数控机床性能测试课程实验教学探索

迟玉伦 刘建国 李郝林

【摘 要】针对目前工程专业学位大学生培养特点，为了更好地满足实践教学培养目标的要求，上海理工大学专门设置了数控机床性能测试实验课程，培养大学生的动手实践及实验能力。该实验课程主要对数控机床各性能进行试验测试，主要包括机床几何精度、运动误差、热特性、切削力及动态特性、切削过程监控等。学生通过学习该实验课程，可使学生在熟悉机床结构原理的基础上对其各种性能有更加深入的理解，从而更全面地掌握本专业相关知识和操作技能，对提高学生的实验能力有着重要意义。

【关键词】实验教学；机床性能测试；教学探索

【中图分类号】TG659 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2017）08-0082-03

1 简介

随着科技的进步和社会的发展，社会对各类高层次人才的需求剧增，因此需要建立有一定先导性的、结构合理的，有利于高层创新人才脱颖而出、提升大学生综合素质和培养质量的大学生教育体系，采取有效的措施来加强和改进大学生培养工作[1]。近些年，国内各高校对大学本科生及研究生都进行了扩大招生工作，有力地推动了大学生教育工作改革和全民素质发展。在扩大招生的同时，我们也必须看到目前各高校大学生培养工作中还有一些难以解决的问题，如目前大学生的培养方法、培养流程等不能完全适应大学生的个性发展和创新能力培养，特别是针对专业学位的课程安排，教学思路及动手能力的培养，不能完全適应社会发展的需求，与社会需求人才方面还有一定的差距[2]。

为此，上海理工大学在培养各专业大学生方面，专门设置了数控机床性能测试实验课程，培养大学生的动手实践和学习能力。该实验课程主要对数控机床各性能进行试验测试，主要包括机床几何精度、运动误差、热特性、切削力及动态特性、切削过程监控等。在本实验课程中，学生可自行设计试验方案、搭建试验平台、测量试验数据、分析实验测试结果，培养学生专业兴趣和实验能力，同时锻炼学生独立发现和解决问题的能力。该课程采用讨论式教学方法，学生与老师之间以交流与探讨的方式，深入学习实验中遇到的各种问题，达到对所学知识灵活运用的效果。

2 课程实验实施

针对上海理工大学专大学生培养技术专业较强的特点，为了更好地实现教学培养目标，在课程实验实施及教材使用方面，遵循了以下原则：首先，根据学校大学生的教学培养目标，加强培养特定职业的高层次人次，在本课程实验过程中，让学生学习了解该专业领域的前沿技术和先进技术。其次，注重学生学习课程之间的融会贯通，将所学习的专业基础课和专业课程相互衔接，使学生在实验课程中加强知识理解和灵活运用[3]。根据目前数控机床的性能测试技术水平及专业学位大学生教学培养目标要求，上海理工大学从数控机床位置误差、热特性、动态特性、切削加工监测及可靠性测试等方面展开机床的性能测试实验教学工作。

2.1 机床位置误差测试

高速、高精密加工一直是数控机床加工制造业技术进步的特点，直线电机作为一种新兴的技术，开始广泛应用到数控机床领域中，以其速度高、响应快、精度高，成为数控机床进给机构的研究热点。本文以直线电机实验台为研究平台，对基于双直线电机驱动的2X-Y型龙门桥式进给机构圆轮廓误差特性进行测试研究，测试误差曲线和规律，分析误差源并提出有效的误差在线补偿方法，提高其数控机床加工精度[4]。

如图1所示，本实验通过对基于直线驱动的2X-Y型龍门移动式实验台测试分析研究，给出了应用激光干涉仪测量插补轮廓轨迹的方法，对该机床使用过程中的圆轮廓误差展开测试分析计算，利用最小二乘法对该数控机床误差进行评定，在不同切削工艺参数下对其各误差进行补偿研究。实验结果表明，通过该方法计算在线补偿，机床加工精度可提高57.63%以上。学生通过该实验认识和了解数控机床误差测试分析原理，掌握数控机床误差补偿过程，为以后的学习与研究打下了基础。

2.2 机床热误差测试

随着机床制造业的发展，机床热误差相对其他误差已经成为影响精密加工精度的最主要因素。目前，很多国内外院校和研究机构对整台机床及各部件的热特性和热误差进行了大量研究。减小机床热变误差的研究方法大致分为3类：{1}进行热误差建模与补偿；{2}温度控制；{3}热态特性优化设计。随着现代计算机软、硬件技术的发展，为机床热误差补偿提供了基础条件。目前对机床各部件的热误差进行分析检测，软件补偿等技术开始逐渐推广应用。本课程实验利用机床热误差的最新技术，通过有限元技术与实验测量相结合可实现模型最优化，达到提高机床加工精度的目的。

