国产数控机床精度保持性分析及研究现状

马军旭　赵万华　张根保

1.西安交通大学,西安,710049　　2.机械制造系统工程国家重点实验室,西安,7100543.重庆大学,重庆,400030

国产数控机床精度保持性分析及研究现状

马军旭1,2赵万华1,2张根保3

1.西安交通大学,西安,7100492.机械制造系统工程国家重点实验室,西安,7100543.重庆大学,重庆,400030

通过对国产数控机床精度的大量调研发现,非正常磨损造成机床精度衰退的数目占机床总数的比例较大。为了更清晰地找出精度下降的原因，从主轴精度、基础件几何精度和各轴的运动精度入手，分别在机床的设计、制造和使用三个阶段分析了造成国产数控机床精度保持性差的原因。针对不同类型机床精度，提出了提高机床精度保持性的方法。

精度保持性；非正常磨损；装配应力；机电匹配

0　引言

国产数控机床与国外数控机床的精度保持性有很大的差距，在国家科技重大专项的支持下,针对某型号卧式加工中心、立式加工中心和磨齿机精度保持性问题,笔者走访了10余家机床用户,翻阅了机床厂的部分维修记录，得到了机床的精度衰退情况。其中,卧式加工中心为：机床使用半年之后出现地脚螺栓调整12例,一年之后出现工作台消隙调整2例,其他3例。立式加工中心为:3个月后出现Z轴轴承磨损6例，Z轴刚度降低3例,半年之后出现X轴与Y轴联动椭圆13例，X、Y、Z轴定位精度降低9例,其他2例。磨齿机为：3个月后出现顶尖与C轴同轴度下降8例,半年之后出现Z轴与C轴平行度问题16例,Z轴精度下降12例，X轴精度下降8例，主轴轴承精度下降或损坏时间在1个月至1年之间不定共14例,其他5例。

磨损是造成机床精度下降的原因。正常磨损情况下,机床精度保持时间与零部件(导轨、轴承等)寿命是相当的。根据对国产机床设计、制造过程和使用情况的调研，得到国产机床精度衰退的主要原因是运动部件间非正常磨损的结论。

数控机床精度保持性衰退原因和提高措施因结构形式的不同而不同。主轴部件因高速旋转，既不同于直线进给轴的运动形式，又与旋转进给轴速度差别较大，因此，本文将主轴精度独立于几何精度之外，作为一项独立的精度指标。除主轴精度外，轴线的几何精度是机床精度的基础，而机床运动时的瞬态和稳态精度影响着机床的加工精度。为了便于找出精度衰退的原因,把机床精度分成三个部分：主轴精度、几何精度和运动精度[1]。根据调研的10余家国产数控机床用户的机床精度衰退情况得到：主轴精度衰退14例,占调研机床总数的11.5%；几何精度(不包括主轴精度，下同)衰退76例,占调研机床总数的62.3%;运动精度衰退24例,占调研机床总数的19.7%;其他精度问题8例,占调研机床总数的6.6%。

本文针对国产数控机床精度保持性存在的问题,从主轴精度、几何精度、运动精度及整机精度监控四个方面分析了国产数控机床在设计、制造和使用阶段造成精度保持性差的原因及解决方法，回顾了目前国产机床精度保持性的研究现状,并给出了提高国产数控机床精度保持性的建议。

1　主轴精度保持性分析及研究现状

主轴在设计阶段的主要任务是完成结构方案、分配零部件公差及确定零件间的配合；在制造阶段的主要任务是合理地施加预紧力,保证主轴刚度,限制主轴温升。国产主轴在精度设计时往往根据设计手册选择经济精度及其配合，在制造时根据经验选择预紧力，缺少科学计算的指导。使用时，主轴的温升会造成轴承间隙、预紧力的变化，如果在设计、制造时考虑不充分，就会造成轴承的非正常磨损。密封、润滑不良也将直接导致轴承非正常磨损,如图1所示。

