臥式加工中心機(jī)械鏜軸熱膨脹及補(bǔ)償?shù)难芯颗c應(yīng)用

徐建平，李紹萍，孫薇，趙建華

(沈機(jī)集團(tuán)昆明機(jī)床股份有限公司，云南昆明650203)

0 前言

對于高精度臥式加工中心機(jī)床，熱平衡的影響是保證加工精度必須解決的主要問題之一，而在各項(xiàng)熱源中，鏜軸的摩擦熱是最大熱源，因鏜軸發(fā)熱造成的熱變形也是對加工精度影響最大的因素［1］。國際上對機(jī)床熱誤差監(jiān)測和控制研究較多，針對熱誤差的改善措施大體可概括為三點(diǎn):(1)熱敏感控制;(2)熱平衡控制;(3)熱變形補(bǔ)償［2－3］。鏜軸主要熱源為軸承，而軸承由于摩擦產(chǎn)生的發(fā)熱量與軸承類型、潤滑方式和受力情況密切相關(guān)。鏜軸軸承為精密角接觸球組合軸承，潤滑方式為脂潤滑。所涉及主軸箱示意圖如圖1 所示，在現(xiàn)場裝配過程中合理控制鏜軸與缸套間隙圖示位置(軸向移動(dòng)精度影響2)和進(jìn)給絲杠與拖座配合(軸向移動(dòng)精度影響1)所示位置的配合精度，以及各部件的合理冷卻潤滑后，由于鏜軸結(jié)構(gòu)特點(diǎn)限制，無法在帶內(nèi)冷裝置的鏜軸內(nèi)部安裝端面伸長長度的光柵檢測以及在機(jī)械補(bǔ)償機(jī)構(gòu)的條件下，為滿足機(jī)床在高速加工精度要求，利用PTl00 型溫度傳感器對鏜軸幾個(gè)主要熱源的溫升進(jìn)行檢測，并通過多次試驗(yàn)進(jìn)行數(shù)據(jù)積累，找出與鏜軸熱伸長量具有較好的線性關(guān)系的熱源點(diǎn)，通過數(shù)控系統(tǒng)對相關(guān)量進(jìn)行對應(yīng)的補(bǔ)償。

圖1 主軸箱結(jié)構(gòu)示意圖

1 試驗(yàn)方法與過程

1.1 鏜軸W 向熱伸長數(shù)據(jù)采集方法

鏜軸軸向熱變形測試?yán)密囬g生產(chǎn)最常用的的檢測方法選用將一千分表牢靠固定在工作臺靠鏜軸端面一側(cè)上，移動(dòng)機(jī)床立柱，使裝有錐柄的鏜軸靠上千分表，后并將千分表表盤調(diào)至0 讀數(shù)值上，并以此時(shí)讀數(shù)值為基準(zhǔn)值W0，將工作臺移開，并在2 500 r/min 轉(zhuǎn)速運(yùn)行，運(yùn)行15 min 后，鏜軸停止運(yùn)行，將工作臺移回原始位置，讀出千分表所顯示的數(shù)值W，W-W0即得出鏜軸伸長量。取值時(shí)間為每15 min 一次，至所測得W 值不再上升，認(rèn)為此時(shí)鏜軸已達(dá)到熱平衡要求。現(xiàn)場測量如圖2 所示。

圖2 千分表測量鏜軸軸向熱伸長

1.2 與鏜軸相關(guān)位置的溫度檢測

實(shí)驗(yàn)采用PT100 磁鐵式熱電阻傳感器進(jìn)行溫度測試(如圖3、4 所示為溫度傳感器安裝位置)，輸出端連接多通道參數(shù)采集系統(tǒng)，對檢測到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、記錄。軸承是鏜軸主要熱源，但在系統(tǒng)內(nèi)部，無法直接測量其溫度。結(jié)合機(jī)床結(jié)構(gòu)，通過對鏜軸軸承附近溫度進(jìn)行檢測。鏜軸前軸承附近(位置1)、最終在鏜軸箱前端壁面(位置2)、鏜軸拖座(位置3)分別對應(yīng)布置3 個(gè)溫度傳感器(傳感器l、2、3)，在機(jī)床防護(hù)罩上(位置4)安裝一個(gè)溫度傳感器(傳感器4)用以表征環(huán)境溫度。

圖3 溫度傳感器1 和2 安裝位置

圖4 傳感器3 安裝位置

1.3 檢測結(jié)果

鏜軸以不同轉(zhuǎn)速進(jìn)行空運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)，鏜軸軸承會(huì)承受不同的線速度和以及不同的溫度場(溫升速度和冷卻速度存在差異)，軸承單位時(shí)間內(nèi)發(fā)熱量發(fā)生改變，鏜軸溫度場和熱變形也隨之改變。數(shù)據(jù)采集過程中，主要對機(jī)床鏜軸常用轉(zhuǎn)速1 500 r/min，2 000 r/min和2 500 r/min 空載運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的溫度和鏜軸軸向伸長量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，圖5 所示為圖3 及圖4 所示溫度傳感器布置測量的溫度值和圖2 所示測量得出的伸長量的關(guān)系圖。

