北京
专题文章（二）
作者简介
李 旸
西安交通大学
副教授、博导
长期从事高端装备智能化基础研究，机床误差智能补偿技术等方面的研究工作
作者简介
赵万华
西安交通大学
教授、博导
长江学者
获国家科技进步奖二等奖、国家技术发明奖二等奖、教育部科技进步奖一等奖、中国机械工程学会青年科技成就奖等多项奖励
长期从事高精度运动控制的一致性、稳定性以及保持性的理论与方法，智能加工工艺的大数据处理技术，智能产线的数字孪生技术等方面的研究工作
李旸① 张思维① 王敬民①
李科① 张彬② 赵万华①
（①西安交通大学机械制造系统工程国家重点实验室
②梅赛德斯奔驰（中国）投资有限公司）
研究背景
数控机床作为高精度制造装备，其加工精度和长期稳定性直接影响制造质量。装配尺寸链用于描述零部件之间尺寸误差的累积关系，是分析机床精度的重要理论工具。然而，传统公差分析方法通常将零部件几何要素理想化为直线或平面，主要考虑制造误差和装配误差，难以反映机床实际服役过程中由于重力、温度变化、载荷作用和磨损等因素造成的尺寸链变化。论文指出，数控机床服役状态下，长行程床身、立柱、横梁等结构会受到移动部件重力影响产生变形，使装配尺寸链中的封闭环尺寸随运动位置发生变化，从而导致几何精度下降。传统方法无法满足精度保持性分析需求。研究服役态尺寸链变异，对于建立精度退化模型、开展状态监测和主动维护具有重要意义。
研究内容
论文提出了一种面向服役状态的装配尺寸链分析方法，建立了能够描述机床全行程误差变化的尺寸关系模型。首先，将机床零部件的几何要素由传统理想几何模型转变为离散坐标点集表达，使零部件尺寸、形状误差和位置误差能够综合体现。在服役状态下，重力和热等因素会导致离散点发生变化，进而引起尺寸链不闭合。
服役态作用下尺寸关系的变化以及尺寸关系模型
为解决尺寸链闭合问题，论文提出利用三个最高接触点确定等效基准平面，以替代实际安装基准面，并结合装配约束关系建立零部件之间的坐标转换矩阵。通过该模型，可以计算不同运动位置下封闭环尺寸变化规律，实现对机床全行程误差累积关系的描述。
研究以某卧式加工中心为对象，针对“主轴轴线与Z轴运动平行度误差”建立装配尺寸链模型。通过有限元分析获得重力作用下立柱导轨安装面的变形数据，再结合尺寸关系模型计算不同位置处误差变化。结果表明，仅考虑重力因素时，关键尺寸公差带位置会发生明显变化，其中A11和A22尺寸变化分别达到约6 μm和6.1 μm，验证了服役态分析的必要性。
服役态下几何要素在服役态作用下的变化
本文所用方法和齐次坐标变换方法的对比
此外，论文进一步提出基于服役态尺寸关系模型的精度主动设计方法。针对系统性误差，可采用导轨面反变形设计、材料优化等方式抵消误差影响；针对随机误差，则通过合理分配零部件公差降低封闭环误差。最后，通过实际卧式加工中心测试实验，将理论计算结果与直线度测量结果进行比较，验证了模型的有效性。
研究结论
本文建立了一种能够反映数控机床服役状态下装配尺寸链变化规律的新型尺寸关系模型。该方法突破了传统公差分析中理想几何要素假设的限制，将零部件实际几何变化纳入误差累积分析过程，提高了机床精度预测的准确性。
研究表明，服役状态因素会显著影响数控机床装配尺寸链稳定性，尤其是重力导致的结构变形可能造成全行程范围内的精度波动。通过建立服役态尺寸模型，不仅能够分析精度退化机理，还可以指导零部件公差分配和结构优化设计。其中，导轨面反变形设计方法能够有效抵消重力变形影响，为高档数控机床精度保持性设计提供了新的技术路径。该研究对于提升机床长期服役精度、实现主动精度控制具有重要工程价值。
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