图1　主轴精度保持性影响因素

因此,造成主轴轴承非正常磨损的因素主要为:设计阶段的轴承间隙(配合)过大或过小、密封及润滑结构不合理，以及制造阶段预紧力过大或过小。

1.1轴承间隙的合理设计

设计阶段,通常为了保证主轴径向跳动精度,选择较小的轴承和主轴箱间隙。在结构和冷却、润滑参数确定的情况下,间隙越大,主轴径向跳动越大；反之，间隙越小，主轴径向跳动越小,但主轴发热变形越大，容易加剧磨损或者造成轴承卡死。为了提高主轴的精度保持性,合理地选择轴承与主轴箱间隙，减小轴承的非正常磨损显得尤其重要。

Burton等[2]研究了主轴在使用时温度造成角接触轴承尺寸的变化情况,并给出了计算方程,但是计算精度不够高。Jedrzejewski等[3]为了从热变形、刚度等方面来评价间隙设计结果，利用有限元法和有限差分法建立了高速加工中心主轴箱混合模型，分析了因旋转速度变化形成的离心力造成的间隙变化。Holkup等[4]同时考虑了轴承滚珠、滚道的接触变形线性叠加轴承外圈与轴承座的热变形来计算轴承间隙。Kim等[5]建立了轴承间隙随外部载荷、转速和操作时间变化的变形曲线，为间隙设计提供了依据。但是其提供的是单个轴承在各种工况下的变形量，一般情况下，主轴轴承是成组使用的。

因此，为了提高主轴的精度保持性，减小轴承非正常磨损，在设计轴承间隙时，需要同时考虑转速变化引起的离心力造成的轴承变形、预紧力造成的轴承发热变形、主轴的冷却效果以及轴承的配置方式等的影响。

1.2预紧力的合理选择

主轴的功能是给刀具提供足够的动力和刚度来保证正常切削工件。在制造阶段,为了保证主轴有足够的刚度，往往对轴承施加预紧力。预紧力越大，主轴刚度越大,主轴发热变形也越大,轴承越容易磨损,主轴精度保持性越差。合理保证服役状态下主轴预紧力,能够减小主轴轴承发热造成的非正常磨损，提高主轴精度保持性。

Kim等[6]通过预紧力测试装置和跳动测试装置测试了不同切削条件下预紧力对跳动精度的影响，优化了主轴预紧力。Jiang等[7]为了获得高转速低温升、低转速高刚度主轴的预紧力,建立了离心力和陀螺效应影响的轴承非线性模型，利用传递矩阵法(transfer matrix method,TMM)分析了调压预紧时的温升和刚度,得到结论:高速时,根据主轴温度变化选择预紧力，低速时，根据主轴轴承的疲劳寿命选择预紧力。Chen等[8]在分析预紧力对温升的影响时,得到结论:低速时(转速n<10 000 r/min),温升与预紧力的关系不大；高速时(转速n>10 000 r/min),由于离心力造成滚珠和内圈的接触不良,所以摩擦力增大,温升增大。蒋兴奇等[9]为了防止高速轴承出现内沟道或钢球表面的擦伤,同时又使轴承的运转摩擦力矩最小,给出了主轴角接触轴承最小预紧载荷的计算方法。给出的轴承预紧力影响因素是在主轴径向载荷很小(10 N)的条件下计算得到的,不能适用于机床的切削状态。

因此,考虑使用状态下的转速、切削载荷、温升对预紧力的影响,才能保证装配时的预紧力在使用状态下是合理的,减小预紧力设置不当造成的精度衰退，提高主轴精度的保持性。

1. 3润滑和密封不当

主轴轴承的密封和润滑不当也是造成国产数控机床主轴、特别是磨削类主轴轴承非正常磨损的重要原因。申阳等[10]统计了国产主轴轴承损坏的形式,指出润滑不良是主轴异常磨损的一个重要因素。磨削类机床由于砂轮在工作时磨粒的脱落造成冷却液中杂质过多,如果轴承密封不良更容易造成主轴轴承的磨损。余常武[11]针对某型号磨床主轴轴承密封不严造成主轴磨损的情况(最严重的情况是试切时轴承磨损损坏)，改进了主轴密封结构，使其精度保持时间延长至17个月以上。

