劉 暢

(中捷機(jī)床有限公司，遼寧沈陽(yáng) 110043)

主軸在運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，伺服電動(dòng)機(jī)、皮帶及其他與主軸相關(guān)運(yùn)動(dòng)部件會(huì)因摩擦、損耗等產(chǎn)生熱量。如果熱量不能及時(shí)散發(fā)和排出，則很可能導(dǎo)致主軸軸承燒傷。因此，眾多機(jī)床生產(chǎn)廠家都是對(duì)主軸軸承座外套通過(guò)恒溫油的方式進(jìn)行循環(huán)冷卻，使主軸運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中絕大部分的熱量隨循環(huán)油帶出機(jī)體，阻隔與滑枕之間的熱傳遞路線，以減小熱變形。但是，再完善的冷卻也仍然會(huì)有部分位置熱量因傳導(dǎo)速度快或者無(wú)法冷卻到位，導(dǎo)致熱量不能及時(shí)排出，使滑枕及滑枕內(nèi)部的主軸部分產(chǎn)生熱變形，滑枕的熱變形和主軸的熱變形最終體現(xiàn)在主軸端面的位置變化，因此將此種熱伸長(zhǎng)我們統(tǒng)稱(chēng)為主軸熱伸長(zhǎng)?，F(xiàn)在很多用戶(hù)來(lái)咨詢(xún)這個(gè)問(wèn)題，希望我們廠家能夠解決主軸發(fā)熱伸長(zhǎng)造成的誤差。

為了進(jìn)一步解決主軸熱伸長(zhǎng)對(duì)加工精度的影響，對(duì)主軸的熱伸長(zhǎng)通過(guò)控制系統(tǒng)補(bǔ)償?shù)霓k法進(jìn)行補(bǔ)償，來(lái)解決補(bǔ)償精度問(wèn)題。我們規(guī)劃用下面的方法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題，即:補(bǔ)償溫度是通過(guò)熱敏電阻測(cè)溫實(shí)驗(yàn)獲得;熱伸長(zhǎng)的數(shù)據(jù)通過(guò)測(cè)量每一個(gè)單位溫升的伸長(zhǎng)來(lái)獲得;然后通過(guò)自己編輯的補(bǔ)償控制程序，將每一個(gè)溫度點(diǎn)需補(bǔ)償?shù)淖冃紊扉L(zhǎng)量傳達(dá)到Z向伺服電動(dòng)機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)主軸熱伸長(zhǎng)補(bǔ)償。

根據(jù)龍門(mén)機(jī)床實(shí)際的主軸和滑枕的聯(lián)接系統(tǒng)來(lái)看，主要發(fā)熱源在主軸電動(dòng)機(jī)皮帶輪連接部分。通過(guò)主軸電動(dòng)機(jī)皮帶輪的底座傳導(dǎo)給滑枕，再通過(guò)滑枕傳導(dǎo)給滑枕內(nèi)部的主軸，從發(fā)熱部分的位置來(lái)看主要變形的部分在皮帶輪熱輻射區(qū)，Z軸絲母座到主軸前端這部分稱(chēng)之為有效熱伸長(zhǎng)部分。為了能有效地測(cè)量溫度的變化，因此將溫度傳感器安裝在皮帶輪底座上，這樣可以更直接有效地測(cè)量到發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化。然后通過(guò)PLC軟件將每個(gè)溫度產(chǎn)生的熱變形補(bǔ)償?shù)絑軸(滑枕的運(yùn)動(dòng)方向)，通過(guò)Z軸的運(yùn)動(dòng)將伸長(zhǎng)的部分調(diào)整到正常的位置，這樣就可以保證機(jī)床的切削精度。

將溫度傳感器安裝在主軸的集中發(fā)熱點(diǎn)，安裝位置如圖1所示。

表1 數(shù)據(jù)表

通過(guò)對(duì)很多廠家的了解，配FANUC系統(tǒng)的加工中心溫度補(bǔ)償系統(tǒng)都有不同的做法，有些日本廠家是通過(guò)自己開(kāi)發(fā)的硬件結(jié)合軟件來(lái)實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)功能(如okk);有些廠家直接通過(guò)距離傳感器的NC宏程序來(lái)改變(如日立精機(jī))。很多廠家都是自己開(kāi)發(fā)的這套溫度補(bǔ)償系統(tǒng)。因此筆者決定通過(guò)自己的努力來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。

表2 2010年2月12日現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表3 2010年2月14日現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

