“工业母机—精度保持性”专题 | 大连理工大学王永青教授团队：数控机床精度保持性加速试验程序谱编制方法研究

专题文章（一）

作者简介

王永青

大连理工大学

教授、博导

• 国家级领军人才、辽宁省优秀科技工作者、常州市战略支撑人才等

• 获2008年国家技术发明奖一等奖、2019年国家科学技术进步奖（创新团队）、2014年国家技术发明奖二等奖等奖励10余项

• 长期从事工业母机精度保持、测量-加工一体化制造、超低温冷却加工等领域的理论和技术研究及高性能工业母机研发等研究工作

作者简介

刘 阔

大连理工大学

教授、博导

• 国家级青年人才、辽宁省“兴辽英才计划”青年拔尖人才、大连市高端人才等

• 获辽宁省自然科学学术成果奖、沈阳市科技进步奖二等奖、沈阳市技术创新成果一等奖等多项奖励

• 长期从事数控机床精度保持、热误差抑制、智能监测与调控、性能测试与优化技术等方面的研究工作

魏宇飞① 邢家鹏① 赵地① 陈阳③ 杨月冰②

薛瑞娟④ 刘阔①② 王永青①②

（①大连理工大学高性能精密制造全国重点实验室

②智能制造龙城实验室

③友机技术（上海）有限公司

④通用技术集团机床工程研究院有限公司）

研究背景与现存技术短板

国产数控机床出厂静态精度指标优异，但长期服役精度保持能力不足，传统整机精度衰减测试依靠现场长期跟踪，试验周期漫长、数据采集量有限，难以快速支撑机床迭代优化，因此开展精度保持性加速试验是行业刚需。加速试验可信度核心取决于加载载荷能否还原真实切削多物理场服役工况，标准化、多应力耦合的试验程序谱是关键支撑。

现有机床载荷谱研究存在明显局限：早期多依靠切削经验公式推演载荷，与现场真实工况偏差大；研究对象仅聚焦单一切削力、扭矩、功率载荷，忽略温度、振动耦合影响；行业尚未形成统一编制标准，无法满足精度保持性加速试验多应力同步加载需求，难以完整表征机床热、力、振动、运动耦合下的精度退化诱因。为此本文提出面向真实切削工况的多应力加速试验程序谱系统化编制方法。

核心技术路线

论文构建 “工况选取 — 多源同步采集 — 信号预处理 — 多物理场载荷谱构建 — 加速试验程序谱生成” 完整技术体系，整套方法可适配机床整机、主轴、转台等核心部件。

典型切削工况筛选：调研汽车、航空、航天领域五轴加工中心典型零件、刀具与切削参数，覆盖电机壳体、涡轮盘、叶轮等代表性工件，保证采集数据具备行业普适性。

多参数同步采集系统搭建：集成刀柄测力仪、振动 / 温度传感器、数控系统通讯模块，同步采集三向切削力、结构振动加速度、关键部件温度、各轴进给速度与坐标位置；区分各信号采样频率，上位机统一时标实现多通道数据同步，完整捕捉切削过程多维度载荷。

三层信号预处理降噪校正：针对实测信号噪声、奇异冲击点、传感器热漂移问题，依次采用 DB4 小波阈值降噪、统计方差平滑法剔除冲击奇异点、最小二乘多项式拟合消除趋势项，还原纯净切削载荷时域波形，消除干扰对统计结果的扭曲。

分类型多物理场载荷谱编制：根据信号特性选用对应统计方法：切削力采用雨流计数法统计均值 - 幅值循环分布；振动信号通过功率谱密度分析提取频域能量特征；温度以峰峰值表征热波动区间；进给速度采用滑动包络法剔除瞬态加减速干扰，形成切削力谱、振动谱、温度谱、速度谱四类载荷谱。

“四应力三水平” 加速程序谱转化：以实测常规工况载荷为基准，采用步进应力加速方案，构建包含静动态力、振动、温度、速度四类应力、三级加载强度的标准化试验程序谱； 振温速度同步加载、三向力加载，每周期完成一次整机精度检测，保证加速失效机理与真实服役一致。

五轴立式加工中心整机试验验证

选取国产山东豪迈、科德数控、沈阳机床及进口米克朗四款五轴加工中心开展现场切削采集试验，在主轴、床身、转台等关键位置布设传感器，获取全工况原始载荷数据集。经预处理与统计分析，提取常规工况基准载荷：X/Y/Z 三向切削力均值与幅值、整机最大温差、振动谱密度、各轴稳态进给速度与主轴额定转速。

基于常规应力载荷工况结合三级应力加速参数，形成整机标准化加载程序谱，逐级放大力、温度（热）、振动、速度载荷强度，明确各级应力下加载时长、运动区间、载荷幅值，可为五轴加工中心整机精度保持性加速试验提供可直接复用的载荷输入标准。

研究创新与工程价值

本文核心创新在于突破传统单一力载荷谱框架，融合力、振动、温度、速度多物理场耦合因素，完整还原机床真实服役综合应力环境，大幅提升加速试验载荷输入的真实性与试验结果置信度。整套编制流程标准化、可复现，不仅适用于整机，也可独立适配主轴、转台等功能部件的加速退化测试，填补国内多应力耦合精度保持试验谱编制的方法空白。

该方法能够大幅缩短机床精度衰减试验周期，快速获取精度退化规律，为国产高端数控机床精度保持性能优化、可靠性提升提供标准化试验手段，具备较强的行业推广与工程应用价值。

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