由国产主轴精度保持性的分析和回顾可知,提高国产数控机床主轴精度保持性的措施应在主轴的设计和制造阶段实施。应考虑主轴使用工况，合理设计主轴间隙、选择预紧力，进而提高机床主轴精度保持性。

2　几何精度保持性分析及研究现状

根据GB18400.1-2010中几何精度的检测项目,除去与主轴精度相关的项目,几何精度主要是与运动轴线相关的精度。运动轴线几何精度保持性取决于基础件精度保持性。基础件在设计阶段的主要任务是完成结构方案,校核刚度和强度,确定导轨安装基准面等的公差；在制造阶段的主要任务是合理地消除基础件内应力以及保证装配后的几何精度。国产数控机床在设计时根据设计手册选择零件的经济精度，当装配精度达不到要求时，利用试凑或者采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证几何精度，造成较大的装配应力。内应力消除往往根据经验，缺乏规范的工艺措施。如果设计时不能充分考虑装配时和使用时力、热等造成的基础件精度变化，就会导致精度设计不合理，进而可能造成装配时产生较大的装配应力，使用时装配应力释放导致导轨滑块安装基准变化，加剧导轨滑块磨损。如果制造阶段内应力释放不完全，服役时，内应力释放也将导致导轨滑块的安装基准发生变化，造成导轨滑块的非正常磨损，精度保持性下降,如图2所示。

因此,造成导轨滑块非正常磨损的主要因素为:内应力释放变形和装配应力蠕变变形等。

图2　几何精度保持性影响因素

2.1内应力消除工艺

机床基础件大部分为铸件,少量为焊接件，在铸造或焊接过程中会产生一定的内应力。为了使内应力得到充分释放，往往采用自然失效的方式处理基础件。自然失效周期较长，不能满足生产时,采用热时效的方式。热时效耗能大，基础件大小受限于时效炉的尺寸。目前较为流行的是振动时效。Li等[12-13]利用有限元仿真得到床身的各阶振型，作为振动时效工艺参数选择的依据,但是没有定量给出铸造残余应力振动时效后应力变化的大小。低频振动时效时零件变形量大,甚至出现破坏,He等[14]为了防止出现这种现象，提出了超过1 kHz的高频振动工艺方案,在两块焊接的钢板上进行了试验验证,得到高频振动更能均化焊接件的残余应力的结论。焊接件一般质量较小,但是对于大型铸件，高频振动受激振能量限制,不太合适。胡敏等[15]针对某型号卧式加工中心床身结构,利用模态分析选择了振动时效的激振频率、支撑点、激振点和拾振点,根据工件质量选择了激振时间,根据最大动应力和激振力的关系选择了激振力大小,并且与原有振动工艺消除应力的效果进行了对比。目前,对振动时效的定量研究较少,大部分工厂是按照经验对大型基础件进行振动时效处理。

因此,为了减小内应力释放变形造成的轴线基准变形以及基准变形造成的导轨滑块非正常磨损,需要规范基础件制造时的内应力工艺，定量控制内应力的大小。

2.2减小装配应力的措施

设计时如果没有考虑移动部件重力在全行程内造成的基础件精度变化,造成装配后的轴线几何精度达不到设计要求,现场采用不恰当的拧紧等措施使基础件局部变形过大来保证导轨的直线度、平行度等精度,就会产生较大的装配应力。机床使用时,地脚螺栓中受力较大的螺栓蠕变较快,导轨安装基准变化；同时，导轨的基准变化将加剧导轨滑块的磨损，轴线几何精度丧失。

在设计阶段,张文凯[16]根据卧式加工中心移动部件在行程内质心位置变化造成的导轨安装基准面变形,利用ANSYS的APDL语言优化了地脚螺栓布局,使导轨安装面直线度由11.6 μm减小到了8.6 μm。减小了为保证机床精度造成的部分地脚螺栓应力,使地脚螺栓的布局设计更加合理。张景和等[17]在大型非球面超精密机床上设计了卸荷浮板结构,减小了导轨负荷(导轨及其上移动部件的质量)。当卸荷量达到12 kN时,主导轨直线度为0.375 μm/600 mm。张伯鹏等[18]针对大型数控龙门铣床横梁重力变形问题,在辅助梁上设置了3个出力可控的液压千斤顶，利用遗传算法实现了自演机制，减小了重力变形造成的误差。上述两种方法利用改变横梁结构，增大横梁刚度,减小了重力变形对导轨直线度的影响，间接地提高了机床的精度保持性。但是受机床结构影响，有些机床不能通过改变结构来增大横梁刚度,只能通过制造阶段的工艺措施来合理地保证精度。

