智能數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)熱特性分析與實(shí)驗(yàn)研究

摘 要：對(duì)于智能數(shù)控機(jī)床，研究進(jìn)給系統(tǒng)熱特性具有深遠(yuǎn)的意義。該研究首先得到滾珠絲杠在不同轉(zhuǎn)速下的溫度場(chǎng)分布及熱誤差數(shù)據(jù)，然后設(shè)計(jì)進(jìn)給系統(tǒng)溫度場(chǎng)實(shí)驗(yàn)方案，開(kāi)發(fā)溫度測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)和熱誤差數(shù)據(jù)采集，最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的有效性。

關(guān)鍵詞：數(shù)控機(jī)床；誤差；熱特性；進(jìn)給系統(tǒng)

智能數(shù)控機(jī)床能夠監(jiān)視和優(yōu)化自身的加工行為，能夠發(fā)現(xiàn)誤差并補(bǔ)償誤差，使機(jī)床在最佳加工狀態(tài)下完成加工。而智能機(jī)床高速切削時(shí)，進(jìn)給系統(tǒng)精度和其熱變形量的大小直接影響工件的加工質(zhì)量。優(yōu)質(zhì)的智能數(shù)控機(jī)床會(huì)在機(jī)械結(jié)構(gòu)和冷卻方式上作相關(guān)的處理，但加工中熱量的產(chǎn)生是不可避免的。為有效的優(yōu)化智能加工反饋，使機(jī)床自行監(jiān)測(cè)，并發(fā)現(xiàn)熱誤差偏離量，完成刀具補(bǔ)償，保證其高效性和準(zhǔn)確性，使得智能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)熱誤差研究成為重要領(lǐng)域。

1 進(jìn)給系統(tǒng)的熱力學(xué)模型分析

（1）絲杠螺母發(fā)熱量計(jì)算。

滾珠絲杠螺母發(fā)熱量來(lái)源主要有滾動(dòng)體和內(nèi)外圈的摩擦熱，滾動(dòng)體的自旋摩擦熱、潤(rùn)滑劑的摩擦熱等，其計(jì)算公式為：Qn=0.12πfnυnnnMn，式中Qn是絲杠螺母副的發(fā)熱量（W），fn是與螺母類型和潤(rùn)滑方式有關(guān)的系數(shù)，υn是潤(rùn)滑劑的運(yùn)動(dòng)粘度（mm2/s），nn是絲杠的轉(zhuǎn)速（rpm），Mn是螺母的總摩擦力矩（N·mm）。

（2）軸承發(fā)熱量計(jì)算。

軸承的溫度主要是由于滾動(dòng)體和套圈之間的摩擦生熱及潤(rùn)滑劑摩擦生熱產(chǎn)生的，其發(fā)熱量計(jì)算公式為：Qb=1.047×104nM，式中，Qb是軸承發(fā)熱量（W），n是軸承轉(zhuǎn)速（rpm），M是軸承的總摩擦力矩（Nmm）。發(fā)熱量 Qb是無(wú)法直接加載到有限元模型上，必須轉(zhuǎn)換成熱流密度形式，其計(jì)算公式如下：qb=QbS，

其中，S是熱源面積，mm2。

2 滾珠絲杠熱特性分析

（1）熱特性分析。

由于絲杠螺母發(fā)熱引起絲杠軸向和徑向變形，軸向變形相對(duì)于絲杠較大行程可忽略不計(jì)，而徑向變形，屬于絲杠傳動(dòng)位置整體變形，對(duì)加工影響不大，也不予考慮。下面將主要分析不同轉(zhuǎn)速下絲杠的溫度場(chǎng)下端部軸承對(duì)絲杠熱變形量的影響。

