“工业母机—精度保持性”专题 | 大连理工大学康仁科教授：机理-数据驱动的电主轴回转精度退化分析

专题文章（五）

作者简介

康仁科

大连理工大学

教授、博导

• 国务院政府特殊津贴专家等

• 获国家技术发明奖一等奖、二等奖，全国创新争先奖、教育部技术发明奖一等奖，中国机械工业科学技术奖一等奖等多项奖励

• 长期从事精密与超精密加工、特种与复合加工、半导体制造技术与装备等相关研究

作者简介

董志刚

大连理工大学

教授、博导

• 国家级人才等

• 获国家技术发明二等奖、辽宁省技术发明一等奖、教育部技术发明一等奖等多项奖励

• 长期从事难加工材料精密超精密加工、多机器人融合智能制造、集成电路基片超精密加工等方向研究工作

作者简介

朱祥龙

大连理工大学

教授、博导

• 辽宁“兴辽英才计划”青年拔尖人才等

• 获国家技术发明奖二等奖、教育部技术发明奖一等奖、中国机械工业科学技术奖一等奖、中国质量协会质量技术奖二等奖等多项奖励

• 长期从事复杂型腔精密加工测量技术与智能化装备设计相关研究

作者简介

蔡引娣

大连理工大学

教授、博导

• 国家级青年人才等

• 长期从事装备-部件-工件全链条精度测量、评价与智能调控方法和技术相关研究

蔡引娣① 胡金阳① 杨昱晨① 汪茹月① 朱祥龙① 董志刚① 康仁科① 刘志峰②③

（①大连理工大学机械工程学院

②吉林大学机械与航空航天工程学院

③北京工业大学机械与能源工程学院）

研究背景

随着高端装备制造和智能制造技术的发展，数控机床对高精度、高可靠性运行的需求不断提高。电主轴作为数控机床的核心功能部件，其回转精度直接影响加工质量和设备性能。然而，在长期服役过程中，轴承磨损、载荷变化等因素会导致主轴性能逐渐退化，造成回转误差增加。现有退化分析方法存在机理模型难以反映复杂工况、数据驱动模型物理解释性不足等问题，难以满足多工况下精度预测需求。因此，亟需建立融合机理分析与数据驱动的电主轴回转精度退化模型，实现对主轴退化规律的准确预测，为数控机床状态监测和预测性维护提供理论支持。

研究内容

（1）电主轴回转精度下降机理分析

电主轴运行过程中，角接触轴承承受外部载荷，滚珠与滚道之间发生周期性接触和滑动，长期作用会导致轴承磨损、间隙增大，使主轴旋转中心发生偏移，进而造成回转误差增加。研究基于 Hertz 接触理论建立轴承接触力学模型，分析滚珠与滚道之间的接触状态和受力情况；结合 Archard 磨损理论，建立轴承磨损量与运行时间、载荷以及滑移距离之间的关系，从而构建考虑轴承磨损影响的电主轴回转精度退化机理模型。在理论模型基础上，论文进一步研究了轴承磨损间隙与主轴径向跳动之间的关系。随着轴承磨损程度增加，轴承游隙不断扩大，引起轴承径向跳动变化，并通过前后轴承共同作用影响主轴整体回转精度。研究将主轴径向跳动随时间和工况变化的过程视为回转精度退化过程，实现了从轴承磨损到主轴精度下降的机理关联。

（2）电主轴回转精度退化实验平台开发

本文以 VF150-X1 型电主轴为研究对象开展长期实验。实验平台包括径向加载系统和回转误差测量系统，其中加载系统用于模拟实际加工过程中的载荷作用，测量系统用于实时获取主轴回转误差变化。研究采用双向测量方法，通过两个互成90°安装的电容位移传感器采集数据，并利用误差分离方法消除标准检验棒安装误差和形状误差的影响，提高了测量结果的准确性。实验验证表明，该测量系统与商用回转误差分析仪结果的相对误差控制在5%以内，满足实验需求。

（3）开展主轴回转精度退化测试

实验过程中设置了不同转速和载荷条件，对电主轴进行了总时长990小时的退化测试。

结果表明，随着服役时间增加，轴承磨损不断累积，主轴回转误差持续增大，同时不同工况下的退化速度存在明显差异，说明转速和载荷等因素会显著影响精度退化过程。研究指出，单纯数据驱动模型难以适应多工况退化特性，而单纯机理模型又受到理想化假设限制，难以完全描述实际运行中的复杂退化行为。

