“工業母機—精度保持性”專題 | 大連理工大學王永青教授團隊：數控機床精度保持性加速試驗程序譜編制方法研究

專題文章（一）

作者簡介

王永青

大連理工大學

教授、博導

• 國家級領軍人才、遼寧省優秀科技工作者、常州市戰略支撐人才等

• 獲2008年國家技術發明獎一等獎、2019年國家科學技術進步獎（創新團隊）、2014年國家技術發明獎二等獎等獎勵10余項

• 長期從事工業母機精度保持、測量-加工一體化制造、超低溫冷卻加工等領域的理論和技術研究及高性能工業母機研發等研究工作

作者簡介

劉 闊

大連理工大學

教授、博導

• 國家級青年人才、遼寧省“興遼英才計劃”青年拔尖人才、大連市高端人才等

• 獲遼寧省自然科學學術成果獎、沈陽市科技進步獎二等獎、沈陽市技術創新成果一等獎等多項獎勵

• 長期從事數控機床精度保持、熱誤差抑制、智能監測與調控、性能測試與優化技術等方面的研究工作

魏宇飛① 邢家鵬① 趙地① 陳陽③ 楊月冰②

薛瑞娟④ 劉闊①② 王永青①②

（①大連理工大學高性能精密制造全國重點實驗室

②智能制造龍城實驗室

③友機技術（上海）有限公司

④通用技術集團機床工程研究院有限公司）

研究背景與現存技術短板

國產數控機床出廠靜態精度指標優異，但長期服役精度保持能力不足，傳統整機精度衰減測試依靠現場長期跟蹤，試驗周期漫長、數據采集量有限，難以快速支撐機床迭代優化，因此開展精度保持性加速試驗是行業剛需。加速試驗可信度核心取決于加載載荷能否還原真實切削多物理場服役工況，標準化、多應力耦合的試驗程序譜是關鍵支撐。

現有機床載荷譜研究存在明顯局限：早期多依靠切削經驗公式推演載荷，與現場真實工況偏差大；研究對象僅聚焦單一切削力、扭矩、功率載荷，忽略溫度、振動耦合影響；行業尚未形成統一編制標準，無法滿足精度保持性加速試驗多應力同步加載需求，難以完整表征機床熱、力、振動、運動耦合下的精度退化誘因。為此本文提出面向真實切削工況的多應力加速試驗程序譜系統化編制方法。

核心技術路線

論文構建 “工況選取 — 多源同步采集 — 信號預處理 — 多物理場載荷譜構建 — 加速試驗程序譜生成” 完整技術體系，整套方法可適配機床整機、主軸、轉臺等核心部件。

典型切削工況篩選：調研汽車、航空、航天領域五軸加工中心典型零件、刀具與切削參數，覆蓋電機殼體、渦輪盤、葉輪等代表性工件，保證采集數據具備行業普適性。

多參數同步采集系統搭建：集成刀柄測力儀、振動 / 溫度傳感器、數控系統通訊模塊，同步采集三向切削力、結構振動加速度、關鍵部件溫度、各軸進給速度與坐標位置；區分各信號采樣頻率，上位機統一時標實現多通道數據同步，完整捕捉切削過程多維度載荷。

三層信號預處理降噪校正：針對實測信號噪聲、奇異沖擊點、傳感器熱漂移問題，依次采用 DB4 小波閾值降噪、統計方差平滑法剔除沖擊奇異點、最小二乘多項式擬合消除趨勢項，還原純凈切削載荷時域波形，消除干擾對統計結果的扭曲。

分類型多物理場載荷譜編制：根據信號特性選用對應統計方法：切削力采用雨流計數法統計均值 - 幅值循環分布；振動信號通過功率譜密度分析提取頻域能量特征；溫度以峰峰值表征熱波動區間；進給速度采用滑動包絡法剔除瞬態加減速干擾，形成切削力譜、振動譜、溫度譜、速度譜四類載荷譜。

“四應力三水平” 加速程序譜轉化：以實測常規工況載荷為基準，采用步進應力加速方案，構建包含靜動態力、振動、溫度、速度四類應力、三級加載強度的標準化試驗程序譜； 振溫速度同步加載、三向力加載，每周期完成一次整機精度檢測，保證加速失效機理與真實服役一致。

五軸立式加工中心整機試驗驗證

選取國產山東豪邁、科德數控、沈陽機床及進口米克朗四款五軸加工中心開展現場切削采集試驗，在主軸、床身、轉臺等關鍵位置布設傳感器，獲取全工況原始載荷數據集。經預處理與統計分析，提取常規工況基準載荷：X/Y/Z 三向切削力均值與幅值、整機最大溫差、振動譜密度、各軸穩態進給速度與主軸額定轉速。

基于常規應力載荷工況結合三級應力加速參數，形成整機標準化加載程序譜，逐級放大力、溫度（熱）、振動、速度載荷強度，明確各級應力下加載時長、運動區間、載荷幅值，可為五軸加工中心整機精度保持性加速試驗提供可直接復用的載荷輸入標準。

研究創新與工程價值

本文核心創新在于突破傳統單一力載荷譜框架，融合力、振動、溫度、速度多物理場耦合因素，完整還原機床真實服役綜合應力環境，大幅提升加速試驗載荷輸入的真實性與試驗結果置信度。整套編制流程標準化、可復現，不僅適用于整機，也可獨立適配主軸、轉臺等功能部件的加速退化測試，填補國內多應力耦合精度保持試驗譜編制的方法空白。

該方法能夠大幅縮短機床精度衰減試驗周期，快速獲取精度退化規律，為國產高端數控機床精度保持性能優化、可靠性提升提供標準化試驗手段，具備較強的行業推廣與工程應用價值。

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