基于LMS數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的電主軸溫度特性分析*

李新寧 楊錦斌

(①青海交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，青海西寧 810003;②青海一機(jī)數(shù)控機(jī)床有限責(zé)任公司，青海西寧 810018)

在機(jī)床的各種誤差源中，熱誤差是高速機(jī)床的最大誤差源，占機(jī)床總誤差的70%左右。主軸在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生大量的熱量使得主軸溫度升高，導(dǎo)致主軸變形，從而影響加工精度。因此有必要對主軸單元進(jìn)行測試試驗，進(jìn)而為主軸的熱變形量提出補(bǔ)償措施，提高高速機(jī)床的加工精度。

內(nèi)裝電動機(jī)發(fā)熱主要是電動機(jī)銅損和鐵損發(fā)熱;軸承發(fā)熱主要是滾子與滾道的滾動摩擦、高速下所受陀螺力矩產(chǎn)生的滑動摩擦、潤滑油的粘性摩擦等產(chǎn)生的摩擦熱。上述各種摩擦隨主軸轉(zhuǎn)速的增加而加劇，且電動機(jī)產(chǎn)生的熱量有一部分通過主軸傳遞給軸承，導(dǎo)致軸承發(fā)熱量更大，溫升增加。所產(chǎn)生熱變形使軸承的預(yù)緊量也隨之增加，產(chǎn)生更多的摩擦熱，限制了電主軸單元轉(zhuǎn)速的進(jìn)一步提高，加速了軸承的磨損而使其精度、壽命下降。

1 電主軸溫升測試試驗

電主軸單元的發(fā)熱和溫升是一個動態(tài)過程。當(dāng)主軸在不同的負(fù)荷率、不同的轉(zhuǎn)速下運(yùn)轉(zhuǎn)時，主軸的發(fā)熱和溫升是有所不同的。負(fù)荷率越大、轉(zhuǎn)速越高，發(fā)熱量越大，溫升也越明顯。測試主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min下，筆者公司在主軸試驗室對電主軸單元進(jìn)行了溫升特性測試動態(tài)試驗。

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

對電主軸單元進(jìn)行了溫升特性測試動態(tài)試驗，根據(jù)溫度測試數(shù)據(jù)——溫度變化曲線，建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等因素的因果關(guān)系，找出影響溫度變化的主要因素，進(jìn)而為主軸的熱變形量提出補(bǔ)償措施，實現(xiàn)對主軸的溫度控制，提高高速機(jī)床的加工精度。具體實驗?zāi)繕?biāo)如下:(1)測定主軸前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速為1 000～15 000 r/min時的溫升。(2)分析軸承溫度上升的原因。(3)擬合出主軸前后軸承隨轉(zhuǎn)速上升的溫升曲線。(4)建立溫度與時間、轉(zhuǎn)速、位移等因素的因果關(guān)系。

1.2 測試試驗原理

溫度傳感器熱電阻測溫原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻值隨溫度的增加而增加這一特性來進(jìn)行溫度測量的。溫度傳感器熱電阻大都由純金屬材料制成，目前應(yīng)用最多的是鉑和銅。

軸承表面的溫度是通過溫度傳感器和溫度變送器進(jìn)行非電量與電量的轉(zhuǎn)換，然后傳給LMS數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)對模擬電信號進(jìn)行采樣，把采樣數(shù)據(jù)送工控機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

1.3 測試試驗數(shù)據(jù)處理

軸承表面的溫度通過溫度傳感器和溫度變送器進(jìn)行非電量與電量的轉(zhuǎn)換，然后傳給LMS數(shù)據(jù)信號采集系統(tǒng)對模擬電信號進(jìn)行采樣，把采樣數(shù)據(jù)送工控機(jī)程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號。

電主軸單元溫度測試試驗基本原理方框圖，見圖1所示。

1.4 測試試驗平臺設(shè)計

測試試驗平臺組成:溫度傳感器和銅套各4個，安裝位置見圖2所示;LMS信息采集系統(tǒng)，連接位置見圖3所示;10 m網(wǎng)線1根;計算機(jī)1臺。