如图2所示，该机床主轴是卧式主轴，热误差对加工精度有很大的影响。本实验通过安装各种位移传感器和温度传感器对机床热误差进行在线测量，电容式位移传感器有效精度在0.1μm，在实际测量中，会受到电磁场干扰、机床震动干扰、环境温度和湿度影响等多样性因素及周围因素的影响。虽然该测试系统中加入了软件滤波，要彻底地消除实际测量中各因素的影响仍需做大量的实验测试研究。机床主轴运转3 h后，主轴箱体达到热平衡状态；主轴Y方向上的变形量最大在40 μm左右；其他方向的变形量在20 μm以内。学生通过学习本实验课程，了解机床热误差对机床加工精度的影响，掌握技术热误差补偿方法。

2.3 机床刚度测试

所谓刚度，是指造成弹性体单位变形量时所需要的作用力，即刚度=作用力/变形量，有时也用它的反义词柔度来表示，柔度=变形量/作用力。若数控机床的刚度不足，那么机床在重力、切削力、夹紧力或摩擦力的作用下，数控刀具就会产生变形振动或爬行，从而影响到整台数控机床的使用性能。所以，机床刚度是数控机床设计过程中必须考虑的因素。本课程实验着重数控机床刚度的测试方法，讲述刚度测试在实际加工中的应用[6]。

如图3所示，数控机床刀具必须有足够的刚度，才能使其抵抗外界各种频率的扰动力，否则机床整个加工过程就会不稳定。一旦机床发生颤振，产品加工质量难以获得保障，大大影响产品的加工效率和质量。本课程实验中设计了机床刀具系统的静刚度、动刚度求解的阶跃响应实验方法，借助各种测振共同对机床的振动进行分析研究，找出振动最大位置并避免其共振区，根据实验测量数据确定铣削力模型系数，最后基于实验测量结果对该机床铣削工艺参数进行优化。

2.4 机床动态特性测试

由于数控机床系统较为复杂，可将数控机床系统简化，边界条件为原位固定。选择90个测点，分4个区域，采用单点激振、逐点拾振的方式。选择激振点时，应避开节点，选在刚度大且接近区域几何中心的位置。本实验模态测试系统由3个部分组成，即激振系统、拾振系统、数据采集和信号分析系统。实验仪器主要包括：NI 9234信号数据采集卡、Kistler 8702B50型加速度传感器、Kistler9724A2000型力锤带铝顶帽和MODALVIEW实验数据自动采集与信号处理软件。

测振模型如图4所示。对于每个结点，在进行传递函数分析时一共有90个测点，激振点位移主轴箱上的C81点处，砂轮架尾原位安装。在实际试验中，测点数需要根据结点情况进行合理安排。

如图4所示，研究机床动态特性的方法主要是通过对实际机床或模型做激振实验，找到影响动刚度的薄弱环节，根据模态结果对结构改进设计，使数控机床满足较为理想的动态特性。本模态实验结果表明，砂轮架系统在350 Hz以下存在丰富的模态，特别是200～300 Hz之间模态比较密集，从振型上看，1～3阶模态对主轴的影响较大，在修改结构时应予以注意。此外，电动机振动大是引起砂轮架振动的主要原因。

2.5 机床加工过程测试

机床加工过程监控是保证数控机床切削加工质量的重要手段，特別是机床刀具状况监控及各种故障诊断进行信息特征获取、传输、处理、分析和应用，控制机床稳定可靠运行，确保整个生产线自动高效运行。数控机床加工过程监控技术是集成传感器技术、计算机技术、信号处理技术、自动控制技术等为一体的综合型技术。

如图5所示，本实验利用数控机床常用的各种传感器在线监测轴承外圈磨削加工过程，监控信号有效地反映了轴承整个磨削周期中各阶段的特征信息。其中，位移信号可准确划分磨削各进给阶段，为其他信号分析提供了基础；而AE信号、功率信号和振动信号则反映了不同阶段轴承磨削和砂轮修整质量的好坏，在实际生产加工中有很好的实用性，并为轴承磨削各阶段的工艺参数在线自动优化提供了基础。

3 总结

本课程实验结合了国内外数控机床性能测试所开展的教学情况，该课程实验涵盖了大部分机床性能测试内容，包括数控机床各性能测试内容的设备使用和测试原理方法，可使学生在熟悉数控机床工作原理的基础上对其各种性能有更加深入的理解，全面掌握与其相关的专业知识和操作技能，能运用所学习的专业理论知识对本课程实验测试结果进行计算和分析，全面了解该专业所需的技能和操作水平。此外，该课程实验还涉及机床性能测试方面的最新研究成果，对于工科学生学习了解当前机床性能测试研究前沿有极大的帮助。

参 考 文 献

[1]代晓明，杨庆东.高架桥式龙门高速加工中心直线进给系统的设计[J].机械制造，2005，43（1）：12-14.

[2]唐立伟，曹胜男.超精密加工轮廓误差的LC-CCC补偿控制[J].云南民族大学学报，2008，17（3）：274-282.

[3]虞文华，吴昭同，杨世锡.伺服系统特性对数控机床圆轨迹加工精度影响的机理[J].中国机械工程，1995，6（1）：26-29.

[4]馬锡琪，邓晓京，赵建伟，等.NC机床运动误差的矢量分析法[J].制造技术与机床，1997（4）：56-60.

[5]张柏霖，杨庆东，陈长年.高速切削技术及应用[M].北京：机械工业出版社，2002.

[责任编辑：陈泽琦]