李毅， 陳國(guó)華，2，夏銘，劉敦奇,2，左乾君,2

(1.湖北文理學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，湖北襄陽(yáng) 441053;2.襄陽(yáng)華中科技大學(xué)先進(jìn)制造工程研究院，湖北襄陽(yáng) 441000)

0 前言

隨著制造業(yè)的不斷發(fā)展，對(duì)于機(jī)床加工精度的要求也在不斷提升[1]。大量研究表明，熱誤差對(duì)機(jī)床的加工精度有很大影響，它造成的加工誤差占機(jī)床總誤差的40%以上[2]。機(jī)床熱誤差已經(jīng)被公認(rèn)為是精密加工最重要的問(wèn)題之一，而主軸熱是機(jī)床熱誤差的主要誤差源[3]。主軸有著發(fā)熱量大、溫升快和溫度場(chǎng)分布不均勻的特點(diǎn)，長(zhǎng)時(shí)間高速運(yùn)轉(zhuǎn)累積的大量的熱量會(huì)對(duì)主軸軸向形變產(chǎn)生較大影響，從而影響主軸精度[4]。因此高效快速對(duì)主軸進(jìn)行冷卻，有效地控制主軸熱成為一個(gè)亟待解決問(wèn)題。

為了對(duì)主軸熱誤差進(jìn)行有效控制，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)主軸冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了不少研究，提出了一些理論和方法。李偉光等[5]針對(duì)SCM-Ⅲ型電主軸設(shè)計(jì)了一種新型的高速電主軸冷卻系統(tǒng)，很好地解決高速電主軸的內(nèi)部散熱問(wèn)題。SHI等[6]建立了一套主軸溫度測(cè)量系統(tǒng)，用以測(cè)量不同轉(zhuǎn)速條件下的主軸溫度。LI等[7]提出了五點(diǎn)測(cè)量法，精準(zhǔn)確定了機(jī)床敏感溫度點(diǎn)，并通過(guò)GEP-WLSSVM方法構(gòu)建了機(jī)床熱誤差模型。趙亮等人[8]構(gòu)建了主軸系統(tǒng)的熱-流-固有限元模型，有效預(yù)測(cè)主軸系統(tǒng)熱特性的變化規(guī)律。吳軍強(qiáng)等[9]設(shè)計(jì)一套采用循環(huán)液冷卻的智能溫控系統(tǒng)，解決了電磁熱引起的機(jī)床精度下降的問(wèn)題。劉騰[10]搭建起電主軸單元熱態(tài)特性監(jiān)測(cè)-控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)機(jī)床電主軸主動(dòng)抑制及多種控溫策略的實(shí)現(xiàn)及效果監(jiān)測(cè)。吳金文等[11]采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，構(gòu)造機(jī)床主軸熱誤差預(yù)測(cè)模型。房芳等人[12]提出了基于熱圖像的主軸徑向熱誤差建模方法。羅勇等人[13]利用紅外熱像儀、位移傳感器和溫度傳感器記錄熱誤差數(shù)據(jù)，建立熱誤差模型和熱誤差補(bǔ)償系統(tǒng)。苗恩銘等[14]提出了一種數(shù)控機(jī)床工作臺(tái)平面度誤差與主軸熱誤差的綜合補(bǔ)償方法。劉璞凌等[15]基于Cpk分析，提出了一種新的關(guān)鍵溫度點(diǎn)的選擇方法，基于關(guān)鍵溫度點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)和直接源自生產(chǎn)線的工件尺寸數(shù)據(jù)，構(gòu)建了數(shù)控機(jī)床主軸徑向熱誤差模型。

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有的研究方法和技術(shù)路線進(jìn)行分析可以發(fā)現(xiàn)，多數(shù)機(jī)床主軸熱冷卻設(shè)備缺乏集成性和多平臺(tái)適裝能力。本文作者提出一種用于機(jī)床主軸熱控制的水冷機(jī)設(shè)計(jì)方案，以水冷機(jī)作為研究對(duì)象，根據(jù)制冷原理對(duì)水冷機(jī)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，根據(jù)機(jī)床主軸的發(fā)熱特點(diǎn)，對(duì)水冷機(jī)進(jìn)行功能分析并提出控制原理與方法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證水冷設(shè)計(jì)方案的可行性并評(píng)估溫控效果。

