臥式加工中心機械鏜軸熱膨脹及補償的研究與應用

徐建平，李紹萍，孫薇，趙建華

(沈機集團昆明機床股份有限公司，云南昆明650203)

0 前言

對于高精度臥式加工中心機床，熱平衡的影響是保證加工精度必須解決的主要問題之一，而在各項熱源中，鏜軸的摩擦熱是最大熱源，因鏜軸發熱造成的熱變形也是對加工精度影響最大的因素［1］。國際上對機床熱誤差監測和控制研究較多，針對熱誤差的改善措施大體可概括為三點:(1)熱敏感控制;(2)熱平衡控制;(3)熱變形補償［2－3］。鏜軸主要熱源為軸承，而軸承由于摩擦產生的發熱量與軸承類型、潤滑方式和受力情況密切相關。鏜軸軸承為精密角接觸球組合軸承，潤滑方式為脂潤滑。所涉及主軸箱示意圖如圖1 所示，在現場裝配過程中合理控制鏜軸與缸套間隙圖示位置(軸向移動精度影響2)和進給絲杠與拖座配合(軸向移動精度影響1)所示位置的配合精度，以及各部件的合理冷卻潤滑后，由于鏜軸結構特點限制，無法在帶內冷裝置的鏜軸內部安裝端面伸長長度的光柵檢測以及在機械補償機構的條件下，為滿足機床在高速加工精度要求，利用PTl00 型溫度傳感器對鏜軸幾個主要熱源的溫升進行檢測，并通過多次試驗進行數據積累，找出與鏜軸熱伸長量具有較好的線性關系的熱源點，通過數控系統對相關量進行對應的補償。

圖1 主軸箱結構示意圖

1 試驗方法與過程

1.1 鏜軸W 向熱伸長數據采集方法

鏜軸軸向熱變形測試利用車間生產最常用的的檢測方法選用將一千分表牢靠固定在工作臺靠鏜軸端面一側上，移動機床立柱，使裝有錐柄的鏜軸靠上千分表，后并將千分表表盤調至0 讀數值上，并以此時讀數值為基準值W0，將工作臺移開，并在2 500 r/min 轉速運行，運行15 min 后，鏜軸停止運行，將工作臺移回原始位置，讀出千分表所顯示的數值W，W-W0即得出鏜軸伸長量。取值時間為每15 min 一次，至所測得W 值不再上升，認為此時鏜軸已達到熱平衡要求。現場測量如圖2 所示。

圖2 千分表測量鏜軸軸向熱伸長

1.2 與鏜軸相關位置的溫度檢測

實驗采用PT100 磁鐵式熱電阻傳感器進行溫度測試(如圖3、4 所示為溫度傳感器安裝位置)，輸出端連接多通道參數采集系統，對檢測到的數據進行處理、記錄。軸承是鏜軸主要熱源，但在系統內部，無法直接測量其溫度。結合機床結構，通過對鏜軸軸承附近溫度進行檢測。鏜軸前軸承附近(位置1)、最終在鏜軸箱前端壁面(位置2)、鏜軸拖座(位置3)分別對應布置3 個溫度傳感器(傳感器l、2、3)，在機床防護罩上(位置4)安裝一個溫度傳感器(傳感器4)用以表征環境溫度。

圖3 溫度傳感器1 和2 安裝位置

圖4 傳感器3 安裝位置

1.3 檢測結果

鏜軸以不同轉速進行空運轉試驗，鏜軸軸承會承受不同的線速度和以及不同的溫度場(溫升速度和冷卻速度存在差異)，軸承單位時間內發熱量發生改變，鏜軸溫度場和熱變形也隨之改變。數據采集過程中，主要對機床鏜軸常用轉速1 500 r/min，2 000 r/min和2 500 r/min 空載運轉時的溫度和鏜軸軸向伸長量進行統計，圖5 所示為圖3 及圖4 所示溫度傳感器布置測量的溫度值和圖2 所示測量得出的伸長量的關系圖。

圖5 各軸承位置溫升對鏜軸伸長量的影響

圖5 所示中可以看出，鏜軸伸長量與溫度傳感器線性關系最佳為前軸承后端面位置。溫升最大為后軸承位置，在補償過程中選擇線性關系較好位進行線性擬合，通過對該處溫度與鏜軸伸長量進行線性擬合分析得出檢測溫度數值=21.60 +0.570 2 ×鏜軸伸長量數值，按該公式進行計算，模型誤差的標準方差S =0.976 819，模型誤差占總誤差的百分比值R-Sq=96.3%，R-Sq(調整) =96.1%，從以上數值可以得出，補償時可以選用該點進行溫升檢測反饋至數控系統中，是具有很高的可靠性的，具體分析圖形如圖6所示。

圖6 按線性擬合與實測數據比較

2 熱誤差補償方式

根據以上分析結果，在鏜軸熱膨脹有線性相關的位置放置PT100 型溫度傳感器進行實時溫度檢測，并找出與其線性相關較為明顯的監測點，通過溫度傳感器與數控系統的連接，在對W 軸的移動進行實時的補償，以彌補鏜軸伸長量對機床加工精度的影響，以保證零件的加工表面的平面度以及相關精度。補償原理如圖7 所示。

圖7 補償原理圖

3 鏜軸熱膨脹補償后結果

通過對TH65100/2 機床在高速加工時，鏜軸由于隨著溫升存在軸向膨脹而影響機床的加工精度，針對鏜軸在2 500 r/min 轉速運行時的膨脹量較大，通過多次試驗取得較為充分的數據后，針對各點膨脹量進行合理的補償，根據擬合函數進行以能滿足加工要求為原則的情況下進行補償，選用數控系統的反向補償是一種行之有效的方法。以下數據通過補償之后與補償前的數據比較如圖8所示。

圖8 補償前、后鏜軸伸長量測量值對比

4 結束語

機床的熱穩定性研究是一個復雜的動態平衡問題，具體的補償方式也根據機床的鏜軸結構不同而截然不同。而鏜桿伸縮式鏜軸結構更為復雜，針對機床加工性能的需求，通過對本臺機床主軸箱溫度的多次數據采集和數據分析，得出找到溫升數據和鏜軸伸長量具有較好的線性關系的測溫點，通過線性擬合進行分析得到補償函數，利用數控系統進行實時補償，取得很好的效果，滿足了高速加工對機床精度的要求。

(1)在不同的生產環境中，鏜軸的膨脹量具體數值存在一定的差異性，如何進行及時的調整;

(2)定制更加準確的補差理論，保證機床更高的精度等。

以上問題還需要在以后的制造過程中進行逐步摸索，并總結規律和進一步改進。

［1］仇健，劉啟偉，劉春時，等．臥式加工中心鏜軸溫度場預測與熱誤差分布［J］．制造技術與機床，2012(8):77－82．

［2］何俊，賴玉活，羅錫榮，等．基于ANSYS Workbench 的數控車床鏜軸系統熱－結構耦合分析［J］．組合機床與自動化加工技術，2011(7):9－22．

［3］李旸，位文明，趙萬華，等．精密臥式加工中心鏜軸軸向熱誤差補償方法［J］．組合機床與自動化加工技術，2012(8):9－13．

［4］李廣濤，薛重德，侯小強．基于TMs320F2812 的三次B樣條曲線實時插補［J］．中國制造業信息化，2008，12(23):55－57．

［5］范晉偉，雒駝，李云，等．臥式加工中心誤差建模與補償技術的研究［J］．組合機床與自動化加工技術，2012(11):8－11．