在制造阶段,胡万良等[19]利用压电式传感器发明了智能垫铁(ZL200910024358.7),该智能垫铁能够监测机床垫铁的受力大小,用于机床在装配时保证地脚螺栓受力均匀,减小机床使用时地脚螺栓蠕变量的不一致。智能垫铁只是监测了地脚螺栓的受力状况,可以再改进使其能够自动调整来保证地脚螺栓受力均匀。郭铁能等[20-21]针对数控重型龙门铣床超跨距横梁由于跨度大、滑板滑枕质量大造成的横梁向下弯曲(最大挠度可达1 mm),采用对导轨面预起拱的方法来补偿横梁变形对加工精度的影响。利用合理的装配工艺保证机床的精度,间接地提高了机床的精度保持性。

单个运动轴的装配应力会造成导轨滑块的非正常磨损,运动轴间的装配应力是由于固定结合面精度的设计和装配的不合理产生的，固定结合面的螺栓蠕变会造成运动轴间的垂直度、平行度等精度的衰退。螺栓蠕变常见于高温下法兰盘连接用螺栓的蠕变,而Oehlert等[22]、Neeraj等[23]认为,常温下金属在一定载荷下也会发生蠕变,单琳豪[24]研究了船用螺旋桨在服役时的蠕变。目前还缺少机床结合面螺栓蠕变造成的几何精度衰退规律。

根据几何精度保持性的分析和回顾，提高国产数控机床几何精度保持性的措施应在机床的设计和制造阶段实施。考虑装配应力、内应力等的影响，合理设计基础件精度，规范装配工艺，避免为了保证精度而牺牲精度保持性。

3　运动精度保持性分析及研究现状

图3　加工振纹

数控机床的运动精度不同于准静态下的几何精度，是机床在保证几何精度的前提下，进给时运动轴在位移、速度、加速度三个方面的瞬态和稳态精度[1]。运动精度取决于进给系统的机电参数是否匹配。数控机床较普通机床最大的优势在于多轴联动,单轴的运动不稳定决定了多轴联动误差，联动加工时将在工件表面产生振纹等，影响工件的加工质量,如图3所示。机床使用一段时间后，机械参数中的接触刚度和阻尼等随运动副的磨损而变化；电机线圈绕组中漆包绝缘层出现老化导致线圈间的绝缘电阻值变化，输出电磁力矩中出现谐波成分。机电参数不再是初始的最优匹配，就会造成运动精度的下降，精度保持性变差。

运动精度下降之后可以通过机电参数匹配在一定程度上进行恢复。表1所示为某台机床在使用一段时间后的运动精度对比。

表1　某型号机床运动精度衰退及恢复对比表

机电参数匹配之前,需要辨识机械参数和电机参数,然后通过一定的控制算法进行匹配。Ren等[25]提出了子结构参数耦合辨识方法,Celic等[26]基于子结构参数耦合辨识方法提出了改进的关节参数辨识方法,对固定结合部刚度进行了辨识。但是数控机床非正常磨损造成的是动结合部的动力学参数变化。胡峰等[27-28]在丝杠径向施加简谐振动，利用初参数解析法辨识了丝杠支撑处、螺母处和导轨滑块处的刚度。邰晓辉[29]利用Inamura和Sata方法识别了系统中的轴承、螺母的轴向刚度和阻尼。但是其辨识的只是轴承和螺母的刚度，不是整个进给系统的刚度。陈光胜等[30]利用编码器和光栅尺的信号作为输入信号，对进给系统机械刚度进行了辨识。上述辨识都是在静态下进行的，而运动精度恢复需要的是动态下辨识的机械参数。曹锟[31]针对高速进给系统的高阶线性模型,将M序列和匀速运动信号相叠加,改进了辨识方法,对某型号机床的直线进给轴刚度进行了辨识,并利用激光干涉仪进行了验证。