2 測試試驗方法及步驟

測試試驗方法及步驟如下:

(1)分別在主軸前第二、第三、第四軸承和后軸承所對應(yīng)的主軸外壁各鉆1個直徑為10 mm剛好穿過軸承套筒的孔。再加工4個外徑為10 mm，內(nèi)徑為6 mm，長度為37 mm的空心圓柱銅套。

(2)將直徑為5 mm的溫度傳感器裝入銅套，使溫度傳感器前端接觸軸承外壁，用密封膠帶將傳感器與銅套前端內(nèi)壁固定，再通過螺紋連接將銅套外壁端固定在孔內(nèi)，用螺母將銅套后端固定在主軸外壁。

(3)將主軸前第二、第三、第四軸承內(nèi)和主軸后軸承內(nèi)的4個溫度傳感器分別插入信號采集系統(tǒng)與之對應(yīng)的第1、第2、第3，第4接口內(nèi)(這4個溫度傳感器分別是計算機(jī)LMS軟件系統(tǒng)通道設(shè)置對應(yīng)的T1、T2、T3、T4)。

(4)接通電源，將計算機(jī)與信號采集系統(tǒng)用網(wǎng)線聯(lián)接，打開信號采集系統(tǒng)開關(guān)，再打開Test.Lab Signature軟件，對溫度傳感器進(jìn)行通道設(shè)置。

(5)運(yùn)行電主軸，在機(jī)床常用加工轉(zhuǎn)速1 000～5 000 r/min內(nèi)，每隔5 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000r/min，測量分1 000～5 000r/min 5個檔次來進(jìn)行實驗;在6 000～12 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每隔10 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000 r/min，測量分6 000～12 000 r/min 7個檔次來進(jìn)行實驗;在13 000～15 000 r/min轉(zhuǎn)速范圍內(nèi)，每隔30 min調(diào)整一次主軸轉(zhuǎn)速，每次轉(zhuǎn)速調(diào)整上升1 000 r/min，測量分13 000～15 000 r/min3個檔次來進(jìn)行實驗。用4個溫度傳感器對各軸承溫度進(jìn)行測試，打開溫度窗口，觀察測量溫度值。

(6)測試試驗結(jié)束，保存數(shù)據(jù)、停機(jī)。

(7)將 LMS測得數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為 Excel格式，通過Matlab軟件模擬出T1、T2、T3、T4在不同轉(zhuǎn)速下的溫升曲線圖。

注意:測試試驗時，相關(guān)人員遠(yuǎn)離主軸前端，以免發(fā)生人身安全意外;注意主軸溫度安全，使軸承溫度在允許的范圍內(nèi)工作，如果超出軸承溫升允許范圍，應(yīng)立即停機(jī)。

3 測試試驗及數(shù)據(jù)分析

在電主軸試驗測試平臺上，將溫度傳感器安裝于電主軸單元前端(軸承的位置)，將其與溫度信號采集器以及PC機(jī)連接起來，通過LMS Test.Lab控制數(shù)據(jù)采樣進(jìn)程。

3.1 測試試驗

對電主軸在不同轉(zhuǎn)速條件下的溫度特性進(jìn)行了測試分析，LMS信息采集系統(tǒng)處理后的溫度傳感器測試溫升曲線如圖4～7所示。

從主軸前第二軸承溫升變化曲線(圖4)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min、10 000～11 000 r/min時，主軸前第二軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～9 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、振動達(dá)到平衡時，主軸前第二軸承溫升達(dá)到穩(wěn)定平衡。

從主軸前第三軸承溫升變化曲線(圖5)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸前第三軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～8 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、振動達(dá)到平衡時，主軸前第三軸承溫升達(dá)到穩(wěn)定平衡。

從主軸前第四軸承溫升變化曲線(圖6)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～7 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸前第四軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、8 000～9 000 r/min之間，12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、振動達(dá)到平衡時，主軸前第四軸承溫升達(dá)到穩(wěn)定平衡。從主軸后軸承溫升變化曲線(圖7)得知，主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min，10 000～11 000 r/min時，主軸后軸承溫度上升緩慢，在1 000～3 000 r/min、6 000～7 000 r/min之間，9 000 r/min、12 000 r/min及15 000 r/min的前10 min時，溫度上升較快，在13 000～15 000 r/min時，軸承前10 min溫升較快，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速、振動達(dá)到平衡時，主軸后軸承溫升達(dá)到穩(wěn)定平衡。