（2）不同轉(zhuǎn)速下絲杠的溫度場(chǎng)和熱變形。

依靠ANSYS仿真對(duì)不同進(jìn)給速度下的溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，尋找不同情況下絲杠達(dá)到穩(wěn)態(tài)的時(shí)間和溫度的規(guī)律。分析絲杠在6m/min、8m/min、12m/min轉(zhuǎn)速下，左端軸承和絲杠表面的溫度變化情況，以及進(jìn)給速度為6m/min，6300s時(shí)絲杠的溫度場(chǎng)分布情況。研究發(fā)現(xiàn)，左軸承和絲杠的溫度變化趨勢(shì)是相似的，在達(dá)到熱平衡前溫度上升比較劇烈后變化緩慢，趨于穩(wěn)定。在絲杠轉(zhuǎn)速為6m/min時(shí)，此時(shí)軸承溫度為28.7℃，而絲杠的溫度是26.6℃。在絲杠轉(zhuǎn)速為8m/min時(shí)，穩(wěn)態(tài)溫度分別約為30.1℃和28.7℃。在絲杠轉(zhuǎn)速為12m/min時(shí)，此時(shí)熱平衡溫度分別約為34.0℃和32.7℃。且在三種轉(zhuǎn)速下達(dá)到熱平衡的時(shí)間也不一樣，即絲杠的轉(zhuǎn)速越大，進(jìn)給速度越高，產(chǎn)生的摩擦熱量越多，熱平衡時(shí)的溫度越高，達(dá)到熱平衡的時(shí)間越短。

分析6m/min、8m/min、12m/min轉(zhuǎn)速下，絲杠上一點(diǎn)的熱誤差，不同轉(zhuǎn)速下絲杠的整體熱誤差分布是一樣的，進(jìn)給速度為6m/min時(shí)，最大熱誤差為14.36μm，8m/min是最大熱誤差為15.87μm，12m/min時(shí)，最大熱誤差為23.53μm。隨著進(jìn)給速度的增大，絲杠熱誤差增大的就越快，最終的熱誤差就越大。這是因?yàn)檫M(jìn)給速度增大導(dǎo)致熱源的發(fā)熱量增加，絲杠溫度越高，熱變形就越大。

3 實(shí)驗(yàn)研究

（1）方案設(shè)計(jì)及組成。

結(jié)合ANSYS仿真結(jié)果得到的機(jī)床溫度場(chǎng)分布，確定基本的熱源位置。此次溫度測(cè)點(diǎn)取前軸承座、螺母支座、后軸承座、環(huán)境溫度；滑臺(tái)定位誤差選擇絲杠行程內(nèi)8個(gè)測(cè)點(diǎn)，測(cè)點(diǎn)間距200mm，測(cè)量總時(shí)長(zhǎng)4h。溫度傳感器和激光干涉儀將采集的溫度和熱誤差模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換器變成計(jì)算機(jī)識(shí)別的數(shù)字信號(hào)，從而建立其溫度和熱誤差數(shù)據(jù)。

（2）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集。

實(shí)驗(yàn)中使用4個(gè)溫度傳感器，分別用于測(cè)量絲杠螺母端面、前軸承座、后軸承座、環(huán)境溫度。4號(hào)傳感器測(cè)量床身溫度作為環(huán)境溫度。溫度數(shù)據(jù)每6s保存一次。進(jìn)給絲杠全長(zhǎng)2595mm，工作行程為1470mm，工作臺(tái)在坐標(biāo)（1200，200）范圍內(nèi)循環(huán)移動(dòng)，選取8個(gè)點(diǎn)作為測(cè)量點(diǎn)，相鄰測(cè)點(diǎn)間隔200mm，定位誤差測(cè)量方法依據(jù)VDI/ISO標(biāo)準(zhǔn)，每次測(cè)量停留2s。開(kāi)機(jī)前冷機(jī)測(cè)量一組數(shù)據(jù)作為幾何誤差。定位誤差數(shù)據(jù)測(cè)量間隔20min，每次測(cè)量時(shí)間為2min。