Joksimovic等[32]对感应电机定子绕组匝间短路故障引起的线电流频谱变化进行了建模和仿真分析,发现相比于正常电机，匝间短路故障电机线电流频谱中出现电流基频的三次谐波，正常电机中存在谐波成分的幅值增大。Tallam等[33]利用坐标变换理论得到了感应电机定子绕组匝间短路故障的瞬态模型。该模型能够根据误差灵敏度函数准确预测故障线电流的正序和负序部分量值。Nicolas等[34]基于电流残差定义的故障因子对永磁同步电动机匝间短路故障进行了建模和分析,考虑使用条件和参数不确定性使得预测模型能够对匝间短路电阻小于1 kΩ的故障进行准确预测。

蒋锐权等[35]利用神经元的自学习功能，提出了适用于数控机床位置伺服控制的神经元控制器,该算法结构简单，不需要知道受控对象的结构和参数，而影响精度保持性的恰恰是结构机械参数的变化,因此这种算法不能满足要求。Irisa等[36]通过辨识伺服进给系统的数学模型,将控制参数整定转化为非线性约束方程的求解过程，此方法能够得到较满意的效果，但整定过程比较复杂。Kuo等[37]利用遗传算法对五轴数控机床的运动控制参数进行了整定,其整定后的参数在一定程度上改善了机床加工的轮廓精度。陈鹏展[38]提出了先获得机械表征对象特征的参考模型，再对参考模型进行控制参数寻优的方法，既保证了控制参数整定的快速性，又能得到满意的整定结果。李学伟[39]针对多轴联动中，轨迹预补偿方法中误差分配为考虑各轴跟随特性而导致补偿效果不理想的问题，提出了零相差轨迹与补偿控制方法，利用加工圆弧和抛物线方案进行了验证。

根据运动精度保持性的分析和回顾，提高数控机床运动精度保持性的措施应在机床的制造和使用阶段实施。机械参数的辨识、电机参数的辨识和合理的机电匹配算法是提高国产数控机床精度保持性的关键。

4　整机精度监控系统

调研时发现，国产数控机床在使用时,由于使用不当(如切削力过载)和维护保养不足(如润滑油不够清洁)等造成机床轴承及静压导轨等零部件的过早磨损，机床精度下降的情况也较多。因此，针对国产数控机床的这一特殊情况，研发整机监控系统，对机床进行工作状态监控及维护保养也能延续机床的精度保持性。

机床在使用期间，如果机床切削力过大，将加剧主轴轴承的受力，造成轴承的非正常磨损，机床精度很快下降。因此，监控切削力大小，设置切削过载报警有助于延长机床的精度保持性时间。朱晓春[40]提出通过检测主轴和进给电动机的功率和角速度，计算出切削扭矩，来实现切削过载的在线监控。对切削力进行监控,不仅有利于减小刀具的磨损，而且还可以减小主轴轴承因过载造成的磨损。

润滑液不清洁会加剧运动部件间的磨损，造成导轨滑块或者轴承精度下降。特别是磨削类机床，磨粒脱落在冷却液中，如果轴承密封不当，极易造成轴承的磨损[11]。通过对润滑液清洁度监控，及时更换不合格的润滑液，定期保养机床，也有利于提高机床的精度保持性。张根保等[41]建立了基于液压系统清洁度熵的关键故障源提取模型，提取出了关键故障源，对其清洁度进行了控制,这样有利于减小液压元件(如静压导轨等)的非正常磨损，提高机床的精度保持性。李平等[42]建立了丝杆磨损量与驱动电机做功的数学模型，利用监控驱动电机做功的总量来决定丝杆是否需要维护。丝杠的磨损影响半闭环控制机床的定位精度和重复定位精度。陈宇[43]分析了机床关键功能部件故障数据，在有用性最大的基础上提出了最佳预防维修间隔时间模型，并求得该机床关键功能部件最佳预防维护间隔时间。

