紅外熱成像技術在機床主軸系統溫升實驗中的應用

韓 超

（沈陽機床（集團）有限責任公司，沈陽 110142）

主軸在持續旋轉中會產生熱量。根據主軸類型和主軸系統結構的不同，產生的熱量大小和熱傳導方式也不同。熱量是如何傳導的，主軸系統什么時候可以達到熱穩定狀態等，可以利用紅外熱成像技術對這些問題進行實驗研究。

1 紅外熱成像技術的應用及優勢

自然界中，由于物體內部分子熱運動的結果，所有高于絕對零度-273 ℃的物體都會有紅外輻射，稱之為熱輻射。不同的溫度，物體發出的熱輻射波長不同。

紅外熱成像技術是指利用紅外探測器和光學成像物鏡接收被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上獲得紅外熱像圖的技術。這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應。通俗地講，紅外熱成像就是將物體發出的不可見紅外熱輻射能量轉變為可見的視頻圖像。

現階段，紅外熱成像技術的應用已經非常廣泛，涉及民航、電力、石油化工、消防預防、醫療、安防及工業制造等多個領域。紅外熱成像技術應用時具有諸多優點。第一，它是被動非接觸式成像，成像距離遠，大大提高了使用的安全系數。第二，它的持續工作能力強，可以忽略天氣、環境以及光線的干擾。其他夜視設備常常受到可見光或強光的干擾，導致攝像機在沒有光線的環境不能成像。第三，它的能耗低，使用壽命長，且基于紅外熱成像技術制造的大部分設備便于攜帶，操作簡單，提高了使用效率。第四，它的成像直觀。例如，在醫療領域應用，通過紅外熱成像技術能在人群中及時監控到發熱人員，以便及時采取有效措施，預防感染。

2 機床主軸系統溫升實驗目的

機床主軸系統旋轉運行時必定會產生熱量，并以熱傳導的方式將熱量發散至其他與之連接的部件上形成主軸系統的溫度場。基于熱脹冷縮原理，機床一些部件（也包括機床主軸系統自身）會因此產生形變，影響機床的加工精度。利用紅外熱像儀測試主軸系統的溫升情況和溫度分布情況，以及機床在恒定轉速下的熱穩定時間等信息加以分析，可以直接獲得機床主軸系統的溫升情況、熱傳導情況及機床熱穩定情況，同時能掌握機床主軸系統的熱特性，以便及時采取措施，降低或消除因熱傳導造成的變形量，提高機床的加工精度。

3 紅外熱成像技術在機床主軸系統溫升實驗中的應用

3.1 實驗依據

溫升實驗依據國家標準《金屬切削機床通用技術條件》（GB/T 9061—2006）中的4.6.2溫升試驗[1]。主軸軸承達到穩定溫度時，檢測其溫度和溫升。要求滾動軸承的溫度值不應超過70 ℃，溫升值不應超過40 ℃。功能部件經過一段時間的運行后，測量的溫度值的上升幅度不超過每小時5 ℃時，一般認為已經達到穩定溫度。

3.2 實驗方法及過程

機床及主軸系統必須是冷態啟動。通常來講，經過12 h的停機視為冷態，否則會影響實驗結果[2]。面向待測主軸架設紅外熱像儀，將數據通信線與專用便攜式筆記本計算機相連接。打開軟件，啟動紅外成像功能，可在軟件中查看當前成像情況。根據需要，調整紅外熱像儀鏡頭朝向及焦距，以達到理想的成像效果，見圖1。

圖1 儀器設備連接圖

在軟件中設定測試參數、主軸轉速、測試距離、發射率以及當前發射溫度等。基于機床主軸系統的相關測試，設定測試距離為1.5 m時效果最佳，發射率設定為0.94。因實驗處于標準裝配車間內，內置恒溫空調，所以當前的發射溫度可設定為當前的環境溫度。

