獲取、傳輸、處理、分析和應用，控制機床穩定可靠運行，確保整個生產線自動高效運行。數控機床加工過程監控技術是集成傳感器技術、計算機技術、信號處理技術、自動控制技術等為一體的綜合型技術。

如圖5所示，本實驗利用數控機床常用的各種傳感器在線監測軸承外圈磨削加工過程，監控信號有效地反映了軸承整個磨削周期中各階段的特征信息。其中，位移信號可準確劃分磨削各進給階段，為其他信號分析提供了基礎；而AE信號、功率信號和振動信號則反映了不同階段軸承磨削和砂輪修整質量的好壞，在實際生產加工中有很好的實用性，并為軸承磨削各階段的工藝參數在線自動優化提供了基礎。

3 總結

本課程實驗結合了國內外數控機床性能測試所開展的教學情況，該課程實驗涵蓋了大部分機床性能測試內容，包括數控機床各性能測試內容的設備使用和測試原理方法，可使學生在熟悉數控機床工作原理的基礎上對其各種性能有更加深入的理解，全面掌握與其相關的專業知識和操作技能，能運用所學習的專業理論知識對本課程實驗測試結果進行計算和分析，全面了解該專業所需的技能和操作水平。此外，該課程實驗還涉及機床性能測試方面的最新研究成果，對于工科學生學習了解當前機床性能測試研究前沿有極大的幫助。

參 考 文 獻

[1]代曉明，楊慶東.高架橋式龍門高速加工中心直線進給系統的設計[J].機械制造，2005，43（1）：12-14.

[2]唐立偉，曹勝男.超精密加工輪廓誤差的LC-CCC補償控制[J].云南民族大學學報，2008，17（3）：274-282.

[3]虞文華，吳昭同，楊世錫.伺服系統特性對數控機床圓軌跡加工精度影響的機理[J].中國機械工程，1995，6（1）：26-29.

[4]馬錫琪，鄧曉京，趙建偉，等.NC機床運動誤差的矢量分析法[J].制造技術與機床，1997（4）：56-60.

[5]張柏霖，楊慶東，陳長年.高速切削技術及應用[M].北京：機械工業出版社，2002.

[責任編輯：陳澤琦]