1 水冷機(jī)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 總體設(shè)計(jì)方案

主軸熱源包括內(nèi)部熱源和外部熱源，在標(biāo)準(zhǔn)的廠房作業(yè)環(huán)境下，外部熱源對(duì)機(jī)床主軸熱影響不大，故文中不考慮外部熱源。內(nèi)部熱源主要包括軸承發(fā)熱和電機(jī)發(fā)熱，軸承發(fā)熱的主要原因是摩擦生熱，電機(jī)發(fā)熱的主要原因是電機(jī)內(nèi)部構(gòu)件之間的機(jī)械損耗、電損耗和功率損耗。從傳熱方式考慮，電機(jī)內(nèi)部產(chǎn)生的熱量主要以導(dǎo)熱的方式向外擴(kuò)散，水冷機(jī)對(duì)主軸進(jìn)行降溫主要是以對(duì)流的形式將機(jī)床主軸產(chǎn)生的熱量帶走?；谝陨习l(fā)熱原理，為實(shí)現(xiàn)主軸溫度自動(dòng)控制的技術(shù)目標(biāo)，機(jī)床水冷機(jī)應(yīng)當(dāng)具備以下5個(gè)功能，即主軸溫度監(jiān)測(cè)、自調(diào)節(jié)溫度控制程序、冷卻水溫度自動(dòng)調(diào)節(jié)、冷卻水壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)和水冷機(jī)健康狀態(tài)評(píng)估。為了實(shí)現(xiàn)這5項(xiàng)功能，水冷機(jī)系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)包含以下4個(gè)結(jié)構(gòu)模塊(如圖1所示)，即制冷模塊、液壓循環(huán)模塊、熱交換模塊和控制模塊。以4個(gè)結(jié)構(gòu)組成的執(zhí)行單元，通過(guò)5項(xiàng)功能組成的控制單元實(shí)現(xiàn)機(jī)床主軸溫度自動(dòng)控制。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)Fig.1 Overall structure design

系統(tǒng)基本控制原理是，機(jī)床啟動(dòng)后，主軸開始高速運(yùn)轉(zhuǎn)，主軸內(nèi)部熱量增加，引起表面溫度上升，溫度傳感器檢測(cè)溫度變化并將數(shù)據(jù)傳遞給上位機(jī)。上位機(jī)通過(guò)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，模擬主軸溫度變化規(guī)律，最后生成溫度控制程序。溫度控制程序設(shè)定目標(biāo)冷卻液參數(shù)，并調(diào)整水冷機(jī)功率使它泵出一定溫度和流速的冷卻水。液壓循環(huán)模塊在溫度控制程序的控制下，對(duì)冷卻水進(jìn)行勾兌，使冷卻水達(dá)到目標(biāo)冷卻液設(shè)定值，目標(biāo)冷卻液進(jìn)入熱交換模塊對(duì)冷卻位點(diǎn)進(jìn)行降溫。

1.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.2.1 制冷模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)數(shù)控加工中心主要參數(shù)，對(duì)水冷機(jī)進(jìn)行選型，選定的水冷機(jī)主要參數(shù)如表1所示。

表1 水冷機(jī)基本技術(shù)參數(shù)Tab.1 Basic technical parameters of water cooler

制冷模塊主要的工作目標(biāo)是為液壓循環(huán)模塊提供一定溫度和流量的冷卻水。制冷模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由水冷機(jī)、水冷機(jī)控制器、流量計(jì)、溫度傳感器、節(jié)流閥和警示燈組成。