3.2 數(shù)據(jù)分析

從以上測試試驗數(shù)據(jù)可以看出，主軸前端第二、三、四軸承及后軸承的溫度從電主軸開機(jī)轉(zhuǎn)動到轉(zhuǎn)速達(dá)到3 000 r/min時，溫升較快，在4 000～5 000 r/min時溫升曲線平緩，溫升較慢，我們將這一現(xiàn)象稱為“開機(jī)效應(yīng)”。這是因為電主軸單元剛開始運(yùn)行時，潤滑、冷卻系統(tǒng)沒有提供足夠的潤滑作用和充分冷卻效果，然后隨著主軸單元運(yùn)行達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，使主軸的溫度變化穩(wěn)定在設(shè)計溫控范圍之內(nèi)。而前后軸承溫升最快的轉(zhuǎn)速區(qū)域集中在6 000 ～7 000 r/min、9 000 r/min、12 000 r/min 及15 000 r/min，從主軸軸承溫升曲線圖分析，主軸轉(zhuǎn)速在6 000～7 000 r/min時產(chǎn)生共振，因此軸承溫升較快。后軸承在7 000 r/min時溫升最快的主要原因是在主軸產(chǎn)生共振時，電主軸后端單個軸承支撐主軸，主軸后端的振動比主軸前端的振動更加激烈。前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速9 000 r/min時溫升相比主軸轉(zhuǎn)速在4 000～5 000 r/min時溫升快，但相比電主軸在6 000～7 000 r/min轉(zhuǎn)速區(qū)溫升慢，分析可知軸承溫升的原因可能有幾個方面的原因:轉(zhuǎn)速的升高，引起主軸內(nèi)碟簧的徑向振動進(jìn)而引起前后軸承的微小振動進(jìn)而引起軸承溫升;電主軸隨轉(zhuǎn)速的升高振動增大進(jìn)而引起軸承內(nèi)滾珠的滑動，進(jìn)而引起前后軸承較高的溫升。

軸承在12 000 r/min時，剛好主軸的振動頻率在主軸固有頻率的兩倍頻率上，進(jìn)而引起主軸的共振，使前后軸承在主軸轉(zhuǎn)速在12 000 r/min時溫升較快。由主軸在13 000～15 000 r/min時溫升的曲線可以看出，軸承溫度隨著主軸運(yùn)行時間的增長而升高，而后逐漸趨于平穩(wěn)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)，使主軸的溫度變化穩(wěn)定在設(shè)計溫控范圍之內(nèi)。

4 結(jié)語

通過測試試驗數(shù)據(jù)——電主軸溫升曲線圖進(jìn)行了電主軸溫度特性分析，找到了電主軸前后軸承溫升最快的轉(zhuǎn)速區(qū)域:6 000 ～7 000 r/min、9 000 r/min、12 000 r/min及15 000 r/min，主軸轉(zhuǎn)速在6 000～7 000 r/min、12 000 r/min時產(chǎn)生共振，導(dǎo)致溫度特性較差，在加工的時候應(yīng)避免這電主軸熱變形較大區(qū)域，其它轉(zhuǎn)速下的軸承溫度隨著主軸運(yùn)行時間的增長而升高，而后逐漸趨于平穩(wěn)，潤滑、冷卻系統(tǒng)也達(dá)到預(yù)設(shè)狀態(tài)提供潤滑冷卻作用，使得主軸單元得以平穩(wěn)地運(yùn)轉(zhuǎn)。電主軸單元溫度特性測試試驗為數(shù)控機(jī)床的動態(tài)研究和設(shè)計提供了依據(jù)和原始數(shù)據(jù)，在高檔數(shù)控機(jī)床研究開發(fā)中具有非凡的現(xiàn)實意義。