加強(qiáng)核心技術(shù)研究 促進(jìn)國產(chǎn)機(jī)床發(fā)展
——訪長江學(xué)者特聘教授、西安交通大學(xué)教授趙萬華

本刊記者 玲 犀

:經(jīng)過多年發(fā)展，我國高檔數(shù)控機(jī)床有了較大發(fā)展，但與進(jìn)口數(shù)控機(jī)床相比仍存在“形”似而“神”不似的情況，其差距體現(xiàn)在哪些方面?

趙萬華:目前國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)基本只做床身、立柱等結(jié)構(gòu)大件（光機(jī)）和一些輔助配件，甚至光機(jī)也有專業(yè)廠家生產(chǎn)，其中的關(guān)鍵零部件，如數(shù)控系統(tǒng)、伺服驅(qū)動、轉(zhuǎn)擺頭/轉(zhuǎn)擺臺和高速電主軸等核心功能部件幾乎全部采用高檔進(jìn)口部件，甚至連軸承、絲杠、導(dǎo)軌等基礎(chǔ)傳動件也依賴進(jìn)口，這種把數(shù)控機(jī)床的制造近似為“搭積木”的過程，不可能真正做出高性能的機(jī)床。導(dǎo)致這種狀況的原因是，從機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造、使用方面沒有把其影響精度及精度保持性、可靠性、機(jī)床動態(tài)性能的內(nèi)在機(jī)理研究透徹，也就沒有形成真正的核心技術(shù)，即支撐機(jī)床企業(yè)設(shè)計(jì)制造的核心工具軟件以及相應(yīng)的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)，制造企業(yè)只能是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)和制造，也就談不上創(chuàng)新了。

:為加快高檔數(shù)控機(jī)床研發(fā)，我國機(jī)床企業(yè)該如何著手？為提高國產(chǎn)機(jī)床精度保持性，在精度保持性方面需要解決哪些關(guān)鍵問題？

趙萬華:首先，國內(nèi)機(jī)床制造企業(yè)需要清楚認(rèn)識到，核心技術(shù)是一個企業(yè)賴以生存的根本，是企業(yè)的生命，是企業(yè)占領(lǐng)市場的根本保證，真正的核心技術(shù)不可能依靠購買和引進(jìn)獲得。因此，只有自主發(fā)展才是國產(chǎn)機(jī)床的唯一出路，專心致力于基礎(chǔ)研究的積累、核心技術(shù)的攻關(guān)，才能最終實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)機(jī)床性能“質(zhì)”的提升。

不論是數(shù)控機(jī)床的機(jī)械、電機(jī)及驅(qū)動、數(shù)字控制以及加工工藝，由于國內(nèi)對基礎(chǔ)研究積累的不足，相對國外專心研究幾十年而言，還差的很遠(yuǎn)，沒能形成相應(yīng)的核心技術(shù)成果，也就無法支撐企業(yè)技術(shù)的提升和產(chǎn)品創(chuàng)新。一些企業(yè)盡管成立了研究院，但定位上值得商榷，由于高端人才缺少，也不可能從事有關(guān)機(jī)床的基礎(chǔ)研究。因此在機(jī)制上，結(jié)合我國國情，應(yīng)該是產(chǎn)、學(xué)、研、用的融合或協(xié)同，但需要有長期的合作，而不能像現(xiàn)在圍繞項(xiàng)目合作，項(xiàng)目結(jié)題后合作也就終止，這種短期合作行為不可能掌握或者突破數(shù)控機(jī)床的核心技術(shù)。

數(shù)控機(jī)床的設(shè)計(jì)、制造及使用涉及多學(xué)科知識，不可能靠一個專業(yè)或者一個人短期就能對其內(nèi)在機(jī)理研究透徹，因此也就難以形成具有應(yīng)用價值和普適性的技術(shù)成果，一些企業(yè)開始應(yīng)用商業(yè)的CAD、CAM以及CAE軟件，但是這無法解決數(shù)控機(jī)床研制中的核心問題，如考慮機(jī)床精度和性能的主動設(shè)計(jì)技術(shù)、可靠性設(shè)計(jì)技術(shù)、精度保持性技術(shù)、精度穩(wěn)定性技術(shù)、基于機(jī)床機(jī)械特性的多軸聯(lián)動控制技術(shù)、復(fù)雜零件加工工藝技術(shù)等，很難用商業(yè)軟件來解決。

精度保持性是評價數(shù)控機(jī)床性能的重要指標(biāo)之一，也是影響國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床性能的主要瓶頸。當(dāng)前，國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性的研究還存在概念不清等問題，導(dǎo)致國內(nèi)沒有一個比較系統(tǒng)的精度保持性研究體系。通過對國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度衰退調(diào)研，發(fā)現(xiàn)造成國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床精度保持性差的原因主要是非正常磨損，整機(jī)精度的喪失遠(yuǎn)比功能部件本身壽命快。