圖2 制冷模塊結(jié)構(gòu) Fig.2 Refrigeration module structure

制冷模塊基本控制原理是：水冷機(jī)根據(jù)溫度控制程序設(shè)定的參數(shù)泵出一定溫度和流速的冷卻水，同時(shí)水冷機(jī)控制器與上位機(jī)建立通信，并根據(jù)冷卻效果，自動(dòng)調(diào)整自身工作參數(shù)，使冷卻水參數(shù)不斷逼近目標(biāo)冷卻液。水冷機(jī)出水口和進(jìn)水口安裝的水流量傳感器和溫度傳感器監(jiān)測(cè)進(jìn)出水溫度和流量，節(jié)流閥控制進(jìn)出水流量。根據(jù)制冷模塊控制主要結(jié)構(gòu)和元器件布置位置。

1.2.2 液壓循環(huán)模塊設(shè)計(jì)

液壓循環(huán)模塊的主要目的是對(duì)從水冷機(jī)流入的冷卻水的溫度和流量進(jìn)行適度調(diào)節(jié)。主要的設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)液壓循環(huán)控制模塊對(duì)冷卻水溫度進(jìn)行比兌調(diào)溫，精確控制出水流速，實(shí)現(xiàn)多條冷卻支路異溫差速動(dòng)態(tài)循環(huán)冷卻。液壓循環(huán)模塊主要的組件包括電磁閥、增壓泵、流量傳感器、溫度傳感器及其他一些連接管。

液壓循環(huán)控制模塊的基本控制原理(如圖3所示)是：液壓循環(huán)模塊通過(guò)將低溫干路的冷卻水進(jìn)行分流，形成若干條低溫支路；同時(shí)將高溫干路的配溫水也進(jìn)行分流，形成若干條高溫支路，此時(shí)支路的冷卻水和配溫水的流量有所降低。之后通過(guò)流量控制閥精準(zhǔn)控制支路水流量，通過(guò)增壓泵對(duì)冷卻水進(jìn)行調(diào)溫調(diào)壓，使冷卻水最大程度接近目標(biāo)冷卻液溫度與流速，最后進(jìn)入熱交換模塊對(duì)冷卻位點(diǎn)進(jìn)行冷卻。完成冷卻后一部分回流進(jìn)高溫干路成為配溫水，一部分流回水冷機(jī)。

圖3 液壓循環(huán)模塊控制原理 Fig.3 Control principle of hydraulic circulation module

1.2.3 熱交換模塊設(shè)計(jì)

熱交換模塊主要目的是通過(guò)熱交換機(jī)構(gòu)將主軸產(chǎn)生的熱量帶走。主要設(shè)計(jì)依據(jù)是：由于主軸溫升時(shí)溫度場(chǎng)的分布不均勻，傳統(tǒng)U形冷凝管冷卻效率比較低。文中的主要設(shè)計(jì)思想是：通過(guò)多條循環(huán)回路和模塊化的冷卻貼片對(duì)主軸冷卻位點(diǎn)進(jìn)行差異化冷卻，通過(guò)評(píng)估冷卻效果，調(diào)整冷卻貼片的位置與數(shù)量。文中設(shè)計(jì)了一種新型的小型冷卻貼片，尺寸小、易安裝、傳熱能力強(qiáng)。熱交換模塊結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要組件包括冷卻貼片、冷凝管、溫度傳感器、固定條和連接管。

圖4 熱交換模塊結(jié)構(gòu) Fig.4 Heat exchange module structure

熱交換模塊基本的控制原理是：目標(biāo)冷卻液進(jìn)入冷卻貼片后對(duì)主軸進(jìn)行冷卻，主軸上布設(shè)的溫度傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)溫變數(shù)據(jù)，上位機(jī)溫度控制程序根據(jù)溫變數(shù)據(jù)評(píng)估冷卻效果，一方面可以調(diào)整冷卻貼片的數(shù)量與位置，另一方面可以適時(shí)調(diào)整溫度控制程序中制冷參數(shù)。根據(jù)熱交換模塊主要功能和原理設(shè)計(jì)冷卻貼片。