（3）實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析。

a.溫度場(chǎng)分析。實(shí)驗(yàn)采集溫度數(shù)據(jù)曲線，經(jīng)過(guò)4h的實(shí)驗(yàn)，敏感點(diǎn)溫度最后趨于平緩，溫度曲線中存在小段折線，因?yàn)槊扛?0min，就要降低進(jìn)給速度測(cè)量測(cè)點(diǎn)的定位精度，測(cè)量期間熱量減少導(dǎo)致溫度值下降。測(cè)量定位誤差時(shí)，記錄當(dāng)時(shí)各敏感點(diǎn)的溫度值。環(huán)境溫度變化較小，為23.7℃，升高約1.7℃。前軸承溫度最高，約為30℃，螺母溫度次之為29.1℃，后軸承溫度為26.9℃。

b.熱誤差分析。根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果，為方便觀察各個(gè)測(cè)點(diǎn)和第一個(gè)測(cè)點(diǎn)重復(fù)定位誤差的變化情況，將絲杠定位誤差和時(shí)間的關(guān)系繪制成曲線圖，可以得出滑臺(tái)實(shí)時(shí)熱漂移量，為后續(xù)熱誤差補(bǔ)償模型提供相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中工作臺(tái)在絲杠上循環(huán)運(yùn)動(dòng)，往返經(jīng)過(guò)同一位置時(shí)兩個(gè)定位誤差的差值，即回程誤差，絲杠的回程誤差很小，最大值僅為1μm，說(shuō)明絲杠熱變形始終處于規(guī)律連續(xù)變化中，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中外界沒(méi)有突變因素干擾，熱誤差數(shù)據(jù)是有效的。將絲杠整體的定位誤差與時(shí)間的關(guān)系分布繪制成圖，發(fā)現(xiàn)在各個(gè)時(shí)刻絲杠的定位誤差整體分布是相似的，只是斜率不同。根據(jù)國(guó)內(nèi)外學(xué)者的研究，一般將機(jī)床冷態(tài)時(shí)測(cè)得的定位誤差作為幾何誤差，根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)得的結(jié)果從而求得機(jī)床的熱誤差。因此，將0s時(shí)測(cè)得的定位誤差作為幾何誤差，其它各個(gè)時(shí)刻測(cè)得定位誤差減去0s時(shí)的定位誤差即得到絲杠在各個(gè)時(shí)刻的熱誤差。c.實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果比較。

對(duì)比分析有限元結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較6300s時(shí)前、后軸承溫度和螺母溫度以及絲杠行程范圍內(nèi)最大的軸向熱伸長(zhǎng)量，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，關(guān)鍵點(diǎn)溫度相差不超過(guò)2℃，絲杠的軸向熱伸長(zhǎng)相差達(dá)4.9μm。這是因?yàn)橛邢拊治鰰r(shí)邊界條件難以確定，所以分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)一定的偏差，偏差較小，有限元分析的結(jié)果有一定的有效性。

4 結(jié)論

（1）有限元分析表明，軸承和絲杠的溫度變化趨勢(shì)是相似的，溫度先上升然后趨于穩(wěn)定。且在不同轉(zhuǎn)速下，轉(zhuǎn)速越大，達(dá)到熱平衡的時(shí)間越短，熱平衡點(diǎn)的溫度也越高。

（2）實(shí)驗(yàn)表明，在室溫22℃下，智能機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)高速往復(fù)運(yùn)動(dòng)4h后，室溫升高約1.7℃。各測(cè)溫點(diǎn)溫升變化有規(guī)律可循，前軸承溫度最高、絲杠螺母次之、后軸承溫升最小，分別為30℃、29.1℃、26.9℃。

（3）數(shù)據(jù)表明，絲杠各測(cè)溫點(diǎn)定位誤差隨時(shí)間呈現(xiàn)整體平穩(wěn)上升趨勢(shì)，可看作是溫度場(chǎng)和坐標(biāo)位置的函數(shù)，主要由幾何誤差和熱誤差兩部分組成，為后期熱誤差建模提供理論依據(jù)。

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作者簡(jiǎn)介：宗宇鵬（1990），男，遼寧建平縣人，碩士，研究方向：機(jī)械工程。