因此，為提高國產(chǎn)機(jī)床的精度保持性，需針對國產(chǎn)數(shù)控機(jī)床設(shè)計(jì)、制造和使用，提出精度保持性基礎(chǔ)研究和技術(shù)體系和相應(yīng)的改善措施。根據(jù)前期研究的階段性結(jié)論，可把數(shù)控機(jī)床的精度分為幾何精度、主軸精度和運(yùn)動精度3大類。從設(shè)計(jì)、制造兩個階段，為避免非正常磨損，在幾何精度保持性方面，設(shè)計(jì)階段重點(diǎn)研究考慮服役狀態(tài)下的大型結(jié)合面精度設(shè)計(jì)、導(dǎo)軌反變形設(shè)計(jì)以及地腳螺栓布局優(yōu)化等。制造階段保證內(nèi)應(yīng)力的合理控制、動、靜結(jié)合面的小或無應(yīng)力裝配，避免裝配應(yīng)力造成的緊固螺栓蠕變等引起的局部變形和動結(jié)合部非正常磨損。在主軸精度保持性方面，重點(diǎn)研究主軸軸承預(yù)緊力等裝配工藝參數(shù)以及主軸密封結(jié)構(gòu)等，以減小軸承非正常磨損。在運(yùn)動精度保持性方面，研究運(yùn)動部件正常和非正常磨損、電器元件老化造成的參數(shù)變化，以及兩者間的機(jī)電參數(shù)不匹配而引起的運(yùn)動精度下降機(jī)理，提出運(yùn)動精度恢復(fù)與保持方法。

: 針對在高速、高加速度運(yùn)行時的進(jìn)給系統(tǒng)，伺服驅(qū)動與機(jī)械系統(tǒng)及切削力之間的機(jī)電耦合有什么更復(fù)雜的特性，給機(jī)電耦合的研究增加了哪些難度？

趙萬華:在多軸聯(lián)動高速加工中，各進(jìn)給軸絕大多數(shù)時間處在頻繁加減速運(yùn)動狀態(tài)，勻速運(yùn)動所占比例很小，此時機(jī)械系統(tǒng)、伺服驅(qū)動系統(tǒng)在加工中的動態(tài)特性會比中低速運(yùn)行時有本質(zhì)的不同，一些非線性特征、時變特征必需考慮。截至目前，對多軸機(jī)床的聯(lián)動精度一直沒有明確的定義、測試與評價方法，人們只關(guān)注定位/重復(fù)定位及跟隨誤差，這些參數(shù)是機(jī)床基本的精度和性能指標(biāo)，但是多軸聯(lián)動加工復(fù)雜曲面時，影響質(zhì)量和效率更重要的是聯(lián)動下的精度，實(shí)際加工下的聯(lián)動和機(jī)床空運(yùn)轉(zhuǎn)下的聯(lián)動有本質(zhì)的不同，原因在于實(shí)際加工時刀具和工件處于切削嚙合的狀態(tài)，此時聯(lián)動的機(jī)械系統(tǒng)與非切削時不同，我們形象地稱為機(jī)械系統(tǒng)從“C”到“O”的變化，同時動態(tài)的切削力又作用在聯(lián)動的機(jī)械系統(tǒng)中。多軸機(jī)床聯(lián)動時至少存在3種耦合問題:一是單軸伺服驅(qū)動與機(jī)械執(zhí)行系統(tǒng)之間的耦合；二是多軸結(jié)構(gòu)之間存在耦合；三是切削力與刀具/工件嚙合狀態(tài)之間的耦合，這3種耦合都將對多軸聯(lián)動加工后的工件精度以及表面質(zhì)量起決定性作用。因此，要想真正做好機(jī)床的聯(lián)動精度和保證多軸聯(lián)動加工后的工件質(zhì)量，必須對三軸耦合采取相應(yīng)措施。

首先，機(jī)械系統(tǒng)作為伺服系統(tǒng)驅(qū)動的對象，在高速高加速場合下，其移動部件的運(yùn)動過程會引起系統(tǒng)質(zhì)量、慣量分布的變化，所受摩擦力、慣性力和負(fù)載會引起系統(tǒng)動靜結(jié)合部力邊界及其物理行為特性發(fā)生變化，造成機(jī)械系統(tǒng)動態(tài)特性較靜態(tài)或低速情況發(fā)生改變。另外，伺服驅(qū)動系統(tǒng)由于電機(jī)結(jié)構(gòu)非線性和驅(qū)動電路非線性導(dǎo)致直線電機(jī)及旋轉(zhuǎn)電機(jī)輸出的力/力矩存在畸變行為，包含多階干擾諧波成份，其耦合激勵的幅值、頻率和相位都具有時變特性，研究這種耦合的機(jī)理及其表征變得十分復(fù)雜。多軸耦合機(jī)械結(jié)構(gòu)在加減速運(yùn)動時，軸間耦合力會對系統(tǒng)執(zhí)行末端的動態(tài)響應(yīng)參數(shù)造成顯著影響。在復(fù)雜曲面聯(lián)動加工時，刀具/工件切削嚙合狀態(tài)和切削負(fù)載存在強(qiáng)時變、參變特性。因此，在高速高加速條件下，多軸聯(lián)動的高精度控制就必須表征這些耦合作用，在此基礎(chǔ)上，提出相應(yīng)的控制策略。