1.2.4 控制模塊

控制模塊設(shè)計(jì)目的有兩點(diǎn)：(1)對(duì)各模塊進(jìn)行主動(dòng)控制協(xié)調(diào)，主要是讀取各個(gè)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)參數(shù)，分析參數(shù)變化規(guī)律，并適時(shí)對(duì)各機(jī)構(gòu)各關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的正常有效運(yùn)行。(2)故障分析與健康狀況評(píng)估，讀取各機(jī)構(gòu)的工作數(shù)據(jù)，對(duì)正常數(shù)據(jù)進(jìn)行收集保存，建立系統(tǒng)狀態(tài)數(shù)據(jù)庫(kù)；對(duì)異常數(shù)據(jù)分析，進(jìn)行故障診斷，根據(jù)異常數(shù)據(jù)變化規(guī)律分析系統(tǒng)故障原因，對(duì)系統(tǒng)健康狀態(tài)評(píng)估?？刂颇K控制原理如圖5所示。

圖5 控制模塊控制原理 Fig.5 Control principle of control module

2 功能分析

2.1 溫度監(jiān)測(cè)功能

溫度控制功能主要目的是：(1)監(jiān)測(cè)各個(gè)機(jī)構(gòu)溫變情況；(2)調(diào)節(jié)各機(jī)構(gòu)工作參數(shù)。監(jiān)測(cè)方法是：溫度傳感器監(jiān)測(cè)各干路、各支路中冷卻水的溫度，監(jiān)測(cè)主軸冷卻位點(diǎn)溫變情況。調(diào)節(jié)方法是：溫度傳感器采集冷卻位點(diǎn)溫變數(shù)據(jù)，由溫度控制程序?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)，并對(duì)系統(tǒng)各機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)調(diào)節(jié)使冷卻水達(dá)到目標(biāo)冷卻液設(shè)定參數(shù)。

2.2 流量調(diào)節(jié)功能

流量調(diào)節(jié)功能的主要目的是：調(diào)節(jié)循環(huán)回路冷卻水參數(shù)，使它達(dá)到溫度控制程序設(shè)定的目標(biāo)冷卻液溫度和流量。測(cè)溫調(diào)壓原理如圖6所示。調(diào)節(jié)方法是：流量計(jì)監(jiān)測(cè)水冷機(jī)進(jìn)出水流量，循環(huán)干路、循環(huán)支路冷卻水的流量。上位機(jī)對(duì)溫度和流速等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、評(píng)估和預(yù)測(cè)，實(shí)時(shí)調(diào)整電磁閥和增壓泵的輸入信號(hào)，使流入熱交換模塊的冷卻水滿足程序設(shè)定的溫度和流量。

圖6 測(cè)溫調(diào)壓原理 Fig.6 Principle of temperature and voltage regulation

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 實(shí)驗(yàn)原理

為了對(duì)文中所提出的水冷機(jī)裝置有效性進(jìn)行驗(yàn)證，通過(guò)搭建相關(guān)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，檢測(cè)主軸溫升數(shù)據(jù)，對(duì)水冷機(jī)的溫度控制能力進(jìn)行驗(yàn)證評(píng)估。選取XHK-715數(shù)控加工中心為實(shí)驗(yàn)對(duì)象，測(cè)量主軸冷卻前后溫度數(shù)據(jù)，評(píng)估制冷效果，檢驗(yàn)水冷機(jī)有效性。

實(shí)驗(yàn)原則：

(1)實(shí)驗(yàn)選取2個(gè)測(cè)溫點(diǎn)，分別為主軸電機(jī)墊板和主軸。檢測(cè)主軸電機(jī)墊板溫度可以反映主軸外殼溫度變化情況，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以判斷水冷機(jī)裝置的有效性。檢測(cè)主軸溫度可以直接體現(xiàn)主軸溫升情況，是評(píng)價(jià)水冷機(jī)主軸熱控制效果最直接指標(biāo)。

(2)實(shí)驗(yàn)設(shè)置4組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，分別為主軸轉(zhuǎn)速1 000、5 000、8 000、13 000 r/min。溫度傳感器每隔5 min采集一次溫度數(shù)據(jù)，每個(gè)測(cè)溫點(diǎn)采集36組溫度數(shù)據(jù)，單次實(shí)驗(yàn)時(shí)長(zhǎng)180 min。

(3)在同一轉(zhuǎn)速條件下，通過(guò)對(duì)比測(cè)溫點(diǎn)冷卻前后溫度變化情況對(duì)熱控制效果進(jìn)行評(píng)估。