（4）提出机理-数据驱动的的电主轴回转精度退化模型

针对传统模型的不足，论文提出机理-数据驱动的电主轴回转精度退化模型。该方法以轴承磨损机理模型为基础，引入实验数据对模型参数进行修正，将物理规律与数据特征相结合，提高了模型的预测能力和适应性。通过建立回转精度退化量与转速、载荷、时间之间的映射关系，实现了不同工况下主轴退化趋势的预测。

模型验证结果表明，在转速2000 r/min、载荷350 N的实验条件下，150小时后的实际回转精度退化量为0.505 μm，模型预测值为0.468 μm，两者相对误差仅为7.33%，证明该模型具有较好的预测精度。

结语

（1）基于 Hertz 接触理论和 Archard 磨损理论，建立了考虑轴承磨损影响的电主轴回转精度退化机理模型。通过分析轴承接触状态、磨损深度以及磨损间隙变化规律，建立了轴承磨损与主轴径向跳动之间的关系，为电主轴精度退化分析提供了理论依据。

（2）搭建了考虑工况条件的电主轴回转精度退化实验平台，实现了对不同载荷和转速条件下主轴回转误差的长期测量。通过设计径向加载系统和回转误差测量系统，并结合误差分离方法降低测量误差，提高了实验数据的准确性，为退化模型建立提供了有效数据支撑。

（3）结合机理模型与实验测量数据，建立了机理-数据驱动的电主轴回转精度退化预测模型。该模型融合了轴承磨损退化规律与实际工况数据，解决了传统单一机理模型难以反映复杂工况影响、单一数据驱动模型缺乏物理解释能力的问题，提高了模型的预测精度和适应能力。

（4）通过实验验证了所建立退化模型的有效性。在转速2000 r/min、载荷350 N的工况下，模型预测结果与实际退化结果趋势一致，150 h运行后的预测退化量与实测退化量相对误差为7.33%，表明该模型能够较准确地描述电主轴回转精度退化过程，可为数控机床主轴状态监测、可靠性评估及预测性维护提供理论支持。

近年团队发表文章

[1] Xu N W, Kang R K, Zhang B, et al. Improving fatigue properties of normal direction ultrasonic vibration assisted face grinding Inconel 718 by regulating machined surface integrity[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2024, 6(3): 035101.

[2] Dong Z G, Zhang H T, Kang R K, et al. Mechanical modeling of ultrasonic vibration helical grinding of SiCf/SiC composites[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2022, 234: 107701.

[3] Gao S, Wang H X, Huang H, et al. Predictive models for the surface roughness and subsurface damage depth of semiconductor materials in precision grinding[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2025, 7(3): 035103.

[4] Song Y, Guo X G, Mao Q, et al. Effects of pressure and velocity on the interface friction behavior of diamond utilizing ReaxFF simulations[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2021, 191: 106096.

[5] Ran Y C, Sun J S, Kang R K, et al. Towards understanding the machining process in grinding of ceramic matrix composites: a review[J]. Composites Part B: Engineering, 2024, 284: 111657.

[6] Xu N W, Kang R K, Zhang B, et al. Improving fatigue properties of normal direction ultrasonic vibration assisted face grinding Inconel 718 by regulating machined surface integrity[J]. International Journal of Extreme Manufacturing, 2024, 6(3): 035101.

[7] Sun Y W, Gao S, Zhang B, et al. Quantitative study of oxidation mechanism in photoelectrochemical mechanical polishing of difficult-to-process semiconductor wafers[J]. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 2025, 210: 104307.

[8] Li T Y, Zhu X L, Kang R K, et al. Simulation modeling of wafer grinding topography considering spindle inclination angle[J]. International Journal of Mechanical Sciences, 2025, 304: 110619.

[9] Cai Y D, Wang C Z, Zhang Z G, et al. Measurement accuracy improvement of homodyne laser diode interferometer by real-time nonlinear error suppressing[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2024, 73: 9515109.

[10] Cai Y D, Yang Y, Wang Y X, et al. Model for surface topography prediction in the ultra-precision grinding of silicon wafers considering volumetric errors[J]. Measurement, 2024, 234: 114825.

专题相关

01

●【新岁序开·专家启航】“工业母机”专题

02

●工业母机—增材制造丨首个专题，正式出版

03

●工业母机—绿色化丨正式出版

04

●工业母机—齿轮加工丨正式出版

05

●工业母机—超精密加工丨正式出版

06

●工业母机—复合材料加工丨正式出版

07

●工业母机—智能机床丨正式出版

08

●工业母机—精度保持性丨正式出版