測溫點的選擇非常重要，需根據需求設定測試關鍵點。為了測得主軸系統的實際溫度，機床設計時應該在結構上考慮便于測試的位置。測試方式大體分為兩類：一類是直接接觸式測溫方式，如應用溫度傳感器對測溫點進行實時的溫度監控；另一類是非接觸式測溫方式，如應用紅外熱成像儀對測試物進行熱成像。無論使用哪種方式，在機床設計初始都要考慮測量位置的因素，不能干擾實驗檢測。

測試點的選擇也是實驗的側重點。從主軸系統的類型出發，全面考慮所要測試的方向來設定測試關鍵點，見圖2。因為要得到主軸以恒定轉速達到熱穩定狀態下的熱傳導數據，所以設定了5個測試關鍵點，分別是卡盤、過渡盤、主軸端面、主軸與主軸箱連接區域以及主軸箱體。設定完畢后，啟動數據采集，見圖3。

圖2 測試關鍵點的設定

圖3 數據采集

給定一個恒定的主軸轉速，一般設定為主軸最高轉速的75%。在主軸系統運轉期間，使用紅外熱成像儀對主軸系統進行測試，每隔1 min記錄一次溫度數據。當處于熱穩定狀態時，停止采集[3]。圖4中顯示了主軸系統的溫升終態。

圖4 主軸系統溫升終態

3.3 實驗結果及分析

實驗標準規定，經一定時間的運行后，軸承溫度上升幅度不超過5 ℃時，可認為已經達到穩定溫度。理論上，主軸系統的溫度和室溫呈一個曲線關系，每小時溫度上升5 ℃的斜率線與主軸系統溫度變化曲線相切，該點就是主軸系統達到穩定溫度時的溫度值。實驗室環境下的溫度是恒溫，所以分析時可以認為環境室溫線為直線[4]。通過以上實驗得到主軸溫升的相關數據，如圖5所示。

由圖5可知，每小時溫度上升5 ℃的斜率線與主軸系統溫度變化曲線相切，可以得到主軸系統運行60 min時趨于熱穩定狀態，此時主軸系統的溫度基本保持恒定，最高溫度達到30 ℃，每小時最大溫升未超過5 ℃。

圖5 溫度場狀態及溫度-時間波線圖

根據最終熱成像分析，熱傳導主要朝向主軸箱體方向，向卡盤的熱傳導較少。影響機床加工精度的主要因素之一是卡盤的熱變形。此外，卡盤的精密度也是減少熱變形的重要因素。精密卡盤配合間隙都很小，并且選用的材質抵抗熱變形的能力較高，但卡盤價格很高。如果熱傳導方向是卡盤位置，則在設計時選用卡盤會向更加精密的型號定位會增加生產成本。通過實驗可以得到主軸系統的熱傳導方向來確定機床設計結構的合理性，同時根據實時的溫升數據，結合加工工件精度變化的對比，確定卡盤熱變形對加工精度的影響程度，并以此為依據，合理選擇卡盤的型號，達到降低生產成本的目的。

通過本次實驗可知，主軸系統通過溫升實驗測試，主軸系統的溫度場狀態利于保證加工精度。

4 結語

測試后的熱成像圖可以直觀反饋主軸系統的熱分布狀況。溫度-時間波線圖可以反饋熱傳導的過程和熱穩定時間。起始點至熱穩定的波線上升區間，如果是短時間內大幅度上升，即短時間內有較大的溫度變化，說明主軸系統存在異常。此時，設計部門及工藝部門需要從主軸系統的冷卻、裝配特性等方面進行自查或整改。通過掌握主軸系統的熱分布，設計部門可以調整主軸系統的連接件材質，控制主軸系統的熱分布狀態，使熱分布或熱傳導不影響機床加工精度。紅外熱成像技術可以拓展到機床整體或其他功能部件的溫升實驗上，對運行中的導軌絲杠、電機等發熱源也能進行溫升實驗。可見，應用紅外熱成像技術對機床性能的提升具有重要意義。