圖5 各軸承位置溫升對鏜軸伸長量的影響

圖5 所示中可以看出，鏜軸伸長量與溫度傳感器線性關(guān)系最佳為前軸承后端面位置。溫升最大為后軸承位置，在補(bǔ)償過程中選擇線性關(guān)系較好位進(jìn)行線性擬合，通過對該處溫度與鏜軸伸長量進(jìn)行線性擬合分析得出檢測溫度數(shù)值=21.60 +0.570 2 ×鏜軸伸長量數(shù)值，按該公式進(jìn)行計(jì)算，模型誤差的標(biāo)準(zhǔn)方差S =0.976 819，模型誤差占總誤差的百分比值R-Sq=96.3%，R-Sq(調(diào)整) =96.1%，從以上數(shù)值可以得出，補(bǔ)償時(shí)可以選用該點(diǎn)進(jìn)行溫升檢測反饋至數(shù)控系統(tǒng)中，是具有很高的可靠性的，具體分析圖形如圖6所示。

圖6 按線性擬合與實(shí)測數(shù)據(jù)比較

2 熱誤差補(bǔ)償方式

根據(jù)以上分析結(jié)果，在鏜軸熱膨脹有線性相關(guān)的位置放置PT100 型溫度傳感器進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度檢測，并找出與其線性相關(guān)較為明顯的監(jiān)測點(diǎn)，通過溫度傳感器與數(shù)控系統(tǒng)的連接，在對W 軸的移動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)的補(bǔ)償，以彌補(bǔ)鏜軸伸長量對機(jī)床加工精度的影響，以保證零件的加工表面的平面度以及相關(guān)精度。補(bǔ)償原理如圖7 所示。

圖7 補(bǔ)償原理圖

3 鏜軸熱膨脹補(bǔ)償后結(jié)果

通過對TH65100/2 機(jī)床在高速加工時(shí)，鏜軸由于隨著溫升存在軸向膨脹而影響機(jī)床的加工精度，針對鏜軸在2 500 r/min 轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)的膨脹量較大，通過多次試驗(yàn)取得較為充分的數(shù)據(jù)后，針對各點(diǎn)膨脹量進(jìn)行合理的補(bǔ)償，根據(jù)擬合函數(shù)進(jìn)行以能滿足加工要求為原則的情況下進(jìn)行補(bǔ)償，選用數(shù)控系統(tǒng)的反向補(bǔ)償是一種行之有效的方法。以下數(shù)據(jù)通過補(bǔ)償之后與補(bǔ)償前的數(shù)據(jù)比較如圖8所示。

圖8 補(bǔ)償前、后鏜軸伸長量測量值對比

4 結(jié)束語

機(jī)床的熱穩(wěn)定性研究是一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)態(tài)平衡問題，具體的補(bǔ)償方式也根據(jù)機(jī)床的鏜軸結(jié)構(gòu)不同而截然不同。而鏜桿伸縮式鏜軸結(jié)構(gòu)更為復(fù)雜，針對機(jī)床加工性能的需求，通過對本臺機(jī)床主軸箱溫度的多次數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)分析，得出找到溫升數(shù)據(jù)和鏜軸伸長量具有較好的線性關(guān)系的測溫點(diǎn)，通過線性擬合進(jìn)行分析得到補(bǔ)償函數(shù)，利用數(shù)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)補(bǔ)償，取得很好的效果，滿足了高速加工對機(jī)床精度的要求。

(1)在不同的生產(chǎn)環(huán)境中，鏜軸的膨脹量具體數(shù)值存在一定的差異性，如何進(jìn)行及時(shí)的調(diào)整;

(2)定制更加準(zhǔn)確的補(bǔ)差理論，保證機(jī)床更高的精度等。

以上問題還需要在以后的制造過程中進(jìn)行逐步摸索，并總結(jié)規(guī)律和進(jìn)一步改進(jìn)。

［1］仇健，劉啟偉，劉春時(shí)，等．臥式加工中心鏜軸溫度場預(yù)測與熱誤差分布［J］．制造技術(shù)與機(jī)床，2012(8):77－82．

［2］何俊，賴玉活，羅錫榮，等．基于ANSYS Workbench 的數(shù)控車床鏜軸系統(tǒng)熱－結(jié)構(gòu)耦合分析［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2011(7):9－22．

［3］李旸，位文明，趙萬華，等．精密臥式加工中心鏜軸軸向熱誤差補(bǔ)償方法［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(8):9－13．

［4］李廣濤，薛重德，侯小強(qiáng)．基于TMs320F2812 的三次B樣條曲線實(shí)時(shí)插補(bǔ)［J］．中國制造業(yè)信息化，2008，12(23):55－57．

［5］范晉偉，雒駝，李云，等．臥式加工中心誤差建模與補(bǔ)償技術(shù)的研究［J］．組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2012(11):8－11．