(4)在不同轉(zhuǎn)速條件下，對(duì)比同一測(cè)溫點(diǎn)溫度變化情況評(píng)估水冷機(jī)制冷能力。

3.2 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

具體實(shí)驗(yàn)步驟是：

(1)根據(jù)文中提出的水冷機(jī)設(shè)計(jì)方案定制專用的機(jī)床主軸熱控制水冷機(jī)，水冷機(jī)設(shè)備如圖7所示。

(2)搭建液壓循環(huán)模塊相關(guān)管道和熱交換模塊相關(guān)冷卻貼片，并檢驗(yàn)管路連接密封性，測(cè)試控制線路連接正確。

(3)按照對(duì)比實(shí)驗(yàn)原則開展實(shí)驗(yàn)。

圖7 水冷機(jī)設(shè)備

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)條件下，主軸電機(jī)墊板起始溫度為18.331 ℃，軸起始溫度為20.321 ℃。實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，主軸轉(zhuǎn)速1 000、5 000、8 000、13 000 r/min條件下的溫度變化如圖8—圖11所示。

圖8 主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速1 000 r/min時(shí)，非冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板最高溫度為24.126 ℃，140 min主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為33.512 ℃，80 min主軸進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在19.831 ℃左右波動(dòng)；主軸溫度進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在21.782～22.154 ℃之間波動(dòng)。

圖9 主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min時(shí)溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速5 000 r/min時(shí)，非冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板最高溫度為27.686 ℃，140 min進(jìn)入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為37.263 ℃，80 min進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在19.532 ℃附近波動(dòng)。主軸進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在21.794～22.381 ℃之間波動(dòng)。

圖10 主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速8 000 r/min時(shí)，非冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板最高溫度為33.206 ℃，140 min主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。主軸最高溫度為43.508 ℃，60 min進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在20.18 ℃左右波動(dòng)；主軸進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在22.383～23.037 ℃之間波動(dòng)。

圖11 主軸轉(zhuǎn)速13 000 r/min時(shí)溫度變化

主軸轉(zhuǎn)速13 000 r/min時(shí)，非冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板最高溫度為38.887 ℃，160 min進(jìn)入熱平衡狀態(tài)；主軸最高溫度為50.448 ℃，60 min進(jìn)入熱平衡狀態(tài)。冷卻條件下，主軸電機(jī)墊板進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在20.20 ℃附近波動(dòng)；主軸進(jìn)入熱平衡狀態(tài)時(shí)，溫度在23.299～24.117 ℃之間波動(dòng)。

根據(jù)4組對(duì)比實(shí)驗(yàn)可以得出結(jié)論：(1)同一轉(zhuǎn)速條件下，利用水冷機(jī)對(duì)主軸進(jìn)行冷卻，可以使主軸溫度降低30%，熱平衡時(shí)間縮短45%；(2)在不同的主軸電機(jī)轉(zhuǎn)速條件下，水冷機(jī)對(duì)機(jī)床主軸發(fā)熱均有良好的抑制作用，可以將主軸溫度控制在一定溫度范圍內(nèi)，達(dá)到主軸溫度波動(dòng)平衡，實(shí)現(xiàn)水冷機(jī)對(duì)機(jī)床主軸熱控制。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中針對(duì)機(jī)床主軸熱誤差問(wèn)題，提出了一種用于機(jī)床主軸熱控制的水冷機(jī)裝置。在機(jī)床主軸熱源分析的基礎(chǔ)上，闡述了水冷機(jī)的設(shè)計(jì)思想，介紹了水冷機(jī)總體設(shè)計(jì)方案，提出了水冷機(jī)的5個(gè)功能目標(biāo)和4個(gè)結(jié)構(gòu)模塊，并對(duì)結(jié)構(gòu)模塊的控制原理進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)，對(duì)功能目標(biāo)進(jìn)行功能分析。最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)水冷機(jī)冷卻效果進(jìn)行評(píng)估，通過(guò)數(shù)據(jù)分析可以證明，文中提出的機(jī)床水冷機(jī)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)機(jī)床主軸的熱控制。