筆者經(jīng)過(guò)對(duì)FANUC系統(tǒng)資料的詳細(xì)了解，認(rèn)為可以通過(guò)FANUC系統(tǒng)的外部數(shù)據(jù)輸入輸出功能來(lái)實(shí)現(xiàn)此項(xiàng)補(bǔ)償功能。此功能需要自己來(lái)編寫(xiě)一套程序，通過(guò)程序的賦值來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的輸入，將所需的數(shù)據(jù)通過(guò)此功能直接寫(xiě)入系統(tǒng)，由系統(tǒng)控制Z軸的坐標(biāo)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償。

通過(guò)自己編制一套軟件和一個(gè)參數(shù)表格，使用戶(hù)可以方便地通過(guò)觀察及修改參數(shù)表格里面的數(shù)據(jù)來(lái)實(shí)現(xiàn)主軸熱伸長(zhǎng)的補(bǔ)償功能。這需要硬件和軟件(編制相應(yīng)的PLC程序建立相應(yīng)參數(shù)表格)相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。

首先要選擇正確的硬件系統(tǒng)。該硬件系統(tǒng)包含了FANUC的I/O的基本單元、模擬輸入模塊組及I/O通訊電纜(其價(jià)格大約為1.2萬(wàn)元)。

表4 2010年2月18日現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)數(shù)據(jù)

軟件方面:通過(guò)對(duì)機(jī)床運(yùn)轉(zhuǎn)和主軸熱伸長(zhǎng)的實(shí)際情況分析，確定了對(duì)主軸熱伸長(zhǎng)補(bǔ)償不使用線性補(bǔ)償?shù)姆绞?。這種方式雖然需要測(cè)量的數(shù)據(jù)較少，但如果溫度變化比較頻繁的時(shí)候，反而會(huì)使加工出現(xiàn)問(wèn)題，比如刀具破損、工件表面切深不一致、表面粗糙度不好、切削位置有偏差等。因此，考慮到這些問(wèn)題，為了保證切削的連續(xù)性及精確度，最后選用的是點(diǎn)位補(bǔ)償形式，它的優(yōu)點(diǎn)是由于主軸連續(xù)工作的特性會(huì)很快地使主軸溫升穩(wěn)定在一個(gè)固定的溫度范圍，這樣的話就會(huì)使在一個(gè)穩(wěn)定的溫度范圍之內(nèi)有一個(gè)穩(wěn)定的補(bǔ)償。因此將穩(wěn)定的基礎(chǔ)溫度范圍定為1 K(溫度在1℃之內(nèi)的變化)，在此區(qū)間補(bǔ)償一次，這樣就保證了主軸在1 K范圍內(nèi)的穩(wěn)定，確保了切削的連續(xù)性(可以通過(guò)調(diào)整測(cè)量的溫度來(lái)改變溫升范圍，具體做法見(jiàn)后)，同時(shí)也保證了切削精度(每1℃變化量最大為0.01 mm)。把基礎(chǔ)溫度定在28℃(可以根據(jù)實(shí)際情況來(lái)修改)，最大主軸溫升是根據(jù)主軸溫升的穩(wěn)定溫度值來(lái)決定的。即:通過(guò)主軸的溫升實(shí)驗(yàn)來(lái)確定主軸穩(wěn)定在一個(gè)穩(wěn)定的溫度值后就不會(huì)再有溫升的時(shí)候，這個(gè)溫度就是最大的溫度值。一般的溫升在15 K以?xún)?nèi)，如果溫升太大的話基本上就是主軸裝配有問(wèn)題了。

在PLC中，建立PLC參數(shù)，通過(guò)PLC的計(jì)算及賦值，實(shí)現(xiàn)主軸熱伸長(zhǎng)的補(bǔ)償功能。

首先是將溫度傳感器里面的溫度讀到PLC參數(shù)D650～D678中，以D650～D678中的溫度為基準(zhǔn)，改變D650～D678中的值就可以改變補(bǔ)償?shù)臏囟葴厣?。例?D650=28，D652=30，那么溫度的每個(gè)溫度點(diǎn)補(bǔ)償范圍就是2 K，最大溫度值就是56。D700～D728就是對(duì)應(yīng)于D650～D678的補(bǔ)償值。建立數(shù)據(jù)表如下:

經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，結(jié)果是可以將主軸熱伸長(zhǎng)的精度保證在0.01 mm之內(nèi)。部分的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2～4。

通過(guò)表格中的數(shù)據(jù)可以看到，主軸熱伸長(zhǎng)的補(bǔ)償作用還是非常明顯的。如今在用戶(hù)沈陽(yáng)金杯模具已經(jīng)采用了此項(xiàng)功能，效果非常好。