立式五軸加工中心的主軸熱誤差測試及分析

吳玉亮 朱鐵軍

摘要：利用lion主軸誤差分析儀和高精度數字式溫度傳感器對立式五軸加工中心進行主軸熱伸長誤差測試，獲得主軸熱伸長誤差數據和主軸發熱點的溫升數據。通過對所測得的數據結果進行分析，為主軸熱誤差補償提供數據基礎，并提出減小熱伸長誤差的建議。

引言

機床的熱誤差是影響機床精度的重要因素，研究表明機床熱誤差約占機床總誤差的40-70%[1-2]。在機床加工時主軸系統連續運轉是機床主要的熱誤差源，對其進行熱誤差測試研究是防止熱誤差和減小熱誤差的基礎。因此，本文對具有高精度的立式五軸加工中心進行主軸熱誤差測試分析，為主軸熱誤差補償提供數據基礎，并提出減小熱伸長誤差的建議。

1立式五軸加工中心熱誤差測試實驗

首先在某立式五軸加工中心上對主軸熱伸長誤差進行測試。該機床的主軸為電主軸且有冷卻系統，最高轉速為12000rpm，數控系統為沈機I5系統。對其進行主軸熱誤差測試包括兩個方面測試，一是主軸熱伸長誤差測試，一是主軸溫升測試，主軸誤差測試采用lion主軸誤差分析儀是為了測試主軸由于溫升引起的熱伸長誤差變化量，主軸溫升測試采用高精度溫度傳感器是為了測試主軸旋轉發熱的關鍵點溫升。

實驗分別在主軸上軸承和Y軸橫梁上布置2個溫度傳感器T1和T2。其中，T1表示主軸發熱點溫度變化，T2表示環境溫度變化。lion誤差分析儀的測試精度為12nm，溫度傳感器的測試精度為0.1℃。誤差和溫度采集時間為10s采集一次。圖1位測試現場，圖2是溫度傳感器布局圖。為了得到真實的測試數據，機床在實驗前需要不少于12小時的關機狀態，以保證機床處于冷態開始進行測試。

2 相同轉速熱誤差測試及分析

為了研究立式五軸加工中心主軸熱誤差的重復性，采取在其主軸8000 r/min的轉速下，進行2次主軸熱伸長誤差及溫度測試，了解其變化情況。測試過程采用相應轉速熱機4h主軸停轉3h的模式進行實驗。可以使主軸能經過充分熱機達到熱平衡，同時還可以了解主軸停轉降溫時主軸的熱誤差的變化情況，更接近于對實際加工狀態的模擬。測試結果如圖3所示。

通過測試結果可以看出，在相同轉速下，2次測試的主軸熱伸長誤差都在70μm左右，主軸熱伸長誤差的變化規律總體上是一致的，具有可重復性；主軸發熱點的溫升和熱伸長誤差同步變化，同時也應注意到在主軸溫升達到24℃，主軸冷卻系統開始啟動時，即使主軸轉速不變，但由于潤滑狀態和冷卻系統的影響，主軸的熱伸長誤差和溫升也會不同。

3 不同轉速下熱誤差測試及分析

為了研究立式五軸加工中心在不同轉速下的主軸熱伸長誤差的變化規律，分別在5000r/min、8000 r/min、12000 r/min的轉速下，測試主軸熱誤差變化情況。同樣采取相應轉速熱機4h主軸停轉3h的模式進行實驗。測試結果如圖4所示。

從測試結果分析，隨著主軸轉速的升高，主軸最大熱伸長誤差和發熱點的溫升都變大，主軸在12000rpm/8000rpm/5000rpm時，熱伸長誤差分別是100μm/ 70μm/60μm；轉速越高，熱伸長誤差的變化速率越快；同時熱伸長誤差與發熱點的溫升對應較好，后續可以根據誤差和溫度的變化建立主軸熱誤差模型，通過監測發熱點的溫度來補償主軸的熱伸長誤差。

根據測試數據還可知，在主軸前半段時間內熱誤差變化較快較大；冷卻系統的作用并不明顯。在加工時，可使主軸先行熱機，以減小熱誤差影響。對于配有冷卻系統的主軸，應根據實際情況調整冷卻啟動溫度設置或選用冷卻功率與熱誤差變化相匹配的冷卻系統。

4 結語

本文對立式五軸加工中心進行主軸熱伸長誤差測試，獲得主軸熱伸長誤差和溫升數據。通過對所測得的數據結果進行分析，誤差和溫度規律一致可以為后續研究主軸熱誤差補償提供數據基礎，并提出提前熱機或加大冷卻功率的減小該機床熱伸長誤差的建議措施。

參考文獻

[1] 劉征文.銑車復合加工中心整機熱變形及誤差補償的研究[D].碩士學位論文.蘭州理工大學，2013.

[2] Ramesh R，Mannan M A，Poo A N. Error compensation in machine tools—a review Part II：thermal errors[J]. Journal of Machine Tools and Manufacture，2000，40（9）：1257–1284.

（作者單位：沈陽機床（集團）有限責任公司 設計研究院實驗室）