吳玉亮 朱鐵軍

摘要：利用lion主軸誤差分析儀和高精度數(shù)字式溫度傳感器對(duì)立式五軸加工中心進(jìn)行主軸熱伸長(zhǎng)誤差測(cè)試，獲得主軸熱伸長(zhǎng)誤差數(shù)據(jù)和主軸發(fā)熱點(diǎn)的溫升數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，為主軸熱誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出減小熱伸長(zhǎng)誤差的建議。

引言

機(jī)床的熱誤差是影響機(jī)床精度的重要因素，研究表明機(jī)床熱誤差約占機(jī)床總誤差的40-70%[1-2]。在機(jī)床加工時(shí)主軸系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)是機(jī)床主要的熱誤差源，對(duì)其進(jìn)行熱誤差測(cè)試研究是防止熱誤差和減小熱誤差的基礎(chǔ)。因此，本文對(duì)具有高精度的立式五軸加工中心進(jìn)行主軸熱誤差測(cè)試分析，為主軸熱誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出減小熱伸長(zhǎng)誤差的建議。

1立式五軸加工中心熱誤差測(cè)試實(shí)驗(yàn)

首先在某立式五軸加工中心上對(duì)主軸熱伸長(zhǎng)誤差進(jìn)行測(cè)試。該機(jī)床的主軸為電主軸且有冷卻系統(tǒng)，最高轉(zhuǎn)速為12000rpm，數(shù)控系統(tǒng)為沈機(jī)I5系統(tǒng)。對(duì)其進(jìn)行主軸熱誤差測(cè)試包括兩個(gè)方面測(cè)試，一是主軸熱伸長(zhǎng)誤差測(cè)試，一是主軸溫升測(cè)試，主軸誤差測(cè)試采用lion主軸誤差分析儀是為了測(cè)試主軸由于溫升引起的熱伸長(zhǎng)誤差變化量，主軸溫升測(cè)試采用高精度溫度傳感器是為了測(cè)試主軸旋轉(zhuǎn)發(fā)熱的關(guān)鍵點(diǎn)溫升。

實(shí)驗(yàn)分別在主軸上軸承和Y軸橫梁上布置2個(gè)溫度傳感器T1和T2。其中，T1表示主軸發(fā)熱點(diǎn)溫度變化，T2表示環(huán)境溫度變化。lion誤差分析儀的測(cè)試精度為12nm，溫度傳感器的測(cè)試精度為0.1℃。誤差和溫度采集時(shí)間為10s采集一次。圖1位測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)，圖2是溫度傳感器布局圖。為了得到真實(shí)的測(cè)試數(shù)據(jù)，機(jī)床在實(shí)驗(yàn)前需要不少于12小時(shí)的關(guān)機(jī)狀態(tài)，以保證機(jī)床處于冷態(tài)開(kāi)始進(jìn)行測(cè)試。

2 相同轉(zhuǎn)速熱誤差測(cè)試及分析

為了研究立式五軸加工中心主軸熱誤差的重復(fù)性，采取在其主軸8000 r/min的轉(zhuǎn)速下，進(jìn)行2次主軸熱伸長(zhǎng)誤差及溫度測(cè)試，了解其變化情況。測(cè)試過(guò)程采用相應(yīng)轉(zhuǎn)速熱機(jī)4h主軸停轉(zhuǎn)3h的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)?？梢允怪鬏S能經(jīng)過(guò)充分熱機(jī)達(dá)到熱平衡，同時(shí)還可以了解主軸停轉(zhuǎn)降溫時(shí)主軸的熱誤差的變化情況，更接近于對(duì)實(shí)際加工狀態(tài)的模擬。測(cè)試結(jié)果如圖3所示。

通過(guò)測(cè)試結(jié)果可以看出，在相同轉(zhuǎn)速下，2次測(cè)試的主軸熱伸長(zhǎng)誤差都在70μm左右，主軸熱伸長(zhǎng)誤差的變化規(guī)律總體上是一致的，具有可重復(fù)性；主軸發(fā)熱點(diǎn)的溫升和熱伸長(zhǎng)誤差同步變化，同時(shí)也應(yīng)注意到在主軸溫升達(dá)到24℃，主軸冷卻系統(tǒng)開(kāi)始啟動(dòng)時(shí)，即使主軸轉(zhuǎn)速不變，但由于潤(rùn)滑狀態(tài)和冷卻系統(tǒng)的影響，主軸的熱伸長(zhǎng)誤差和溫升也會(huì)不同。

3 不同轉(zhuǎn)速下熱誤差測(cè)試及分析

為了研究立式五軸加工中心在不同轉(zhuǎn)速下的主軸熱伸長(zhǎng)誤差的變化規(guī)律，分別在5000r/min、8000 r/min、12000 r/min的轉(zhuǎn)速下，測(cè)試主軸熱誤差變化情況。同樣采取相應(yīng)轉(zhuǎn)速熱機(jī)4h主軸停轉(zhuǎn)3h的模式進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

從測(cè)試結(jié)果分析，隨著主軸轉(zhuǎn)速的升高，主軸最大熱伸長(zhǎng)誤差和發(fā)熱點(diǎn)的溫升都變大，主軸在12000rpm/8000rpm/5000rpm時(shí)，熱伸長(zhǎng)誤差分別是100μm/ 70μm/60μm；轉(zhuǎn)速越高，熱伸長(zhǎng)誤差的變化速率越快；同時(shí)熱伸長(zhǎng)誤差與發(fā)熱點(diǎn)的溫升對(duì)應(yīng)較好，后續(xù)可以根據(jù)誤差和溫度的變化建立主軸熱誤差模型，通過(guò)監(jiān)測(cè)發(fā)熱點(diǎn)的溫度來(lái)補(bǔ)償主軸的熱伸長(zhǎng)誤差。

根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)還可知，在主軸前半段時(shí)間內(nèi)熱誤差變化較快較大；冷卻系統(tǒng)的作用并不明顯。在加工時(shí)，可使主軸先行熱機(jī)，以減小熱誤差影響。對(duì)于配有冷卻系統(tǒng)的主軸，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整冷卻啟動(dòng)溫度設(shè)置或選用冷卻功率與熱誤差變化相匹配的冷卻系統(tǒng)。

4 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)立式五軸加工中心進(jìn)行主軸熱伸長(zhǎng)誤差測(cè)試，獲得主軸熱伸長(zhǎng)誤差和溫升數(shù)據(jù)。通過(guò)對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析，誤差和溫度規(guī)律一致可以為后續(xù)研究主軸熱誤差補(bǔ)償提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)，并提出提前熱機(jī)或加大冷卻功率的減小該機(jī)床熱伸長(zhǎng)誤差的建議措施。

參考文獻(xiàn)

[1] 劉征文.銑車(chē)復(fù)合加工中心整機(jī)熱變形及誤差補(bǔ)償?shù)难芯縖D].碩士學(xué)位論文.蘭州理工大學(xué)，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(yáng)機(jī)床（集團(tuán)）有限責(zé)任公司 設(shè)計(jì)研究院實(shí)驗(yàn)室）