对于不同类型的机床，需要监控的参数类型和参数的阈值范围是不同的，这需要根据机床的特点进一步研究才能确定。

根据整机精度监控的分析和回顾，在机床的使用阶段，对机床工作状态及工作环境进行监控，适时地对机床进行维护保养，也能提高机床的精度保持性。对机床整机精度监控的项目有：润滑油的清洁度、液压系统压力、电机的功率、主轴振动、环境温度、湿度、空气清洁度。通过这些参数的监控,可实施维修时间在线预报和强制维护保养。

5　提高国产数控机床精度保持性的建议

通过国产数控机床精度保持性的分析及相关研究文献的回顾，根据调研的国产数控机床设计、制造过程和使用环境，针对机床的三类精度，为避免非正常磨损，提高国产数控机床精度保持性，在设计、制造和使用阶段提出以下建议。

(1)几何精度保持性方面。提高措施应集中在设计和制造阶段的精度合理保证。造成导轨滑块非正常磨损的主要因素有：考虑移动部件质心位置变化造成的基础件变形、基础件内应力释放变形、装配应力造成的螺栓蠕变等。因此提高保持性的措施，在设计阶段有：地脚螺栓的数量和布局优化，导轨面的等刚度设计或反变形设计，考虑重力影响的大型结合面的精度设计；在制造阶段有:内应力的合理控制,动静结合面的小或无应力装配。

(2)主轴精度保持性方面。提高措施应集中在设计和制造阶段的精度合理保证。造成轴承非正常磨损的主要因素有：主轴轴承间隙(配合)的设计，轴承预紧力的合理设置，以及主轴密封、润滑。因此提高保持性的措施，在设计阶段有：考虑工作状态造成的各种变形，合理地选择轴承与主轴及主轴箱的配合、冷却参数的选择、密封结构选择等。在制造阶段有：预紧力大小的选择及其在服役状态下的保证措施。

(3)运动精度保持性方面。提高措施应集中在制造和使用阶段的精度恢复上。造成运动精度衰退的主要因素有：运动部件非正常磨损造成的机械参数变化、电器参数老化造成的电器参数变化及两者间的机电参数不匹配。因此提高运动精度保持性，在使用阶段为：机电参数的自适应控制。为了达到自适应控制，需要研究机械参数、电器参数的辨识及自适应控制算法。

(4)整机精度监控方面。提高措施应集中在使用阶段监控机床的工作环境和运行状态上。造成精度非正常磨损的主要因素有：润滑油的清洁度，切削力的过载，环境温度的变化等。因此提高运动精度保持性，在使用阶段监控的参数有：润滑油的清洁度、切削力、主轴参数、环境温度、湿度、振动等。同时，对于不同类型的机床和特点，选择合适的监控参数以及参数阈值的设定是保证数控机床精度保持性的重点。

6　结语

通过对国产数控机床精度衰退的调研,发现造成国产数控机床精度保持性差的原因为非正常磨损。通过对国产数控机床在设计、制造过程及使用情况的调研，对影响精度保持性的因素分析，以及对主轴精度、几何精度以及运动精度的研究回顾，提出提高国产数控机床精度保持性的措施为合理设计、规范装配及正确使用。主轴精度保持性应在设计和制造阶段合理地设计轴承间隙及保证合适的预紧力，几何精度保持性应在设计和制造阶段减小装配应力的产生、合理地消除铸件内应力；运动精度保持性应在使用阶段，使机床的机械电气参数达到最佳匹配；在机床的使用阶段，监控机床的工作参数，适时地对机床进行维护保养。

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(编辑王艳丽)

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

国家科技重大专项(2010ZX04014-015,2012ZX04005011);国家自然科学基金资助重点项目(51235009)

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

马军旭,男,1981年生。西安交通大学机械工程学院博士研究生。主要研究方向为数控机床精度保持性技术。赵万华，男，1965年生。西安交通大学机械工程学院教授、博士研究生导师,长江学者。张根保，男，1953年生。重庆大学机械工程学院教授、博士研究生导师。